传热学2Chap_4

1、重庆大学动力工程学院重庆大学动力工程学院本科生专业基础课程本科生专业基础课程 传传 热热 学学 李李 友友 荣荣E-mail: ; Tel:65112284主要内容主要内容 概概 述述p 沸腾传热沸腾传热大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线沸腾传热的计算沸腾传热的计算影响因素及其强化影响因素及其强化流动沸腾传热特征流动沸腾传热特征p 凝结传热凝结传热凝结方式凝结方式Nusselt膜状凝结理论膜状凝结理论影响因素及其强化影响因素及其强化第四章第四章 相变对流传热分析与计算相变对流传热分析与计算 概概 述述 日常生活中的相变传热过程日常生活中的相变传热过程汽化汽化凝结凝结心急水不开；欲速则不达心急

2、水不开；欲速则不达发发 汗汗 冷冷 却却工程实例工程实例锅炉水冷壁锅炉水冷壁凝汽器凝汽器概概 述述 相变传热的定义相变传热的定义对流传热的同时伴随相的变化对流传热的同时伴随相的变化特点特点过程中流体温度不变，过程中流体温度不变，ts=const.潜热大，相同条件下传热量大于单相介质对流传热量潜热大，相同条件下传热量大于单相介质对流传热量传热温差小，传热系数大传热温差小，传热系数大计算方法计算方法qh t 凝结换热：凝结换热：t=ts- -tw沸腾换热：沸腾换热：t=tw- -ts 概概 述述 4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 1. 概概 述述 定义定义：当twts时，液体强烈汽化汽化并形成汽泡的

3、过程称为沸腾 此时，加热壁面与液体之间的传热称为沸腾传热 实例实例：蒸发蒸发 (evaporation)沸腾沸腾 (boiling) 分类分类：大容器沸腾大容器沸腾(池沸腾池沸腾 pool boiling)强制对流沸腾强制对流沸腾(流动沸腾流动沸腾 flow boiling)过冷沸腾过冷沸腾(subcooled boiling)饱和沸腾饱和沸腾(saturated boiling)水在锅炉水冷壁中的沸腾汽化；制冷剂在蒸发器内的蒸发；拔山拔山(Nukiyama)曲线曲线, 1934年年2. 大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 分区：分区：p 自然对流区自然对流区p 核态沸腾区核态沸腾区 孤立汽

4、泡区孤立汽泡区 汽块区汽块区p 过渡沸腾过渡沸腾p 膜态沸腾膜态沸腾q与壁面过热度与壁面过热度t关系曲线关系曲线 大气压下水沸腾曲线大气压下水沸腾曲线4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 起始沸腾点：起始沸腾点：A点点 临界点：临界点：D点点qmax(CHF) 偏离核态沸腾点偏离核态沸腾点(DNB)：C点点 Leidenfrost点：点：E点点qmin几个特殊的点几个特殊的点临界热流密度的工程意义临界热流密度的工程意义 热流密度可控热流密度可控 电加热、核反应堆电加热、核反应堆 烧毁点烧毁点 DNB：监视点：监视点 壁温可控壁温可控 蒸发冷凝器蒸发冷凝器沸腾滞后沸腾滞后4.1 沸沸 腾腾 传传 热热

5、 基本特征基本特征（1）自然对流区）自然对流区 ：无气泡产生，无气泡产生，0t4 （2）核态沸腾区（）核态沸腾区（4t30 ） 孤立汽泡区：气泡独立地产生、长大、脱离，互不影响孤立汽泡区：气泡独立地产生、长大、脱离，互不影响4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 汽块区：汽泡相互靠近融合，形成汽块或汽柱汽块区：汽泡相互靠近融合，形成汽块或汽柱 在C点，汽泡融合非常剧烈，形成大的汽块附着于加热面而使传热性能下降，因此，CD曲线相对于BC来说较为平缓，核态沸腾传热规律发生变化核态沸腾传热规律发生变化。 4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 （3）过渡沸腾区）过渡沸腾区30t120）通过汽膜的辐射传热占有重要的地

6、位通过汽膜的辐射传热占有重要的地位 稳定膜态沸腾与膜状凝结类似，不过因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，而不是液膜，所以表面传热系数比凝结小得多。 4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 3. 沸腾成核理论沸腾成核理论 汽化核心汽化核心：能产生汽泡的特定地点：能产生汽泡的特定地点 液体内部产生：液体内部产生：均相成核均相成核 加热壁面上产生：加热壁面上产生：非均相成核非均相成核凹缝、裂穴处：凹缝、裂穴处： 残留有微量气体，成为汽泡核残留有微量气体，成为汽泡核接触液体的壁面温度最高接触液体的壁面温度最高 4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 均相成核：均相成核：过热液体中的汽化成核理论过热液体中的汽化成核理论

