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1、1,上章回顾,单相对流传热的实验关联式,内部流动,外部流动,大空间自然对流,相似原理,层流&湍流,两个阶段,两种边界,横掠单管,外掠管束,速度温度分布,层流与湍流,2,第七章 相变对流传热,主讲人：郭智群,3,引言,蒸汽遇冷凝结、液体受热沸腾是伴随有相变的对流传热。在这两种相变换热过程中，流体都是在饱和温度下放出或者吸收汽化潜热。 一般情况下，凝结核沸腾换热的表面传热系数要比单相流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。 工业应用非常广泛：锅炉炉膛中的水冷壁、冰箱和空调中的冷凝器与蒸发器、热管等。,4,引言,冰箱蒸发器,空调蒸发器（室外机）,5,目录,7.1 凝结传热的模式 7.3 膜状凝结的影响因素
2、及其传热强化 7.4 沸腾传热的模式 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化,6,凝结传热的模式,7.1.1 珠状凝结与膜状凝结 一、凝结换热过程 当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面接触时，将发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出汽化潜热并传递给固体壁。 二、分类 根据凝结液在表面上的润湿情况，凝结换热可以分为膜状凝结和珠状凝结。,7,凝结传热的模式,1、膜状凝结（film condensation） 凝结液体能很好地润湿壁面，它在壁面上铺展成膜。 2、珠状凝结（dropwise condensation） 凝结液体不能很好地润湿壁面，它在壁面上形成一个个小的液珠。,8,凝结传热的模式,上图显示了在
3、不同的润湿能力下，气液分界面对壁面形成边角（接触角） 的形状。接触角小则液体润湿能力强，液体会铺展在壁面上。,9,凝结传热的模式,7.1.2 凝结换热主要热阻 无论是膜状凝结还是珠状凝结，凝结液体都是蒸汽与壁面间的主要热阻。 显然，将蒸汽与冷壁面隔开的液体层的面积越大、越厚，热阻越大。,10,凝结传热的模式,蒸汽空间,在减小凝结热阻方面，珠状凝结相比于膜状凝结有很大的优越性： 液珠之间有大量壁面可与蒸汽直接接触； 非水平壁面，由于重力作用，成长到一定尺寸的液珠将向下流动，从而扫清沿途液珠。,珠状凝结,11,凝结传热的模式,蒸汽空间,膜状凝结时，在冷壁面始终存在一层连续的液膜，其厚度沿着重力的方
4、向增加。 对于膜状凝结，其表面传热系数为“成千上万”，而珠状凝结则高达几十万。膜状凝结的热阻常常比珠状凝结大一个数量级以上。,膜状凝结,12,凝结传热的模式,几乎所有的常用蒸汽在纯净条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。所以膜状凝结是工程设计的依据； 由于珠状凝结的热阻可以忽略不计，因此研究的关键是在常规材料表面上如何长久维持珠状凝结。,总结：,13,目录,7.1 凝结传热的模式 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 7.4 沸腾传热的模式 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化,14,膜状凝结的影响因素及其传热强化,7.3.1 膜状凝结的影响因素 1、不凝结气体 蒸汽中含有不可凝结
5、的气体，对凝结传热产生十分有害的影响； 因为不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力，使凝结过程削弱。,15,膜状凝结的影响因素及其传热强化,2、管子排数 当凝结传热不是发生在单根横管时，排管上的凝结液在下落过程中要产生飞溅及对液膜的冲击扰动。 3、管内冷凝 蒸汽在压差作用下流经管子内部，同时产生凝结，此时传热情形与蒸汽的流速有很大关系。,16,膜状凝结的影响因素及其传热强化,4、蒸汽流速 努赛尔理论分析只适用于流速较低的场合，当其流速高时，蒸汽流速对液膜表面会产生明显的粘滞应力。 其影响又随蒸汽流向与重力场同向或异向，流速大小以及是否撕破液膜等不同。 5、蒸汽过热度 6、液膜过冷度及温度分布的
6、非线性,17,膜状凝结的影响因素及其传热强化,7.3.2 膜状凝结的强化原则和技术 1、基本原则 蒸汽膜状凝结时，热阻取决于通过液膜层的导热。因此，尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则。 减薄蒸汽凝结时直接粘滞在固体表面上的液膜； 及时将传热表面上产生的凝结液排走，使其不再加厚,18,膜状凝结的影响因素及其传热强化,2、强化技术简介 （1）减薄液膜厚度的技术； 利用表面张力减薄液膜厚度,19,膜状凝结的影响因素及其传热强化,（2）及时排液,立式冷凝器在凝液下流的过程中分段排泄，有效控制了液膜厚度； 卧式冷凝器泄流板可以使布置在该板上部水平管束上的冷凝液不会聚集到其下其他管束上。,20,目录
