第七章 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。2023/7/21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。2023/7/225.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)2023/7/234.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。

2023/7/24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2023/7/257-1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）2023/7/26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2023/7/277-2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。2023/7/28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2023/7/29努塞鸦尔纯问净饱迎和蒸烦汽层流眼膜状贡凝结理论守分析葡解微元拉体热傻平衡导热虏公式+牛顿泉冷却野公式简化鸽后的确速度射和温迟度分烈布7-辰2膜状鲜凝结坡分析虫解及辛实验歪关联搞式溉层流渣膜状叼凝结20西23遥/6寺/2牛510努塞童尔纯葬净饱帅和蒸默汽层流嫩膜状德凝结理论春分析让解竖壁倾斜调竖壁水平涉圆管奔壁球壁特征转长度封分别绍为l和d；r由ts确定访。其它兔物性子由平碎均温铲度确蛋定：为何栋冷凝秋器一蜓般多胀采用辞水平巨横管筑布置选？7-骨2膜状负凝结扁分析神解及箭实验逗关联胸式懒层流堆膜状熊凝结20刻23韵/6腹/2移511膜状辜凝结连实验切关联咱式：竖壁仍（层卫流）理论换分析珠解在灰一定的假栏设条国件下遗获得实验跌结果梯修正实验越关联诉式竖壁费（湍搭流）伽利眠略数Rec<1跪60有0Rec>1架60缝0竖壁勉雷诺双数竖壁刑临界妖雷诺部数＝16祝007-扩2膜状耀凝结迹分析耳解及返实验差关联被式20撞23创/6当/2朴512膜状陡凝结挺实验材关联库式：理论费分析冒解在粒一定的假甚设条资件下俱获得实验究结果哑修正实验震关联真式水平独圆管满壁与分症析解谋一致水平树圆管奸壁雷片诺数横管朋一般糕处于家层流斩范围上述膨实验适关联丛式仅缸适用水低流泼速情够况：着水蒸玻气<1价0m鸦/s采,氟利仍昂<0钻.5伴m/浸s7-寨2膜状疲凝结庭分析爽解及赔实验着关联竖式20架23溪/6淘/2幼513膜状送凝结弓换热委的工坊程计栏算步月骤：膜状辰凝结遮换热皮的形切式（剑竖壁祸、侧冬壁、脸水平巩单圆砌管、散多圆太管、符球壁迫）；判别宅流态醉（层灾流、认湍流眠）；利用期对应浴形式童的实膝验关求联式佳计算荐平均占表面你传热蚊系数打；利用蹄牛顿湖冷却糖公式妙计算哭换热呼量，繁并计办算凝掏结速则率（损单位竞时间袋内凝隔结的晴液膜丢质量起）。注意舅事项谣：1.由于Re中包循含未算知量h，先繁假定逐流态可进行月计算我，之授后再抵校核只流态铜；2.一定扑压力爱下的萄饱和阻水蒸私气r和ts由附及录10确定忠，其遵它物醉性由锦平均臂温度tm查附贪录9确定苹。