7、 成核过程成核过程 成核条件成核条件力平衡条件力平衡条件min22()ssvvwsTTRrtrtt22vlRppR 2pR 热平衡条件热平衡条件vlsTTTpvpl蒸汽饱和蒸汽饱和液体必过热液体必过热svTTpr2svTtrR 汽泡最小半径汽泡最小半径 表面张力表面张力N/m4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 液体种类液体种类可达到的最大过热度，可达到的最大过热度，K实验值实验值理论计算值理论计算值水水170166甲醇甲醇11496乙醇乙醇12393乙醚乙醚10892苯苯128124氯苯氯苯118129最大过热度（最大过热度（p=1atm）4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 均相成核：均相成核：过热液

8、体中的汽化成核理论过热液体中的汽化成核理论非均相成核：非均相成核：加热壁面上的汽化成核理论加热壁面上的汽化成核理论 成核过程成核过程 成核条件成核条件具有一定的过热度具有一定的过热度(tw ts)壁面凹腔处，且壁面凹腔处，且rRmin(tw ts)越大，则越大，则Rmin越小越小 壁面会形成更多的汽化核心壁面会形成更多的汽化核心N(r)min22()ssvvwsTTRrtrtt4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 p 研究汽泡的产生、长大、脱离过程研究汽泡的产生、长大、脱离过程4.1 沸沸 腾腾 传传 热热 4. 汽泡动力学简介汽泡动力学简介 沸腾传热计算特点沸腾传热计算特点 p 牛顿冷却公式仍然适

9、用牛顿冷却公式仍然适用1,(), , , , ,vpwlhft grcC wsqh tth t p 影响因素多影响因素多 p 计算公式分歧较大计算公式分歧较大与沸腾液体及表面材料有关的系数与沸腾液体及表面材料有关的系数 4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 1. 大容器饱和核态沸腾大容器饱和核态沸腾 米海耶夫计算式米海耶夫计算式 0.70.150.5335hqp2.330.50.1224htpqh t 工质：水，p=11054106Pa；p: Pa, q: W/m2 罗森诺实验关联式罗森诺实验关联式 W.M. Rohsenow (1921-2011)0.33()plwlslllvctq

10、CrPrrg经验指数，水：经验指数，水：s=1；其它液体：；其它液体：s=1.7 物性参数按饱和温度确定物性参数按饱和温度确定组合经验常数组合经验常数4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 表面表面- -液体组合情况液体组合情况Cwl水水- -铜铜水水- -铂铂水水- -黄铜黄铜正丁醇正丁醇- -铜铜异丙醇异丙醇- -铜铜正戊烷正戊烷- -铬铬苯苯- -铬铬乙醇乙醇- -铬铬水水- -金钢砂磨光的铜金钢砂磨光的铜正戊烷正戊烷- -金钢砂磨光的铜金钢砂磨光的铜四氯化碳四氯化碳- -金钢砂磨光的铜金钢砂磨光的铜水水- -金、磨光的不锈钢金、磨光的不锈钢水水- -化学腐蚀的不锈钢化学腐蚀的不锈

11、钢水水- -机械磨光的不锈钢机械磨光的不锈钢0.0130.0130.0060.003050.002250.0150.1010.00270.01280.01540.00700.00800.01330.0132各种表面各种表面-液体组合情况的液体组合情况的Cwl值值 罗森诺实验关联式与实验数据比较罗森诺实验关联式与实验数据比较4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 2. 大容器饱和沸腾临界热流密度（大容器饱和沸腾临界热流密度（CHF）朱伯（N. Zuber）半经验公式 1/21/4max()vlvqkrg 说说 明明： 对于一般液体，对于一般液体，k可取可取0.16； 物性参数按饱和温度确定

12、；物性参数按饱和温度确定； 加热面的特征尺寸远大于汽泡平均直径加热面的特征尺寸远大于汽泡平均直径； qmax主要受压力影响。主要受压力影响。 k=0.100.194.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 3. 大容器膜态沸腾大容器膜态沸腾水平圆柱膜态沸腾水平圆柱膜态沸腾 1340(0.8)()0.62()vvpvlvvwsgrcthd tt 蒸汽物性按蒸汽物性按(tw+ts)/2确定，其他按确定，其他按ts确定确定有效汽化潜热有效汽化潜热 考虑辐射传热考虑辐射传热 4/34/34/3crhhh0.75crhhh或或我国学者清华大学彭晓峰教授做过非常出色的工作我国学者清华大学彭晓峰教授做过非

