相变对流传热2015简化版ppt课件

1、第第7 7章章 相变对流换热相变对流换热Phase Transformation Convection Heat Transfer.p 换热特点换热特点p以小温差获得大的传热速率；以小温差获得大的传热速率；p存在潜热和浮力驱动双重作用。存在潜热和浮力驱动双重作用。第第7 7章章 相变对流换热相变对流换热p 换热影响要素换热影响要素,pvlsatwclrgTTTfh223,LgcLgrTcfhLvlpvlpBoPr,Ja23LgfNuvl.7.1 7.1 外表凝结外表凝结 蒸气与低于其饱和温度的冷固体外表接触时，蒸气与低于其饱和温度的冷固体外表接触时，将汽化潜热释放给外表并构成凝结液的过程。将汽

2、化潜热释放给外表并构成凝结液的过程。gsatttwgsatttw.7.1 7.1 外表凝结外表凝结p根据外表浸润情况根据外表浸润情况膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结* *gsatttwgsatttwp根据膜层开展根据膜层开展外部凝结外部凝结内部凝结内部凝结* *蒸气蒸气凝结液凝结液蒸气速度较低蒸气速度较低蒸气凝结液凝结液蒸气速度较高蒸气速度较高.7.2 7.2 膜状凝结换热分析膜状凝结换热分析速度边境层由温度边境速度边境层由温度边境层引起，层引起，= =t t。g)(xm t(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layerssatttw

3、未采用未采用NusseltNusselt假定表示图假定表示图p换热公式换热公式p wtthqsatp边境层特点边境层特点p .22,22dd)(0ytytvxtucyugxpyuvxuuyvxullpllllp控制方程控制方程l液相v气相gxdxd 忽略蒸气流动，边境层外忽略蒸气流动，边境层外gxpgxpvvdd07.2.1 7.2.1 竖壁膜状凝结换热准数关联式方式竖壁膜状凝结换热准数关联式方式.22)(yugyuvxuulvllp无量纲化无量纲化 动量方程动量方程222020)(yuLugYUVXUULulvll222Re1ReGayuYUVXUU引申思索：膜状凝结与何种景象动量方程类似？

4、可以引引申思索：膜状凝结与何种景象动量方程类似？可以引申出什么结论？申出什么结论？);/()(;/Y;/X;/V;/Usatsat00TTTTlylxuvuuw.n 无量纲化控制方程组无量纲化控制方程组22JaGa1Ja1yuYUVXUU22PrJaGa1YYVXU0YVXUp膜状凝结换热特征关联式函数方式膜状凝结换热特征关联式函数方式n参考速度参考速度rttgLcuwpsat20JaGaResat232rttcvglwpn 准那么方准那么方式式PrJa,Ga,Nuf.p准那么意义准那么意义23gLGa Ga数数【1 1】重力与粘性力的相对大小的一种量度；】重力与粘性力的相对大小的一种量度；【

5、2 2】膜状凝结流动形状的判据；】膜状凝结流动形状的判据；Ja数数rttcJawsp)(【1 1】表征液膜显热降与汽化潜热相对大小。】表征液膜显热降与汽化潜热相对大小。存在争议本书沿用膜层Re数作为判据.常物性参数；常物性参数；静止纯饱和蒸汽；静止纯饱和蒸汽；忽略液膜的惯性力；忽略液膜的惯性力；界面液膜温度等于饱和温度界面液膜温度等于饱和温度TsatTsat；液膜内热量转移只需导热；液膜内热量转移只需导热；忽略液膜的过冷度；忽略液膜的过冷度；忽略蒸汽密度；忽略蒸汽密度；层流，液膜外表平整无动摇层流，液膜外表平整无动摇pNusselt假定假定7.2.2 7.2.2 基于基于NusseltNuss

6、elt假定竖壁层流膜状凝结数学表述假定竖壁层流膜状凝结数学表述等壁温等壁温.22,22dd)(0ytytvxtucyugxpyuvxuuyvxullplllln假设假设 忽略惯性力忽略惯性力 ；n假设假设 只思索导热；只思索导热；n假设，蒸气静止假设，蒸气静止n假设假设 忽略蒸气密度；忽略蒸气密度；gxpgxpvvdd0.002222ytayugllln控制方程控制方程at , 0 0, 0swttyuyttuy，n边境条件边境条件假设交界面切假设交界面切应力忽略不计应力忽略不计假设液膜界假设液膜界面温度面温度=tsat=tsat.2212yygullp结果与分析结果与分析n流速流速u uy

