傳熱學課件第七章凝結與沸騰換熱

1、第七章第七章 凝結與沸騰換熱凝結與沸騰換熱第一節(jié)第一節(jié) 凝結換熱凝結換熱第二節(jié)第二節(jié) 沸騰換熱沸騰換熱第三節(jié)第三節(jié) 熱管熱管第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱一、概述一、概述1.1.定義：定義：蒸汽與低于相應壓力下飽和溫度的冷壁面接觸，在冷壁面上發(fā)生蒸汽變成液體的現(xiàn)象。2.2.凝結形式：凝結形式：依凝結液體依附于壁面型式不同，有膜狀凝結膜狀凝結與珠狀凝結珠狀凝結兩種。膜狀凝結：膜狀凝結：凝結液能很好地潤濕壁面，形成完整的液膜向下流動。 a.a.形成機理：形成機理： 冷壁對凝液的吸附力凝液的表面張力 b.b.換熱機理：換熱機理： 液膜往往成為主要熱阻。 換熱與液膜厚薄、運動狀態(tài)等有關。壁液膜蒸

2、汽第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱a.a.以壁面上微小凹坑為核化點：以壁面上微小凹坑為核化點： 先形成較小液珠，再逐漸長大。 凝結主要在液珠外進行。 潛熱以導熱和對流通過液珠。 認為：F2F1b.b.另一模式認為：另一模式認為： 先形成液膜，后斷裂成水珠。 換熱主要在斷裂的裸壁處。 實驗表明：實驗表明： h珠狀比h膜狀大510倍。F1F2核化點過冷蒸汽內循環(huán)一、概述一、概述2.2.凝結形式凝結形式珠狀凝結：珠狀凝結：凝液形成一個個液珠。其形成與換熱機理為：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱1.1.層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）層流膜狀

3、凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）1.1.假設：假設：豎壁tw均勻，且貼壁凝液液溫也為tw，汽液交界上液溫為ts；蒸汽處于靜止狀態(tài)，對凝液運動不產(chǎn)生任何影響；凝結液處于層流狀態(tài)；忽略凝液運動時的加速度；凝液物性參數(shù)為常數(shù)；忽略膜內對流換熱及沿液膜縱向的導熱，即液膜的換熱是純導熱，其溫度分布呈線性；凝結蒸汽為純凈蒸汽；蒸汽密度 凝結液體密度。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱1.1.層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）yxdxtuutwts+d+di/Mi/dMabcdy dy dxw

4、ytidxMdxdM第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱 式中：dp/dx為液膜在x向的壓力梯度，可按y=處液膜表面蒸汽壓力梯度來算，若將上述動量方程用于蒸汽時，由于u汽=0，故有： dp/dx=g 據(jù)假設，忽略加速度，則動量式中左項為0，將代入：122yudxdpyuxugu3022gdyud4022gdyud二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱1.1.層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）2.2.局部對流換熱系數(shù)的導出局部對流換熱系數(shù)的導出 由動量方程：據(jù)假設，忽略，上式變?yōu)椋旱谝还?jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱式說明作用于微元

5、體上的力只有粘滯力和重力，且兩力平衡，據(jù)前述假設此方程的邊界條件為： y=0，u=0 y=，du/dy=0 解微分方程，即得液膜的速度分布：5221yyug6/13320skgMudyMg7/22skgdMdg二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱1.1.層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）2.2.局部對流換熱系數(shù)的導出局部對流換熱系數(shù)的導出微元體熱量應守恒，設微元體寬1M，沿x處流入的凝液質量：在dx距離內的增量為：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱 設單位質量純蒸汽的焓為i/，飽和液體的焓為i/，則由汽至液的潛熱r=i/-i/

6、，據(jù)熱平衡：a+b=c+d，代入整理有： （i/-i/）dM=（t/y）wdx 因液膜只有純導熱，在x處相當于平壁，故其溫度分布為： t=tw+（ts-tw）y/ dxrwsttdg22 104124grttxwsx二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱1.1.層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）2.2.局部對流換熱系數(shù)的導出局部對流換熱系數(shù)的導出將上式積分得：將、代入得：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱1.1.層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽

7、在豎壁的膜狀凝結）2.2.局部對流換熱系數(shù)的導出局部對流換熱系數(shù)的導出 據(jù)牛頓冷卻公式及傅里葉定律：41432wsxttxrgh1141320943. 0|341wslxxlxttxrglhdxhhhx（ts-tw）dx=（ts-tw）/（x）dxhx=/（x） 將（x）代入得：設豎壁高為l，則理論上平均換熱系數(shù)為：上式即為努謝爾特推出的理論平均換熱系數(shù)計算式。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱1.1.層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）層流膜狀凝結換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結）3.3.實用關系式實用關系式 上式結果與實驗相較，實驗h

8、值比上式計算值高20%左右，故在實際使用時，將系數(shù)0.943修改成1.13。4132725. 0wsttdrgh 對于水平放置的圓管外壁的凝結換熱，若以外徑d定型，其h為：上列各表中定性溫度均為：tm=（ts+tw）/2 對于豎放管外壁凝結換熱，其計算可用豎壁公式計算，此時定型尺寸為管長l，故只要管子不是很短，橫放時管外凝結表面的換熱系數(shù)將高于豎放，如當l/d=50時，h橫2h豎，故冷凝設計多用橫管。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱 式中：um為壁底部液膜斷面平均流速 de為壁底部液膜斷面當量直徑 如圖：潤濕周邊U=L，f=L，則有： de=4f/L=4umLlmemecududReMum

9、c44Rertthlwsc4Re二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱2.2.凝結液膜雷諾數(shù)凝結液膜雷諾數(shù)ReRec c及凝結準則及凝結準則CoCo1.1.凝結液膜雷諾數(shù)凝結液膜雷諾數(shù)ReRec c M=um為單位時間單位寬度通過斷面的凝液量，單位為：kg/sm。另據(jù)：h（ts-tw）l=rM 可得另一形式：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱2.2.凝結液膜雷諾數(shù)凝結液膜雷諾數(shù)ReRec c及凝結準則及凝結準則CoCo1.1.凝結液膜雷諾數(shù)凝結液膜雷諾數(shù)ReRec c 對于橫管，用d代替l，得橫管的Rec為：rttdhwsc4Re31223ghCo313123GaN

10、uCoglhl2.2.凝結準則凝結準則CoCo定義：凝結準則也可寫成： 上式中：Ga=gl3/2為伽利略（Galileo）準則，于是凝結換熱也可寫成準則方程式的形式。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱二、膜狀凝結換熱二、膜狀凝結換熱3.3.層流膜狀凝結換熱準則關聯(lián)式層流膜狀凝結換熱準則關聯(lián)式 如式7-1c、7-2b、7-5b、7-6等4.4.紊流膜狀凝結換熱紊流膜狀凝結換熱5.5.水平管（橫管）內凝結換熱水平管（橫管）內凝結換熱6.6.水平管束管外平均表面換熱系數(shù)水平管束管外平均表面換熱系數(shù)當管排間距小時，上排管凝液的流下會使下排管液膜增厚，而導致?lián)Q熱系數(shù)下降，若管排數(shù)為n，此時用nd作定型

11、尺寸，代入式7-2，即得全管束平均換熱系數(shù)hn，當n25時，仍取n=25，即n25后全管束平均換熱系數(shù)不變。若管排間距大，上排凝液下落時會對下排管產(chǎn)生一定的撞擊和飛濺，增加了對凝液膜的擾動，使換熱增強，此時實際的hn值比上述計算要大。其規(guī)律還有待探索。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結結 換換 熱熱三、影響膜狀凝結的因素及增強換熱的措施三、影響膜狀凝結的因素及增強換熱的措施1.1.影響因素影響因素1.1.蒸汽流速：蒸汽流速：當蒸汽流向與液膜流向相反時，h；當蒸汽流向與液膜流向相同時，h；無論兩者方向相同相反，均增加對液膜的擾動h。2.2.不凝氣體不凝氣體3.3.表面粗糙度表面粗糙度4.4.蒸氣含油蒸氣含油

12、5.5.過熱蒸汽過熱蒸汽2.2.增強凝結換熱的措施增強凝結換熱的措施 改變表面幾何特征、有效地排除不凝氣體、速排凝液、促進凝結向珠狀凝結轉化等。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱一、沸騰分類一、沸騰分類 大空間沸騰：大空間沸騰：指加熱壁面被沉浸在無宏觀流速的液體表面（自由表面）下所發(fā)生的沸騰。 有限空間沸騰（管內沸騰、受迫對流沸騰等）：有限空間沸騰（管內沸騰、受迫對流沸騰等）：液體在壓差作用下以一定的速度流過加熱管（或其它形狀通道）內部時，在管內表面上發(fā)生的沸騰。 另根據(jù)液溫與壁溫的關系可分為： 過冷沸騰：過冷沸騰：通常twts，而tlts，且tlts，從壁面產(chǎn)生的氣泡不再被凝結。通常有三種

