相变对流传热

第13讲相变对流传热教学过程：

自学、提问教学目的及要求了解相变传热模式、影响传热因素、强化方法；了解实验关联式。教学内容：

膜状凝结相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法；大容器沸腾传热相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法。2022/10/191提纲：一、凝结传热1.现象与特点基本概念，产生条件是壁面温度<蒸气饱和温度。珠状凝结和膜状凝结的特点、热量传递规律，h珠状>>h膜状，但不能持久。2.竖壁膜状凝结分析解Nusselt分析解基于9条假设，视液膜内只有纯导热。因此要获得局部表面传热系数，只需获得该处液膜厚度。竖管与横管，h横>h竖。3.膜状凝结的工程计算流态判别(Re迭代法)；关联式；注意特征长度和定性温度4.影响因素掌握膜状凝结诸影响因素，尤其是不凝性气体和蒸气流速的影响机理。2022/10/1925.凝结换热的强化当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则是破坏或减薄液膜层，强化技术是减薄液膜厚度、加速液膜的排泄。二、沸腾换热1.特点基本概念：蒸发与沸腾，大容器沸腾与管内沸腾，饱和沸腾，过热度。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。2.大容器饱和沸腾曲线曲线形式，随着t，四个不同区域的换热规律和特点。核态沸腾是工业中理想的工作区域，其温差小，换热强。3.沸腾换热的两种加热方式

控制壁温(改变壁温tw与液体饱和温度ts之差t=tw-ts，q的大小受沸腾侧影响很大。)

控制热流(改变壁面处的热流密度q，q取决于外部施加的条件，而与h无关)2022/10/1934.临界热流密度qmax

的意义对热流可控：使q<qmax，保证设备安全运行不致烧毁对壁温可控：使t<tc，保证设备有较高的传热效率5.沸腾换热的实验关联式计算公式的拟合误差一般较大，因为沸腾换热机理复杂，受加热表面影响很大。6.汽化核心结合汽化核心概念理解沸腾换热机理，结合大容器饱和沸腾曲线了解气泡的生成、长大、脱离、破裂等规律7.沸腾换热影响因素和强化沸腾换热影响因素就是气泡生长运动的影响因素。强化沸腾换热的主要出发点是增加壁面汽化核心数，基本手段是沸腾表面的特殊加工。

2022/10/194相变对流传热凝结传热（气相变液相）沸腾传热（液相变气相）7-1凝结传热的模式相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热相变传热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂。相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量凝结传热：夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结沸腾传热：烧开水2022/10/1957-1凝结传热的模式凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。凝结传热产生的必要条件：gg膜状凝结珠状凝结凝结模式源于气液界面的接触角θ（图7-1）2022/10/196凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。珠状凝结珠状凝结的表面换热系数>>膜状凝结，但是一般无法长久保持。

2.55×1055000～250007-1凝结传热的模式2022/10/1977-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解：液体膜层的热阻为主要因素。基本假设：二维、稳态、常物性、层流；蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力；忽略惯性力，液膜的运动仅取决于重力和粘滞力；壁温tw＝const，汽液界面无温差tδ＝ts液膜内部无对流而只有导热，温度分布为线性；忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热；蒸汽密度<<液体密度；液膜表面平整无波动。2022/10/198努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解稳态边界层微分方程简化后的常微分方程简化后的速度和温度分布7-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结抛物线线性2022/10/199努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解微元体热平衡导热公式+牛顿冷却公式简化后的速度和温度分布7-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结2022/10/1910努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解竖壁倾斜竖壁水平圆管壁球壁特征长度分别为l和d；r由ts确定。其它物性由平均温度确定：为何冷凝器一般多采用水平横管布置？7-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结2022/10/1911膜状凝结实验关联式：竖壁（层流）理论分析解在一定的假设条件下获得实验结果修正实验关联式竖壁（湍流）伽利略数Rec<1600Rec>1600竖壁雷诺数竖壁临界雷诺数＝16007-2膜状凝结分析解及实验关联式2022/10/1912膜状凝结实验关联式：理论分析解在一定的假设条件下获得实验结果修正实验关联式水平圆管壁与分析解一致水平圆管壁雷诺数横管一般处于层流范围上述实验关联式仅适用低流速情况：水蒸气<10m/s,氟利昂<0.5m/s7-2膜状凝结分析解及实验关联式2022/10/1913膜状凝结换热的工程计算步骤：膜状凝结换热的形式（竖壁、侧壁、水平单圆管、多圆管、球壁）；判别流态（层流、湍流）；利用对应形式的实验关联式计算平均表面传热系数；利用牛顿冷却公式计算换热量，并计算凝结速率（单位时间内凝结的液膜质量）。

注意事项：1.

