沸腾给热和冷凝给热课件

作业：第5章6.3对流给热6.2热传导这节内容6.4沸腾给热和冷凝给热（带相变）6.5热辐射6.6

传热过程的计算***前几节内容6.1

概述

6.2

热传导***6.3对流给热*（无相变）6.4沸腾给热和冷凝给热（带相变）6.5热辐射6.6

传热过程的计算***6.7

热交换器*

6.4.1沸腾给热大容积饱和沸腾气泡的生成和过热度粗糙表面的汽化核心大容积饱和沸腾曲线沸腾给热系数的计算沸腾给热过程的强化6.4沸腾给热和冷凝给热大容积饱和沸腾液体的沸腾，依设备的尺寸和形状，分为大容积沸腾和管内沸腾。大容积沸腾是指加热面沉浸在无强制对流的液体所发生的沸腾现象。加热面产生的气泡脱离加热表面，自由上浮。液体中存在温差引起的自然对流和气泡运动导致的液体运动。管内沸腾（强制对流沸腾）是液体在一定压差下，以一定流速流经加热管所发生的沸腾现象。产生的气泡不能自由上浮，与管内液体一起流动，传热复杂。根据管内流体的主体温度是否达到相应压力下的饱和温度，沸腾给热可分为过冷沸腾和饱和沸腾。当液流的主体温度低于饱和温度，加热面上产生气泡，这种现象称过冷沸腾。产生的气泡重新凝结，热量传递通过这种汽化-冷凝过程实现。液流主体温度达到饱和温度，离开加热面的气泡不再重新凝结，这种沸腾称饱和沸腾。本节只讨论大容积饱和沸腾。6.4.1沸腾给热气泡的生成和过热度沸腾给热的主要特征是液体内部有气泡产生。实验观察表明，气泡在紧贴加热表面的液层内即在加热表面上首先生成。气泡存在的必要条件是气泡内部的蒸汽压≥外压和液层静压强之和。因此液体温度必须≥该蒸汽压下对应的饱和温度。实际上，在饱和温度时，小气泡是不能生成的，要使小气泡生成，液体的温度必须＞饱和温度，即液体必须过热。两者的温度差称为液体的过热度。因此液体的过热是小气泡生成的必要条件。6.4.1沸腾给热记粗糙表面的汽化核心汽化核心液体的过热是气泡产生的必要条件，固体加热表面温度最高，但不是加热面上的任何一点都产生气泡。实验表明液体沸腾时能产生气泡只能在粗糙加热表面的若干个点上产生，这种点称为汽化核心。汽化核心与表面粗糙度、氧化情况、材料的性质和材料表面的不均匀性等有关，至今尚未弄清。目前，比较一致的看法，材料表面细小凹缝最易形成汽化核心。其原因是：（1）凹缝侧壁对气泡有依托作用，产生相同直径气泡需要表面功最小，见图6-22；（2）凹缝底部往往吸附微量的空气和蒸气，可成为气泡的胚胎，使初生气泡的曲率半径增大，所需的过热度最小。而长大的气泡脱离加热面后又残留少量的气体，此气体又成为下一个气泡的胚胎。6.4.1沸腾给热粗糙表面的汽化核心沸腾给热过程气泡首先在汽化核心生成、长大，当长大到一定大小，在浮力作用下脱离加热面。气泡脱离后，周围液体涌来填补空位，经加热后又产生新的气泡。加热面上汽化核心数量很多，各汽化核心重复同样的周期性变化，沸腾给热是平衡的过程。暴沸现象当沸腾表面比较光滑，汽化核心小，曲率半径大，必须有很大的过热度才能使气泡生成。当气泡一生成，过热液体在气泡表面迅速蒸发产生大量蒸汽，此过程非常激烈，故称为暴沸。暴沸之后，过热度全部丧失，重又开始新相生成的孕育过程，此期间不产生蒸汽。蒸发过程变得极为不平稳。暴沸现象对给热是非常不利的。6.4.1沸腾给热大容积饱和沸腾曲线实验表面，液体的大容积饱和沸腾随温差Δt的变化出现不同类型的沸腾状态。其给热系数α与温差Δt的关系，见图6-23。（1）表面汽化：当Δt＜2.2℃，α随Δt增加而缓慢增加。此时加热表面与液体间的给热靠自然对流进行。汽化现象只是在液体表面上发生，在汽化核心不产生气泡。（2）核状沸腾：当2.2℃＜Δt＜25℃，加热面上有气泡产生，α随Δt增加而急剧增加，此时为核状沸腾。（3）不稳定的膜状沸腾：当25℃＜Δt＜250℃，加热面上的气泡脱离加热面之前便相互连接，形成气膜，把加热面与液体隔开，给热系数迅速下降，为不稳定的膜状沸腾。从核状沸腾转化为膜状沸腾的温度为临界温度Δtc，水在常压下为25℃。（4）稳定膜状沸腾：Δt＞250℃，加热面形成稳定的气膜，把液体与加热面全部隔开。但由于加热面温度很高，辐射传热成为主要因素，给热系数α反而增加。此阶段为稳定膜状沸腾。实际给热过程(工业沸腾装置)中，必须保证温度差Δt小于临界温度Δtc。6.4.1沸腾给热图6-23沸腾时α与温差Δt的关系Δtc沸腾给热过程的强化改变加热面的粗糙情况

