高教传热学第四版课件第7章

1、第第7章章 相变对流传热相变对流传热本章重点内容本章重点内容重点内容：重点内容： 凝结与沸腾换热机理及其特点；凝结与沸腾换热机理及其特点； 膜状凝结换热分析解及实验关联式；膜状凝结换热分析解及实验关联式； 大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。掌握内容：掌握内容： 掌握影响凝结与沸腾换热的因素。掌握影响凝结与沸腾换热的因素。 了解内容：了解内容： 了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。 7-1 7-1 凝结换热现象凝结换热现象一一. 凝结形式凝结形式 膜状凝结膜状凝结 沿整个壁面形成一层薄膜，并且在沿整个壁面形

2、成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。厚度直接影响了热量传递。 珠状凝结珠状凝结 当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）gswttgswtt7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式一一.

3、 .纯净饱和蒸汽层流膜状凝结分析解纯净饱和蒸汽层流膜状凝结分析解假定：假定：1）常物性；）常物性；2）蒸气静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力；）蒸气静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力；3）液膜的惯性力忽略；）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略；）液膜的过冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动。）液膜表面平整无波动。1.1.分析解分析解7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验

4、关联式边界层微分方程组：边界层微分方程组：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式忽略液膜的惯性力忽略液膜的惯性力2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll0)(yuvxuul膜内温度线性分布，膜内温度线性分布，即热量转移只有导热即热量转移只有导热忽略蒸汽密度忽略蒸汽密度0dxdp0ytvxtu220llugy220d tdyVdpgdx7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式边界条件：边界条件：swttyuyttuy ,0dd 0,

5、 0时，时，求解上面方程可得：求解上面方程可得：(1) (1) 液膜厚度液膜厚度: :定性温度：定性温度：1 424lllswttxgr 2swmttt7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式(2) (2) 局部对流换热系数：局部对流换热系数：整个竖壁的平均表面传热系数：整个竖壁的平均表面传热系数：1 4234llxlswgrhttx 1 4230140.9433lllVxx llswgrhh dxhll tt 2.2.推广应用推广应用1 4230.729llHlswgrhd tt 1 4230.826llSlswgrhd tt 水平圆管：水平圆管：球：球：7-2

6、7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式对于倾斜壁，则用对于倾斜壁，则用gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的g g即可即可1 40.77HVhlhd冷凝器通常采用横管布置冷凝器通常采用横管布置3.3.膜层中凝结液的流动状态膜层中凝结液的流动状态20Re 1600Rec无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流u ul l 为为x = lx = l处液膜层的平均流速处液膜层的平均流速 d de e为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。Reeldu7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式ecd4A / P4b/

7、b4lml4u4qReswmlh(tt )lrqsw4hl( tt)Rerlr对于水平管，用对于水平管，用 代替上式中的代替上式中的 ，即为其膜层雷诺数，即为其膜层雷诺数 修正：修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强强化，因此，实验值比上述理论值高化，因此，实验值比上述理论值高2020左右左右修正后：修正后：1 4231.13lswgrhttl 4.4.理论解与实验解的比较分析理论解与实验解的比较分析7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式二二. .湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍

8、依靠导热来对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强为增强7-2 7-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为：表面传热系数计算式为：式中：式中：hl 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传为湍流段的传热系数；热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度1ccltxxhhhll7-2 7-2

9、膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式实验关联式：实验关联式：1 31 41 23 4RePr58PrRe2539200PrwssNuGa32glGaPrwwtst除除 用壁温计算用壁温计算 外，其它物理量的定性温度外，其它物理量的定性温度为为 ，且物性参数均是指凝结液。，且物性参数均是指凝结液。 7-3 7-3 影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素 1. 1. 不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力和温度下降，减小了凝结的驱动力h2. 2. 蒸气流速蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表

10、面产生明显的粘流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 减小。减小。h3. 3. 过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。7-3 7-3 影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素 4. 4. 液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，用如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，用下式代替计算公式中的下式代替计算公式中的r0.68pswrrctt 5. 5. 管子排数管子排数 沿

11、流动方向有沿流动方向有 排管应予以修正：排管应予以修正： 理论上：用理论上：用 代替特征长度代替特征长度 ；实际上：计算结果；实际上：计算结果应大于理论结果。应大于理论结果。 nndd7-3 7-3 影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素 6. 6. 管内冷凝管内冷凝 换热与蒸气的流速关系很大换热与蒸气的流速关系很大 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于则位于管子上半部管子上半部 流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子在管子四周，中心为蒸气核四周，中心为蒸气核7-3 7-3 影响膜状凝结的因素影响膜

12、状凝结的因素 7. 凝结表面的几何凝结表面的几何形状形状 强化凝结换热的原则强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜换热表面上的液膜的厚度的厚度 v可用各种带有尖峰可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体者使已凝结的液体 尽快从换热表面上尽快从换热表面上 排泄掉排泄掉7-4 7-4 沸腾换热现象沸腾换热现象一、沸腾换热的基本概念一、沸腾换热的基本概念1.定义：定义： 指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程 2.特点：特点：（1）液体汽化吸收大量的汽化潜热；（）液体汽化吸

13、收大量的汽化潜热；（2）由）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。强度远大于无相变的换热。（1）大容器沸腾（池内沸腾）：加热壁面沉）大容器沸腾（池内沸腾）：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称大浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称大容器沸腾。此时产生的气泡能自由浮升，穿过容器沸腾。此时产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由表面进入容器空间液体自由表面进入容器空间3.分类：分类：（4）饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度）饱和沸腾：液

14、体主体温度达到饱和温度，壁温高于饱和温度所发生的沸腾壁温高于饱和温度所发生的沸腾7-4 7-4 沸腾换热现象沸腾换热现象3.分类：分类：（2）强制对流沸腾（管内沸腾）：流体在管）强制对流沸腾（管内沸腾）：流体在管道内流动过程中产生的沸腾。道内流动过程中产生的沸腾。（3）过冷沸腾：液体主体温度未达到饱和温度）过冷沸腾：液体主体温度未达到饱和温度，壁温高于饱和温度所发生的沸腾，壁温高于饱和温度所发生的沸腾4.实现沸腾的条件：实现沸腾的条件：（1) 液体必须过热；（液体必须过热；（2）要有汽化核心。）要有汽化核心。 二二.大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾曲曲线：线：7-4 7-4 沸腾换热现象沸腾换热现

15、象三三. 汽化核心的分析汽化核心的分析目前普遍认为，壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽目前普遍认为，壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心。这些凹穴中残留的气体（包括蒸气），化核心。这些凹穴中残留的气体（包括蒸气），由于液体表面张力的原因，很难彻底逐出，它们由于液体表面张力的原因，很难彻底逐出，它们就成为孕育新生气泡的有利场所。就成为孕育新生气泡的有利场所。 7-4 7-4 沸腾换热现象沸腾换热现象( (p pv vppl l ) ) ,R,R同一加热面上，称为汽化核心同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加的凹穴数量增加汽化核心数增加汽化核心数增加换热增强换热增强 力平衡：力平衡：22vlRppR 汽泡生成的条件：汽泡生成的条件：2vlRpp7-6 7-6 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素1. 不凝结气体不凝结气体与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化沸腾换热得到某种程度的强化 2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，换热时， ，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。 1 4wfhtt3 液位高度液位高度 当液位降低到一定值当液位降低到一定值时，表面传热系数时，表面传热系数会明显地随液会明显地随液 位的位的降低而升高降低而升