7-疤2膜状导凝结沈分析社解及咽实验钻关联役式20闻23庄/6客/2劈燕5147-秀3膜状某凝结莫的影已响因牵素及枝其传弱热强奶化膜状典凝结墓换热春的影松响因愿素：不凝雨结气匆体：蒸汽柔流速勾：过热盗蒸汽堤：液膜阀的过肢冷度脱及温疾度分馒布的炕非线沙性管子例排数管内策凝结凝结特表面桃的几胃何形外状20哈23详/6在/2僵515膜状弯凝结横换热反的强裙化措匪施：减薄盒液膜络的厚劫度基于誉表面决张力酸减薄雄液膜么厚度粪（低附肋管仓、锯澡齿管泊、微醒肋管本）增加凤顺液向膜流映动方存向的坛蒸汽援流速水平沫放置透单管夕或管津束加速敲液膜书的排回出分段辽排泄鹊管、益沟槽既管、砌离心顿力、区静电纲引力卷等减少剪不凝住结气肆体抽吸化、引趋射等城，或骂者增在加蒸押气的榴流速凝结菊表面淘实现丙珠状担凝结7-雄3膜状置凝结缸的影淡响因痕素及劝其传士热强秆化20盯23屠/6玩/2者5167-途4沸腾散传热申的模盏式沸腾仔：工质洪内部剖形成水大量吼气泡询并由在液态爸转换饲到气益态的努一种喷剧烈衰的汽涛化过姐程。沸腾巷换热：液呼体内纹部固险液界参面形颗成气泡而使用热量捡由固驻壁传馒给液跟体的旷过程侨。沸腾撑换热滴产生慕的必很要条倘件：沸腾锡液体融是否爬整体痒流动管内率强制售对流漏沸腾大容先器沸赤腾沸腾颂液体逗主体漆温度是否肢达到歌饱和蛛温度饱和处沸腾过冷听沸腾YNYN20蓄23屯/6罗/2虽5177-告4沸腾琴传热样的模钳式庄大颈容器议饱和城沸腾宴曲线0℃<∆t<尽4℃:单相谣自然伪对流驰区，无赵汽泡距。4℃<非∆t仅<盘2伶5℃:核态糖沸腾超区。产溉生汽焰泡，言汽泡盐间的幻玉剧烈璃扰动握使表还面换滥热系押数和姨热流尿密度忘急剧诉增加异，强皮化换仪热。25℃<担∆愁t输<20拐0℃堂:过渡倍沸腾悠区。汽摸泡的倒产生备速度帆大于阳脱离所速度忘，汽弯泡附倚着形吼成汽壮膜，芦汽膜伙的热弱阻减短弱换伟热效订果。20法0℃<虏∆会t壮:稳定虫模态聋沸腾旬区。形奥成稳猫定汽筝膜，弟虽然咳汽膜鲁的热肤阻减伸弱了领换热荒效果扇，但携是高甩温壁票面的妄辐射软换热寸却进看一步脖增强剂了换打热效态果。大容狱器饱倾和沸胃腾的完四个家区域莱登唯佛罗似斯特膜点CH宣F20汉23破/6仆/2涉518工业归应用皂中要凭求保响持在桂核态厦沸腾承区，思而不泊能加贸入过较渡沸铺腾区辟。过叨渡沸惯腾区进壁温嚼增加最，热烫流密世度却慰下降乞，设墨备易某烧毁枯。qma垫x临界脖热流租密度CH锅F（烧尚毁点然）设置险监控直温度叶点DN谎B（核桨态沸朴腾转俊折点换）沸腾胃换热：换赖热温瓶差∆t越大≠热流挑密度患大沸腾隐换热浑的两砖种加孝热方撒式：控制浊壁温控制侧热流锤（大钓于qma述x时，扛工况相沿虚志线直班接跳跑至稳死定膜松态沸扮腾，∆t猛增鲁到10碎00删℃，需爱要避阵免）7-葵4沸腾岩传热缸的模烟式草大里容器吸饱和锄沸腾绘曲线CH扁F20祝23咱/6错/2踢5197-夜4沸腾遣传热丧的模诉式袄汽蓄化核惕心汽化馆核心惜：实验财表明阁，通松常情歉况下蓄，沸申腾时武汽泡乎只发需生在潮加热搏面的谜某些扫点，谜而不禾是整否个加秧热面威上，屠这些绳产生宰气泡铃的点案被称慈为汽给化核吃心。气泡望产生毕的源尽泉。壁面扁的凹荣缝、盘裂穴恒最可毙能成演为汽晒化核形心。汽泡概半径R必须亦满足韵下列景条件宣才能穗存活付：克拉声贝龙猎方程式中颠：—表面毙张力纸，N/滥m；r—汽化舰潜热饿，J/贺kgv—蒸汽毁密度党，kg扛/m3；tw—壁面敢温度戏，Cts—对应回压力毅下的羊饱和虑温度苍，咏C可见桌，(tw–ts)柳,Rmi希n招同一塑加热矩面上掉，称株为汽门化核欧心的识凹穴畜数量蕉增加掘屠汽丝式化核棒心数纽奉增加屋换热找增强壁面久汽泡泥的产欺生、获成长预和脱炮离增夹强沸撕腾传和热强抱度受热配面积残存称气体20傲23哀/6胃/2呜5207-麻4沸腾撒传热己的特然点沸腾移换热林属于清有相碎变的伏对流贷换热肥。加狗热固商体表墙面的用热量困通过棒导热央和对离流传惧递给爆沸腾汽流体塑，同睡时流闸体存石在液赶相到笑气相点的相窃变。尝牛顿筐冷却决公式抽仍然呆适用蝇；沸腾道换热青的推揉动力壁也是头温差袄，壁孙面过富热（tw>ts）是徒必要害条件家；沸腾骗换热颂时气盐泡在缝汽化辈核心若处产罗生，武成长妖并逸旅出；逢之后霞流体搞补充牛，重悼新形并成气负泡，竟周而测复始摧；气依泡的肆形成暮、成锋长和铁脱离赠对加竹热表罢面的坛流体寻产生因剧烈极的扰语动，痒因此鼓换热木的强巡寿度远糕大于愁无相亭变对住流换轰热；汽化本核心枣数目很的增县加有园利于挡强化旬沸腾态换热叫。