凝結(jié)以及沸騰物理性質(zhì)和換熱現(xiàn)象

1、凝結(jié)以及沸騰物理性質(zhì)和換熱現(xiàn)象12一、凝結(jié)換熱 蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的換熱。各種液體二、凝結(jié)換熱的分類 1. 膜狀凝結(jié)(filmwise condensation): 在壁面形成完整的液膜的凝結(jié)。 2. 珠狀凝結(jié)(dropwise condensation)： 凝結(jié)液以液珠的形式向下滾落時形成的對流換熱。3 是否形成膜狀凝結(jié)主要取決于凝結(jié)液的潤濕能力，而潤濕能力又取決于表面張力。表面張力小的潤濕能力強。實踐表明，幾乎所有的常用蒸氣在純凈條件下在常用工程材料潔凈表面上都能得到膜狀凝結(jié)。45 珠狀凝結(jié)的特點是小液珠在壁面形成、長大、脫落，沿途清掃液珠，壁面裸露，蒸氣直接與壁接觸，凝結(jié)成新

2、的液珠。 在珠狀凝結(jié)時，蒸氣與冷卻壁之間沒有液膜熱阻，故傳熱大的加強，一般 在工業(yè)中常用流體的潤濕能力都比較強。凝結(jié)時，先在壁面上凝結(jié)成液體，沿壁面下流，逐漸形成液膜。 膜狀凝結(jié)時，壁面總被液膜覆蓋，凝結(jié)時放出的潛熱必須穿過液膜才能傳到壁面上，故液膜是換熱的主要熱阻。 珠狀凝結(jié)好 難于獲得 :通過材料表面改性或涂憎水層。6一、純凈蒸氣層流膜狀凝結(jié)分析解凝結(jié)換熱是一個非常復雜的現(xiàn)象，如要考慮所有因素將無法進行分析。傳熱學中慣用的方法是進行簡化，忽略次要因素，突出主要因素，使理論分析可以進行。Nusselt 于1916年成功地用理論分析法求解了膜狀凝結(jié)問題。下面即為此理論： 1. 物理問題：蒸氣在

3、冷壁面凝結(jié)，形成液膜，蒸氣凝結(jié)將熱量傳給冷壁面，求換熱系數(shù)。 6-2 膜狀凝結(jié)分析解及實驗關聯(lián)式71）常物性；2）蒸氣是靜止的，汽液界面上無對液膜的粘滯應力； 3）液膜慣性力可以忽略； 4）汽液界面上無溫差，界面上液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度分布是線形的，即認為液膜內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移只有導熱，而無對流作用；6）液膜的過冷度可以忽略； 7）vl， v可忽略不計；8）液膜表面平整無波動。2. 基本假設：8取如右圖所示的坐標系，因為液膜具有邊界層的特性，故滿足邊界層微分方程組，但要加上重力項。Bernoulli方程 邊界層外3.數(shù)學描述：94. 求解10 ？x 處的質(zhì)量流量X+dx 處質(zhì)量流量的增加

4、對微元體應用熱力學第一定律即11得液膜厚度分離變量積分12豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：5. 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) Newton cooling Law（忽略過冷度）13傾斜壁水平管 Nusselt 采用圖解積分得球表面14定性溫度，除r 用 ts 外其余皆為(tw+ts)/2公式使用范圍，層流 Re20）16Condensation Number橫管(層流膜狀，不可能湍流）17慣性力項及液膜過冷度的影響均可略而不計。工業(yè)應用場合滿足此條件實驗表明，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)為 1600。研究表示對于Pr數(shù)接近于1或大于1的流體，只要8. 理論公式的修正橫管吻合很好。豎壁，Re20時，實驗值高20

