传热学-第七章相变对流换热

第七凝结传热的模膜状凝结分析解及计算关联膜状凝结的影响因素及其传热强沸腾传热模大容器沸腾传热的实验关联11、重点内结与沸腾换热机理及其特点；②膜状凝结换热分析解及实验关联③大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素3、了解内容①了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态③工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、水冷壁23凝结传热的珠状凝结与膜状凝热凝结换热的根据凝结液与壁面浸润能力不4膜状凝定义：凝结液体能很好地湿壁面，并能在壁成膜的凝结形式，称膜状凝结

tw珠状凝定义：凝结液体不能很好地成一个个小液珠g称珠状凝结

tw56凝结液－主要热膜状凝结特点：壁面上有一层液膜，凝放出的相变热（潜热）须穿过液膜才到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换 热阻珠状凝结特点：凝结放出的潜热不须穿膜的阻力即可传到冷却壁面

twtw在其它条件相同时，珠状凝结的表面传g数定大于膜状凝结的传热系 膜状凝结是工程设计依强化膜状凝结的途径－减薄液膜的厚87-21916年，Nusselt 简单流膜状结热析是近代状凝结论传热分的基191来各种修或发展是t分析的性假设进行了，形成了种用的计方法。以我们首先得了Nusselt对纯饱和蒸膜状凝换的分。91、对实际问题的简忽略；7）忽略蒸汽密度；8）表面平整无波

图7-4努赛尔理论分的坐标系与边界条上节课内容2、边界层方程组的简以竖壁的膜状凝x标为重力方向，如图所示。在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为：uv l(uxvy)dxlgl u

v

yl表示液uvluu)lg2l tvtal考虑假设（3）液膜的惯性力

(uuvu) 方程应用于蒸汽。由假设（2）蒸汽的静止的，若以ρV表0dpdxV考虑假设（7）忽略蒸汽密度dp/dxuvluu)lg2l tvtal考虑假设（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有utvt gll2gll2uyl2y方程组边界条件：y0时，u0, ttwy时，dudy

0, tt求解的基本思路δt再利用dx一段距离上凝结液体的质量平衡关系取得液厚度的表达式最后根据对流换热微分方程式利用傅立表面传热系数的表达式 3.主要求解过程与4(

)x1/

g2 gr2

1/ ( )x

(ttstwC 整个竖壁的平均

gr

2

1/h

hdx0.943

l

l( 定性温度： ts

若与水平轴有夹角 >0）的倾斜壁，式中g改为gsinφ1、水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传 gr2

1/水平管：

0.729

d( )gr2

1/球 0.826 )Sl)S

d(

定性温度： ts

2、水平管外凝结与竖直管外凝结的比 gr2

1/

gr2

1/ 0.729 0.943

d( )

l( )

不同：特征长度不同；系数不在其他条件相同时（直径为d和高为l的圆管），横管管的对流换热系

l2.86 l1 d H d

l2.86, dd当l/d=50时，横管的平均表面

传热系数是竖管的的2

3、分析解的实验验证竖Ø当Re<20时，实验数据与理论解相符Ø当Re>20时，实验数据越来越高于理论解，最高大于图7-7竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果较20 gr2

1/修正后

1.13

l(t )水平圆管、横管：实验数据与理论解 gr2

1/ 0.729 其他假设修

d( )

Pr数接近1或大于1的流体，只要无量纲量cp

tw 时微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响均可忽略 湍流膜状凝结换膜层中凝结液的凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据为膜层Re有波动层无波动层有波动层无波动层直径为特征长度以竖壁Redeul deul

Re20湍Rec湍ulx

处液膜层的平均流速de为该截面处液膜层的当量直x＝l处宽为1m的截面的凝结液的质量流如 de4Acx＝l处宽为1m的截面的凝结液的质量流Re

4ul

4q由热所

h(tstw)lRe4hl(tstwr对水平管，用r代替上式中的并且横管一般都

竖壁上层流液膜质量流 实验证膜层雷诺数Re=1600液膜由层流转变为湍流横管均在层流范围内，因为管径湍流特征:对于湍流液膜，热量的远大于层流液膜

Re20有波动层无波动有波动层无波动湍湍计算方对于竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的平均表面传hhxch1xc t l式中：hl为层流段的传热系数；ht为湍流段的传热系可供计算整个壁面的平均表面传热系数NuGa1/

