1、第七章 相变对流传热,1 、重点内容： 凝结与沸腾换热机理及其特点； 膜状凝结换热分析解及实验关联式； 大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。 2 、掌握内容： 掌握影响凝结与沸腾换热的因素。,3 、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。 蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：伴随有相变的对流换热。 工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。,7-1 凝结换热现象,凝结换热实例锅炉中的水冷壁 寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程,化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering,凝结
2、换热的关键点 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 影响膜状凝结换热的因素 会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论,1 、凝结换热现象,蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。,2 、凝结换热的分类,根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种：膜状凝结与珠状凝结,(1)膜状凝结 (film condensation):,定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。 特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热
3、（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上， 此时液膜成为主要的换热热阻。,(2)珠状凝结（dropwise condensation）,定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。,特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。 所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。,是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力，而润湿能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。,在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面上凝结成液体，沿壁
4、面下流，逐渐形成液膜。膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。,珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大大的加强，一般,珠状凝结好难于获得,7-2 膜状凝结分析解及关联式,一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解,凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化，忽略次要因素，突出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt 1916年成功地用理论分析法求解了膜状凝结问题。下面即为此理论：,
5、1. 物理问题：蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热量传给冷壁面，求换热系数。,1）常物性； 2）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜惯性力可以忽略； 4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度； 5）膜内温度分布是线形的，即认为液膜内的热量转移只有导 热，而无对流作用； 6）液膜的过冷度可以忽略； 7） ， 可忽略不计； 8）液膜表面平整无波动。,2.基本假设：,以竖壁的膜状凝结为例： x 坐标为重力方向，取如右图所示的坐标系，凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质，故满足边界层微分方程组，但要加上重力项。,3.数学描述：,根据以上 8 个假设从边界层微分方程组
6、推出努塞尔的简化方程组，从而保持对流传热理论的统一性。,考虑假定（3）液膜的惯性力忽略,考虑到假设（2）蒸汽静止，又由于 ，根据Bernoulli方程，边界层外,考虑到假设（7）蒸气密度远小于液体密度,只有u 和 t 两个未知量，于是，上面的方程组化简为：,考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热,边界条件：,4. 求解,速度分布：,温度分布：,求解液膜厚度x 处的质量流量：,X+dx 处质量流量的增量,对微元体应用热力学第一定律,即,得,液膜厚度,分离变量积分,竖壁的平均表面传热系数：,5. 局部表面传热系数（忽略过冷度）,倾斜壁,水平管 Nusselt 采用图解积分得,定性温度
7、，除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2 公式使用范围，层流 Re1600,6. 几点说明,球表面,伽利略数（Galileo Number）,雅各布数（Jacob Number）：反映了液膜过冷度的相对大小,7.准则关系,8. 理论公式的修正,横管吻合很好。竖壁，Re20时，实验值 比理论值高20%,二、膜层中凝结液的流动状态,凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然是Re。,式中： 为 x = l 处液膜层的平均流速；为该截面处液膜层的当量直径。,如图,由热平衡,所以,对水平管，用 代替上式中的 即可。并且横管一般都处于层流状态,三、湍流膜状凝结换热,实验证明：（ 1 ）膜层雷诺
8、数 Re=1600 时，液膜由层流转变为湍流 ； （ 2 ）横管均在层流范围内，因为管径较小。,特征 :对于湍流液膜，热量的传递：（ 1 ）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（ 2 ）层流底层以外的湍流层以湍流传递的热量为主。因此，湍流液膜换热远大于层流液膜换热。,计算方法：对于竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的平均表面传热系数,式中：hl 为层流段的传热系数；ht 为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度；l 为竖壁的总高度。,利用上面思想，整理的实验关联式：,式中： 。除 用壁温计算外，其余物理量的定性温度均为,例题 7-1 压力为1.013103Pa 的水蒸气在
9、方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,解：先假设液膜为层流。根据 ts=100，查得r=2257kJ/kg。 其他物性按液膜平均温度 tm=(100+98)/2=99 查取，得： =958.4kg/m3,=2.825 10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K),则有：,核算Re准则：,说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：,凝结蒸汽量为：,7-3 影响膜状凝结的因素,工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。,1. 不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力
10、,严重性：1% 的不凝结气体能使h 降低 60%,2. 蒸气流速前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。流速较高时， 蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，h 增大；反之使 h 减小。u 向上 液膜增厚 h ；u 液膜破裂 h u 向下 液膜减薄 h ； u 液膜破裂 h ,3. 过热蒸气要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。,4. 液膜过冷度及温度分布的非线性如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的 ，5. 管子排数管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。,6. 管内冷凝此时换热与蒸气的流速
11、关系很大。蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。,7. 凝结表面的几何形状 强化凝结传热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。 可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。,强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。,实现的方法： 尖锋的表面 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉如低肋管、纵向沟槽等 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入,7-4 沸腾换热现象 (Boiling heat transfer phenomena),
