傳熱學-第六章凝結與沸騰換熱

1、傳熱學-第六章凝結與沸騰換熱第六章 凝結與沸騰換熱第七章1第1頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱2主要內容凝結傳熱的模式膜狀凝結分析解及計算關聯式膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化沸騰傳熱的模式大容器沸騰傳熱的實驗關聯式沸騰傳熱的影響因素及其強化第2頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱3第五章和第六章我們分析了無相變的對流換熱，包括強制對流換熱和自然對流換熱下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結換熱和沸騰換熱兩種。相變換熱的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復雜性，比單相對流換熱更

2、復雜，因此，目前，工程上也只能助于經驗公式和實驗關聯式。第3頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱47-1 凝結傳熱的模式凝結換熱的關鍵點凝結可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結和珠狀凝結冷凝物相當于增加了熱量進一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結換熱的實驗關聯式影響膜狀凝結換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結理論凝結換熱實例 汽輪機中的凝汽器 寒冷冬天窗戶上的冰花 許多其他的工業(yè)應用過程第4頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱5凝結換熱中的重要參數 蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差（ts - tw）

3、 汽化潛熱 r 特征尺度 其他標準的熱物理性質，如動力粘度、導熱系 數、比熱容等第5頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱61 凝結過程 膜狀凝結沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動，凝結放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結當凝結液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠大于膜狀凝結（可能大幾倍，甚至一個數量級）gg第6頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱7接觸角小則液體潤濕能力強，液體會鋪展在壁面上第7頁，共

4、52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱8雖然珠狀凝結換熱遠大于膜狀凝結，但可惜的是，珠狀凝結很難保持，因此，大多數工程中遇到的凝結換熱大多屬于膜狀凝結，因此，教材中只簡單介紹了膜狀凝結第8頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱9膜狀凝結是工程設計的依據幾乎所有的常用蒸氣，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結在大多數工業(yè)冷凝器中，特別是動力冷凝器上，實際上都得到膜狀凝結從設計的觀點出發(fā)，為了保證凝結效果，只能用膜狀凝結的計算式作為設計的依據第9頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第

5、七章 相變對流傳熱107-2 膜狀凝結分析解及計算關聯式1 純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結換熱的分析1916年，Nusselt提出的簡單膜狀凝結換熱分析是近代膜狀凝結理論和傳熱分析的基礎。自1916年以來，各種修正或發(fā)展都是針對Nusselt分析的限制性假設而進行了，并形成了各種實用的計算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對純凈飽和蒸汽膜狀凝結換熱的分析。假定：1）常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱；6）液膜的過冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動第10頁，共52頁，2022年，5月

6、20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱11gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layers微元控制體邊界層微分方程組：對應于p.211頁(5-15)，(5-16)，(5-17)下腳標 l 表示液相x第11頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱12考慮（3）液膜的慣性力忽略 考慮（5） 膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱 考慮（7）忽略蒸汽密度只有u 和 t 兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為：第12頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱1

7、3邊界條件：求解上面方程可得：(1) 液膜厚度定性溫度：注意：r 按 ts 確定第13頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱14(2) 局部對流換熱系數整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂刀ㄐ詼囟龋鹤⒁猓簉 按 ts 確定第14頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱15(3) 修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結換熱得到強 化，因此，實驗值比上述得理論值高20左右修正后：第15頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱16時，慣性力項和液膜過冷度的影響均可忽略。對于傾斜壁，則用 gsin

8、 代替以上各式中的 g 即可另外，除了對波動的修正外，其他假設也有人做了相關的研究，如當 并且，(4) 水平圓管努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結式中：下標“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 為水 平管或球的直徑。定性溫度與前面的公式相同第16頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱17橫管與豎管的對流換熱系數之比：3 邊界層內的流態(tài)無波動層流有波動層流湍流凝結液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據仍然時Re，式中： ul 為 x = l 處液膜層的平均流速；de 為該截面處液膜層的當量直徑。第17頁，共52頁，2022年，

9、5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱18如圖由熱平衡所以對水平管，用 代替上式中的 即可。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)第18頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱194 湍流膜狀凝結換熱液膜從層流轉變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數可定為1600。橫管因直徑較小，實踐上均在層流范圍。對湍流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導熱來傳遞熱量外，層流底層之外以湍流傳遞為主，換熱大為增強對豎壁的湍流凝結換熱，其沿整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂涤嬎闶綖椋菏街校篽l 為層流段的傳熱系數； ht 為湍流段的傳熱系數； xc 為層流轉變?yōu)橥牧鲿r轉折點的高度 l 為豎壁的總高