13、基本的沸騰狀態(tài)： 自然對流沸騰：自然對流沸騰：只有少量氣泡產(chǎn)生； 泡態(tài)沸騰（核沸騰）：泡態(tài)沸騰（核沸騰）：大量產(chǎn)生氣泡； 膜態(tài)沸騰：膜態(tài)沸騰：壁與液體間產(chǎn)生氣體隔膜。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱1.1.沸騰曲線（沸騰與溫差的關系）沸騰曲線（沸騰與溫差的關系）lgq溫差t=tw-ts0.12.21055250 5505000ABCDEF自然對流泡態(tài)（核沸騰） 過渡態(tài)膜態(tài)沸騰abc“燒毀點”燒毀q = ht第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱 R2（pv-pl）=2R pv-pl=2/R 因一般0，故有： pvplps 得到： tvtlts 另據(jù)熱平衡必

14、須有： tv=tl，此時氣泡既不長大也不縮小。 而據(jù)力的平衡必須tvts，則tlts說明在泡態(tài)沸騰時液體應處于過熱狀態(tài)，稱t=tl-ts為過熱度，它是沸騰的推動力。pstspvtvpltlpsplpvplRR2（pv-pl）2R二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰1.1.氣泡動力學簡介氣泡動力學簡介氣泡的生存條件氣泡的生存條件 力的平衡有：第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱 顯然，液體的過熱度在壁面上具有最大值，故上式表示的具有最小氣泡直徑的氣泡只可能出現(xiàn)在壁面上。 在一定的沸騰壓力和過熱度下，半徑小于Rmin的氣泡是無法生存的，因它們不具備前述使氣泡保持熱、力平衡的

15、條件。swvsttrTR2min二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰1.1.氣泡動力學簡介氣泡動力學簡介氣泡的生存條件氣泡的生存條件 據(jù)克拉貝隆-克勞修斯方程等可得到能生存的最小氣泡直徑：第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰1.1.氣泡動力學簡介氣泡動力學簡介氣泡的形成和浮升氣泡的形成和浮升 加熱面具有最大的過熱度，氣泡常在加熱面“氣化核心”處生成，且“氣化核心”常是表面凹縫處，因此處生成氣泡所需的表面功最小。 因液體的過熱，液體和壁面的熱量不斷地輸入，使汽=液界面上的液體不斷蒸發(fā)，使氣泡長大。隨浮力的加大而浮

16、升，最后沖破液面與氣相匯合。 在泡態(tài)沸騰中，氣泡不斷產(chǎn)生、長大、脫離，冷流體不斷沖刷壁面，使液體處于劇烈擾動狀態(tài)，此時其h比單相流h大。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰2.2.泡態(tài)沸騰的換熱系數(shù)計算泡態(tài)沸騰的換熱系數(shù)計算 常見的計算式為式7-11，12。注意：注意： 此時材料的表面狀況表面狀況（如劃痕等）對沸騰換熱影響很大。3.3.泡態(tài)沸騰換熱的增強泡態(tài)沸騰換熱的增強 主要措施有：在壁面用燒結化覆蓋一層多孔銅或多孔鋁，能使換熱系數(shù)提高十倍以上。另外還有采用擠壓、打磨等方法使表面變粗糙等辦法來提高換熱系數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱三、管內沸騰（有限空間沸騰）換熱簡介三、管內沸騰（有限空間沸騰）換熱簡介 換熱一般經(jīng)歷：換熱一般經(jīng)歷： 單相流體對流換熱過冷沸騰泡態(tài)沸騰液膜對流沸騰單相換熱（濕蒸汽換熱 過熱蒸汽換熱） 流動一般經(jīng)歷：流動一般經(jīng)歷：液相單相流泡狀流塊狀流環(huán)狀流氣相單相流。第三節(jié)第三節(jié) 熱熱 管管熱管的構造和簡單原理熱管的構造和簡單原理 熱管就是將通的金屬管子抽成真空，注入工作液體后密封的管子。通常是由管殼、管芯和