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1、重庆大学动力工程学院 本科生专业基础课程 传 热 学 李 友 荣E-mail: ; Tel:65112284主要内容概 述 p 沸腾传热大容器饱和沸腾曲线沸腾传热的计算影响因素及其强化流动沸腾传热特征p 凝结传热 凝结方式 Nusselt膜状凝结理论 影响因素及其强化第四章 相变对流传热分析与计算 概 述 日常生活中的相变传热过程汽化凝结心急水不开；欲速则不达发 汗 冷 却工程实例锅炉水冷壁凝汽器概 述 相变传热的定义对流传热的同时伴随相的变化特点过程中流体温度不变，ts=const.潜热大，相同条件下传热量大于单相介质对流传热量传热温差小，传热系数大计算方法凝结换热：t=ts-tw 沸腾换热
2、：t=tw-ts 概 述 4.1 沸 腾 传 热 1. 概 述 定义：当twts时，液体强烈汽化并形成汽泡的过程称为沸腾此时，加热壁面与液体之间的传热称为沸腾传热 实例 ：蒸发 (evaporation) 沸腾 (boiling) 分类：大容器沸腾 (池沸腾 pool boiling)强制对流沸腾 (流动沸腾 flow boiling)过冷沸腾 (subcooled boiling)饱和沸腾 (saturated boiling)水在锅炉水冷壁中的沸腾汽化；制冷剂在蒸发器内的蒸发；拔山(Nukiyama)曲线, 1934年2. 大容器饱和沸腾曲线 分区： p 自然对流区p 核态沸腾区孤立汽泡区
3、汽块区p 过渡沸腾p 膜态沸腾q与壁面过热度t关系曲线 大气压下水沸腾曲线4.1 沸 腾 传 热 起始沸腾点：A点临界点：D点qmax(CHF)偏离核态沸腾点(DNB)：C点Leidenfrost点：E点qmin几个特殊的点临界热流密度的工程意义热流密度可控电加热、核反应堆烧毁点DNB：监视点壁温可控蒸发冷凝器沸腾滞后4.1 沸 腾 传 热 基本特征（1）自然对流区 ：无气泡产生，0t120）通过汽膜的辐射传热占有重要的地位 稳定膜态沸腾与膜状凝结类似，不过因为热量必须穿过 的是热阻较大的汽膜，而不是液膜，所以表面传热系数比凝 结小得多。 4.1 沸 腾 传 热 3. 沸腾成核理论 汽化核心：
4、能产生汽泡的特定地点液体内部产生：均相成核加热壁面上产生：非均相成核凹缝、裂穴处： 残留有微量气体，成为汽泡核接触液体的壁面温度最高 4.1 沸 腾 传 热 均相成核：过热液体中的汽化成核理论 成核过程 成核条件 力平衡条件 热平衡条件pvpl蒸汽饱和液体必过热 汽泡最小半径 表面张力N/m4.1 沸 腾 传 热 液体种类可达到的最大过热度，K 实验值理论计算值水170166 甲醇11496 乙醇12393 乙醚10892 苯128124 氯苯118129最大过热度（p=1atm）4.1 沸 腾 传 热 均相成核：过热液体中的汽化成核理论非均相成核：加热壁面上的汽化成核理论 成核过程 成核条件