10、度第19頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱20利用上面思想，整理的實驗關聯式：式中： 。除 用壁溫 計算外，其余物理量的定性溫度均為第20頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱217-3 膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化 工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結過程往往比較復雜，受各種因素的影響。1. 不凝結氣體 不凝結氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下 降，減小了凝結的驅動力2. 蒸氣流速 流速較高時，蒸氣流對液膜表面產生模型的粘滯應力。 如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄， 增大；反之使 減小。第21頁

11、，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱22 4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性 如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替 計算公式中的 ， 5. 管子排數 管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結換熱。 前面推導的橫管凝結換熱的公式只適用于單根橫管。3. 過熱蒸氣 要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。第22頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱23 6. 管內冷凝 此時換熱與蒸氣的流速關系很大。 蒸氣流速低時，凝結液主要在管子底部，蒸氣則位于 管子上半部。 流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結液均勻分布在管子 四周，中心為蒸

12、氣核。第23頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱24 7. 凝結表面的幾何形狀強化凝結換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度?？捎酶鞣N帶有尖峰 的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或 者使已凝結的液體 盡快從換熱表面上 排泄掉。第24頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱257-4 沸騰傳熱的模式 蒸汽鍋爐 做飯 許多其它的工業(yè)過程1 生活中的例子定義： a 沸騰：工質內部形成大量氣泡并由液態(tài)轉換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過程 b 沸騰換熱：指工質通過氣泡運動帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式3 分類：沸騰的分

13、類很多，書中僅介紹了常見的大容器沸騰(池內沸騰)和強制對流沸騰，每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。第25頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱26a 大容器沸騰(池內沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰；b 強制對流沸騰：強制對流沸騰加熱表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow第26頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱274 汽泡動力學簡介 (1) 汽泡的成長過程 實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加

14、熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。c 過冷沸騰：指液體主流尚未達到飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產生氣泡，稱之為過冷沸騰d 飽和沸騰：液體主體溫度達到飽和溫度，而壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰，稱之為飽和沸騰我們這本書僅介紹大容器的飽和沸騰第27頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱28(2) 汽泡的存在條件上式給出了對于半徑為R的汽泡所必需的壓力差，即液體的過熱度第28頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相

15、變對流傳熱29汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活(克拉貝龍方程)式中： 表面張力，N/m；r 汽化潛熱，J/kg v 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面溫度，C ts 對應壓力下的飽和溫度， C可見， (tw ts ) , Rmin 同一加熱面上，稱為汽化核心的凹穴數量增加 汽化核心數增加 換熱增強第29頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱305 大容器飽和沸騰曲線：表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：qmaxqmin第30頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，

16、星期日第七章 相變對流傳熱31幾點說明：（1）上述熱流密度的峰值qmax 有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉折點DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數比凝結小得多。第31頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱327-5 沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計算公式1 大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數，而汽化核心數受表面

17、材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復雜，導致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是，一種是針對某一種液體，另一種是廣泛適用于各種液體的。第32頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱33為此，書中分別推薦了兩個計算式（1）對于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，教材推薦適用米海 耶夫公式，壓力范圍：1054106 Pa按 第33頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱34（2）羅森諾公式廣泛適用的強制對流換熱公式既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st = f ( Re, Pr )也應該適用。羅森諾正是在這

18、種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關聯式：式中， r 汽化潛熱； Cpl 飽和液體的比定壓熱容 g 重力加速度 l 飽和液體的動力粘度 Cwl 取決于加熱表面液體 組合情況的經驗常數(表6) q 沸騰傳熱的熱流密度 s 經驗指數，水s = 1,否則，s=1.7第34頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱35上式可以改寫為：可見， ，因此，盡管有時上述計算公式得到的q與實驗值的偏差高達100，但已知q計算 時，則可以將偏差縮小到33。這一點在輻射換熱時更為明顯。計算時必須謹慎處理熱流密度。2 大容器沸騰的臨界熱流密度書中推薦適用如下經驗公式：第35頁，共

19、52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱363 大容器膜態(tài)沸騰的關聯式（1）橫管的膜態(tài)沸騰式中，除了r 和 l 的值由飽和溫度 ts 決定外，其余物性均以平均溫度 tm ( twts ) / 2 為定性溫度，特征長度為管子外徑d, 如果加熱表面為球面，則上式中的系數0.62改為0.67第36頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱37勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算：其中：（2）考慮熱輻射作用由于膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，

20、從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應。第37頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱387-6 影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學過的換熱現象中最復雜的，影響因素也最多，由于我們只學習了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。1 不凝結氣體 對膜狀凝結換熱的影響？與膜狀凝結換熱不同，液體中的不凝結氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強化2 過冷度 只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時， ，因此，過冷會強化換熱。第38頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱393 液位高度 當傳熱表面上的液

