第四節(jié)有相變的對(duì)流傳熱-南京理工大學(xué)

1、第四節(jié) 有相變的對(duì)流傳熱蒸氣冷凝和液體沸騰都是伴有相變化的對(duì)流傳熱過(guò)程。這類傳熱過(guò)程的特點(diǎn)是相變流體要放出或吸收大量的潛熱，對(duì)流傳熱系數(shù)較無(wú)相變時(shí)更大，例如水的沸騰或水蒸氣冷凝。本節(jié)只討論純流體的沸騰和冷凝傳熱。4-4-1 蒸氣冷凝傳熱 一、蒸氣冷凝方式當(dāng)飽和蒸氣與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，蒸氣放出潛熱，并在壁面上冷凝成液體。蒸氣冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。1膜狀冷凝若冷凝液能夠潤(rùn)濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜，稱為膜狀冷凝，如圖4-16（a）和（b）所示。在壁面上一旦形成液膜后，蒸氣的冷凝只能在液膜的表面上進(jìn)行，即圖4-16 蒸氣冷凝方式（a）、（b）膜狀冷凝（c）滴狀冷凝蒸氣冷

2、凝時(shí)放出的潛熱，必須通過(guò)液膜后才能傳給冷壁面。由于蒸氣冷凝時(shí)有相的變化，一般熱阻很小，因此這層冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動(dòng)，則所形成的液膜愈往下愈厚，故壁面愈高或水平放置的管徑愈大，整個(gè)壁面的平均對(duì)流傳熱系數(shù)也就愈小。2滴狀冷凝若冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝，如圖4-16（c）所示。在滴狀冷凝時(shí)，壁面大部分的面積直接暴露在蒸氣中，可供蒸氣冷凝。由于沒(méi)有大面積的液膜阻礙熱流，因此滴狀冷凝傳熱系數(shù)比膜狀冷凝可高幾倍甚至十幾倍。工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝，因此冷凝器的設(shè)計(jì)總是按膜狀冷

3、凝來(lái)處理。下面僅介紹純組分的飽和蒸氣膜狀冷凝傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。二、膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)1蒸氣在垂直管或板外冷凝膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)理論公式的推導(dǎo)中作以下假定：（1）冷凝液膜呈層流流動(dòng)，傳熱方式為通過(guò)液膜的熱傳導(dǎo)（Re1800）。（2）蒸氣靜止不動(dòng)，對(duì)液膜無(wú)摩擦阻力。（3）蒸氣冷凝成液體時(shí)所釋放的熱量?jī)H為冷凝潛熱，蒸氣溫度和壁面溫度保持不變。（4）冷凝液的物性可按平均液膜溫度取值，且為常數(shù)。根據(jù)上述假定，對(duì)于蒸氣在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝，可得到如下理論公式： （4-47）特征尺寸 取垂直管或板的高度。定性溫度 蒸氣冷凝潛熱r取飽和溫度ts下的值，其余物性取液膜平均溫度tm=（tw+ts）/

4、2下的值。式4-47中各符號(hào)意義為 L垂直管或板的高度，m； 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·）；冷凝液的密度，kg/m3；冷凝液的粘度，kg/（m·s）； r飽和蒸氣的冷凝潛熱，kJ/kg； t蒸氣的飽和溫度ts和壁面溫度tw之差，。蒸氣冷凝時(shí)傳熱系數(shù)的計(jì)算式可整理成準(zhǔn)數(shù)形式：設(shè)b為液膜潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度；W為單位時(shí)間在b上的冷凝液量，則單位長(zhǎng)度潤(rùn)濕周邊上單位時(shí)間的冷凝液量M=W/b，其單位為kg/（m·s）。若膜狀流動(dòng)時(shí)的橫截面積（流通面積）為A，則當(dāng)量直徑de為： 則 （4-48）將對(duì)流傳熱方程改為： （4-49）將式4-49代入式4-47，有 （4-50） 式中稱為

5、無(wú)因次冷凝傳熱系數(shù)，常以*表示，則 *=1.47Re-1/3 （4-51）由于在推導(dǎo)理論公式時(shí)所做的假定不能完全成立，例如蒸氣速度不為零，蒸氣和液膜間有摩擦阻力等，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理論值約大20%左右，故得修正公式為 （4-52）若用無(wú)因次冷凝傳熱系數(shù)來(lái)表示，可得 *=1.76Re-1/3 （4-53）若膜層為湍流（Re1800），則 （4-54）比較式4-53和式4-54可看出，當(dāng)Re值增加時(shí)，對(duì)層流，值減??；而對(duì)湍流，值增大。這種影響如圖4-17所示。圖中線AA和BB分別表示層流下*的理論值和實(shí)際值；線CC表示湍流下*的實(shí)際值。圖4-17 Re值對(duì)冷凝傳熱系數(shù)的影響2蒸氣在水平管外冷凝 若

6、蒸氣在單根水平管外冷凝時(shí)，因管徑較小，膜層通常呈層流流動(dòng)。應(yīng)指出，對(duì)水平單管，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和由理論公式求得的結(jié)果相近，即 （4-55）若蒸氣在水平管束外冷凝，則 （4-56）式中 n水平管束在垂直列上的管數(shù)。三、影響冷凝傳熱的因素飽和蒸氣冷凝時(shí)，熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。因此液膜的厚度及其流動(dòng)狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵因素。1冷凝液膜兩側(cè)的溫度差t 當(dāng)液膜呈層流流動(dòng)時(shí)，若t加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而膜層厚度增厚，使冷凝傳熱系數(shù)降低。2流體物性 由膜狀冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算式可知，液膜的密度、粘度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸氣的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。3蒸氣的流速和流向 蒸氣以一定的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，和液膜間產(chǎn)生一定的摩