RePr 1/s58Pr1/s

(Re3/4253)9200式中：Nuhl/;Gagl3

比值）。除Prw用壁温tw7-3膜状凝结的影响因素及其传热强不凝结例：水蒸汽中质量含量占1％的空气能使表面传热系降6， 是重。管子排前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管横管管束凝结换热情况比较复杂：降落撞击（强化此时换热与蒸气的流速关系蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位管子上蒸气流流速较高时（对于水蒸汽流速大于10m/s），蒸气h过热蒸把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液膜过冷度及温度分布的非线如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的，rr0.68cp(tstw7.3.2膜状凝结的强化原则和技强化凝结换热的原则排除用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉各种强化传 沸腾的特点(气泡的产生与）液体汽化吸收大量的汽化潜）在液态自由表面发生的汽化过程称为蒸沸腾换1）大容器沸腾（池内沸腾）大容器定义：特点：气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空 管内沸流体的运动需加外加的压差才根据主流液体是否达到饱和，分为过冷沸腾和饱和沸腾过冷沸指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾饱和沸特点随着壁面过热度的增高，出现4个换热规律全然不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产生汽泡，烧杯 的电热器用于将水加热到饱温度，这样在不锈钢表面上进行的沸腾为饱和沸腾。随着电流密度的增大，烧杯中的水与不锈 表面间的热交依次会出现以下4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、渡沸腾稳膜态沸。 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的）核态沸腾（饱和沸腾随着t的上升，在加热面①开始阶段，汽 产生的泡互不干扰，称为孤立汽泡区②随着

的上升，汽增加，生成的汽泡数量增加，泡互相影响并合成汽块及汽称为相互影响区 ③随着t的增大，q增大，当t 为核态沸腾（泡状沸腾）其特点：温压小，换热强度大，）过渡沸从峰值点进一步提高t，热值时，热流密度减qmin，段的特点是属于不稳定过程）稳定膜qmin开始，随着t的上升，气泡生长速度与跃离有规律地脱离膜层，致使t上升时，热流密q升段称为稳定膜态ab、△tc、汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜 临界热流密度及其工程意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。一般用核态沸腾转折点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

莱登佛罗斯特对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的所以换热系数比凝结小得多 实践上，上述热流密度的峰值有重大意临界热流密度①对于靠控制流度来改工况的热，如加冷却水热核反应一旦流度超过值工况将虚线跳稳膜态沸线，将升近1000℃，可能导设备的毁所以必严格监并制热流确保在 围内。也于超过可导致设烧以亦称烧毁点。DNBDepartmentfromNucleateBoilin减小 气泡动力学简1、为什么沸腾传热有那样高的传热强主要是由于气泡的形成、成长以及脱离起的各种扰动所2、加热表面上什么地点最容易形成汽产生气泡的点被称为汽 ，普遍认为壁面上的凹和细缝裂穴易残留气体，是最好的汽 3、加热表面上要产生，根据力平衡条件lR2PP2l若忽略液柱静压力，pl则等于沸腾系统的环境压力，即近似于plps（饱和温度下的液体压力）N/㎡。由热平衡可知：汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温面内外温度相等，则

tv因为pVpl,且pl＝pspVpstV汽泡外的液体是过热的，其过热度为t

。贴壁处液体具有

twt 则壁面凹处最先能满足汽泡生成R p产生半径为R的气泡所需过热度（克劳修斯－克拉贝龙方程TTT rv ②若汽泡半径>R时，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长R pTTT rv 可见，(tw–ts)↑

, 汽 数增 换热7.5沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷仍然适用qh(twts心数，而汽化数受到壁面材料及其表面状况、压力、物性等的支配，由于因素比较复杂，文献中沸腾传热的计算式较大。目前存在两种计算是：针对一种液体的计算公式广泛适用于各种液体的计算 cpl

cpl:r汽化潜热rc

l

v

q：沸腾热流密度； r

g(

l、：饱和液体、饱和蒸汽的密度显热显热/cpl特征长度：g(lvg()lllv无量纲关联式可见q~

，因此，尽管有时上述计算公式得到的与实验值的偏差高达100％，但已知q计算将偏差缩小到33

： g()1

v)1 V 2 2 ，0104 0.149r12g( 物性均按照饱和温度查取，无特征长度。当加热的特征长度大于三倍气泡直径时，即可适用 横管的膜态沸gr()31h v v vd(twts 式中，除了r和l的值由饱和温度ts决定外，其余物性均以平均温度tm＝(tw＋ts)/2为定性温度，特征长度为管子外径d,如果加热表面为球面，则上式中的系数来建议采用如 方程来计算 h43h43h4 其中

hr Tw不凝结气体对膜状凝结换热的影响与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结换热得到某种程只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然流换热时htwtf)1

，因此，过冷会强化换热图中介质为一个大气压下的 随着航空航天技术的发展，超重力和微 从0.1～1009.8m/s2的范围内，g对核态Gr

NurPr)沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化，因此，凹坑多，汽化多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的：用烧结、钎焊