《传热学》第7章_相变对流传热

1、3/16/202217.1 凝结传热的模式凝结传热的模式7.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式7.3 膜状凝结的影响因素及其传热膜状凝结的影响因素及其传热 强化强化7.4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式7.5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式7.6 沸腾传热的影响因素及强化沸腾传热的影响因素及强化7.7 热管简介热管简介3/16/20222引入：引入：对流传热对流传热强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热凝结传热凝结传热沸腾传热沸腾传热无相变无相变有相变有相变传热原理本质上不同传热原理本质上不同内容：内容：重点：重点：1. 凝结传热的模式、分析

2、解、影响因素及强化策略2. 沸腾传热的模式、影响因素及强化策略3. 相变传热在热管中的应用1. 凝结与沸腾过程的基本特点2. 凝结传热的分析解及其应用3. 强化凝结与沸腾传热过程的基本思想和主要的实现技术。3/16/202237.1 凝结传热的模式凝结传热的模式7.1.1 珠状凝结与膜状凝结珠状凝结与膜状凝结凝结传热凝结传热：蒸气与低于饱和温度的壁面接触时的凝结方式。膜状凝结膜状凝结：凝结液体能很好地润湿壁面，在壁面上铺展成液膜。 凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上，液膜层 是传热的主要热阻珠状凝结珠状凝结：当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体就在壁面上 形成小液珠。 凝结放出的

3、潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上润湿能力润湿能力比较强比较强润湿能力润湿能力比较差比较差3/16/202247.1.2 凝结液构成了蒸气与壁面间的主要热阻凝结液构成了蒸气与壁面间的主要热阻gswtt gswtt无论是膜状凝结还是珠状凝结，凝结液体凝结液体都是构成蒸气与壁面交换热量的热阻载体热阻载体。在减小凝结热阻方面，珠状凝结珠状凝结相比与膜状凝结具有很大的优越性优越性：液珠的直径很小直径很小，空出大量壁面与蒸气直接接触；液珠不断增大，会在重力作用下滚下滚下；在滚动过程中扫除了沿途的液珠扫除了沿途的液珠。1. 膜状凝结会产生连续的液膜连续的液膜，且厚度厚度随着重力不断增大不断增大膜状凝

4、结的热阻通常比珠状凝结大一个数量级大一个数量级以上，膜状凝结的表面传热系数的数量级为“成千上万成千上万”，而珠状凝结的表面传热系数可以高达几十万！3/16/20225珠状和膜状凝结的异同：珠状和膜状凝结的异同： 1. 产生原因不同（液体与壁面浸润程度） 2. 换热强度不同 3. 珠状凝结不持久，工程中主要采用膜状凝结作为设计依据。 珠状凝结的关键问题是在常规金属表面上难以产生与维持！7.1.3 膜状凝结是工程设计的依据膜状凝结是工程设计的依据常用蒸气在洁净的条件下都能得到膜状凝结。实现起来较容易且计算简单，因此，采用膜状凝结的计算式作为设计的依据。强化传热的主要途径是减薄液膜的厚度！3/16/

5、202267.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式7.2.1 努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解(温度、传热系数及动量分布温度、传热系数及动量分布)1. 对实际问题的简化假设对实际问题的简化假设 努塞尔的分析是对纯净的饱和蒸气在均匀壁温的竖直表面上的层流膜状凝结给出的.作出以下8个假设:(1)常物性;(2) 蒸气是静止的;(3)液膜的惯性力可以忽略;(4)气液界面上无温度差;(5)膜内温度分布是线性的;(6)液膜的过冷度可以忽略;(7) v明显小于l;(8)液膜表面平整无波动。2. 边界层方程组的简化边界层方程组的简化 凝结液膜的流动和传热符合边界

6、层边界层的薄层性质薄层性质。以竖壁的膜状凝结为例，把坐标x取为重力方向。在稳态情况下，控制方程控制方程为：0yvxu22yugdxdpyuvxuulll22ytaytvxtul022yugll022yt假设3舍去5-16左方假设2得dp/dx=vg假设7舍去vg假设5舍去5-17的左方有了两个未知量u、t,舍去公式(5-15)。3/16/20227边界条件：边界条件：sttyuyttuy, 0, 0, 0以上简化采用了15，7六个假设，假设8也隐含在其中：上述分析只对液膜表面无波纹时才适用；假设6将在下面的分析中使用。3. 主要求解过程与结果主要求解过程与结果将动量方程和能量方程做二次积分，可