7、yn温度温度ty)(satwwttyttxysattwt0yug未知.xmq,dd22llmgqgxmqmqdnx处单位宽度质量流量处单位宽度质量流量qm,xmmqqd0dyullxlg332.xttqrwlmddsatdd22llmgq 412sat)(4lwllrgxttn液膜厚度液膜厚度gxmqmqdmqrdmmqqd假设假设, ,忽略忽略蒸气过热度和蒸气过热度和液膜过冷度液膜过冷度xttwldsat假设只思索假设只思索导热，且温度导热，且温度呈线性分布呈线性分布.n部分外表传热系数部分外表传热系数 41sat2341sat2)(4)(4xttrgxttrghwlllwllllxxtth

8、wxxd)(dsatxttwlxddsat.n竖壁平均外表传热系数竖壁平均外表传热系数 4123)(943. 0wslllVttLrgh竖壁wVttLhsatLwxxtth0satd.n总凝结速率总凝结速率rtthqwsatVLm,wVttLhsatLmrq,xywtgL方法一方法一方法二方法二lLlLmgq332,.7.2.3 7.2.3 膜状凝结分析扩展膜状凝结分析扩展22sindd yugxpyuvxuulll4123)(sin943. 0wslllttLrghn倾斜壁外表层流膜状凝结倾斜壁外表层流膜状凝结动量方程动量方程0sin 22yugllgxy.4123)(729. 0wslll

9、HttDrghn 程度圆管外表层流膜状凝结程度圆管外表层流膜状凝结n 竖直圆管外表层流膜状凝结竖直圆管外表层流膜状凝结4123)(943. 0wslllVttLrgh引申思索【引申思索【1 1】: :采用与竖壁一样的公式，需满足何种条件？采用与竖壁一样的公式，需满足何种条件？单横管膜态凝结单横管膜态凝结.4/1/77. 0DLhhVH引申思索【引申思索【2 2】：试定性分析工程运用中冷凝管常采用横】：试定性分析工程运用中冷凝管常采用横管布置的缘由。管布置的缘由。VHhhDL85. 2/故冷凝管通常采用横管布置。故冷凝管通常采用横管布置。程度管与竖直管外层流膜状凝结的比较程度管与竖直管外层流膜状

10、凝结的比较.n球外表层流膜状凝结球外表层流膜状凝结* *4123)(826. 0wslllSttDrgh单横管膜态凝结单横管膜态凝结.n竖壁外表凝结传热实际公式的修正竖壁外表凝结传热实际公式的修正思索液膜外表动摇思索液膜外表动摇4123)(13. 1wslllVttLrgh20Re1600Re,c无动摇层流无动摇层流有动摇层流有动摇层流湍流湍流4123)(13. 1NuwsllllVttLrgLh41PrJa1Ga1.13定性温度 膜温tfilm=(tw+ts)/2，(按tsat确定，r 除外).7.2.4 7.2.4 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热xwtLbyn膜层膜层ReRe数数lxex

11、xdu,Rexxxebbd44,lxmlxxlxxxquu,444Re能量守恒能量守恒wxxmttxhrqsat,rttxhlwxxsat,4Re待定准那么.xwtLbyn流态判据流态判据引申思索：横管膜状凝结膜层引申思索：横管膜状凝结膜层ReRe数如何计算，其普通处于数如何计算，其普通处于什么流动形状？什么流动形状？ReRe,x,x流动形状层流湍流16001600Re,c1600转变点.xwtLbyn换热计算换热计算16004Resat,rttLhlwLLLxhLxhhcbtuclL1ramn实验关联式实验关联式9200)253(584/34/12/131Re/PrPrPrReGaNusw定

12、性温度：定性温度：Prw 采用采用tw ，其他采用，其他采用tsat时凝结液的物性参时凝结液的物性参数数 .【例【例1】 压力为压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为壁的尺寸为30cm30cm，壁温坚持，壁温坚持98。计算每小时的热换。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。量及凝结蒸汽量。分析：分析：由于由于ReRe为待定准那么，故可先假设液膜为层为待定准那么，故可先假设液膜为层流。流。wtthAsat2 2凝结蒸汽量凝结蒸汽量1 1换热量换热量mrq.【例【例1】 压力为压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。的水蒸气在方形竖壁上凝

13、结。壁的尺寸为壁的尺寸为30cm30cm，壁温坚持，壁温坚持98。计算每小时的热换。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。量及凝结蒸汽量。解：解：【1 1】确定定性温度与物性参数】确定定性温度与物性参数 根据根据 ts=100 ts=100，查得，查得r=2257kJ/kgr=2257kJ/kg； 其他物性参数按膜温其他物性参数按膜温tfilm=(100+98)/2=99 tfilm=(100+98)/2=99 查取，得：查取，得： =958.4kg/m3,=2.825 =958.4kg/m3,=2.825 10-10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K)4kg/(m.s),=0.68W/(

