1、2019/4/29,52-1,第七章 相变对流传热,2019/4/29,52-2,2019/4/29,52-3,7-1 凝结传热的模式,2019/4/29,52-4,2019/4/29,52-5,蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触会发生凝结现象。,两种凝结方式：,膜状凝结,膜状凝结特点： 1、液体能够浸润壁面； 2、壁面覆盖一层液膜，热阻主要为液膜传热热阻,液体对固体的浸润性,2019/4/29,52-6,珠状凝结,珠状凝结特点： 1、液体不能够浸润壁面； 2、凝结液体呈珠状,珠状凝结过程： 1、气体在壁面凝结，形成液珠 2、液珠不断长大 3、在非水平壁面上，液珠长大后沿壁面下滚，一方面与其它液珠合
2、并，一方面清扫沿途液珠 4、壁面形成新的液珠,珠状凝结较膜状凝结表面换热系数高（数倍或一个数量级），但不易长久维持。,设计换热器时，考虑尽量破除液膜,2019/4/29,52-7,7-2 膜状凝结分析解及计算关联式,2019/4/29,52-8,Wilhelm Nusselt （1882-1957）,1、努塞尔层流膜状凝结分析解,Nusselt的思想： 抓住主要影响因素液膜导热热阻，忽略次要因素，从而从理论上揭示问题本质。,根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液膜动量方程式和能量方程式，然后求解液膜内的速度场和温度场，从而得出换热系数的理论解。,1916年Nusselt最先导得纯净蒸汽层流膜
3、状凝结理论解。,2019/4/29,52-9,Nusselt的假设和简化：,1、蒸汽为纯净饱和蒸汽（tvts）；,2、凝结生成的液膜为层流；,3、常物性；,4、蒸气静止，忽略蒸汽对液膜的粘滞力；,5、液膜速度很低，忽略其惯性力；,6、液膜表面温度等于蒸汽饱和温度， （tts）；,7、液膜内只有导热，无对流，膜内温度为线性；,8、液膜表面平整，无波动。,2019/4/29,52-10,以竖壁、稳态、膜状凝结为例：,连续性方程：,动量方程：,能量方程：,假设5：液膜速度很低，忽略其惯性力,dp/dx为液膜在x方向压力梯度，等于y处蒸汽侧压力梯度( dp/dx)v：,假设4：蒸汽静止。,2019/4
4、/29,52-11,假设7：液膜内只有导热，无对流,未知量两个：u，t。故只需两个方程。,稳态竖壁膜状凝结换热微分方程组：,2019/4/29,52-12,稳态竖壁膜状凝结换热微分方程组：,边界条件：,求解思路： 根据微分方程及边界条件求得液膜厚度、液膜内的速度场和温度场，再根据导热方程和牛顿冷却公式得出表面换热系数的理论解。,2019/4/29,52-13,计算结果：,液膜厚度：,局部表面传热系数：,整个竖壁平均表面传热系数：,r潜热,2019/4/29,52-14,与水平轴夹角为（ 0）的斜壁，将g写为gsin 即可,局部表面传热系数：,斜壁平均表面传热系数：,水平圆管平均表面传热系数：,
5、球表面平均表面传热系数：,2019/4/29,52-15,当其它条件相同时，横管与竖壁的平均表面传热系数比值为：,如果l /d50：,因此冷凝器（在管外凝结）通常采用横管布置。,定性温度：,潜热定性温度：ts,2019/4/29,52-16,7-3 影响膜状凝结的因素及其传热强化,2019/4/29,52-17,实际中膜状凝结过程非常复杂，影响因素很多。,1 不凝性气体,例：水 蒸气含1空气可使h下降60,不凝性气体的存在使蒸汽分压力下降，由热力学可知相应的饱和温度将下降，降低了凝结温度差。,2 管子排数,n排横列管子总的换热通常优于n组单排管换热效果 原因：上排管滴落的液滴会对下排管液膜产生
6、冲击,2019/4/29,52-18,3 管内冷凝,4 蒸汽流速,蒸汽流速将对液膜表面产生剪切力和冲击作用，从而影响液膜状态：厚度、稳定性、形状等。,例如：撕破或减薄液膜可增加h,2019/4/29,52-19,5 蒸气过热度,前面讨论忽略了蒸汽过热度。,6 液膜过冷及温度分布非线性,前面讨论忽略了液膜过冷度及液膜中温度非线性分布。,用,代替r，即可应用前面结果。,2019/4/29,52-20,膜状凝结的强化原则和技术,工质为制冷剂的冷凝器热阻通常在凝结一侧，应强化凝结侧的换热。,一种强化：破坏或减薄液膜,减薄液膜：凝结侧采用低肋或锯齿。通常液体与固体表面浸润，利用表面张力使液膜变薄,及时排
7、液：采取措施使将液膜破坏并将液体引导出去,2019/4/29,52-21,7-4 沸腾传热的模式,2019/4/29,52-22,沸腾分类：,大容器沸腾 （大空间沸腾、池内沸腾）,管内沸腾（强制对流沸腾）,2019/4/29,52-23,过冷沸腾: 液体主体温度低于饱和温度,饱和沸腾: 液体主体温度达到饱和温度,2019/4/29,52-24,1、大容器饱和沸腾的四个区域,加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾，称为大容器沸腾。,壁面过热度：饱和沸腾时，壁温与饱和温度之差,壁面过热度t对沸腾状态有很大的影响。 壁面热流密度q随壁面过热度t的增加而增加。,壁面热流密度q与过热度t的关系曲
