凝结与沸腾换热

1、第七章 凝结与沸腾换热Boiling and Condensation2021-12-261 三相点：液气固转化 相变换热：蒸汽的凝结、液体的沸腾、液体的蒸发、液体的凝固、固体熔化等 应用： 冷凝器：（气液）放出潜热 蒸发器：（液气）吸收潜热 蒸汽压缩式制冷：认为应用气液相变实现制冷。引言2021-12-262 因流体潜热的释热或吸收而使这种热交换过程的强度远大于同种流体无相变的换热强度； 当流体为饱和流体时，相变换热过程中流体温度tf不发生变化； 过程复杂，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。相变换热的特点：2021-12-2632021-12-264寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰

2、花 液体对壁面附着力液体的表面张力 ，膜状凝结 液体对壁面附着力液体的表面张力，珠状凝结 2021-12-265滴水滴水 滴水银滴水银2021-12-2662021-12-267 膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结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）gswttgswtt 实验查明：几乎所有蒸汽在纯净条件下均能在常用工程材料的洁净面上得到膜状凝结（洗净标准） 近年对珠状凝结的研究：对紫铜管

3、技术处理后在实验条件下连续3800小时珠状凝结，但工业凝结器中很难。 珠状凝结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结。 本章仅讨论蒸汽的膜状凝结。应用现状分析2021-12-2682021-12-2691916年，年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。近代膜状凝结理论和传热分析的基础。假定：1）常物性；2）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；3）蒸气静止；4）液膜的惯性力忽略；5）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；1、层流膜状凝结理论解2021-12-2610g)(xm t

4、(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layersswtt微元控制体边界层微分方程组：边界层微分方程组： 2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxu 对应于对应于p.109-111页页(5-3)，(5-4)，(5-5)x2021-12-2611应用于蒸气，考虑（3）（4） gdxdpv 考虑（5 5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热 代入动量微分方程考虑（4 4）0ytvxtu 002222ytyug 只有只有u u 和和 t t 两个未知量，于两个未知量，于是，上面得方程组化简为：是，上面得方程组化简为：

5、 2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxu 0)(v22 gyu 2021-12-2612边界条件：边界条件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0时，时，求解上面方程可得：求解上面方程可得：yttttyyguwsw)()21(2)( )( dxdxdMMHdxdydtMHdMHw热平衡关系：热平衡关系：其中：其中： 0HHrudyM2021-12-2613(1) (1) 液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：2wsmttt 注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定 4124/wsgrttx 整理得：dxttdgrws)(222求解得：2021-12-261

6、4(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定性温度：定性温度：2wsmttt注意：注意：r 按按 ts 确定确定 4132x4h/wsttxrg )Km/(W9430431241320 /wslxlxttlrg.hdxhlh对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可2021-12-2615(3) (3) 水平圆管水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管的层流膜状凝结定性温度与前面的公式相同，定性温度与前面的公式相同，定型尺寸不同，垂直壁为长度定型尺寸不同，垂直壁为长度l，水平管为外径，水平管为外径d。 )Km/(W725024132 /wsttlr

7、g.h 获得Nu理论解的关键：对实际问题所做的合理简化假设及据此推导出的微分方程； 常微分方程求解思路： 简化方程组，获得u，t分布表达式； 利用dx一段距离上凝结液质量平衡关系式获得表达式； 利用导热公式与牛顿冷却公式联立求解出h。总结分析：2021-12-26162021-12-261703Re 0081Re c无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和紊流，并凝结液体流动也分层流和紊流，并且其判断依据仍然时且其判断依据仍然时ReRe，式中： u um m 为 x = lx = l 处液膜层的平均流速；de de 为该截面处液膜层的当量直径。2、层流膜状凝结换热

8、准则关联式ududmemec Re1）流态判断）流态判断如图由热平衡所以LLUfde444 M4u4Rem 182021-12-26rM)lth(tws r)thl(twsc 4ReL层流到紊流的临界层流到紊流的临界Re值，定型尺寸：垂值，定型尺寸：垂直壁为高度，水平管管外凝结为周长直壁为高度，水平管管外凝结为周长d。31312331223/GaNuglhlghCo 31Re471/-c.Co 31Re511/-c.Co 192021-12-26物理意义：反映凝结换热的强弱。物理意义：反映凝结换热的强弱。垂直壁理论解：垂直壁理论解：水平管理论解：水平管理论解：对垂直壁，当30Rec1800时，