12、沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程许多学科中正反过程的（物理机制）公式是一样的传热有时不一样（管内强制对流）沸腾比凝结复杂得多,一、 定义： 沸腾:指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程。 沸腾传热:物质由液态变为气态时发生的换热过程。 沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受 到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。 应用：电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；烧开水；冰箱中氟里昂的蒸发等。,1. 按流动动力分a). 大容器沸腾(池沸腾)加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。b). 强制对流沸腾(管内
13、沸腾)液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾。工业上的沸腾传热多属于此。例如冰箱的蒸发器，自然循环锅炉蒸发受热面。,二、 沸腾换热的分类,2. 从主体温度分：a). 过冷沸腾指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾，称过冷沸腾。b). 饱和沸腾液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。,理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：1）液体必须过热； 2）要有汽化核心,表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾。,三、 大容器饱和沸腾曲线,如下图所示，横坐标为壁面
14、过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段、将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下：,1.单相自然对流段（液面汽化段）,壁面过热度小时（图中 ）沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。,2.核态沸腾段（饱和沸腾段）,随着 的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：,开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区；,随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为相互影响区。,随着 的增大，q 增大，当 增大到一定值时，q 增加到最大值 ，汽泡
15、扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸腾）。,其特点：温差小，换热强度大，其终点的热流密度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。,3.过渡沸腾段,从峰值点进一步提高 ，热流密度 q 减小；当 增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定过程。,原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 qm 下降。,4.稳定膜态沸腾段,从 开始，随着 的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升时，热流密度 q
16、上升，此阶段称为稳定膜态沸腾。,其特点： （ 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 ）辐射热量随着 的加大而剧增，使热流密度大大增加； （ 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。,几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。 （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。,1. 汽泡稳定存在条件： 设有一个容器，底面加热，上面压
17、力ps 对应ts，如中间有汽泡，其内压力pv， 温度tv，周围流体对应pl , tl 。 稳定条件：热平衡 力平衡 热平衡 tl= tv tl tv 液体向汽泡传热，汽泡中的汽要膨胀长大。,四、汽泡动力学简介：,压力差,表面张力,力平衡 取半个汽泡为控制体，受两个力,平衡时,如略去液柱压力，则,2.汽化核心的分析(1) 汽泡的成长过程实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。,（2). 汽泡起始于壁面：,汽泡总是由小至大生长的，R 越小，越易形成。其实液
18、体中 tl 也有分布，在壁面处 tl= tw 最高，R 最小, 故汽泡在壁面上形成，而壁面凹处常有残存气体，故最先能满足汽泡形成条件，这样的地方称为汽化核心（Nucleation site）。,（3). tw 汽泡增多,壁面附近,同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量 增加 汽化核心数增加 换热增强,7-5 沸腾换热计算式,沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即,但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式,1 大容器饱和核态沸腾影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况比较复杂，导致了计算公式分歧较大。目前
19、存在两种计算式： （ 1 ）针对一种液体的计算公式； （ 2 ）广泛适用于各种液体的计算式；,按 ,（1）适用于水的米海耶夫计算式,对于水，米海耶夫推荐的在 压力下大容器饱和沸腾的计算式为：,式中：p 沸腾绝对压力（Pa）,（2）适用于各种液体的计算式:,基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换热的设想，罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：,上式可以改写为：,对于制冷介质而言，以下的库珀（Cooper）公式目前得到广泛的应用：,其中： 为液体的相对分子质量；为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为0.30.4）；为热
20、流密度。,2 大容器沸腾的临界热流密度,对于大容器沸腾的临界热流密度的计算，推荐采用如下半经验公式：,3 大容器膜态沸腾的关联式,式中，除了r 和 l 的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平均温度 tm ( twts ) / 2 为定性温度，特征长度为管子外径d, 如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为0.67,膜态沸腾中，汽膜的流动和传热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和传热，适宜用简化的边界层作分析。对于横管的膜态沸腾，有以下公式：,其中：,由于汽膜热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，壁面的净换热量除了按沸腾计算的以外，还有辐射传热。辐射传热的作用会增加汽膜的厚度，因此不能
21、认为此时的总换热量是按对流传热与辐射传热方式各自计算所得之值的简单叠加。勃洛姆来建议采用以下超越方程来计算考虑对流传热与辐射传热相互影响在内的复合传热的表面传热系数,7-6 影响沸腾传热的因素,沸腾传热是我们学过的传热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾传热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾传热。,1 不凝结气体,与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾传热得到某种强化。因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽泡的胚芽，从而使 q t 沸腾曲线向着t减小的方向移动，即在相同的 t下产生更高的热流密度，强化了传热。
22、但对处于稳定运行下的沸腾传热设备来说，必须不断地向工作液体注入不凝结气体。,2 过冷度,在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度的沸腾称为过冷沸腾。对于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始点附近区域外，过冷度对沸腾传热的强度并无影响。在核态沸腾起始段，自然对流的机理还占相当大的比例，而自然对流时 因而过冷会使该区域的传热有所增强。,3 液位高度当传热表面上的液位足够高时，沸腾传热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高。这一特定的液位值称为临界液位。对于常压下的水，其值约为5mm。,4 重力加速度随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明：,从0.1 1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于因此，g Nu 换热加强。,5 沸腾表面的结构沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段： 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与 化学手段在换热表面上形成多孔结构。 机械加工方法在换热表面上形成多孔结构。,