由于Re中包含未知量h，先假定流态进行计算，之后再校核流态；2.一定压力下的饱和水蒸气r和ts由附录10确定，其它物性由平均温度tm查附录9确定。7-2膜状凝结分析解及实验关联式2022/10/19147-3膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结换热的影响因素：不凝结气体：蒸汽流速：过热蒸汽：液膜的过冷度及温度分布的非线性管子排数管内凝结凝结表面的几何形状

2022/10/1915膜状凝结换热的强化措施：减薄液膜的厚度基于表面张力减薄液膜厚度（低肋管、锯齿管、微肋管）增加顺液膜流动方向的蒸汽流速水平放置单管或管束加速液膜的排出分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等减少不凝结气体

抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速凝结表面实现珠状凝结

7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化2022/10/19167-4沸腾传热的模式沸腾：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。沸腾换热：液体内部固液界面形成气泡而使热量由固壁传给液体的过程。沸腾换热产生的必要条件：沸腾液体是否整体流动管内强制对流沸腾大容器沸腾沸腾液体主体温度是否达到饱和温度饱和沸腾过冷沸腾YNYN2022/10/19177-4沸腾传热的模式大容器饱和沸腾曲线0℃<∆t<4℃:

单相自然对流区，无汽泡。4℃<∆t<25℃:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25℃<∆t<200℃:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200℃<∆t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。大容器饱和沸腾的四个区域莱登佛罗斯特点CHF2022/10/1918工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能加入过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却下降，设备易烧毁。qmax

临界热流密度CHF（烧毁点）设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点）沸腾换热：换热温差∆t

越大≠热流密度大沸腾换热的两种加热方式：控制壁温控制热流（大于qmax

时，工况沿虚线直接跳至稳定膜态沸腾，∆t

猛增到1000℃，需要避免）7-4沸腾传热的模式大容器饱和沸腾曲线CHF2022/10/19197-4沸腾传热的模式汽化核心汽化核心：实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心。气泡产生的源泉。壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心。汽泡半径R必须满足下列条件才能存活：克拉贝龙方程式中：—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kg

v—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面温度，C

ts—对应压力下的饱和温度，C可见，(tw–ts),Rmin同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强壁面汽泡的产生、成长和脱离增强沸腾传热强度受热面积残存气体2022/10/19207-4沸腾传热的特点沸腾换热属于有相变的对流换热。加热固体表面的热量通过导热和对流传递给沸腾流体，同时流体存在液相到气相的相变。牛顿冷却公式仍然适用；沸腾换热的推动力也是温差，壁面过热（tw>ts）是必要条件；沸腾换热时气泡在汽化核心处产生，成长并逸出；之后流体补充，重新形成气泡，周而复始；气泡的形成、成长和脱离对加热表面的流体产生剧烈的扰动，因此换热的强度远大于无相变对流换热；汽化核心数目的增加有利于强化沸腾换热。2022/10/1921大容器饱和核态沸腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数通用液体的大容器饱和核态沸腾：罗森诺Rohsenow公式1符号意义参见教材（7-17）式，Cwl查表7-1确定。水：s＝1，其它液体：s＝1.77-5大容器沸腾传热的实验关联式2022/10/1922大容器饱和核态沸腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数制冷介质的大容器饱和核态沸腾：库铂Cooper公式2式中：q—热流密度，W/m2；Mr—制冷介质分子量；

pr—介质压力与临界压力比；Rp—表面平均粗糙度，um。7-5大容器沸腾传热的实验关联式2022/10/1923大容器饱和核态沸腾临界热流密度7-5大容器沸腾传热的实验关联式式中：物性参数根据饱和温度查取。2022/10/1924大容器膜态沸腾：注意事项：横管a＝0.62，球壁a＝0.67

汽化潜热r和饱和液体密度ρl由饱和温度ts确定，其它物性参数由平均温度确定

T＝t+273对流换热辐射换热200℃<∆t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。7-5大容器沸腾传热的实验关联式2022/10/19257-6沸腾传热的影响因素及其强化不凝结气体（与膜状凝结传热不同）溶解于液体中的不凝结气体在汽化核心处逸出强化沸腾换热过冷度在核态沸腾起始段自然对流区域，过冷度强化沸腾换热液位高度低于临界液位，表面传热系数随液位降低而增加，从而强化沸腾换热重力加速度仅在微重力环境下，重力加速度才会影响核态沸腾换热管内强制对流沸腾（图7-20）蒸汽-流体的掺混两相流。

2022/10/19267-6沸腾传热的影响因素及其强化原则通过传热表面的处理增加加热面汽化核心数目。大容器饱和沸腾传热表面多孔结构管内强制对流沸腾内螺纹管、微肋管

沸腾传热的强化措施：2022/10/19277-7热管

1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明利用工作流体（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸发与冷凝来传递热量。真空的金属管+工作流体+内壁吸液芯结构1.热量由热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-气分界面；2.液体在蒸发段内的液-气分界面上蒸发；3.蒸气的温度和压力高于热管的其它部分，压差作用促使蒸汽流向热管内冷凝端；4.蒸汽在冷凝段内的气-液分界面上凝结：5.热量从气-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；6.在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。2022/10/19287-7热管

1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明利用工作流体（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸发与冷凝来传递热量。真空的金属管+工作流体+