7、得yttttyyguwswll,212未知的液膜厚度，首先要得到随x的变化情况。对dx段进行质量平衡分析，通过l界面处宽度为1m的壁面凝结液体的质量流量为：lllllmgdyyygudyq3213202203/16/20228对质量流量进行求导，得到dx微元段上的质量流量的增量为llmdgdq22通过厚度为的液膜的导热=dqm的凝结液体释放出来的潜热dxttdgrwslll22凝结液体释放的汽化潜热通过液膜的导热包含假设包含假设(6)上面公式关于液膜厚度的常微分方程，积分可得：4/124rgxttlwsll局部表面传热系数为4/1234xttgrhwsllllx整个竖壁上的温差ts-tw为常数

8、，因此，整个竖壁的平均表面传热系数为：4/1230943.0341wsllllxlxVttlgrhdxhlh液膜层流时竖壁膜状凝结的努塞尔理论解，如果有倾角的话，直接改为gsin 即可。3/16/202297.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证竖直管与水平管的比较及实验验证1. 水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数 努塞尔理论推广到水平圆管水平圆管及球表面球表面上的层流膜状凝结，平均表面传热系数分别为：4/123729.0wslllHttdrgh4/123826.0wslllSttdrgh除相变热按蒸气饱和温度ts确定外，其它物性均取膜层平均温度tw

9、=(ts+tw)/2为定性温度2. 水平管外凝结与竖直管外凝结的比较水平管外凝结与竖直管外凝结的比较两点不同横管的特征长度为d，而竖管的特征长度为l两者表面传热系数不同4/1/77. 0dlhhVH横管表面传热系数横管表面传热系数一般比竖管的值大一般比竖管的值大3/16/2022103. 分析解的实验验证和假设条件的影响分析解的实验验证和假设条件的影响对于竖壁的水蒸气实验可以看出：当Re20时,实验值越来越高于理论值(表面波动表面波动)工程应用中要比理论值增加理论值增加20%。2. 水平单管外纯净蒸气凝结的努塞尔分析解与多种流体(包括水及多种制冷剂)的实测值偏差一般在10%以内，最多达到以内，

10、最多达到15%，因此，实验结果是否与公式(7-4)一致作为考核测试系统准确性的一种方式。3. 对于Pr数数接近于1或大于1的流体，只要无量纲参数无量纲参数 ，1. 惯性力项及液膜过冷度的影响可以忽略不计惯性力项及液膜过冷度的影响可以忽略不计。1/wspttcr3/16/2022117.2.3 湍流膜状凝结湍流膜状凝结膜层中的凝结液流态层流湍流根据液膜的特点取当量直径当量直径为特征长度的Re数膜状Re数：离开液膜开始处x=l处的膜层Re数为：leudReul为壁底部x=l处液膜层的平均流速；de为该截面处液膜层的当量直径，如图7-5，当液膜宽为b，润湿周长P=b，截面积Ac=b，于是de=4Ac

11、/P=4。代入公式(7-8)得mllqu44Reqml是x=l处宽为1m的界面上凝结液的质量流量质量流量qml乘以乘以气化潜热潜热r等于高l、宽1m的整个竖壁的传热量传热量mlwsrqltthrtthlws4Re以上公式中的物性参数都是指液膜的，水平管采用d代替上始终的lr即可。临界雷诺数为临界雷诺数为Rec=16003/16/202212对于Re1600的湍流液膜,热量的传递除了靠近壁面的极薄的层流底部层流底部仍依靠导热导热方式外,层流底部以外以湍流传递湍流传递为主,传热比层流时大为增强.竖壁凝结传热壁面的平均表面传热系数平均表面传热系数可以表示为：lxhlxhhctcl1hl，ht分别是层

12、流和湍流层的平均表面传热系数平均表面传热系数，xc是流态转折点的高度流态转折点的高度，l为壁面的总高度整个壁面的平均表面传热系数平均表面传热系数可以通过以下实验关联式实验关联式计算：9200253RePr/PrPr58Re4/34/12/13/1swwGaNu/hlNu 其中， 称为伽利略数，除了Prw用壁温tw计算外，其余物理量的定性温度均为ts，且物性参数均是指凝结液的。23/vglGa 3/16/2022137.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化 以上计算全部基于理想状况理想状况得到的，实际应用中影响因素众多，需要将其引入并进行修正。7.3.1 膜状凝结的影