5、 具有一定的过热度(tw-ts) 壁面凹腔处，且rRmin (tw-ts)越大，则Rmin越小 壁面会形成更多的汽化核心N(r)4.1 沸 腾 传 热 p 研究汽泡的产生、长大、脱离过程4.1 沸 腾 传 热 4. 汽泡动力学简介 沸腾传热计算特点 p 牛顿冷却公式仍然适用p 影响因素多 p 计算公式分歧较大与沸腾液体及表面材料有关的系数 4.2 大容器沸腾传热计算 1. 大容器饱和核态沸腾 米海耶夫计算式 工质：水，p=11054106Pa；p: Pa, q: W/m2 罗森诺实验关联式 W.M. Rohsenow (1921-2011)经验指数，水：s=1；其它液体：s=1.7 物性参数按
6、饱和温度确定组合经验常数4.2 大容器沸腾传热计算 表面-液体组合情况Cwl水-铜 水-铂 水-黄铜 正丁醇-铜 异丙醇-铜 正戊烷-铬 苯-铬 乙醇-铬 水-金钢砂磨光的铜 正戊烷-金钢砂磨光的铜 四氯化碳-金钢砂磨光的铜 水-金、磨光的不锈钢 水-化学腐蚀的不锈钢 水-机械磨光的不锈钢0.013 0.013 0.006 0.00305 0.00225 0.015 0.101 0.0027 0.0128 0.0154 0.0070 0.0080 0.0133 0.0132各种表面-液体组合情况的Cwl值 罗森诺实验关联式与实验数据比较4.2 大容器沸腾传热计算 2. 大容器饱和沸腾临界热流密
7、度（CHF）朱伯（N. Zuber）半经验公式 说 明： 对于一般液体，k可取0.16； 物性参数按饱和温度确定； 加热面的特征尺寸远大于汽泡平均直径； qmax主要受压力影响。 k=0.100.194.2 大容器沸腾传热计算 3. 大容器膜态沸腾水平圆柱膜态沸腾 蒸汽物性按(tw+ts)/2 确定，其他按ts确定有效汽化潜热 考虑辐射传热 或我国学者清华大学彭晓峰教授做过非常出色的工作 辐射传热使汽膜变厚，h小于hc和hr的简单叠加 4.2 大容器沸腾传热计算 4. 沸腾传热的影响因素及其强化 （1）影响沸腾传热的因素 研究最不彻底 实验结果与关联式之间偏差很大 仍为研究热点 不凝结性气体
8、不凝结性气体汽泡的胚芽强化了传热易于核化4.2 大容器沸腾传热计算 液位高度 常压下的水，其临界液位为5mm； 液位足够高，液位高度无影响； 液位降低，换热能力增强。 加热面的状况包括：壁面材料种类，壁面热物理性质，表面粗糙度， 壁面氧化、老化和污垢沉积状况。 难以定量描述 过冷度 核态沸腾起始段，过冷度会使该区域的换热有所增强 4.2 大容器沸腾传热计算 （2）沸腾换热的强化 沸腾传热强化基本原则 增加加热面上的汽化核心 延长液膜蒸发时间 扩展液膜蒸发面积 整体肋 GEWA-T管 内扩槽结构管 4.2 大容器沸腾传热计算 W-TX管(1) W-TX管(2) 多孔管 弯肋 日立E管 Tu-B管
9、4.2 大容器沸腾传热计算 1. 管内受迫对流沸腾（两相流）特征 流型演化泡状流：汽泡小而分散，并逐渐增多块状流（栓塞流、弹状流）：小汽泡合形成大 汽泡环状流：大汽泡进一步合并，在管中形成汽芯，把液体排挤到壁面上。热量主要以对流方式 通过液膜，汽化过程主要发生在液汽界面上单相流： 液层全部蒸发，蒸汽单相流 传热机理4.3 管内流动沸腾传热分析 流动沸腾的流型4.3 管内流动沸腾传热分析 2. 水平管内的沸腾 当流速较高时，与竖直管基本类似 当流速较低时，由于重力的影响，在管内上部出现蒸汽的聚集管内受迫对流沸腾传热影响因素多：管的放置方式、管长、管径、壁面状况、汽液比例、液体初参数、流量等。4.
