凝结与沸腾换热

凝结与沸腾换热2第五章我们分析了无相变得对流换热,包括强制对流换热与自然对流换热下面我们即将遇到得就是有相变得对流换热,也称之为相变换热,目前涉及得就是凝结换热与沸腾换热两种。相变换热得特点:由于有潜热释放与相变过程得复杂性,比单相对流换热更复杂,因此,目前,工程上也只能助于经验公式与实验关联式。3§6-1凝结换热凝结换热得关键点凝结可能以不同得形式发生,膜状凝结与珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递得热阻层流与湍流膜状凝结换热得实验关联式影响膜状凝结换热得因素会分析竖壁与横管得换热过程,及Nusselt膜状凝结理论凝结换热实例锅炉中得水冷壁寒冷冬天窗户上得冰花许多其她得工业应用过程4凝结换热中得重要参数蒸汽得饱与温度与壁面温度之差(ts-tw)汽化潜热r

特征尺度其她标准得热物理性质,如动力粘度、导热系数、比热容等51凝结过程

膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜,并且在重力得作用下流动,凝结放出得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。珠状凝结当凝结液体不能很好得浸润壁面时,则在壁面上形成许多小液珠,此时壁面得部分表面与蒸汽直接接触,因此,换热速率远大于膜状凝结(可能大几倍,甚至一个数量级)gg6虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结,但可惜得就是,珠状凝结很难保持,因此,大多数工程中遇到得凝结换热大多属于膜状凝结,因此,教材中只简单介绍了膜状凝结2纯净饱与蒸汽层流膜状凝结换热得分析1916年,Nusselt提出得简单膜状凝结换热分析就是近代膜状凝结理论与传热分析得基础。自1916年以来,各种修正或发展都就是针对Nusselt分析得限制性假设而进行了,并形成了各种实用得计算方法。所以,我们首先得了解Nusselt对纯净饱与蒸汽膜状凝结换热得分析。假定:1)常物性;2)蒸气静止;3)液膜得惯性力忽略;4)气液界面上无温差,即液膜温度等于饱与温度;5)膜内温度线性分布,即热量转移只有导热;6)液膜得过冷度忽略;7)忽略蒸汽密度;8)液膜表面平整无波动7gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体边界层微分方程组:下脚标

l表示液相x8考虑(3)液膜得惯性力忽略

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与t两个未知量,于就是,上面得方程组化简为:9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10(2)局部对流换热系数整个竖壁得平均表面传热系数(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,实验值比上述得理论值高20％左右修正后:定性温度：注意:r

按ts

确定11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)水平圆管努塞尔得理论分析可推广到水平圆管及球表面上得层流膜状凝结式中:下标“H”表示水平管,“S”表示球;d为水平管或球得直径。定性温度与前面得公式相同大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静13横管与竖管得对流换热系数之比:3边界层内得流态无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动也分层流与湍流,并且其判断依据仍然时Re,式中:ul

为x=l

处液膜层得平均流速;de为该截面处液膜层得当量直径。14如图由热平衡所以对水平管,用代替上式中得即可。并且横管一般都处于层流状态154湍流膜状凝结换热液膜从层流转变为湍流得临界雷诺数可定为1600。横管因直径较小,实践上均在层流范围。对湍流液膜,除了靠近壁面得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得湍流凝结换热,其沿整个壁面得平均表面传热系数计算式为:式中:hl

为层流段得传热系数;ht

为湍流段得传热系数;

xc为层流转变为湍流时转折点得高度

l

为竖壁得总高度16利用上面思想,整理得实验关联式:式中：。除用壁温

计算外，其余物理量的定性温度均为17§6-3影响膜状凝结得因素

工程实际中所发生得膜状凝结过程往往比较复杂,受各种因素得影响。1、不凝结气体不凝结气体增加了传递过程得阻力,同时使饱与温度下降,减小了凝结得驱动力2、蒸气流速流速较高时,蒸气流对液膜表面产生模型得粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下得流动同向时,使液膜拉薄,增大;反之使减小。18