采用机械加工或腐蚀的方法将金属表面粗糙化。用这种方法制造的铜表面，给热系数可提高80%。近年来出现了一种多孔金属表面。是将细小金属颗粒通过焊接或烧结固定于金属板或金属管上，可使沸腾给热系数提高十几倍。改变液体的性质在沸腾液体中加入某种少量的添加剂（如乙醇，丙酮等）降低液体的表面张力，可提高给热系数20%～100%。同时，添加剂还可以提高沸腾液体的临界热负荷。6.4.1沸腾给热6.4.2蒸汽冷凝给热冷凝给热过程的热阻膜状冷凝和滴状冷凝

液膜流动状态和给热系数分布

层流时平均冷凝给热系数

湍流时的冷凝给热系数

水平管外的冷凝给热数

6.4沸腾给热和冷凝给热图6-24蒸汽在垂直平壁上的冷凝冷凝给热过程的热阻当饱和蒸汽与低于其温度的冷壁面接触时，蒸汽冷凝为液体，释放出汽化潜热，这种给热称冷凝给热。饱和蒸汽的温度与冷凝液的温度相同。蒸汽相中，温度相同，无温差，不存在热阻。在冷凝给热中，蒸汽冷凝液形成液膜将壁面覆盖，冷凝只能在冷凝液表面进行，冷凝液放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。几乎所有的热阻集中在冷凝液膜中，这是冷凝给热的一个重要的特点。如果加热介质是过热蒸汽，而且冷壁温度高于相应的饱和温度，传热过程相当于气体的对流给热。蒸汽的导热系数比冷凝液的导热系数小得多，因此过热蒸汽的对流给热系数小于冷凝给热系数。6.4.2蒸汽冷凝给热膜状冷凝和滴状冷凝饱和蒸汽冷凝给热过程的热阻主要集中在冷凝液，因此冷凝液的流动状态对给热系数必有极大的影响。冷凝液在壁面上流动方式：膜状冷凝和滴状冷凝。膜状冷凝：冷凝液润湿壁面，在壁面上呈膜状流动的冷凝。滴状冷凝：冷凝液在壁面不能形成完整的液膜，在壁面上呈滴状流动的冷凝。滴状冷凝由于不能形成完整的液膜，大部分冷壁直接暴露于蒸汽中，因此热阻较小，即给热系数较大，实验结果表明，一般滴状冷凝比膜状冷凝的给热系数大5～10倍。但是，工业上很难实现滴状冷凝。所以工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。6.4.2蒸汽冷凝给热记Jump液膜流动状态和给热系数分布设有一垂直平壁，饱和蒸汽（给出流动方向）在其上冷凝，冷凝液在重力作用下沿壁面流下。在流动过程中，饱和蒸汽不断冷凝，冷凝液流量增大，液膜变厚。在整个壁面，上部液膜流动为层流，膜厚增大，给热系数减少。在壁下部，液膜流动可能为湍流，给热系数反而增大。如图6-24所示。6.4.2蒸汽冷凝给热图6-24蒸汽在垂直平壁上的冷凝层流时平均冷凝给热系数液膜的最大厚度δM与蒸汽冷凝量有关。假设液膜在粘性力和重力作用下作等速流动，忽略蒸汽流动对液膜表面的作用力，则可导出液膜厚度与单位宽度壁面的冷凝量之间的关系：6.4.2蒸汽冷凝给热式中W为单位宽度（B）液体的质量流量。δ为与W对应的液膜厚度。当δ=δM

