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1、第7章 相变对流换热,Phase Transformation Convection Heat Transfer,相变换热：凝结换热和沸腾换热,相变换热的特点：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；目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。,7.1 凝结换热7.1.1 概述,定义蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面的过程。产生条件：壁面温度tw蒸汽的饱和温度ts分类(凝结液与壁面浸润情况)膜状凝结(filmwise condensation):珠状凝结(dropwise condensation)实例发电厂凝汽器、制冷装置中的冷凝器深秋玻璃上的水膜,凝
2、结换热研究关键点,凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结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凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论,凝结换热中的重要参数,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 其他热物理性质，如、cp等。,7.1.2 凝结过程,膜状凝结 沿整个壁面形成一层薄膜，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 当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率
3、远大于膜状凝结(hd=(510)hf),凝结形态的决定性因素,是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力；而润湿能力又取决于表面张力；表面张力小的润湿能力强。实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。,虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持，因此，工程实践应用中只能实现膜状凝结。为保证凝结效果，应以膜状凝结计算作为设计的依据。,7.2 膜状凝结分析解及计算关联式7.2.1 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热（竖壁）的分析,简化假设常物性；蒸气静止，气液界面无对液膜的粘滞应力；液膜的惯性力忽略；气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；膜内
4、温度线性分布，热量转移只有导热；液膜的过冷度、蒸汽的过热度忽略；忽略蒸汽密度（v l ）；液膜表面平整无波动,凝结液膜的流动和传热符合边界层薄层性质。取重力方向为x方向，稳态情况下，边界层描述为,边界层方程组的简化,下脚标 l 表示液相,考虑假设忽略惯性力；液膜在x方向的压力梯度可按界面y=处压力梯度计算。考虑假设 考虑假设忽略蒸气密度；考虑假设之考虑导热,X,X,只有u 和 t 两个未知量，故控制方程简化为：,边界条件：,求解与结果,流速u,温度,x处的质量流量qm,则，x+dx 处质量流量的增量,液膜厚度,引入假设不考虑液膜过冷所释放的显热，根据能量守恒定律，微元体,液膜的导热,凝结液体的
5、潜热,引入假设温度线性分布，热量转移仅考虑导热,局部表面传热系数,整个竖壁平均表面传热系数,表竖壁,7.2.2 膜状凝结分析扩展,倾斜壁平均表面传热系数,水平圆管表面凝结传热表面传热系数,水平管外凝结与竖直管外凝结的比较,Nusselt 采用图解积分得,特征尺度为l,特征尺度为d,冷凝管通常采用横管布置。,竖壁表面凝结传热表面传热系数理论公式的修正,球表面凝结传热表面传热系数,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。故工程中采用,几点说明,定性温度 除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2公式适用范围 层流 Re1时，惯性力项和液膜过冷度的影响均
6、可忽略。,对于Re 1600 的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：,除Prw 的定性温度用 tw 外，其余均用ts，物性均指凝结液的,7.2.4 湍流膜状凝结换热,【例】 压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,解：先假设液膜为层流。 根据 ts=100，查得r=2257kJ/kg； 其他物性按液膜平均温度 tm=(100+98)/2=99 查取，
7、得： =958.4kg/m3,=2.825 10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K),核算Re准则：,说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：,【例】 压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,凝结蒸汽量为：,【例】 压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,不凝结气体由于不凝结气体形成气膜，故： 1) 蒸气要扩散过气膜，形成阻力； 2) 气膜导致蒸气分压力降低，从而使 ts 降低：,7.3 膜
8、状凝结影响因素及其传热强化7.3.1膜状凝结影响因素,严重性：1% 的不凝结气体能使 h降低 60%凝汽器工作中，排除不凝结气体是保证设计能力的关键,tsq ,蒸气流速,前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。 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 ,蒸气过热度 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。实验证实，h-h 代替 r 即可,用r 代替计算公式中的 r：,液膜过冷度及温度分布的非线性,管子排数n,理论上，n排管束换热只需将d nd ，但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；
9、同一铅垂面内，随着液膜的积累，h减小。故前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。,此时换热与蒸气的流速关系很大。 流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子 上半部（a）。 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（b）。,管内冷凝,凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。 实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中，强化有更大现实意义。,凝结表面情况,7.3.1膜状凝结传热强化,主要热阻：取决于通过液膜层的导热强化原则：尽量减薄粘滞
10、在换热表面上液膜的厚度。实现方法：尖锋的表面 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉如低肋管、纵向沟槽等 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结如表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入,7.4 沸腾换热的模式,沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程 许多学科中正反过程的（物理机制）公式是一样的 传热有时不一样（管内强制对流） 沸腾比凝结复杂得多,7.4.1 沸腾换热的定义与分类,沸腾：当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程沸腾换热：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应用： 电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；烧开水；冰箱中氟里昂的蒸发等
11、。,定义,按流动动力分 a). 大容器(或池)沸腾(Pool boiling)： 加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。 b). 强制对流沸腾(Forced convection boiling)： 液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。 工业上的沸腾换热多属于此； 例如：冰箱的蒸发器； 自然循环锅炉蒸发受热面,分类,从主体温度分,a) 过冷沸腾(Subcooled boiling)： 液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。 b). 饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)： 液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。 例如
12、烧开水,7.4.2 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,A 自然对流区 pure convection t4，过热液体对流到自由液面后蒸发 B,C核态沸腾区 Nucleate boiling B 孤立汽泡区 individual bubble regime 汽泡彼此不干扰,对液体扰动大,换热强 C 汽块区 continuous column regime 扰动更强q上升,核态沸腾具有温差小、传热强等特点，为一般工业应用设计范围区。,D 过度沸腾 Transition boiling regime 汽泡迅速
13、形成，许多汽泡连成一片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜的导热系数低，q （不稳定过程） E、F稳定膜态沸腾 Stable film boiling regime 汽泡的产生和脱离速度几乎不变，在壁面上形成稳定的汽膜, 和h几乎是常数; q= h t ; t q E区，辐射比例小， F区辐射所占比例越来越大,对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。,临界热流密度 qmax (Critical heat flux)： 恒热流（加热）q=const. 热流密度与换热条件无关 一旦热流密度超过峰值，工况将沿qmax 虚线跳至稳定膜态沸腾线， t 将猛升至近1000 C
14、，可能导致设备的烧毁，qmax所以亦称烧毁点（Burnout point）,7.4.3 临界热流密度,一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。电加热、反应堆恒热流、实用中设监测点。,(1)如何强化沸腾传热 沸腾传热的高传热强度主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引起的扰动造成。 故进一步强化沸腾传热的根本就是设法增加加热表面所能产生气泡的地点气泡核心。,7.4.4 汽泡动力学简介,7.4.4 汽泡动力学简介,(3) 汽泡的存在条件 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，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,7.5 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却又许多不同的计算公式,