5、%18對于Re 1600 的湍流液膜，熱量的傳遞除了靠近壁面極薄的層流底層仍依靠導熱方式外，層流底層以外以湍流傳遞為主，換熱比層流時大為增強。對于底部已達到湍流狀態(tài)的豎壁凝結(jié)換熱，其沿整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按下式計算：除Prw 的定性溫度用 tw 外，其余均用ts，物性為凝結(jié)液的 二、湍流膜狀凝結(jié)換熱19 例題 6-1 壓力為1.013103Pa 的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)。壁的尺寸為30cm30cm，壁溫保持98。計算每小時的熱換量及凝結(jié)蒸汽量。 解：先假設液膜為層流。 根據(jù) ts=100，查得r=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均溫度 tm=(100+98)/2=99 查取，得： 3

6、,=2.825 10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K)則有：20核算Re準則：說明原來假設液膜為層流成立。換熱量可按牛頓冷卻公式計算：凝結(jié)蒸汽量為：211. 不凝結(jié)氣體： 由于不凝結(jié)氣體形成氣膜，故：1).蒸氣要擴散過氣膜，形成阻力； 2).氣膜導致蒸氣分壓力降低，從而使 ts 降低：嚴重性：1% 的不凝結(jié)氣體能使 h降低 60%凝汽器 6-3 影響膜狀凝結(jié)因素的討論222. 蒸氣流速 前面的理論分析忽略了蒸氣流速的影響。 u 向上 液膜增厚 h ；u 液膜破裂 h u 向下 液膜減薄 h ； u 液膜破裂 h 3. 過熱蒸氣 實驗證實 代替 r 即可4. 液膜過冷度及溫度分布的非

7、線形 只要用 代替計算公式中的 r，即可：235. 管子排數(shù) n排, 特征長度d nd 由于凝結(jié)液落下時要產(chǎn)生飛濺以及對液膜的沖擊擾動，會使 h 增大。6. 管內(nèi)冷凝低速高速2425267. 凝結(jié)表面情況 凝結(jié)換熱的放熱系數(shù)一般比較大，故在常規(guī)冷凝器中其熱阻不占主導地位。但實際運行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空氣的漏入使冷凝器平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯下降。實踐表明，采用強化措施可以收到實際效益。某些制冷劑的冷凝器中，強化有更大現(xiàn)實意義。強化的原則：盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚度。 實現(xiàn)的方法： 尖鋒的表面 使凝結(jié)液盡快從換熱表面上排泄掉 如低肋管、縱向溝槽等 表面改性，使膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié)

8、表面涂層（油脂、納米技術）、離子注入2728(Boiling heat transfer phenomena)一、 定義： 物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時發(fā)生的換熱叫沸騰換熱。 應用：電站中的水冷壁；工業(yè)鍋爐中的省煤器；燒開水；冰箱中氟里昂的蒸發(fā)等。 沸騰與前面介紹的凝結(jié)正好是正反兩個過程 許多學科中正反過程的（物理機制）公式是一樣的 傳熱有時不一樣（管內(nèi)強制對流） 沸騰比凝結(jié)復雜得多 6-4 沸騰換熱現(xiàn)象(本科生）291. 按流動動力分 a). 大容器(或池內(nèi))沸騰(Pool boiling)： 加熱壁面沉浸在有自由表面液體中所發(fā)生的沸騰。例鋁壺燒開水等 b). 強制對流沸騰(Forced conve

9、ction boiling)： 液體在外力的作用下，以一定的流速流過壁面時所發(fā)生的沸騰換熱。工業(yè)上的沸騰換熱多屬于此。 例如冰箱的蒸發(fā)器、自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面?zhèn)鳠?。二?沸騰換熱的分類302. 從主體溫度分： a). 過冷沸騰(Subcooled boiling)： 液體的主體溫度低于相應壓力下飽和溫度時的沸騰換熱。 b). 飽和沸騰(Saturated or bulk boiling)： 液體的主體溫度等于相應壓力下飽和溫度時的沸騰換熱。例如燒開水31 4個區(qū)域(電阻絲加熱) A 區(qū) t4 自然對流 pure convection 過熱液體對流到自由液 面后蒸發(fā) B,C核態(tài)沸騰區(qū) Nucl