，上式中的凝液量即为单位宽度壁面的总凝液量，此总凝液量可由热量衡算求出。将上述三式消去δM可得：层流时平均冷凝给热系数实验测得系数c1=1.13，即为：冷凝给热的热阻是凝液造成的，因此物性数据应是凝液的物性，而不是蒸汽的物性。定性温度为膜温，即壁温tW与冷凝温度ts的算术平均值。6.4.2蒸汽冷凝给热（6-61）湍流时的冷凝给热系数当ReM＞2000时，液膜的流动为湍流，则冷凝给热系数的关联为α*=0.0077ReM0.4或6.4.2蒸汽冷凝给热（6-66）水平管外的冷凝给热数倾斜壁对于和水平方向成夹角

的倾斜壁，如图6-26所示，重力作用方向与流动方向不一致，只要将重力加速度g用gsin代替即可。6.4.2蒸汽冷凝给热图6-26？？蒸汽在倾斜壁上的冷凝例6-9冷凝给热系数的计算常压蒸汽在单根圆管外冷凝，管外径为d=100mm，管长为L=1500mm，壁温为98℃。试计算：（1）管子垂直放置时平均冷凝给热系数；（2）圆管上部0.5m的平均冷凝给热系数与底部0.5m的平均冷凝给热系数之比；（3）水平放置时的平均冷凝给热系数。解：常压蒸汽其冷凝温度为100℃，99℃膜温时水的物性数据为：λ=0.6819W/(m·℃)，μ=28.56×10-5Pa·s，ρ=965.1kg/m3，r=2258kJ/kg（1）假设为层流=1.05×104W/(m2·℃)（1）验证流动状态假设成立。（2）下部0.5m的平均给热系数下部0.5m的平均给热系数为αL=α1.0L1.0+α下(L-L1.0)（3）水平管外冷凝平均给热系数因此，水平管外冷凝给热系数为α水平=1.25×10.5=13.1kW/(m2·℃)水平管束外的冷凝给热系数工业用的冷凝器多半是由水平管束组成，管子的排列有直排和错排两种。第一排管子其冷凝与单根管子相同，但其它各排受到上面各排流下的冷凝液的影响。冷凝液从上往下流动过程中，液体产生撞击和飞溅，其给热系数比单独计算（nd）有所增加，如果d用n2/3d代入，则更符合实际。其中n为管束在垂直方向上的管排数。6.4.2蒸汽冷凝给热（6-70）6.4.3冷凝给热因素的影响和强化不凝性气体蒸汽过热的影响蒸汽流速的影响冷凝给热过程的强化不凝性气体工业用蒸汽中有少量不凝性气体，在工业连续换热装置中进行冷凝给热时，都设有疏水器，只排出冷凝液而不允许气体和蒸汽溢出，这样不凝性气体将在冷凝器中积累，对给热过程带来不利影响。在汽液界面，蒸汽不断冷凝；不凝性气体不断积累，分压不断提高，造成蒸汽以分子扩散的方式穿过不凝性气体层才能到达汽液界面，增加了额外的热阻，使给热系数大为下降。为了增加给热系数，应定期排放不凝性气体。6.4.3冷凝给热因素的影响和强化记蒸汽过热的影响当壁温tW大于蒸汽的饱和温度，壁面上无冷凝现象发生，过热蒸汽的给热为气体的对流给热，其给热系数即为气体加热时的给热系数。当壁温小于蒸汽的饱和温度时，其给热由二部分组成。气体冷却到饱和温度，再冷凝，而液膜的温度（tS-tW）是不变的。作为工程计算，过热蒸汽冷却步骤的影响可以忽略。因此可将过热蒸汽作为饱和蒸汽处理。6.4.3冷凝给热因素的影响和强化蒸汽流速的影响当蒸汽流速较大时，影响到液膜的流动。如果流动方向相同，则降低液膜的厚度，给热系数增大。如果流动方向相反，液膜的厚度增加，给热系数减少；当流速很大时，则冲散液膜，使壁面直接暴露在蒸汽中，给热系数则增大。通常，蒸汽进入口设在换热器的上部，以避免蒸汽和冷凝液逆向流动。6.4.3冷凝给热因素的影响和强化冷凝给热过程的强化由于热阻集中在液膜中，要强化给热须减少液膜的厚度。对垂直壁面，在其上开若干纵向沟槽使冷凝液沿沟槽流下，降低壁面上