7、擦力，若蒸氣和液膜同向流動(dòng)，則摩擦力將使液膜加速，厚度減薄，使增大；若逆向流動(dòng)，則減小。但這種力若超過(guò)液膜重力，液膜會(huì)被蒸氣吹離壁面，此時(shí)隨蒸氣流速的增加，急劇增大。4蒸氣中不凝性氣體的影響 若蒸氣中含有空氣或其它不凝性氣體，則壁面可能被氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很?。铀谏w，增加了一層附加熱阻，使急劇下降。5冷凝壁面的影響 若沿冷凝液流動(dòng)方向積存的液體增多，則液膜增厚，使傳熱系數(shù)下降。例如，對(duì)于管束，為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般需減少垂直列管的數(shù)目或把管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流過(guò)，如圖4-18所示。此外，冷凝壁面粗糙不平或有氧化層，則會(huì)使膜層加厚，增加膜層阻力，因而降

8、低。4-4-2 液體的沸騰傳熱在液體的對(duì)流傳熱過(guò)程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過(guò)程，稱為液體沸騰（又稱沸騰傳熱）。工業(yè)上液體沸騰的方法有二種：一種是將加熱壁面浸沒(méi)在無(wú)強(qiáng)制對(duì)流的液體中，液體受熱沸騰，稱為大容積沸騰；另一種是液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。后者沸騰機(jī)理更為復(fù)雜，下面主要討論大容積沸騰。圖4-18 冷凝器中管子的切向旋轉(zhuǎn) 圖4-19 水的沸騰曲線 一、液體沸騰曲線實(shí)驗(yàn)表明，大容器內(nèi)飽和液體沸騰的情況隨溫度差t（即twts）而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。下面以常壓下水在大容器中沸騰傳熱為例，分析沸騰溫度差t對(duì)沸騰傳熱系數(shù)和熱通量q的影響。如圖4-19所示，

9、當(dāng)溫度差t較?。╰5）時(shí)，加熱表面上的液體輕微過(guò)熱，使液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對(duì)流，但沒(méi)有氣泡從液體中逸出液面，而僅在液體表面發(fā)生蒸發(fā)，此階段和q都較低，如圖4-19中AB段所示。當(dāng)t逐漸升高（t=525）時(shí)，在加熱表面的局部位置上產(chǎn)生氣泡，該局部位置稱為汽化核心。氣泡產(chǎn)生的速度隨t上升而增加，且不斷地離開壁面上升至蒸氣空間。由于氣泡的生成、脫離和上升，使液體受到劇烈的擾動(dòng)，因此和q都急劇增大，如圖4-19中BC段所示，此段稱為泡核沸騰或泡狀沸騰。當(dāng)t再增大（t25）時(shí)，加熱面上產(chǎn)生的氣泡也大大增多，且氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離表面的速度。氣泡在脫離表面之前連接起來(lái)，形成一層不穩(wěn)定的蒸氣膜，使液體不能和加

10、熱表面直接接觸。由于蒸氣的導(dǎo)熱性能差，氣膜的附加熱阻使和q都急劇下降。氣膜開始形成時(shí)是不穩(wěn)定的，有可能形成大氣泡脫離表面，此階段稱為不穩(wěn)定的膜狀沸騰或部分泡狀沸騰，如圖4-19中CD段所示。由泡核沸騰向膜狀沸騰過(guò)渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C稱為臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)上的溫度差、傳熱系數(shù)和熱通量分別稱為臨界溫度差tc、臨界沸騰傳熱系數(shù)c和臨界熱通量qc。當(dāng)達(dá)到D點(diǎn)時(shí)，傳熱面幾乎全部為氣膜所覆蓋，開始形成穩(wěn)定的氣膜。以后隨著t的增加，基本上不變，q又上升，這是由于壁溫升高，輻射傳熱的影響顯著增加所致，如圖4-19中DE段所示。實(shí)際上一般將CDE段稱為膜狀沸騰。其它液體在一定壓強(qiáng)下的沸騰曲線與水的有類似的形狀，僅臨界點(diǎn)的數(shù)

11、值不同而已。應(yīng)予指出，由于泡核沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰的大，工業(yè)生產(chǎn)中一般總是設(shè)法控制在泡核沸騰下操作，因此確定不同液體在臨界點(diǎn)下的有關(guān)參數(shù)具有實(shí)際意義。二、沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算關(guān)于沸騰傳熱至今還沒(méi)有可靠的一般的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，但可按以下函數(shù)形式進(jìn)行關(guān)聯(lián)。 （4-57）式中 ts蒸氣的飽和溫度，；C和B通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的兩個(gè)參數(shù)。三、影響沸騰傳熱的因素1液體的性質(zhì) 液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度和表面張力等均對(duì)沸騰傳熱有重要的影響。一般情況下，隨、的增加而增大，而隨及的增加而減小。2溫度差t 溫度差（twts）是控制沸騰傳熱過(guò)程的重要參數(shù)。曾經(jīng)有人在特定的實(shí)驗(yàn)條件（沸騰壓強(qiáng)、壁面形狀等）下，對(duì)多種液體進(jìn)行泡核沸騰時(shí)傳熱系數(shù)的測(cè)定，整理得到下面形式的經(jīng)驗(yàn)式： =a（t）n （4-58）式中a和n是隨液體種類和沸騰條件而異的常數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3操作