13、常出色的工作 44()wsrwsTThTT辐射传热使汽膜变厚，辐射传热使汽膜变厚，h小于小于hc和和hr的简单叠加的简单叠加 4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 4. 沸腾传热的影响因素及其强化沸腾传热的影响因素及其强化 （1）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素 研究最不彻底研究最不彻底 实验结果与关联式之间偏差很大实验结果与关联式之间偏差很大 仍为研究热点仍为研究热点 不凝结性气体不凝结性气体 不凝结性气体不凝结性气体汽泡的胚芽汽泡的胚芽强化了传热强化了传热易于核化易于核化4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 液位高度液位高度 常压下的水，其临界液位为常压下的水，其临界

14、液位为5mm； 液位足够高，液位高度无影响；液位足够高，液位高度无影响； 液位降低，换热能力增强。液位降低，换热能力增强。 加热面的状况加热面的状况 包括：壁面材料种类，壁面热物理性质，表面粗糙度，包括：壁面材料种类，壁面热物理性质，表面粗糙度，壁面氧化、老化和污垢沉积状况。壁面氧化、老化和污垢沉积状况。 难以定量描述难以定量描述 过冷度过冷度 核态沸腾起始段，过冷度会使该区域的换热有所增强核态沸腾起始段，过冷度会使该区域的换热有所增强 4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 （2）沸腾换热的强化）沸腾换热的强化 沸腾传热强化基本原则沸腾传热强化基本原则 增加加热面上的汽化核心增加加热面

15、上的汽化核心 延长液膜蒸发时间延长液膜蒸发时间 扩展液膜蒸发面积扩展液膜蒸发面积 整体肋整体肋 GEWA-T管管 内扩槽结构管内扩槽结构管 4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 W-TX管管(1) W-TX管管(2) 多孔管多孔管 弯肋弯肋 日立日立E管管 Tu-B管管4.2 大容器沸腾传热计算大容器沸腾传热计算 1. 管内受迫对流沸腾（两相流）特征管内受迫对流沸腾（两相流）特征 流型演化流型演化泡状流泡状流：汽泡小而分散，并逐渐增多块状流块状流（栓塞流、弹状流）：小汽泡合形成大汽泡环状流环状流：大汽泡进一步合并，在管中形成汽芯，把液体排挤到壁面上。热量主要以对流方式通过液膜，汽化过程

16、主要发生在液汽界面上单相流单相流： 液层全部蒸发，蒸汽单相流 传热机理传热机理4.3 管内流动沸腾传热分析管内流动沸腾传热分析 流动沸腾的流型流动沸腾的流型4.3 管内流动沸腾传热分析管内流动沸腾传热分析 2. 水平管内的沸腾水平管内的沸腾 当流速较高时，与竖直管基本类似当流速较高时，与竖直管基本类似 当流速较低时，由于重力的影响，在管内上部出现蒸汽的聚集当流速较低时，由于重力的影响，在管内上部出现蒸汽的聚集 管内受迫对流沸腾传热影响因素多：管的放置方式、管长、管径、管内受迫对流沸腾传热影响因素多：管的放置方式、管长、管径、壁面状况、汽液比例、液体初参数、流量等。壁面状况、汽液比例、液体初参数

17、、流量等。4.3 管内流动沸腾传热分析管内流动沸腾传热分析 4.4 凝凝 结结 传传 热热 1. 凝结方式凝结方式凝结传热凝结传热：饱和蒸汽与较低温度的表面接触时，蒸汽在表面上凝结成液体并向表面释放出凝结潜热的现象。 特点特点：凝结液能很好地润湿固体表面，液体在表面形成一层连续的液膜覆盖住表面 （1）膜状凝结）膜状凝结 条条 件件：接触角q小于90o 传热过程传热过程：汽液界面凝结 液膜导热 壁面 q接触角接触角特点特点：凝结液不能润湿表面，液体在表面形成大大小小的液珠散布在表面上（2）珠状凝结）珠状凝结 条条 件件：接触角q大于90o 4.4 凝凝 结结 传传 热热 传热过程传热过程： 通过