7、,7.1 凝结传热的模式 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 7.4 沸腾传热的模式 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化,21,沸腾传热模式,7.4.1 大容器饱和沸腾 沸腾是指在液体内部以产生气泡的形式进行的气化过程。,大容器沸腾:流体的运动是由于温差和气泡的扰动所引起的 管内沸腾:需外加压差作用才能维持,过冷沸腾：液体主体的温度低于饱和温度 饱和沸腾：液体主体的温度达到饱和温度,22,沸腾传热模式,大容器饱和沸腾曲线 通过对水在一个大气压（1.013105Pa）下的大容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出图7-14所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。 横坐标为加热面的过热度；纵坐标为热流密
8、度。,23,沸腾传热模式,（1）自然对流 壁面过热度较小 （t4时），壁面上没有气泡产生，传热属于自然对流工况,24,沸腾传热模式,（2）核态沸腾（孤立气泡区） 当壁面过热度t4时，汽化核心开始有气泡产生，此时气泡彼此互不干扰，称为孤立气泡区。,25,沸腾传热模式,（2）核态沸腾（气柱气块区） 当壁面过热度t进一步增大，汽化核心增加时，气泡相互影响，并会合成气块及气柱，称为气柱气块区。,26,沸腾传热模式,（2）核态沸腾A-C 在孤立气泡区和气柱气块区中，气泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。这两区的沸腾统称为核态沸腾（或泡状沸腾）。该区有温差小、传热强的特点，因此一般工业应用都设计在
9、这个范围。,27,沸腾传热模式,（3）过渡沸腾C-D 从峰值点进一步提高t ，热流密度随t 升高而降低。因为气泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这种情况持续到热流密度为qmin为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。,28,沸腾传热模式,（4）膜态沸腾D-E 经过D点后，加热面上已经形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地排离膜层，q随着t 的增大而增加。此段称为稳定膜态沸腾。,29,沸腾传热模式,30,沸腾传热模式,7.4.3 气泡动力学简介 经过由核态沸腾的特点可以看出，汽泡的生成、长大及脱离加热面的运动对核态沸腾换热起决定作用。,汽泡是在加热面上所谓的汽化核心处生成的，而
10、形成汽化核心的最佳位置是加热面上的凹缝、孔隙处，这里残留着微量气体，最容易生成汽泡核（即微小汽泡）。,31,沸腾传热模式,气泡的力平衡：,式中： 气液界面的表面张力；Pl气泡外压力，近似等于沸腾系统的环境压力PlPs;界面内外温度相等，即tl=tv;即气泡外的液体是过热的，贴壁处具有最大过热度tw-ts,32,沸腾传热模式,凹穴处有残存气体，壁面凹处最先能满足气泡生成的条件：,平衡状态的气泡是很不稳定的。气泡半径稍微小于上式所示半径，表面张力大于压差，则气泡内蒸汽凝结，气泡瓦解。 只有半径大于上述半径时，界面上液体不断蒸发，气泡才能成长。,33,目录,7.1 凝结传热的模式 7.3 膜状凝结的
11、影响因素及其传热强化 7.4 沸腾传热的模式 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化,34,沸腾传热的影响因素及其强化,7.6.1 影响沸腾传热的因素 1、不凝结气体 溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾传热得到某种强化。 2、过冷度 在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度，则称这种沸腾为过冷沸腾。除了在核态沸腾起始点附件区域外，过冷度对沸腾传热的强度并无影响。,35,沸腾传热的影响因素及其强化,3、液位高度 在大容器沸腾中，当传热表面上的液位足够高时，沸腾传热表面传热系数液位高度无关。 当液位降低到一定值时，沸腾传热的表面传热系数会明显地随液位的较低而升高。 4、重力加速度 液体的
12、自然随重力加速度增加而强化。对核态沸腾几乎没有影响。,36,沸腾传热的影响因素及其强化,5、管内沸腾 流入管内的未饱和液体被管壁加热，到达一定地点是壁面产生气泡，处于过冷沸腾； 继续加热使液流达到饱和温度时，进入饱和核态沸腾（泡状流和块状流）；,37,沸腾传热的影响因素及其强化,5、管内沸腾 含气量增大到一定程度，在管中心形成气芯，排挤液体到壁面，称为环状流，此时进入液膜对流沸腾区； 环状液膜受热蒸发，液膜的消失称为“蒸干”。此时传热恶化，壁温猛升，造成对安全的威胁；,38,沸腾传热的影响因素及其强化,7.6.2 强化沸腾传热的原则和技术 基本原则：尽量增加加热面上的汽化核心，即产生气泡的地点。 技术：强化沸腾表面结构 采用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等方法； 采用机械加工方法；,39,沸腾传热的影响因素及其强化,7.7.1 热管的工作原理 工作原理：,工作特点： 传热能力强；传热温差小；结构简单、工作可靠；,40,沸腾传热的影响因素及其强化,热管的工程应用： （1）温度控制（如：航天器）； （2）热量传递；,41,本章小结,凝结传热 凝结液膜为主要热阻,强化凝结,影响因素,不凝结气体 管子排数 管内冷凝 蒸汽流速 蒸汽过热度,减薄液膜厚度 及时排液,42,本章小结,原则：尽量增加加热面上的汽化核心，即产生气泡的地点。 技术：强化沸腾表面结构,
