No.13 1114 7 相變對(duì)流傳熱

第七章凝結(jié)與沸騰換熱1主要內(nèi)容：7-1凝結(jié)傳熱的模式7-2膜狀凝結(jié)分析解及計(jì)算關(guān)聯(lián)式7-3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化7-4沸騰換熱現(xiàn)象7-5大容器沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式7-6沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化2相變換熱的特點(diǎn)：伴隨潛熱釋放和相變問(wèn)題的提出7-1凝結(jié)換熱31凝結(jié)形式

膜狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)gg或滴狀凝結(jié)42液膜的流態(tài)無(wú)波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然是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(dāng)量直徑。5如圖，由熱平衡，所以

對(duì)水平圓管，用r

代替上式中的l

即可。而由于管徑一般都比較小，所以橫管一般都處于層流狀態(tài)對(duì)流換熱量蒸汽凝結(jié)量非圓形面，63純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)換熱的分析在下面假設(shè)的基礎(chǔ)上，1916年，Nusselt提出的簡(jiǎn)單膜狀凝結(jié)換熱分析是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。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(wú)溫差，即液膜溫度等于蒸氣飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度線(xiàn)性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；6）液膜的過(guò)冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無(wú)波動(dòng)7yxyx8邊界層微分方程組：對(duì)應(yīng)于p.304頁(yè)(5-15)，(5-16)，(5-17)93）液膜的慣性力忽略

5）膜內(nèi)溫度線(xiàn)性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱7）忽略蒸汽密度只有u和t兩個(gè)未知量，于是，上面方程組化簡(jiǎn)為：邊界層微分方程組：兩個(gè)未知數(shù)，兩個(gè)方程，方程組已封閉，故略去連續(xù)性方程。10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

確定純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)換熱微分方程為：(7-1)11(2)局部對(duì)流換熱系數(shù)整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(3)修正：實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動(dòng)，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述理論值高20％左右修正后：定性溫度：注意：r

按ts

確定12時(shí)，慣性力項(xiàng)和液膜過(guò)冷度的影響均可忽略。對(duì)于傾斜壁，則用gsin代替以上各式中的g即可另外，除了對(duì)波動(dòng)的修正外，其他假設(shè)也有人做了相關(guān)的研究，如當(dāng)并且，(雅各布數(shù))(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(jié)式中：下標(biāo)“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13橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比：當(dāng)l/d50時(shí)，，所以冷凝器通常都采用橫管的布置方案144湍流膜狀凝結(jié)換熱對(duì)湍流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導(dǎo)熱來(lái)傳遞熱量外，層流底層之外以湍流傳遞為主，換熱大為增強(qiáng)對(duì)豎壁的湍流凝結(jié)換熱，其沿整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式為：式中：hl

為層流段的傳熱系數(shù)；ht

為湍流段的傳熱系數(shù)；

xc

為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度

l

為豎壁的總高度15利用上面思想，整理的整個(gè)表面的平均努塞爾數(shù)：式中：，（伽利略數(shù)）。除用壁溫計(jì)算外，其余物理量的定性溫度均為。16嚴(yán)重性：1%的不凝結(jié)氣體能使h降低60%；故電廠(chǎng)凝汽器都必須抽真空，防止不凝氣體的影響。5影響膜狀凝結(jié)的因素2)在靠近液膜表面的蒸氣側(cè)，隨著凝結(jié)的進(jìn)行，蒸氣的分壓力減小，而不凝結(jié)氣體的分壓力增大，使得氣膜導(dǎo)致蒸氣分壓力降低，從而使ts

降低，減小了凝結(jié)的動(dòng)力(ts-tw),使冷凝過(guò)程減弱。(1)不凝結(jié)氣體1)蒸氣要擴(kuò)散過(guò)氣膜，增加了傳遞過(guò)程的阻力；由于不凝結(jié)氣體形成氣膜，故：17(2)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(guò)熱蒸氣實(shí)驗(yàn)證實(shí)h-h’代替

r即可(4)液膜過(guò)冷度及溫度分布的非線(xiàn)形只要用r’代替計(jì)算公式中的r，進(jìn)行修正即可：18(5)管子排數(shù)