21、位足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂蹬c液位高度無關。但當液位降低到一定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂禃黠@地隨液 位的降低而升高(臨界液位)。圖中介質為一個 大氣壓下的水4 重力加速度 隨著航空航天技術的發(fā)展， 超重力和微重力條件下的 傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)展， 但目前還遠沒到成熟的地 步，就現有的成果表明：第39頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱40 從0.1 1009.8 m/s2 的范圍內，g對核態(tài)沸騰換熱規(guī)律沒有影響，但對自然對流換熱有影響，由于 因此，g Nu 換熱加強。第40頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱41有

22、一定過冷度的水純蒸汽hlB過冷沸騰泡狀流A對流換熱單相流4.管內強迫沸騰（以豎直管內水的上升流為例） 如圖：設沿管長均勻加熱，管道進口處為具有一定過冷度的水，出口為純蒸汽，則在全管長內其換熱工況可分為下列幾區(qū)： A、單相液體對流換熱區(qū)： 水進入管道后被加熱，壁溫及接近壁面的液體溫度較低，沒有達到產生汽泡的溫度，此區(qū)屬單相對流換熱。且（twt液）基本保持不變。 B、局部過冷沸騰： 主流tfhA主流液體具有過冷度，汽泡上升到主流后會凝結，破滅。（屬過冷沸騰） 第41頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱42B過冷沸騰泡狀流A對流換熱單相流有一定過冷度的水純蒸

23、汽hlD液膜對流沸騰環(huán)狀流C核態(tài)沸騰塊狀流C、核態(tài)沸騰區(qū)： tf=ts，壁面的汽泡不再凝結而是彌散在主流中，與液體均勻混合在一起向中運動，形成典型的泡狀流。 當兩相流流體的速度和熱流密度不太高，面汽泡數量增加時，汽泡在運動中將相互合并以致成為一些較大的彈狀汽泡，形成彈狀流（塊狀流）。hc能在保持較高水平下，略有增長。D、液膜對流沸騰區(qū)： 隨著加熱的持續(xù)，兩相流中含汽率不斷上升，汽泡逐漸集中到流道中心的高速流動區(qū)。當速度和含汽量達到某極限值時，大汽塊在管中心合并成汽芯，把流體擠到壁面形成環(huán)狀液膜，稱“環(huán)狀流”。泡態(tài)沸騰受抑制，但膜較薄，膜內對流換熱系數大大增強。hD稍稍大于hC第42頁，共52頁

24、，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱43D液膜對流沸騰環(huán)狀流C核態(tài)沸騰塊狀流B過冷沸騰泡狀流A對流換熱單相流有一定過冷度的水純蒸汽hl單相流E濕蒸汽換熱F過熱蒸汽換熱E、濕蒸汽換熱區(qū) 隨著環(huán)狀液膜受熱蒸發(fā)，液膜的汽液界面上的液體劇烈蒸發(fā)由于液膜很薄，蒸發(fā)過程又十分劇烈，附著在壁面上的環(huán)形液膜將逐漸減薄，直到最后消失。換熱狀態(tài)惡化，h大大下降。hEhE 說明：管內氣液形成環(huán)狀流后，隨受熱膜，使膜消失。會導致濕蒸汽直接與壁面接觸。由于換熱狀態(tài)惡化，會使壁溫猛升，造成對安全的威脅！ 第43頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱44

25、強化沸騰傳熱的原則和技術無論大容器沸騰還是管內沸騰，在加熱面上產生汽泡是其共同的特點，也是使對流傳熱比無相變的傳熱強烈的最基本原因強化沸騰傳熱的基本原則是盡量增加加熱面上的汽化核心近幾十年來強化沸騰傳熱表面的開發(fā)主要是按照這一思想進行的第44頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱45強化大容器沸騰的表面結構（1）用燒結、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學的方法在傳熱表面上造成一層多孔結構（2）采用機械加工方法在傳熱管表面上造成多孔結構第45頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱46強化管內沸騰的表面結構為了防止管內沸騰蒸干區(qū)域管壁溫度的飛升，電站鍋爐廣泛采用內螺紋鋼管；微肋管廣泛應用于制冷劑的管內沸騰第46頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱47第47頁，共52頁，2022年，5月20日，21點44分，星期日第七章 相變對流傳熱48本章小結本章敘述了凝結和沸騰換熱的機理、影響因素及其計算方法。學習本章的基本要求是了解凝結換熱的Nusselt理論解；理解主要影響因素及掌握凝結換熱關聯式的應用；理解沸騰換熱機理，沸騰曲線；了解主