8、线称为沸腾曲线。,饱和沸腾随t的变化分为四个区域：自然对流、核态沸腾（泡状沸腾）、过渡沸腾及稳定膜态沸腾。,各区域换热规律完全不同,2019/4/29,52-25,饱和水在水平加热面的沸腾曲线,2019/4/29,52-26,A,B,C,D,E,50,10,5,30,100,500,自然对流,核态,过渡态,稳定膜态,qmax,qmin,DNB,自然对流区,核态沸腾（泡状沸腾）区,壁面过热度小，换热服从单相自然对流,自B点（起沸点）起壁面某些地点（汽化核心）产生的气泡，气泡长到一定尺寸脱离壁面。,开始阶段，气泡互不影响，为孤立气泡区,2019/4/29,52-27,随t逐渐增加，汽化核心增加，气
9、泡相互影响，可合并成气块及气柱(Slugs),核态沸腾区：气泡扰动剧烈、h与q随t增加急剧增大,核态沸腾特点：温差小、换热强度高,工业应用通常选择该区域,2019/4/29,52-28,A,B,C,D,E,50,10,5,30,500,自然对流,核态,过渡态,稳定膜态,qmax,qmin,DNB,过渡沸腾区,自C点开始，热流密度q反而随t增加而逐渐下降。 原因：加热面气泡太多，影响液态水补充到壁面，传热恶化。随t增加情况变糟。,2019/4/29,52-29,稳定膜态沸腾区,自D点开始，热流密度q又随t增加而逐渐增加。 原因：加热面形成一层稳定的气膜层，壁面热辐射增强。,2019/4/29,5
10、2-30,A,B,C,D,E,50,10,5,30,500,自然对流,核态,过渡态,稳定膜态,qmax,qmin,DNB,临界热流密度（CHF） (Critical Heat Flux),C点热流密度达到一个极大值qmax。,1000,对于通过控制热流密度改变工况的热工设备：壁面过热度ttw- ts受热流密度控制，即壁面温度由q决定。,一旦热流密度q稍微大于qmax，壁面温度急剧增加。,此时设备很容易烧毁。C点称为烧毁点,2、临界热流密度及工程意义,2019/4/29,52-31,A,B,C,D,E,50,10,5,30,500,自然对流,核态,过渡态,稳定膜态,qmax,qmin,DNB,核
11、态沸腾转折点（DNB） (Departure from Nucleate Boiling),自DNB点开始热流密度上升趋缓，可作为监视的qmax警戒点。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。,32,7-5 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也比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。,33,为此，书
12、中分别推荐了两个计算式 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，推荐适用米海耶夫公式，压力范围：1054106 Pa,按 ,34,（2）罗森诺公式广泛适用的强制对流换热公式,既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr )也应该适用。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：,式中， r 汽化潜热；Cpl 饱和液体的比定压热容g 重力加速度l 饱和液体的动力粘度Cwl 取决于加热表面液体组合情况的经验常数(表6)q 沸腾传热的热流密度s 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7,35,上式可以改写为：,可见， ，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达
13、100，但已知q计算 时，则可以将偏差缩小到33。,2 大容器沸腾的临界热流密度,书中推荐适用如下经验公式：,36,勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：,其中：,（2）考虑热辐射作用,由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。,2019/4/29,52-37,7-6 沸腾传热的影响因素及其强化,2019/4/29,52-38,沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。,1 不
14、凝结气体,与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化,只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时， ， 因此，过冷会强化换热。,2 过冷度,一、影响沸腾传热的因素,2019/4/29,52-39,3 液位高度,介质为一个 大气压下的水,4 重力加速度,就现有的成果表明：,当传热表面上的液位足够高时，沸腾换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(临界液位)。,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, g Nu 换热加强。,2019/4/29,52-40,5、管内沸腾,管内强制对流沸腾为两相流，非常复杂。,仅以竖管管内强制对流沸腾为例简介可能出现的流动状况及换热类型。,2019/4/29,52-41,二、 强化沸腾传热的原则和技术,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。,作业：21，38,