n排,特征長(zhǎng)度d

nd

由于凝結(jié)液落下時(shí)要產(chǎn)生飛濺以及對(duì)液膜的沖擊擾動(dòng)，會(huì)使h

增大。(6)管內(nèi)冷凝此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。流速較高時(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。19強(qiáng)化技術(shù)：(1)利用帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉??；(2)使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉。6.膜狀凝結(jié)的強(qiáng)化原則和技術(shù)強(qiáng)化原則:盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度。20、為什么珠狀凝結(jié)表面換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)表面換熱系數(shù)大？答：膜狀凝結(jié)換熱時(shí),沿整個(gè)壁面形成一層液膜，并且在重力的作用下流動(dòng)，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過(guò)液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)換熱時(shí)，凝結(jié)液體不能很好的浸潤(rùn)壁面，僅在壁面上形成許多小液珠，此時(shí)蒸汽僅與部分壁面表面直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)換熱。21、北方的冬天，一些人喜歡動(dòng)“凍梨”，吃的時(shí)候一般都先放在冷水中使其解凍，請(qǐng)解釋原因。為什么不放在熱水中解凍？22主要內(nèi)容：7-1凝結(jié)傳熱的模式7-2膜狀凝結(jié)分析解及計(jì)算關(guān)聯(lián)式7-3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化7-4沸騰換熱現(xiàn)象7-5大容器沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式7-6沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化231生活工業(yè)生產(chǎn)中的例子7-4沸騰換熱現(xiàn)象工業(yè)：電站中的水冷壁；工業(yè)鍋爐中的省煤器；冰箱中氟里昂的蒸發(fā)等。生活：燒開(kāi)水24a沸騰:沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過(guò)程b沸騰換熱:液體在加熱面上形成氣泡從而實(shí)現(xiàn)熱量由固體傳給液體的過(guò)程,是具有相變特點(diǎn)的兩相流換熱。3分類(lèi)：沸騰的分類(lèi)很多，書(shū)中僅介紹了常見(jiàn)的大容器沸騰(池內(nèi)沸騰)和管內(nèi)沸騰(強(qiáng)制對(duì)流沸騰)，每種又分為過(guò)冷沸騰和飽和沸騰。a大容器沸騰(池內(nèi)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；加熱表面2定義25b管內(nèi)沸騰(強(qiáng)制對(duì)流沸騰)：強(qiáng)制對(duì)流＋沸騰HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱(chēng)為飽和沸騰。

過(guò)冷沸騰：指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱(chēng)過(guò)冷沸騰。

26(1)汽泡的成長(zhǎng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)表明，通常情況下，沸騰開(kāi)始時(shí)汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個(gè)加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱(chēng)為汽化核心，較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴或裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。4汽泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介27(2)汽泡的存在條件汽泡半徑R必須滿(mǎn)足下列條件才能存活式中：—表面張力，N/m；r—汽化潛熱，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面溫度，C

ts—對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，C可見(jiàn)，(tw–ts),Rmin同一加熱面上，稱(chēng)為汽化核心的凹穴數(shù)量增加汽化核心數(shù)增加換熱增強(qiáng)克拉貝隆方程強(qiáng)化沸騰換熱的關(guān)鍵：增加汽化核心數(shù)量。285大容器飽和沸騰曲線(xiàn)qmaxqmin29、兩滴完全相同的水珠分別落在120℃和400℃的鐵板上，哪一滴先汽化掉？30、為什么用電加熱時(shí)容易發(fā)生電熱管壁被燒毀的現(xiàn)象？而采用蒸汽加熱時(shí)則不會(huì)？答：用電加熱時(shí)，加熱方式屬于表面熱流密度可控制的，而采用蒸汽加熱時(shí)則屬于壁面溫度可控制的情形。由大容器飽和沸騰曲線(xiàn)可知，當(dāng)熱流密度一旦超過(guò)臨界熱流密度時(shí)，工況就有可能很快跳至穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰，使得表面溫度快速上升，當(dāng)超過(guò)壁面得燒毀溫度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的燒毀；采用蒸汽加熱由于壁面溫度可控制，就容易控制壁面的溫升，避免設(shè)備壁面溫度過(guò)度升高，使其溫度始終低于設(shè)備的燒毀溫度。317-5沸騰換熱計(jì)算式沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對(duì)于沸騰換熱的h卻有許多不同的計(jì)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(guò)熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致了各個(gè)計(jì)算公式分歧較大。目前存在兩種計(jì)算式，一種是針對(duì)某一種液體，另一種是廣泛適用于各種液體的。32為此，書(shū)中分別推薦了兩個(gè)計(jì)算式（1）米海耶夫公式——水對(duì)于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，教材推薦使用，壓力范圍：105～4106Pa按33（2）羅森諾Rohsenow公式——多種液體既然沸騰換熱也屬于對(duì)流換熱，那么，St=f(Re,Pr)也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)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(dòng)力粘度

Cwl—取決于加熱表面－液體組合情況的實(shí)驗(yàn)常數(shù)(表7-1)q—沸騰傳熱的熱流密度

s—經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，水s=1,否則，s=1.734上式可以改寫(xiě)為：可見(jiàn)，，因此，盡管有時(shí)上述計(jì)算公式得到的q與實(shí)驗(yàn)值的偏差高達(dá)100％，但已知q計(jì)算時(shí)，則可以將偏差縮小到33％。這一點(diǎn)在輻射換熱中更為明顯。計(jì)算時(shí)必須謹(jǐn)慎處理熱流密度。2大容器沸騰的臨界熱流密度書(shū)中推薦使用如下經(jīng)驗(yàn)公式：353大容器膜態(tài)沸騰的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（1）橫管的模態(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

＝(tw＋ts)/2為定性溫度，特征長(zhǎng)度為管子外徑d,如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.67。（2）考慮熱輻射作用由于模態(tài)換熱時(shí)，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(gè)是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。36勃洛姆來(lái)建議采用如下超越方程來(lái)計(jì)算：7-6影響大容器沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學(xué)過(guò)的換熱現(xiàn)象中最復(fù)雜的，影響因素也最多，由于我們只學(xué)習(xí)了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對(duì)大容器沸騰換熱。371不凝結(jié)氣體

對(duì)膜狀凝結(jié)換熱的影響？與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)氣體會(huì)使沸騰換熱得到某種程度的強(qiáng)化2過(guò)冷度只影響過(guò)冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對(duì)流換熱時(shí)，，因此，過(guò)冷會(huì)強(qiáng)化換熱。3液位高度當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時(shí)，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無(wú)關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)明顯地隨液位的降低而升高(臨界液位)。384