9、理论解比实验解平均偏低20%。修正系数后：3/124132Re76. 1Co)Km/(W13. 1c/wsttlrgh或25Re081Re221.Co.cc 202021-12-26实验证明：对于垂直壁，实验证明：对于垂直壁，Rec=1800； 对于水平管，对于水平管，Rec=3600。实际计算：实际计算： Rec30时，理论解与实验关联式一致（无波动）； 30Rec1800时，紊流，7-7计算。分析图7-3：2021-12-26212021-12-2622对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强对竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的平均

10、表面传热系数计算式为：ccltxxhhh1ll式中：hl 为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度利用上面思想，整理的实验关联式：利用上面思想，整理的实验关联式：)(Co.c.c253RePr588750Re75050 2021-12-2623注意：在使用以上膜状凝结换热的计算公式时所涉及的液体和蒸汽物性量，除汽化潜热在蒸汽饱和温度下取值外，均在膜温度 下取值。Rev140,h高于光滑壁。2021-12-26263. 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。1.改变表面几何形状2.有效

11、排除不凝气体3.加速凝结液的排除4.形成珠状凝结2021-12-26272021-12-2628例题1、空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度降低。试对上述现象做出解释?答案：空气外掠管束时，沿流动方向管排数越多，气流扰动增加，换热越强。而蒸汽在管束外凝结时，沿液膜流动方向排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度降低。例题例题2：试比较竖壁上自然对流与膜状凝结的异：试比较竖壁上自然对流与膜状凝结的异同。同。 答：1）都是竖壁表面与流体的换热，自然对流主要作用力是浮升力和粘滞力，膜状凝结的主要作用力是重

12、力和粘滞力。 2）都存在层流和紊流两种流态，其中自然对流是气体的流动状态；膜状凝结是液膜凝结液的流动状态。2021-12-2629例3: 压力为0.7105Pa的饱和水蒸汽，在高为0.3m，壁温为70的竖直平板上发生膜状凝结，求平均表面传热系数及平板每米宽的凝液量?2021-12-2630解:Ps=0.7105Pa的饱和水蒸气对应的饱和温度 =90。液膜平均温度为 ，凝液（水）的物性参数： 971.8 kg/m3 ，0.674W/(mK)， 355.110-6Pas ts=90对应的汽化潜热：r2283.1 kJ/kg 2021-12-2631先假定液膜流动处于层流W/(m2K)检验流态： 2

13、021-12-2632所以，假设层流正确。每米宽平板的凝液量： kg/s 2021-12-2633做饭蒸汽锅炉 许多其它的工业过程1 生活中的例子生活中的例子2 定义：a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程 b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式（twts）2021-12-2634锅炉中的水冷壁2021-12-2635a 大空间沸腾(池内沸腾)：高于ts的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；b 管内沸腾：受迫对流沸腾加热表面加热表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnu

14、lar flowMist flow3 分类 过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾。 饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾。2021-12-2636我们这本书仅介绍我们这本书仅介绍大空间大空间的的饱和沸腾饱和沸腾 相变对流：q=h（tw-ts） 引起沸腾换热的两种加热方式：控制壁温和控制热流； 推动力：t= tw-ts h沸腾h无相变一、大空间沸腾换热1.沸腾换热特点：2021-12-26372021-12-26382.大空间饱和沸腾曲线：大空间饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，表

15、征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括共包括4个换热规律不同的阶段：个换热规律不同的阶段：自然对流、泡态沸腾、过渡沸自然对流、泡态沸腾、过渡沸腾腾和和膜态沸腾膜态沸腾，如图所示：，如图所示： qmaxqmin 对流沸腾区（图中的AB线段） ： t3-5，产生的汽泡的地方很少，以自然对流换热为主 ； 泡态沸腾区（图中的BC线段）： 5 t30 ，汽泡不断地在壁面上产生、长大、跃离 ，沸腾换热过程得到加强 ，汽化核心 ，C点t30，热流密度的峰值qmax ；392021-12-26 qmaxqmin 过渡沸腾区（图中的CD线段）： 30 t120 ，整个加热面全部被汽膜覆盖 ，热量的传递过程变为对流

16、换热和辐射换热，换热系数和热流密度又会以较快的速率增加； 402021-12-26 qmaxqmin2021-12-2641几点说明：（1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用泡态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。（2）对膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。 例题1、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120和400的铁板上，试问滴在哪块板上的水滴先被烧干，为什么？ 答案：在大气压下发生沸腾换热时，上述两滴水的过热度分别是t=twts=20和t=3