14、m.K).【例【例1】 压力为压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为壁的尺寸为30cm30cm，壁温坚持，壁温坚持98。计算每小时的热换。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。量及凝结蒸汽量。【2 2】确定外表传热系数】确定外表传热系数4/123)(13. 1wslllttLrgh1244/143112311KmW1057. 198)K(1000.3msPa102.825Km0.68Wm958.4kgkg2257kJs9.8m13. 1竖壁层流膜状凝结竖壁层流膜状凝结.【3】核算】核算Re准那准那么么液膜为层流假定成立。液膜为层流假定成立。1600

15、1 .59 sPa10825. 2kgJ102257K)98100(m3 . 0KmW1057. 14 )(4416124rtthLRews【例【例1】 压力为压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为壁的尺寸为30cm30cm，壁温坚持，壁温坚持98。计算每小时的热换。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。量及凝结蒸汽量。.W1083. 2K2m3 . 0KmW1057. 1 )(32124satwtthA【例【例1】 压力为压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为壁的尺寸为30cm30cm，壁温坚持

16、，壁温坚持98。计算每小时的热换。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。量及凝结蒸汽量。【4】换热量】换热量【5】凝汽量】凝汽量kg/h5 . 41025. 11022571083. 2333mrq.【例【例2】 一根长一根长1m，外径，外径80mm的垂直管，其外外表暴露在常的垂直管，其外外表暴露在常压的饱和蒸汽中，管内有冷水经过，外表维持在压的饱和蒸汽中，管内有冷水经过，外表维持在50。试求：。试求：【1】对冷却液的传热速率；】对冷却液的传热速率；【2】蒸汽在外表上的凝结速率。】蒸汽在外表上的凝结速率。分析关键：分析关键：【1 1】竖管凝结换热如何处置？】竖管凝结换热如何处置？【2 2】采用同例【

17、】采用同例【1 1】一样的换热公式暗含了什么假设？】一样的换热公式暗含了什么假设？.7.3 7.3 膜状凝结传热强化膜状凝结传热强化4/1sat23)(13. 1wlllttLrghxttxtthxwlwxdd)(satsatxlxhwtthqsatn 换热影响要素分析换热影响要素分析凝结换热驱动力凝结换热驱动力【1 1】液膜导热】液膜导热热阻是膜状凝热阻是膜状凝结的主要热阻结的主要热阻.n强化膜状凝结根本原那么强化膜状凝结根本原那么尽量减薄液膜厚度尽量减薄液膜厚度n强化措施强化措施a)a)减薄或破坏凝结液膜；减薄或破坏凝结液膜；b)b)加速液膜排泄；加速液膜排泄；c)c)尽能够减少不凝结气体

18、质量分数。尽能够减少不凝结气体质量分数。d)d)尽能够实现珠状凝结。尽能够实现珠状凝结。图例参见P313-314.p 定义定义 p twtsat, twtsat, 工质内部固液界面上构成大量汽泡的工质内部固液界面上构成大量汽泡的汽化过程。汽化过程。7.4 7.4 沸腾换热沸腾换热p 分类分类p 按流动动力按流动动力p 大容器沸腾池沸腾大容器沸腾池沸腾 受迫对流沸腾受迫对流沸腾*p 按流体主体温度按流体主体温度p 过冷沸腾过冷沸腾 饱和沸腾饱和沸腾p .p换热驱动力换热驱动力p 过热度过热度sattttwp换热公式换热公式p sattthqw.7.4.1 大容器沸腾大容器沸腾p饱和池沸腾饱和池沸

19、腾蒸气蒸气固体固体液体液体ytytsattwo饱和池沸腾温度分布饱和池沸腾温度分布.工业运用设计范围p沸腾曲线控制壁温沸腾曲线控制壁温maxqminq141030100 1201000Cotq/(wm-2)103104105106自然对流自然对流 核态沸腾核态沸腾过渡沸腾过渡沸腾膜态沸腾膜态沸腾AEFDBCDNBLeidenfrost点ONB.p沸腾曲线沸腾曲线( (控制热流控制热流) )maxqminq141030100 1201000Cotq/(wm-2)103104105106自然对流自然对流 核态沸腾核态沸腾过渡沸腾过渡沸腾膜态沸腾膜态沸腾AEDBCF临界热流密度加热曲线冷却曲线烧损点引申思索：试