传热学第六章凝结与沸腾换热

第六章分散与沸腾换热1第五章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热下面我们马上遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热，目前涉及的是分散换热和沸腾换热两种。相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的简单性，比单相对流换热更简单，因此，目前，工程上也只能助于阅历公式和试验关联式。第六章分散与沸腾换热2§6-1分散换热分散换热的关键点分散可能以不同的形式发生，膜状分散和珠状分散冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状分散换热的试验关联式影响膜状分散换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状分散理论分散换热实例锅炉中的水冷壁严寒冬天窗户上的冰花很多其他的工业应用过程第六章分散与沸腾换热3分散换热中的重要参数蒸汽的饱和温度与壁面温度之差〔ts-tw〕汽化潜热r特征尺度其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等第六章分散与沸腾换热41分散过程膜状分散沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流淌，分散放出的汽化潜热必需通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状分散当分散液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成很多小液珠，此时壁面的局部外表与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状分散〔可能大几倍，甚至一个数量级〕gg第六章分散与沸腾换热5虽然珠状分散换热远大于膜状分散，但惋惜的是，珠状分散很难保持，因此，大多数工程中遇到的分散换热大多属于膜状分散，因此，教材中只简洁介绍了膜状分散2纯洁饱和蒸汽层流膜状分散换热的分析1916年，Nusselt提出的简洁膜状分散换热分析是近代膜状分散理论和传热分析的根底。自1916年以来，各种修正或进展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进展了，并形成了各种有用的计算方法。所以，我们首先得了解Nusselt对纯洁饱和蒸汽膜状分散换热的分析。假定：1〕常物性；2〕蒸气静止；3〕液膜的惯性力无视；4〕气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5〕膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；6〕液膜的过冷度无视；7〕无视蒸汽密度；8〕液膜外表平坦无波动第六章分散与沸腾换热6gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体边界层微分方程组：对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16)下脚标

l表示液相x第六章分散与沸腾换热7考虑〔3〕液膜的惯性力无视

考虑〔5〕膜内温度线性分布，即热量转移只有导热考虑（7）忽略蒸汽密度

只有u和t两个未知量，于是，上面得方程组化简为：第六章分散与沸腾换热8边界条件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性温度：留意：r按ts确定第六章分散与沸腾换热9(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均外表传热系数(3)修正：试验说明，由于液膜外表波动，分散换热得到强化，因此，试验值比上述得理论值高20％左右修正后：定性温度：留意：r按ts确定第六章分散与沸腾换热10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，(4)水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球外表上的层流膜状分散式中：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一样第六章分散与沸腾换热11横管与竖管的对流换热系数之比：3边界层内的流态无波动层流有波动层流湍流分散液体流淌也分层流和湍流，并且其推断依据仍旧时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。第六章分散与沸腾换热12如图由热平衡所以对水平管，用代替上式中的即可。并且横管一般都处于层流状态第六章分散与沸腾换热134湍流膜状分散换热液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横管因直径较小，实践上均在层流范围。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，换热大为增加对竖壁的湍流分散换热，其沿整个壁面的平均外表传热系数计算式为：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

为竖壁的总高度第六章分散与沸腾换热14利用上面思想，整理的试验关联式：式中：。除用壁温

计算外，其余物理量的定性温度均为第六章分散与沸腾换热15§6-3影响膜状分散的因素工程实际中所发生的膜状分散过程往往比较简单，受各种因素的影响。1.不分散气体不分散气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了分散的驱动力2.蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜外表产生模型的粘滞应力。假设蒸气流淌与液膜向下的流淌同向时，使液膜拉薄，增大；反之使减小。第六章分散与沸腾换热164.液膜过冷度及温度分布的非线性假设考虑过冷度及温度分布的实际状况，要用下式代替计算公式中的，5.管子排数管束的几何布置、流体物性都会影响分散换热。前面推导的横管分散换热的公式只适用于单根横管。3.过热蒸气

要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。第六章分散与沸腾换热176.管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低时，分散液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。流速较高时，形成环状流淌，分散液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。第六章分散与沸腾换热187.分散外表的几何外形强化分散换热的原则是尽量减薄粘滞在换热外表上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰的外表使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已分散的液体尽快从换热外表上排泄掉。第六章分散与沸腾换热19§6-4沸腾换热现象蒸汽锅炉做饭很多其它的工业过程1生活中的例子定义：a沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种猛烈的汽化过程b沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式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)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。第六章分散与沸腾换热20a大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉醉在具有自由外表的液体中所发生的沸腾；b强制对流沸腾：强制对流＋沸腾加热外表HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow第六章分散与沸腾换热214汽泡动力学简介

(1)汽泡的成长过程

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，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。

c过冷沸腾：指液体主流尚未到达饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开头产生气泡，称之为过冷沸腾d饱和沸腾：液体主体温度到达饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾我们这本书仅介绍大容器的饱和沸腾第六章分散与沸腾换热22(2)汽泡的存在条件汽泡半径R必需满足以下条件才能存活(克拉贝龙方程)式中：—外表张力，N/m；r—汽化潜热，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面温度，Cts—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加第六章分散与沸腾换热235大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如下图：qmaxqmin第六章分散与沸腾换热24几点说明：〔1〕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的戒备。这一点对热流密度可控和温度可控的两种状况都特别重要。〔2〕对稳定膜态沸腾，由于热量必需穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比分散小得多。第六章分散与沸腾换热25§6-5沸腾换热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍旧适用，即但对于沸腾换热的h却又很多不同的计算公式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，而汽化核心数受外表材料、外表状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的状况液比较简单，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。第六章分散与沸腾换热26为此，书中分别推举了两个计算式〔1〕对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推举适用米海耶夫公式，压力范围：105～4106Pa按

第六章分散与沸腾换热27〔2〕罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)也应当适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量试验得出了如下试验关联式：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—取决于加热外表－液体组合状况的阅历常数(表6)q—沸腾传热的热流密度s—阅历指数，水s=1,否则，s=1.7第六章分散与沸腾换热28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与试验值的偏差高达100％，但q计算时，则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必需慎重处理热流密度。2大容器沸腾的临界热流密度书中推举适用如下阅历公式：第六章分散与沸腾换热293大容器膜态沸腾的关联式〔1〕横管的膜态沸腾式中，除了r和l的值由饱和温度ts打算外，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,假设加热外表为球面，则上式中的系数0.62改为0.67第六章分散与沸腾换热30勃洛姆来建议承受如下超越方程来计算：其中：〔2〕考虑热辐射作用由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两局部，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而削减了换热量。因此，必需综合考虑热辐射效应。第六章分散与沸腾换热31§6-6影响沸腾换热的因素沸腾换热是我们学过的换热现象中最简单的，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。1不分散气体对膜状分散换热的影响？与膜状分散换热不同，液体中的不分散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。见p.183第六章分散与沸腾换热323液位高度当传热外表上的液位足够高时，沸腾换热外表传热系数与液位高度无关。但当液位降低到肯定值时，外表传热系数会明显地随液位的降低而上升(临界液位)。图中介质为一个大气压下的水4重力加速度随着航空航天技术的进展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃进展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果说明：第