10、eate boiling B 孤立汽泡區(qū) individual bubble regime 汽泡彼此不干擾,對液體擾動大,換熱強 C 汽塊區(qū) Continuous column regime擾動更強q上升F ABCDE三、大容器飽和沸騰曲線2532 D過度沸騰 Transition boiling regime 汽泡迅速形成，許多汽泡連成一片，在壁面上形成一層汽 膜，汽膜的導熱系數(shù)降低，q 下降。 穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 Stable film boiling regime 汽泡的產(chǎn)生和脫離速度幾乎不變，在壁面上形成穩(wěn)定的汽膜, 和h幾乎是常數(shù); 由 t 及q= h t知， q。 E區(qū)，輻射比例小， F

11、區(qū)輻射所占比例越來越大 臨界熱流密度CHF（熱通量）(Critical heat flux)： 恒熱流（加熱）q=const. 熱流密度與換熱條件無關一旦熱流密度超過峰值，工況將沿qmax 虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線， t 將猛升至近1000 C，可能導致設備的燒毀，所以亦稱燒毀點（Burnout point） DNB：核態(tài)沸騰上升緩慢轉(zhuǎn)折點。為保證加熱設備運行安全和，電加熱、反應堆恒熱流、實用中設此點為安全監(jiān)測點。33 1. 汽泡穩(wěn)定存在條件：設有一個容器，底面加熱，上面壓力ps 對應ts，如中間有汽泡，其內(nèi)壓力pv，溫度tv，周圍流體對應pL , tL 。 穩(wěn)定條件：熱平衡 力平衡 熱平衡 t

12、L= tv tL tv 液體向汽泡傳熱，汽泡中的汽要膨脹長大。 力平衡 取半個汽泡為控制體，受兩個力作用：氣泡內(nèi)外壓力差（垂直合力） 表面張力四、汽泡動力學簡介：34平衡時如略去液柱壓力，則討論：1).相對應Saturated Steam這說明在液體發(fā)生相變時， ，實際上是一種近似的說法，其實 ，即有過熱的。（實際上過熱度存在是氣化條件）352). 汽泡起始于壁面：即汽泡總是由小至大生長的，R 越小，越易形成。其實液體中 tl 也有分布，在壁面處tl= tw。溫度最高，R 最小, 故汽泡最先在壁面上形成，而壁面凹處常有殘存氣體，故最先能滿足汽泡形成條件，這樣的地方稱為汽化核心（Nucleati

13、on site）。3). tw 汽泡增多壁面附近（過熱度增加，氣泡核的半徑雨點小。）36373839 鍋爐水冷壁 管內(nèi)強制對流沸騰時，由于產(chǎn)生的蒸氣混入液流， 出現(xiàn)多種不同形式的兩相流結(jié)構(gòu)。 2. 管內(nèi)沸騰簡介40流動類型 單相水 泡狀流 塊狀流 環(huán)狀流 單相汽換熱類型 單相對流換熱 過冷沸騰 核態(tài)沸騰 液膜對流沸騰 濕蒸汽換熱 過熱蒸汽換熱蒸干：液膜消失傳熱惡化（危機）：,壁溫提高，對材質(zhì)要求提高。鍋爐單獨設置過熱區(qū)。411. 大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是： 壁面過熱度 汽化核心數(shù)（復雜）1）對于水，米海耶夫推薦的在 105-4106 Pa壓力下大容器飽和沸騰的計算式為：由

14、q=ht，消去t式中：p 沸騰絕對壓力 t=tw - ts 壁面過熱度 q 熱流密度 6-5 沸騰換熱計算式422）基于核態(tài)沸騰換熱主要是汽泡高度擾動的強制對流換熱的設想，推薦以下適用性廣的實驗關聯(lián)式：43該式還可以改寫成以下便于計算的形式 該式實際也是Nu=f (Re, Pr ) 或 St= f (Re, Pr ) 的形式. 當由t 求 q 時誤差可達100%；而由q 求t 時，誤差為 33%.式中：443）制冷介質(zhì)，庫珀(Cooper)公式目前用得較多式中：Mr 為液體的分子量；pr對比壓力（液體的壓力與其臨界壓力之比；Rp為表面粗糙度。臨界溫度：氣體液化的最高溫度；臨界壓力：臨界溫度對應