13、响因素膜状凝结的影响因素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，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力t，也使凝结过程削弱。(1%的不凝结气体降低60%的表面传热系数)2. 管子排数管子排数 前面推导得出的公式仅适用于单根横管，对于多层横管组成的管束而言，落下来的凝结液会产生飞溅并对液膜产生冲击扰动，影响程度主要取决于管束几何位置及流体物性。3/16/2022143. 管内凝结管内凝结 管内凝结传热情况与蒸气流速有很大关系:当蒸气流速较低时,凝结液主要聚集在管子底部,蒸气在管子上半部；当蒸气流速比较高时,形成环状流动,中间蒸气四周凝结液,随着流动进行,凝结液占据整个截面。4

14、. 蒸气流速蒸气流速 努塞尔理论分析忽略了流速的影响，只适于流速较低的场合。当蒸气流速高时(水蒸气10m/s)，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。其影响程度与蒸汽流向与重力场方向及流速大小是否撕破液膜有关。若流动方向与液膜重力场一致，使液膜拉薄，h增加；方向相反效果相反.3/16/2022155. 蒸气过热度蒸气过热度 前面仅针对饱和蒸气的凝结而言，对于过热蒸气，只需把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差即可。6. 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 努塞尔理论分析忽略了液膜过冷度的影响，并假设液膜中的温度呈线性分布，利用r代替公式中的潜热r即可兼顾以上两个因素。w

15、rpttcrr68. 0上式也可以表示为：Jarr68. 01其中，Ja是雅各布数，定义为 ，是衡量液膜过冷度相对大小的一个无量纲数。rttcJar以上各影响因素应综合考虑！以上各影响因素应综合考虑！3/16/2022167.3.2 膜状凝结的强化原则与技术膜状凝结的强化原则与技术1. 膜状凝结的强化基本原则膜状凝结的强化基本原则蒸气膜状凝结时，热阻取决于通过液膜层的导热。减薄液膜层的厚度是强化膜状凝结的基本手段，主要从以下两方面着手：第一：减薄蒸气凝结时直接粘滞在固体表面上的液膜；第二：及时将传热表面上产生的凝结液体排走。2. 强化技术简介强化技术简介减薄液膜厚度的技术：最简单的方法:对于竖

16、壁或竖管，尽量降低传热面高度或将竖管改为横管。最主要的方法：利用表面张力减薄液膜厚度的方法。如右图所示，液膜的表面张力可以使尖峰处的液膜厚度大大减薄。3/16/202217家用空调的冷凝器中已成功应用了二维和三维的微肋管。低肋管凝结传热的表面传热系数比光管提高2-4倍，锯齿管可以提高一个数量级，微肋管可以提高2-3倍。及时排液的技术：及时排液的技术：两种加快及时排液的方法：第一：在凝液下流的过程中分段排泄分段排泄，有效地控制了液膜的厚度，管表面的沟槽又可以起到减薄液膜厚度沟槽又可以起到减薄液膜厚度的作用。主要用于立式冷凝器立式冷凝器。第二：右图中的泄流板可以使布置在该板上不水平管束上的冷凝液体

17、不会集聚到其下的其它管束上。主要用于卧式冷凝器卧式冷凝器。注意：注意：空气漏入使冷凝器表面传热系数明显下降，采用强化传热能够取得实际收益。3/16/2022187.4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式液体的汽化蒸发蒸发：液体表面上的汽化过程沸腾沸腾：液体内部以产生气泡的形式进行汽化的过程沸腾分类大容器沸腾大容器沸腾：运动由温差和气泡的扰动造成的管内沸腾管内沸腾：该过程需要外加压差作用才能维持7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域大容器饱和沸腾的三个区域 沸腾传热现象实验沸腾传热现象实验：在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生气泡，烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈

18、钢表面进行的沸腾即为饱和沸腾。3/16/202219随着电流密度的加大，表面温度与饱和温度之间的温差t=tw-ts(过热度)的增加，热交换会出现以下几个区域(图7-14)：自然对流区自然对流区：壁面过热度较小(t4oC)，没有气泡产生。核态沸腾区核态沸腾区：当加热壁面的过热度(t4oC)时，壁面上个别地方开始产生气泡，气泡互不干扰，称为孤立气泡区孤立气泡区；随着t继续增加，气泡互相影响，形成气块或者气柱气块或者气柱。气泡扰动剧烈，传热系数和热流密度急剧增加，汽化核心对传热其关键作用。温差小，传热强，工业中通常采用该范围。3. 过渡沸腾区过渡沸腾区：从峰值进一步提高t,热流密度随着t的升高而降低

19、，因为汽泡汇聚覆盖在加热面上汽泡汇聚覆盖在加热面上，使蒸汽排除过程越趋恶化，到最低热流密度位置，为不稳定过程不稳定过程。4. 膜态沸腾区膜态沸腾区：热流密度随着过热度t的不断升高而增加，形成稳定的气膜层气膜层，膜状沸腾和凝结在物理上有共同点,但传热系数比凝结小得多。3/16/202220右图所示的热流密度-过热度曲线称为大容器饱和沸腾曲线容器饱和沸腾曲线。其中，核态沸腾、过渡沸腾和稳核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾定膜态沸腾属于沸腾传热范围。过渡沸腾传热过程的动力是壁面的过热度。3/16/2022217.4.2 临界热流密度及其工程意义临界热流密度及其工程意义过渡沸腾过渡沸腾和稳态膜状沸腾稳态

20、膜状沸腾之间的热流密度最低值热流密度最低值称为莱登佛罗斯特点莱登佛罗斯特点。而热流密度的峰值称之为临界热流密度临界热流密度，具有重大实践意义。分别从热流密度可控热流密度可控和加热壁温加热壁温可控两方面进行讨论：对于控制热流密度控制热流密度设备而言，如果热流密度超过峰值，那么会快速沿着qmax点的虚线跳至稳定膜态沸腾线，温度会猛升至1000oC，会导致设备烧毁，因此称qmax为烧毁点。因此，选择比qmax热流密度小、增长缓慢的核态沸腾的转折点DNB作为监视接近qmax的警戒线。该监视区对于蒸发冷凝器等壁温可控设备同样重要，因为膜状沸腾在相同壁温下的传热量大大减少。不同工质在不同压力和不同加热面条

21、件下不同工质在不同压力和不同加热面条件下的参数虽然数值不同，但是基本规律完全相同。3/16/2022227.4.3 气泡动力学简介气泡动力学简介1. 为什么沸腾传热有较高的传热强度为什么沸腾传热有较高的传热强度水在核态沸腾范围内的热流密度高达105106W/m2的数量级，比相同温差变化范围内的强制对流传热的热流密度至少高一个数量级至少高一个数量级。主要由于气泡的形成、成长和脱离加热壁而引起的各种扰动造成的由于气泡的形成、成长和脱离加热壁而引起的各种扰动造成的，因此，强化传热就是增加加热表面能产生气泡的地点增加加热表面能产生气泡的地点汽化核心汽化核心。2. 加热表面上什么地点最容易成为汽化核心加

22、热表面上什么地点最容易成为汽化核心历史上认为加热表面的微小突起时产生汽化核心的有利地点，但目前研究表明：壁面上的凹坑、细缝及裂穴凹坑、细缝及裂穴等最有可能成为汽化核心。原因：原因：处于加热表面狭缝中的液体所受到的加热影响比位于平直壁面上的相同数量的液体要超过很多。1. 2. 狭缝中易残留气体，这种残留气体自然成为产生气泡的核心。3/16/2022233. 加热表面上要产生气泡，液体必须加热加热表面上要产生气泡，液体必须加热1. 汽泡稳定存在条件：设有一个容器，底面加热，上面压力ps 对应ts，如中间有汽泡，其内压力pv，温度tv，周围流体对应pl , tl 。稳定条件：热平衡热平衡 力平衡力平

23、衡 = 热平衡热平衡 tl= tv tl tv 液体向汽泡传热，汽泡中的汽要膨胀长大。= 力平衡力平衡 取半个汽泡为控制体，受两个力压力差 表面张力)(2lvppRR2要产生汽泡，液体必须上升到饱和温度，并达到一定的过热度。3/16/202224力平衡时：如略去液柱压力略去液柱压力， ，则热平衡要求汽泡内的蒸汽温度在Pv压力下的饱和温度tv，界面内外温度相同，即tl=tv，即汽泡外的液体必须是过热的，过热度为tl-ts，贴壁处液体具有最大过热度壁处液体具有最大过热度tw-ts，加上凹穴处的残留气体残留气体，平面凹穴处最先能满足产生汽泡的条件。pplsRppRl2)(v2s2ppRv上式给出了半

