No.13 1114 7 相变对流传热

第七章凝结与沸腾换热1主要内容：7-1凝结传热的模式7-2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强化7-4沸腾换热现象7-5大容器沸腾传热实验关联式7-6沸腾传热的影响因素及其强化2相变换热的特点：伴随潜热释放和相变问题的提出7-1凝结换热31凝结形式

膜状凝结珠状凝结gg或滴状凝结42液膜的流态无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然是Re，式中：

ul

为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。5如图，由热平衡，所以

对水平圆管，用r

代替上式中的l

即可。而由于管径一般都比较小，所以横管一般都处于层流状态对流换热量蒸汽凝结量非圆形面，63纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析在下面假设的基础上，1916年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于蒸气饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动7yxyx8边界层微分方程组：对应于p.304页(5-15)，(5-16)，(5-17)93）液膜的惯性力忽略

5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热7）忽略蒸汽密度只有u和t两个未知量，于是，上面方程组化简为：边界层微分方程组：两个未知数，两个方程，方程组已封闭，故略去连续性方程。10边界条件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性温度：注意：r

按ts

确定纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热微分方程为：(7-1)11(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数(3)修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述理论值高20％左右修正后：定性温度：注意：r

按ts

确定12时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。对于倾斜壁，则用gsin代替以上各式中的g即可另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的研究，如当并且，(雅各布数)(4)水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结式中：下标“H”表示水平管，“S”表示球;d为水平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同13横管与竖管的对流换热系数之比：当l/d50时，，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案144湍流膜状凝结换热对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为：式中：hl

为层流段的传热系数；ht

为湍流段的传热系数；

xc

为层流转变为湍流时转折点的高度

l

为竖壁的总高度15利用上面思想，整理的整个表面的平均努塞尔数：式中：，（伽利略数）。除用壁温计算外，其余物理量的定性温度均为。16严重性：1%的不凝结气体能使h降低60%；故电厂凝汽器都必须抽真空，防止不凝气体的影响。5影响膜状凝结的因素2)在靠近液膜表面的蒸气侧，随着凝结的进行，蒸气的分压力减小，而不凝结气体的分压力增大，使得气膜导致蒸气分压力降低，从而使ts

降低，减小了凝结的动力(ts-tw),使冷凝过程减弱。(1)不凝结气体1)蒸气要扩散过气膜，增加了传递过程的阻力；由于不凝结气体形成气膜，故：17(2)蒸气流速前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。

u向上液膜增厚h

；u

液膜破裂h

u

向下液膜减薄h；u

液膜破裂h

(3)过热蒸气实验证实h-h’代替

r即可(4)液膜过冷度及温度分布的非线形只要用r’代替计算公式中的r，进行修正即可：18(5)管子排数

n排,特征长度d

nd

由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使h

增大。(6)管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。19强化技术：(1)利用带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄；(2)使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。6.膜状凝结的强化原则和技术强化原则:尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。20、为什么珠状凝结表面换热系数比膜状凝结表面换热系数大？答：膜状凝结换热时,沿整个壁面形成一层液膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结换热时，凝结液体不能很好的浸润壁面，仅在壁面上形成许多小液珠，此时蒸汽仅与部分壁面表面直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结换热。21、北方的冬天，一些人喜欢动“冻梨”，吃的时候一般都先放在冷水中使其解冻，请解释原因。为什么不放在热水中解冻？22主要内容：7-1凝结传热的模式7-2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强化7-4沸腾换热现象7-5大容器沸腾传热实验关联式7-6沸腾传热的影响因素及其强化231生活工业生产中的例子7-4沸腾换热现象工业：电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；冰箱中氟里昂的蒸发等。生活：烧开水24a沸腾:沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程b沸腾换热:液体在加热面上形成气泡从而实现热量由固体传给液体的过程,是具有相变特点的两相流换热。3分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器沸腾(池内沸腾)和管内沸腾(强制对流沸腾)，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。a大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；加热表面2定义25b管内沸腾(强制对流沸腾)：强制对流＋沸腾HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。

过冷沸腾：指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。

26(1)汽泡的成长过程实验表明，通常情况下，沸腾开始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，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴或裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。4汽泡动力学简介27(2)汽泡的存在条件汽泡半径R必须满足下列条件才能存活式中：—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kgv—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克拉贝隆方程强化沸腾换热的关键：增加汽化核心数量。285大容器饱和沸腾曲线qmaxqmin29、两滴完全相同的水珠分别落在120℃和400℃的铁板上，哪一滴先汽化掉？30、为什么用电加热时容易发生电热管壁被烧毁的现象？而采用蒸汽加热时则不会？答：用电加热时，加热方式属于表面热流密度可控制的，而采用蒸汽加热时则属于壁面温度可控制的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知，当热流密度一旦超过临界热流密度时，工况就有可能很快跳至稳定的膜态沸腾，使得表面温度快速上升，当超过壁面得烧毁温度时，就会导致设备的烧毁；采用蒸汽加热由于壁面温度可控制，就容易控制壁面的温升，避免设备壁面温度过度升高，使其温度始终低于设备的烧毁温度。317-5沸腾换热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即但对于沸腾换热的h却有许多不同的计算公式。1大容器饱和核态沸腾

影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况比较复杂，导致了各个计算公式分歧较大。目前存在两种计算式，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。32为此，书中分别推荐了两个计算式（1）米海耶夫公式——水对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围：105～4106Pa按33（2）罗森诺Rohsenow公式——多种液体既然沸腾换热也属于对流换热，那么，St=f(Re,Pr)也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：式中，r—汽化潜热；

Cpl—饱和液体的比定压热容

g—重力加速度

l—饱和液体的动力粘度

Cwl—取决于加热表面－液体组合情况的实验常数(表7-1)q—沸腾传热的热流密度

s—经验指数，水s=1,否则，s=1.734上式可以改写为：可见，，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算时，则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热中更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。2大容器沸腾的临界热流密度书中推荐使用如下经验公式：353大容器膜态沸腾的实验关联式（1）横管的模态沸腾式中，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0.62改为0.67。（2）考虑热辐射作用由于模态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。36勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：7-6影响大容器沸腾换热的因素沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。371不凝结气体

对膜状凝结换热的影响？与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化2过冷度只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，，因此，过冷会强化换热。3液位高度当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位)。384