15、的飽和壓力。45例題 6-2 圖6-11 為1大氣壓下飽和水的沸騰曲線，試求此加熱系統(tǒng)的Cwl值。 解：按式(617)確定Cwl 已知：s=1, 飽和溫度 ，而飽和水的物性從附錄查得為：46于是：從圖 6-11讀得： 時。于是：Cwl 實際為幾個Cwl平均值。47例題 6-3 在1.013105Pa的絕對壓力下，水在tw=113.9的鉑質(zhì)加熱面上作大容器內(nèi)沸騰，試求單位加熱面積的汽化率。解： 壁面過熱度t=113.9-100 ，從圖6-6知處于核態(tài)沸騰區(qū)，因而可按式(618)求取 q 。從附錄查得， 時水和水蒸氣的物性為：從表6-1查得：對于水-鉑組合：48代入式(618)得：單位加熱面的汽化

16、率為：49 應用汽膜的泰勒不穩(wěn)定性原理導得大容器沸騰的臨界熱流密度的半經(jīng)驗公式： 例題 6-5：計算水在1.013105Pa壓力下沸騰時的臨界熱流密度，并與圖6-11比較。解： 水及水蒸氣的物性同例題 6-3。得：圖 6-11知誤差7% 2. 大容器沸騰的臨界熱流密度50 膜態(tài)沸騰中，汽膜的流動和換熱在許多方面類似于膜狀凝結(jié)中液膜的流動和換熱，適宜用簡化的邊界層作分析。對于橫管的膜態(tài)沸騰，有以下公式：定性濕度：L 和r由ts 決定，其余為0.5(tw + ts ) 由于汽膜熱阻較大，而壁溫在膜態(tài)沸騰時很高，壁面的凈換熱量除了按沸騰計算的以外，還有輻射換熱。輻射換熱的作用會增加汽膜的厚度，因此不

17、能認為此時的總換熱量是按對流換熱與輻射換熱方式各自計算所得之值的簡單疊加。勃洛姆來建議采用以下超越方程來計算考慮對流換熱與輻射換熱相互影響在內(nèi)的復合換熱的3. 大容器膜態(tài)沸騰的關聯(lián)式51 解： 由 確定。從附錄查得：、r 按 從附錄查得：膜態(tài)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按式(6-21)計算，得：例題 6-6 水平鉑線通電加熱，在1.013105Pa 的水中產(chǎn)生穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。已知 tw ts = 654 C，導線直徑為，求沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。52 1. 不凝結(jié)氣體 與膜狀凝結(jié)不同，溶解于液體中的不凝結(jié)氣體會使沸騰換熱得到某種強化。因為，隨著工作液體溫度的升高，不凝結(jié)氣體會從液體中逸出，使壁面附近的微小

18、凹坑得以活化，成為汽泡的胚芽，從而使 q t 沸騰曲線向著t減小的方向移動，即在相同的 t下產(chǎn)生更高的熱流密度，強化了換熱。但對處于穩(wěn)定運行下的沸騰換熱設備來說，必須不斷地向工作液體注入不凝結(jié)氣體。 6-6 影響沸騰換熱的因素532. 過冷度 在大容器沸騰中流體主要部分的溫度低于相應壓力下的飽和溫度的沸騰稱為過冷沸騰。對于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰起始點附近區(qū)域外，過冷度對沸騰換熱的強度并無影響。在核態(tài)沸騰起始段，自然對流的機理還占相當大的比例，而自然對流時因而過冷會使該區(qū)域的換熱有所增強。3. 重力加速度在很大的范圍內(nèi)重力加速度幾乎對核態(tài)沸騰的換熱規(guī)律沒有影響。但重力加速度對液體自然對流則有顯著的影響(自然對流隨加速度的增加而強化？ )。在零重力場 (或接近于零重力場) 的情況