传热学凝结与沸腾换热

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1、第七章 相变对流传热Boiling and Condensation1第六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即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为 相变换热，目前涉及的是凝结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 只能助于经验公式和实验关联式。27-1 凝结换热凝结换热的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实例 电

2、厂凝汽器，冰箱冷凝器 寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程3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 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等41 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，换热速率远大于膜状凝结 （可能大几倍，甚至一个数量级）gg57-2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年，Nusselt提出的简单膜

3、状凝结换热分析是近代膜状 凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或 发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成 了各种实用的计算方法。1.假设及模型简化1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略；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）液膜的过冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动6gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layers微元控制体边界层微分方程组：对应于式(5-14)，(5-15)，(5-16)下脚标 l 表示液相x7

4、考虑（3）液膜的惯性力忽略 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8只有u 和 t 两个未知量，于 是，上面得方程组化简为：边界条件：92.求解结果：(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的平均表面传热系数(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对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可。(4) 水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流 膜状凝结式中：下标“ H ”表示水平管，“ S

5、 ”表示球; d 为水 平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同12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凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时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。13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144 湍流膜状凝结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，换热大为增强对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个

6、壁面的平均表面传热 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15利用上面思想，整理的实验关联式：式中： 。除 用壁温计算外，其余物理量的定性温度均为167-3 影响膜状凝结的因素工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种 因素的影响。1. 不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力2. 蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， 增大；反之使 减小。174. 液膜过冷度及温度分布的非线性如果考虑过冷

7、度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的 ，5. 管子排数管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结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。186. 管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大。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。197. 凝结表面的几何形状v强化凝结换热的原则是 尽量减薄粘滞在换热表 面上的液膜的厚度。v可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。207-4 沸腾换热现象 蒸汽锅炉 做饭 许多其

8、它的工业过程1 生活中的例子2定义：3 3a 沸腾：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4 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。21a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液 体中所发生的沸腾；b 强制对流沸腾：强制对流沸腾加热表面Heated SurfaceLiquid flowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow224 汽泡动力学简介(1) 汽泡的成长过程实验

9、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和温度，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 饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，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23(2) 汽泡的存在条件力平衡： 热平衡：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/kgv 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，Cts 对

10、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245 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，如图所示：qmaxqmin25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。（2）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。267-5 沸腾换热计

11、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，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所 以沸腾换热的情况液比较复杂，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。27为此，书中分别推荐了两个计算式（1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海耶夫公式，压力范围：1054106 Pa按 28（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

12、 应该适用。罗森诺正是在这种思路下，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 取决于加热表面液体组合情况的经验常数(表6)q 沸腾传热的热流密度s 经验指数，水s = 1,否则，s=1.729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与实验值的偏差高达100，但已知q计算 时，则 可以将偏差缩小到33。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。2 大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：303 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

13、饱和温度 ts 决定外，其余物性均 以平均温度 tm ( twts ) / 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，则上式中的系数0.62改为 0.6731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 辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热 量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此， 必须综合考虑热辐射效应。327-6 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复杂的，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 不凝结气体

14、 对膜状凝结换热的影响？与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热 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。333 液位高度当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热 系数与液位高度无关。但 当液位降低到一定值时， 表面传热系数会明显地随 液 位的降低而升高(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发展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明：34从0.1 1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热规律没 有影响，但对自然对流换热有影响

15、，由于因此，g Nu 换热加强。5 沸腾表面的结构沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化 沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的 手段：(1) 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与 化学手段在换热表面上形成多孔结构。(2) 机械加工方法。3536思考题：1.膜状凝结和珠状凝结的概念. 2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法. 在这个推导方法中 最基本的假设是什么? 4.对于单根管子, 有那些因素影响层流膜状凝结换热? 它们起什么作用? 5.对于实际凝结换热器, 有那些方法可以提高膜状凝结换热系数? 6.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域? 有那些特性点? 各个区域在换热原理上有何特点? 7.气化核心的概念. 沸腾气泡产生的物理条件. 8.画出水的池内饱和沸腾曲线. 掌握特性点的基本数值范围 .37