20摩23词/6肤/2坡521大容刻器饱裁和核具态沸恭腾：氏主要袭影响沟因素酷是壁替面的猛过热受度和必汽化鸭核心衣数通用搏液体笨的大帖容器砖饱和蓬核态艰沸腾壁：罗要森诺Ro刚hs代en责ow公式1符号垒意义米参见妨教材殖（7-火17）式裙，Cwl查表7-香1确定酒。水锋：s＝1，其择它液棍体：s＝1.乞77-午5大容禁器沸视腾传遵热的趣实验榴关联把式20兴23难/6跃/2档522大容好器饱供和核疾态沸瘦腾：粗主要佣影响败因素滋是壁育面的看过热协度和仅汽化卷核心晃数制冷习介质清的大聋容器轧饱和掏核态喊沸腾巴：库铂Co议op益er公式2式中匹：q—热流宗密度截，W/哀m2；Mr—制冷夜介质延分子秆量；pr—介质挽压力丧与临笼界压迎力比绸；Rp—表面加平均民粗糙翁度，um。7-浮5大容干器沸纤腾传槽热的同实验挤关联燃式20肢23偶/6饶/2板523大容躲器饱毯和核傻态沸四腾临咸界热远流密更度7-皇5大容炒器沸昌腾传康热的插实验羡关联堂式式中炮：物聋性参伤数根阔据饱脸和温圆度查胁取。20唱23毫/6燃/2苍524大容粘器膜牢态沸搅腾：注意增事项：横管a＝0.日62，球冬壁a＝0.炸67汽化加潜热r和饱剪和液局体密辈度ρl由饱乖和温翠度ts确定童，其赢它物害性参朋数由说平均婆温度厕确定T＝t+2挡73对流换热辐射换热20殖0℃幕<断∆t扫:稳定办模态逝沸腾西区。形妨成稳菜定汽脏膜，苹虽然节汽膜筑的热搂阻减黎弱了僻换热骂效果缩慧，但告是高覆温壁母面的井辐射茶换热盟却进箱一步陆增强雹了换宴热效摩果。7-购5大容累器沸皇腾传把热的抄实验新关联敏式20开23爱/6昏/2巩5257-健6沸腾土传热画的影绘响因固素及扮其强基化不凝磁结气革体（史与膜百状凝对结传丽热不口同）溶解益于液披体中栏的不膛凝结汽气体滑在汽那化核昂心处庄逸出苍强化塑沸腾号换热过冷划度在核左态沸郊腾起柱始段放自然育对流丛区域垒，过敞冷度赛强化帮沸腾献换热液位斤高度低于穿临界华液位冻，表旗面传边热系亡数随拳液位居降低上而增榴加，该从而驾强化酿沸腾烫换热重力礼加速驱度仅在殿微重盘力环脑境下员，重戏力加盯速度贿才会相影响份核态昼沸腾皮换热管内筐强制羞对流撒沸腾小（图7-者20）蒸汽-流体衰的掺算混两旅相流伟。20匙23婚/6希/2绞5267-镜6沸腾吵传热赠的影走响因肢素及冬其强合化原则通过杨传热朽表面之的处移理增坡加加忌热面闪汽化籍核心氏数目沿。大容看器饱拐和沸扇腾传热车表面绣多孔萝结构管内贺强制砌对流荡沸腾内螺菌纹管膨、微汁肋管沸腾婚传热再的强屠化措哲施：20界23辽/6束/2敢5277-愚7热管19似63年美读国Lo杀s共Al榨am先os国家牧实验希室的G.绳M缴.喜Gr惕ov唱er发明利用愁工作道流体刻（氨宋、水婶、丙悦酮、帖甲醇模）的寄蒸发县与冷帜凝来遮传递采热量纺。真空爸的金食属管+工作果流体+内壁调吸液看芯结串构1.热量昆由热替源通闸过热柱管管镰壁和尸充满谣工作最液体合的吸谜液芯朝传递酸到液-气分菜界面滨；2.液体绢在蒸嫩发段敏内的卸液-气分暑界面剩上蒸爬发；3.蒸气惊的温麻度和杨压力沉高于肝热管握的其钳它部茫分，陪压差志作用智促使砌蒸汽寺流向蚀热管梢内冷暑凝端环；4.蒸汽音在冷康凝段虹内的促气-液分吐界面菊上凝醒结：5.热量兴从气-液分恶界面亲通过碗吸液炸芯、脚液体舅和管疮壁传利给冷纹源；6.在吸访液芯梢内由劈燕于毛崭细作驻用使渴冷凝污后的牵工作男液体寄回流常到蒸余发段慢。20平23物/6遗/2园5287-另7热管19防63年美荣国Lo静s跳Al善am御os国家铲实验苍室的G.吴M水.而Gr别ov锋er发明利用睡工作粥流体芹（氨厦、水出、丙瓜酮、上甲醇厚）的枕蒸发烈与冷衰凝来晴传递掘热量辱。真空穿的金坡属管+工作续流体+内壁绳吸液忠芯结车构热管裁相对诊于一游种基陷于相债变传绕热的瓶等温哑导热鞋体，水较多咳用于偏卫星孕表面倒的等应温化毫和内夹部电庸子设绞备的唯温度续控制舍。用膀于地朽面芯帐片散帝热还尸需要很在冷越凝段