2.1相变对流传热简化版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 Transferp 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 换热影响因素换热影响因素,pvlsatwclrgTTTfh223,LgcLgrTcfhLvlpvlpBoPr,Ja23LgfNuvl7.1 7.1 （外表凝结（外表凝结 蒸气与低于其饱和温度的冷固体表面接触时，蒸气与低于其饱和温度的冷固体表面接触时，将汽化潜热释放给表面并形成凝结液的过程。将汽

2、化潜热释放给表面并形成凝结液的过程。gsatttwgsatttw7.1 7.1 （外表凝结（外表凝结p根据表面浸润状况根据表面浸润状况膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结* *gsatttwgsatttwp根据膜层发展根据膜层发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界层由温度边界速度边界层由温度边界层引起，层引起，= =t t。g)(xm t(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layerssatttw

3、未采用未采用NusseltNusselt假定示意图假定示意图p换热公式换热公式p wtthqsatp边界层特点边界层特点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，边界层外忽略蒸气流动，边界层外gxpgxpvvdd07.2.1 7.2.1 竖壁膜状凝结换热准数关联式形式竖壁膜状凝结换热准数关联式形式22)(yugyuvxuulvllp无量纲化无量纲化 动量方程动量方程222020)(yuLugYUVXUULulvll222Re1ReGayuYUVXUU引申思考：膜状凝结与何种现象动量方程相似？可以

4、引引申思考：膜状凝结与何种现象动量方程相似？可以引申出什么结论？申出什么结论？);/()(;/Y;/X;/V;/Usatsat00TTTTlylxuvuuwn 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形式膜状凝结换热特征关联式函数形式n参考速度参考速度rttgLcuwpsat20JaGaResat232rttcvglwpn 准则形式准则形式PrJa,Ga,Nufp准则意义准则意义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；【2 2】膜状凝结

5、流动状态的判据；】膜状凝结流动状态的判据；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；液膜内热量转移只有导热；液膜内热量转移只有导热；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，液膜表面平整无波动层流，液膜表面平整无波动pNusselt假定假定7.2.2 7.2.2 基于基于NusseltNusselt假定竖壁层流

6、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 只考虑导热；只考虑导热；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；gxpgxpvvdd0002222ytayugllln控制方程控制方程at , 0 0, 0swttyuyttuy，n边界条件边界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=tsat2212yygullp结果与分析结果与分析n流速流速u uy y）n温度温度ty）

7、)(satwwttyttxysattwt0yug未知xmq,dd22llmgqgxmqmqdnx处单位宽度质量流量处单位宽度质量流量qm,xmmqqd0dyullxlg332xttqrwlmddsatdd22llmgq 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假设只考虑假设只考虑导热，且温度导热，且温度呈线性分布呈线性分布n局部表面传热系数局部表面传热系数 41sat2341sat2)(4)(4xttrgxttrghwlllwllllxxtthwxxd)(dsatx

8、ttwlxddsatn竖壁平均表面传热系数竖壁平均表面传热系数 4123)(943. 0wslllVttLrgh竖壁wVttLhsatLwxxtth0satdn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倾斜壁表面层流膜状凝结倾斜壁表面层流膜状凝结动量方程动量方程0sin 22yugllgxy4123)(729. 0wslllHttDrghn 水平圆管表面

9、层流膜状凝结水平圆管表面层流膜状凝结n 竖直圆管表面层流膜状凝结竖直圆管表面层流膜状凝结4123)(943. 0wslllVttLrgh引申思考【引申思考【1 1】: :采用与竖壁相同的公式，需满足何种条件？采用与竖壁相同的公式，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引申思考【引申思考【2 2】：试定性分析工程应用中冷凝管常采用横】：试定性分析工程应用中冷凝管常采用横管布置的原因。管布置的原因。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。水平管与竖直管外层流膜状凝结的比较水平管与竖直管外层流膜状凝结的比较n球表面层流膜状凝结球

10、表面层流膜状凝结* *4123)(826. 0wslllSttDrgh单横管膜态凝结单横管膜态凝结n竖壁表面凝结传热理论公式的修正竖壁表面凝结传热理论公式的修正考虑液膜表面波动考虑液膜表面波动4123)(13. 1wslllVttLrgh20Re1600Re,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lxexxdu,Rexxxebbd44,lxm

11、lxxlxxxquu,444Re能量守恒能量守恒wxxmttxhrqsat,rttxhlwxxsat,4Re待定准则xwtLbyn流态判据流态判据引申思考：横管膜状凝结膜层引申思考：横管膜状凝结膜层ReRe数如何计算，其一般处于数如何计算，其一般处于什么流动状态？什么流动状态？ReRe , ,x流动状态层流湍流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定性温度：定性温度：Prw 采用采用tw ，

12、其余采用，其余采用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，壁温保持，壁温保持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为待定准则，故可先假设液膜为层流。为待定准则，故可先假设液膜为层流。wtthAsat（2 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结。壁的尺寸为壁的尺寸为30cm30cm，壁温

13、保持，壁温保持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； 其余物性参数按膜温其余物性参数按膜温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/(m.K)【例【例1】 压力为压力为1.0131

14、05Pa 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，壁温保持，壁温保持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】确定表面传热系数】确定表面传热系数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原则原则液膜为层流假定成立。液膜为层流假定成立。16001 .59 sPa10825. 2kgJ102257K

15、)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，壁温保持，壁温保持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，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换。计算每小时的热换量及凝

16、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，其外表面暴露在常的垂直管，其外表面暴露在常压的饱和蒸汽中，管内有冷水通过，表面维持在压的饱和蒸汽中，管内有冷水通过，表面维持在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】蒸汽在表面上的凝结速率。】蒸汽在表面上的凝结速率。分析关键：分析关键：【1 1】竖管凝结换热如何处理？】竖管凝结换热如何处理？【2 2】采用同例【】采用同例【1 1】相同的换热公式暗含了什么假设？】相同的

17、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 换热影响因素剖析换热影响因素剖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强化膜状凝结基本原则强化膜状凝结基本原则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)尽可能减少不凝结气体质量分数。尽可能减少不凝结气体质量分数。d)d)尽可能实现珠状凝结

18、。尽可能实现珠状凝结。图例参见P313-314p 定义定义 p twtsat, twtsat, 工质内部固液界面上形成大量汽泡的工质内部固液界面上形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 sattthqw7.4.1 大容器沸腾大容器沸腾p饱和池沸腾饱和池沸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应用设计范围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ONBp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