10、3 管内流动沸腾传热分析 4.4 凝 结 传 热 1. 凝结方式凝结传热：饱和蒸汽与较低温度的表面接触时，蒸汽在表面上凝结成液体并向表面释放出凝结潜热的现象。 特点：凝结液能很好地润湿 固体表面，液体在表面形成 一层连续的液膜覆盖住表面 （1）膜状凝结 条 件：接触角q小于90o 传热过程：汽液界面凝结液膜导热 壁面 q接触角特点：凝结液不能润湿表面，液体在表面形成大大小小的液珠散布在表面上（2）珠状凝结 条 件：接触角q大于90o 4.4 凝 结 传 热 传热过程 ： 通过液珠的导热 裸露表面蒸汽与壁面间的直接接触传热 传热特点 ： 传热系数高 难于长久稳定维持u 液珠的表面积比其所占壁面面
11、积大很多 u 裸露壁面上无液膜热阻 仅讨论蒸汽的膜状凝结 4.4 凝 结 传 热 2. 膜状凝结传热计算 （1）液膜流动状态及其对传热的影响层流 紊流 紊流核心层层流底层 影响表面传热系数的主要因素液膜流态判定准则数：Re数 临界雷诺数Rec 1600(1800) 若竖壁液膜已转变为紊流，则4.4 凝 结 传 热 Re数的计算 凝液质量流量kg/s 任意位置x=l处 热流密度W/m24.4 凝 结 传 热 （2）层流膜状凝结传热分析计算W. Nusselt (18821957)W. Nusselt 根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液膜运动微分方程和能量微分方程式，得到了层流膜状凝结传热的
12、理论解，并与实验结果基本上吻合。 结果于1915年正式发表（The Fundamental Laws of Heat Transfer）被公认为是运用理论分析求解相变传热问题的一个典范4.4 凝 结 传 热 Nusselt膜状凝结理论控制方程连续性方程动量方程能量方程边界条件 4.4 凝 结 传 热 基本假设p 纯蒸汽，常物性p 蒸汽静止，液膜表面无粘性力p 液膜流速缓慢，忽略惯性力p 汽液界面上无温差p 液膜内部的热量传递只靠导热p 忽略液膜的过冷度p 液膜表面无波动pv25时，h与n值无关，稳定为一恒定 值，故n25时，一律取n=25 竖排管束4.4 凝 结 传 热 3. 膜状凝结传热的影
13、响因素 （1）不凝结气体 水蒸汽凝结时的温度分布和热阻 水蒸汽中1%的不凝气体，使表面传热系数下降(6070)% 增加了蒸汽在不凝结气体中的扩散阻力 蒸汽分压力下降，相 应的饱和温度ts下降， 降低了凝结驱动力Dt 4.4 凝 结 传 热 （2）蒸汽速度 p 蒸汽向下流动，加速液膜运动，液膜变薄，传热增强p 蒸汽向上流动，抑制液膜下落，液膜变厚，传热减弱 utut（3）蒸汽过热度 将潜热改为过热蒸汽和饱和液的焓差计算 （4）液膜过冷度及温度分布的非线性 用 代替计算公式中的r 4.4 凝 结 传 热 （5）管内凝结 两相流流型凝结传热性能主要取决于流型 4.4 凝 结 传 热 两相流流型调控目
14、的“蒸汽靠管壁，液体在中心”流型入口处调控后调控前4.4 凝 结 传 热 凝结传热的强化 强化传热机理：(1) 增加排液速度；(2) 减薄液膜厚度。 l 改变表面几何特征 低肋管 4.4 凝 结 传 热 锯齿管示意图 l 加速凝结液的排除 4.4 凝 结 传 热 泄液盘例题1 纯蒸汽竖管外凝结过程，ts=55，d=25.4mm，Dt=10， L=1.5m，N=50，试计算管束总热负荷。如改为水平放置，每排 10根，分5排顺排布置，则凝汽器换热量又为多少？ 解： 按层流计算。ts=55，r=2370.6kJ/kg；tm=(ts+tw)/2=50 l=988.1kg/m3；l=549.410-6kg/(ms)；l=0.6480W/(mK)管子竖直放置时又层流4.4 凝 结 传 热 冷凝器的热负荷 冷凝管水平布置 采用水平布置热负荷可提高30%左右 冷凝器的热负荷 4.4 凝 结 传 热 习题：4-4, 4-8, 4-12, 4-13