18、液珠的导热 裸露表面蒸汽与壁面间的直接接触传热 传热特点传热特点： 传热系数高 难于长久稳定维持u 液珠的表面积比其所占液珠的表面积比其所占壁面面积大很多壁面面积大很多u 裸露壁面上无液膜热阻裸露壁面上无液膜热阻 仅讨论蒸汽的膜状凝结仅讨论蒸汽的膜状凝结 4.4 凝凝 结结 传传 热热 2. 膜状凝结传热计算膜状凝结传热计算 （1）液膜流动状态及其对传热的影响）液膜流动状态及其对传热的影响层流层流 紊流紊流 紊流核心层紊流核心层层流底层层流底层 影响表面传热系数的主要因素影响表面传热系数的主要因素液膜流态判定准则数：Re数数 临界雷诺数临界雷诺数Rec 1600(1800) 若竖壁液膜已转变为

19、紊流，则1ccltxxhhhLL4.4 凝凝 结结 传传 热热 Re数的计算数的计算 44llelllmllllu duAqRePP凝液质量流量凝液质量流量kg/s rtthArqwsml)(4()44swlllhA tthl tqlRerPrr任意位置任意位置x=l处处 ,Abl Pb热流密度热流密度W/m24.4 凝凝 结结 传传 热热 （2）层流膜状凝结传热分析计算）层流膜状凝结传热分析计算W. Nusselt (18821957) W. Nusselt 根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液膜运动微分方程和能量微分方程式，得到了层流膜状凝结传热

20、膜运动微分方程和能量微分方程式，得到了层流膜状凝结传热的理论解，并与实验结果基本上吻合。的理论解，并与实验结果基本上吻合。 结果于结果于1915年正式发表（年正式发表（The Fundamental Laws of Heat Transfer）被公认为是运用理论分析求解被公认为是运用理论分析求解相变相变传传热问题的一个典范热问题的一个典范4.4 凝凝 结结 传传 热热 Nusselt膜状凝结理论膜状凝结理论控制方程控制方程连续性方程连续性方程动量方程动量方程能量方程能量方程0uvxy2112luudpuuvgxydxy 22ltttuvaxyy边界条件边界条件 0,0,wyutt,ytt4.4

21、 凝凝 结结 传传 热热 基本假设基本假设p 纯蒸汽，常物性纯蒸汽，常物性p 蒸汽静止，液膜表面无粘性力蒸汽静止，液膜表面无粘性力p 液膜流速缓慢，忽略惯性力液膜流速缓慢，忽略惯性力p 汽液界面上无温差汽液界面上无温差p 液膜内部的热量传递只靠导热液膜内部的热量传递只靠导热p 忽略液膜的过冷度忽略液膜的过冷度p 液膜表面无波动液膜表面无波动pv25时，h与n值无关，稳定为一恒定值，故n25时，一律取n=25 竖排管束竖排管束4.4 凝凝 结结 传传 热热 3. 膜状凝结传热的影响因素膜状凝结传热的影响因素 （1）不凝结气体）不凝结气体 水蒸汽凝结时的温度分布和热阻水蒸汽凝结时的温度分布和热阻

22、水蒸汽中1%的不凝气体，使表面传热系数下降(6070)% 增加了蒸汽在不凝结增加了蒸汽在不凝结气体中的扩散阻力气体中的扩散阻力 蒸汽分压力下降，相蒸汽分压力下降，相应的饱和温度应的饱和温度ts下降，下降，降低了凝结驱动力降低了凝结驱动力 t 4.4 凝凝 结结 传传 热热 （2）蒸汽速度）蒸汽速度 p 蒸汽向下流动，加速液膜运动，液膜变薄，传热增强蒸汽向下流动，加速液膜运动，液膜变薄，传热增强p 蒸汽向上流动，抑制液膜下落，液膜变厚，传热减弱蒸汽向上流动，抑制液膜下落，液膜变厚，传热减弱 utut（3）蒸汽过热度）蒸汽过热度 将潜热改为过热蒸汽和饱和液的焓差计算 （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 r用用 代替计算公式中的代替计算公式中的r 0.68()pswrrctt4.4 凝凝 结结 传传 热热 （5）管内凝结）管内凝结 两相流流型两相流流型凝结传热性能主要取决于流型凝结传热性能主要取决于流型 4.4 凝凝 结结 传传 热热 两相流流型调控目的两相流流型调控目的“蒸汽靠管壁，液体在中心蒸汽靠管壁，液体在中心”流型流型入口处入口处调控后调控后调控前调控前4.4 凝凝 结结 传传 热热 凝结传热的强化凝结传热的强化 强化传热机理强化传热机理：(1) 增加排液速度；增加排液速度；(2) 减薄液膜