17、00，由大容器饱和沸腾曲线，前者表面发生的是泡态沸腾，后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120的铁板上先被烧干。 2021-12-2642 汽泡生成条件：汽泡内外压差表面张力 活化点或核化中心 继续长大的动力条件：液体的过热度（tlts） 半径与沸腾温差的关系 紧贴加热面，t最大，R最小，壁面上凹缝、孔隙是生成汽泡核的最好地点； t越大，R越小，汽泡量越大，沸腾强化； 传热途径： 由汽泡与壁直接接触的表面传给汽泡； 由壁传给液体，再由液体传给汽泡表面； 压强影响：压强越大，能生成汽跑核越多，沸腾随之加强。3.泡态沸腾机理2021-1

18、2-26435 . 033. 215. 07 . 0122. 0533. 0pthpqh或3,2/1PrsllwswlpvllrCttcgrq4.大空间泡态沸腾表面换热系数计算2021-12-2644注：注：Cw，l和和分别查表分别查表7-1和表和表7-2。 关键：设法使沸腾表面有更多半径大于Rmin的汽泡核。 措施： 在管表面用烧结法覆盖一层多孔铜或多孔铝； 用机械加工方法使管面形成微孔层； 采用挤压、打磨等方法使表面粗糙。5.增强换热的措施2021-12-26452021-12-2646二、 管内沸腾换热特点2021-12-2647热管系统结构及功能的示意图 一、工作原理：沸腾和凝结两种相

19、变过程的巧妙结合。2021-12-2648特点：传热能力大；传热温差小特点：传热能力大；传热温差小 靠蒸汽流动传输热量，传输能力很大； 整个热管趋于等温，减少了传热温差损失； 适应温度范围：-2002200； 加热区和散热区表面的q不同； 结构简单，无运动部件，工作可靠。二、特点：2021-12-2649 工业设备的散热器或加热器； 在余热回收方面的应用； 用于电机及电器设备等小型元器件的冷却；三、应用2021-12-26502021-12-2651高炉热风炉余热回收 分离式热管换热器 2021-12-2652高炉热风炉余热回收整体式气气热管换热管 2021-12-2653空气20升高到601

20、50，节省能源 2021-12-2654本装置利用废热的能量来预热或预冷进入的新鲜空气，可以大量节约空调机的用电量。 2021-12-2655比普通太阳能集热管、传热率高20-30% 2021-12-2656可提高电机输出功率50%-80% 2021-12-26572021-12-2658思考题：思考题：1.1.膜状凝结和珠状凝结的概念膜状凝结和珠状凝结的概念. .2.2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法. . 在这个推导方法中在这个推导方法中 最基本的假设是什么最基本的假设是什么? ? 4.4.对于单根管子对于单根管子, , 有

21、那些因素影响层流膜状凝结换热有那些因素影响层流膜状凝结换热? ? 它们它们 起什么作用起什么作用? ?5.5.对于实际凝结换热器对于实际凝结换热器, , 有那些方法可以提高膜状凝结换热有那些方法可以提高膜状凝结换热 系数系数? ?6.6.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域? ? 有那些特性点有那些特性点? ? 各各 个区域在换热原理上有何特点个区域在换热原理上有何特点? ? 7.7.画出水的池内饱和沸腾曲线画出水的池内饱和沸腾曲线. . 掌握特性点的基本数值范围掌握特性点的基本数值范围. .8.什么是临界热流密度什么是临界热流密度? 什么是烧毁点什么是烧毁点? 如

22、果是定壁温加热如果是定壁温加热条件条件, 还会有烧毁现象出现吗还会有烧毁现象出现吗?2021-12-2659 液体对壁面附着力液体的表面张力 ，膜状凝结 液体对壁面附着力液体的表面张力，珠状凝结 2021-12-2660滴水滴水 滴水银滴水银2021-12-2661(1) (1) 液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：2wsmttt 注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定 4124/wsgrttx 整理得：dxttdgrws)(222求解得：如图由热平衡所以LLUfde444 M4u4Rem 622021-12-26rM)lth(tws r)thl(twsc 4ReL层流到紊流的临界层流到紊流的临界Re值，定型尺寸：垂值，定型尺寸：垂直壁为高度，水平管管外凝结为周长直壁为高度，水平管管外凝结为周长d。 Rec30时，理论解与实验关联式一致（无波动）； 30Rec1800时，紊流，7-7计算。分析图7-3：2021-12-2663解:Ps=0.7105Pa的饱和水蒸气对应的饱和温度 =90。液膜平均温度为 ，凝液（水）的物性参数： 971.8 kg/m3 ，0.674W/(mK)， 355.110-6Pas ts=90对应的汽化潜热：r2283.1 kJ/kg 2021-12-2664先假定液膜流动处于层流W/(m2