24、径为R的气泡所必需的压力差，即液体的过热度，根据克劳修斯-克拉贝龙方程，得到产生半径为R的汽泡所需的过热度。RrTtttwssl2讨论：产生的气泡很不稳定，半径稍小于计算半径，表面张力大于压差，汽泡内蒸气凝结，气泡破裂；只有半径大于上述计算半径，界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。3/16/202225在一定壁面过热度条件下，壁面上只有满足公式(7-15)条件的那些地方，才能成为工作的汽化核心。随着壁面过热度的提高，压差pv-ps越来越高，按照公式(7-15)，汽泡的平衡态半径R将递减，因此，壁温tu提高时，壁面上越来越小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心，从而壁面的汽化核心数随着壁面过热度的提高

25、而不断增加。3/16/2022267.6 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热科学分析法影响因素少少且传热过程简单简单分析解法分析解法稳态传热稳态传热影响因素少少且结构复杂复杂数值分析法数值分析法复杂结构件传热复杂结构件传热影响因素多多且传热过程复杂复杂实验法实验法沸腾传热沸腾传热7.6.1 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素1. 不凝结气体不凝结气体与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体不凝结气体会使沸腾传热使沸腾传热得到某种强强化化。因为不凝结气体有利于汽泡的产生，强化了传热。如果气体逸出之后，不继续给液体注入不凝结气体，那么就没有强化作用了。2. 过冷度过冷度如果在

26、大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度，则这种沸腾称为过冷沸腾过冷沸腾。对于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始点附近区域外，过冷度对沸腾传热的强度并无影响。3/16/2022273. 液位高度液位高度当液位足够高液位足够高时，大容器沸腾传热的表面传热系数与液位高度无关与液位高度无关，但是当液位降低到一定程度时，沸腾传热的表面传热系数会明显的随着液表面传热系数会明显的随着液位的降低而升高位的降低而升高。该液位值称为临界液位临界液位，常压下的水约为5mm。4. 重力加速度重力加速度随着航空航天技术的发展，需要对超重力和微重力情况下的传热规律进行研究

27、。在很大的范围内重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没有影响有影响。但重力加速度对液体自然对流则有显对液体自然对流则有显著的影响著的影响，自然对流随加速度的增加而强化 。3/16/2022285. 管内沸腾管内沸腾液体在管内发生强制对流沸腾时，由于蒸气混入液流蒸气混入液流，出现不同形式的两相流结构，传热机理很复杂。均匀加热的竖管内液体沸腾的类型及区域：过冷沸腾区：过冷沸腾区：未达到饱和温度饱和核态沸腾区：饱和核态沸腾区：泡状流和块状流液膜对流沸腾区：液膜对流沸腾区：中间空气的环状流湿蒸气换热区：湿蒸气换热区：湿蒸气与壁面接触过热蒸汽换热区：过热蒸汽换热区：干蒸

28、气单项传热。管的位置是影响管内沸腾的因素之一，影响参数有：含气量、质量流速和压力含气量、质量流速和压力。3/16/2022297.6.2 强化沸腾传热的原则与技术强化沸腾传热的原则与技术总原则：总原则：尽量增加加热表面上的汽化核心；关键技术：关键技术：在沸腾传热表面增加微小凹坑。1. 强化大容器沸腾的表面结构强化大容器沸腾的表面结构两类增加表面凹坑的方法：(1). 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学的方法在换热表面上造成一层多孔结构；(2). 采用机械加工的方法在换热管表面上造成多孔结构。2. 强化管内沸腾的表面结构强化管内沸腾的表面结构为防止管内沸腾蒸干区域管壁温度的飞升，采用螺纹或者三维微肋结构的肋管。3/16/2022307.7 热管简介热管简介( (相变对流传热的应用相变对流传热的应用) )7.7.1 热管的工作原理热管的工作原理构成构成: 金属管、丝网状吸液芯、液体原理：原理：管