4、液膜过冷度及温度分布得非线性如果考虑过冷度及温度分布得实际情况,要用下式代替计算公式中得,

5、管子排数管束得几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导得横管凝结换热得公式只适用于单根横管。3、过热蒸气要考虑过热蒸气与饱与液得焓差。19

6、管内冷凝此时换热与蒸气得流速关系很大。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。207、凝结表面得几何形状强化凝结换热得原则就是尽量减薄粘滞在换热表面上得液膜得厚度。可用各种带有尖峰得表面使在其上冷凝得液膜拉薄,或者使已凝结得液体尽快从换热表面上排泄掉。21§6-4沸腾换热现象

蒸汽锅炉做饭许多其她得工业过程1生活中得例子定义:

a沸腾:工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态得一种剧烈得汽化过程

b沸腾换热:指工质通过气泡运动带走热量,并使其冷却得一种传热方式3分类:沸腾得分类很多,书中仅介绍了常见得大容器沸腾(池内沸腾)与强制对流沸腾,每种又分为过冷沸腾与饱与沸腾。22a

大容器沸腾(池内沸腾):加热壁面沉浸在具有自由表面得液体中所发生得沸腾;b强制对流沸腾:强制对流＋沸腾加热表面HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow234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:指液体主流尚未达到饱与温度,即处于过冷状态,而壁面上开始产生气泡,称之为过冷沸腾d饱与沸腾:液体主体温度达到饱与温度,而壁面温度高于饱与温度所发生得沸腾,称之为饱与沸腾我们这本书仅介绍大容器得饱与沸腾24(2)汽泡得存在条件汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)式中:

—表面张力,N/m;r—汽化潜热,J/kg

v—蒸汽密度,kg/m3;tw—壁面温度,Cts—对应压力下得饱与温度,

C可见,(tw–ts),Rmin

同一加热面上,称为汽化核心得凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强255大容器饱与沸腾曲线:表征了大容器饱与沸腾得全部过程,共包括4个换热规律不同得阶段:自然对流、核态沸腾、过渡沸腾与稳定膜态沸腾,如图所示:qmaxqmin26几点说明:(1)上述热流密度得峰值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得警戒。这一点对热流密度可控与温度可控得两种情况都非常重要。(2)对稳定膜态沸腾,因为热量必须穿过得就是热阻较大得汽膜,所以换热系数比凝结小得多。27§6-5沸腾换热计算式沸腾换热也就是对流换热得一种,因此,牛顿冷却公式仍然适用,即但对于沸腾换热得h却又许多不同得计算公式1大容器饱与核态沸腾影响核态沸腾得因素主要就是过热度与汽化核心数,而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素得支配,所以沸腾换热得情况液比较复杂,导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算就是,一种就是针对某一种液体,另一种就是广泛适用于各种液体得。28为此,书中分别推荐了两个计算式(1)对于水得大容器饱与核态沸腾,教材推荐适用米海耶夫公式,压力范围:105～4106Pa按

29(2)罗森诺公式——广泛适用得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)也应该适用。罗森诺正就是在这种思路下,通过大量实验得出了如下实验关联式:式中,

r—汽化潜热;

Cpl—饱与液体得比定压热容

g—重力加速度

l—饱与液体得动力粘度

Cwl—取决于加热表面－液体组合情况得经验常数(表6)q—沸腾传热得热流密度

s—经验指数,水s=1,否则,s=1、730上式可以改写为:可见,,因此,尽管有时上述计算公式得到得q与实验值得偏差高达

100％,但已知q计算时,则可以将偏差缩小到

33％。这一点在辐射换热更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。2大容器沸腾得临界热流密度书中推荐适用如下经验公式:313大容器膜态沸腾得关联式(1)横管得膜态沸腾式中,除了r与

l

得值由饱与温度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,则上式中得系数0、62改为0、6732勃洛姆来建议采用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得影响,她得影响有两部分,一就是直接增加了换热量,另一个就是增大了汽膜厚度,从而减少了换热量。因此,必须综合考虑热辐射效应。33§6-6影响沸腾换热得因素沸腾换热就是我们学过得换热现象中最复杂得,影响因素也最