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1、第一节 凝结换热第二节 沸腾换热第三节 热管第七章第七章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热 膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结gg7-1 7-1 凝结换热凝结换热1 1凝结形式凝结形式（1 1）定义：蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固）定义：蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。 （2 2）视凝结液体依附壁面的不同可分为膜状凝结和珠状凝结两种）视凝结液体依附壁面的不同可分为膜状凝结和珠状凝结两种 。膜状凝结膜状凝结o（1 1）定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上
2、均匀铺展）定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。成膜的凝结形式，称膜状凝结。o（2 2）特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿）特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻. .o如果冷凝壁面是水平放置，那么随着凝结过程的进行液膜厚度会如果冷凝壁面是水平放置，那么随着凝结过程的进行液膜厚度会逐步增加，热阻也就越来越大；逐步增加，热阻也就越来越大；o如果冷凝壁面是竖直安放，那么液膜会在重力作用下向下流动，如果冷凝壁面是竖直安放，那
3、么液膜会在重力作用下向下流动，形成一个流动的液膜层，随着沿途蒸汽的不断凝结液膜也会逐步形成一个流动的液膜层，随着沿途蒸汽的不断凝结液膜也会逐步增厚，变成一个类似于流体边界层的流动换热的模式。显然，竖增厚，变成一个类似于流体边界层的流动换热的模式。显然，竖直壁面上部的换热性能要好于竖直壁面的下部。直壁面上部的换热性能要好于竖直壁面的下部。珠状凝结珠状凝结o（1 1）定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个）定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。小液珠的凝结形式，称珠状凝结。o（2 2）特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即
4、可传到冷却壁面上。）特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。o当凝结液不能润湿壁面时，凝结液在壁面许多点上以当凝结液不能润湿壁面时，凝结液在壁面许多点上以颗颗小液珠的形式依颗颗小液珠的形式依附于壁面，在重力的作用下，液珠滚下并与相通的液珠汇合成较大的液滴，附于壁面，在重力的作用下，液珠滚下并与相通的液珠汇合成较大的液滴，在向下滚动的同时扫清了沿途的液珠，让出无液珠的壁面供继续凝结凝在向下滚动的同时扫清了沿途的液珠，让出无液珠的壁面供继续凝结凝结过程主要是直接在冷壁面上进行的，没有凝结液膜引起的附加热阻，因此结过程主要是直接在冷壁面上进行的，没有凝结液膜引起的附加热阻，因此有较
5、高的换热强度。实验表明珠状凝结的换热系数比膜状凝结要高有较高的换热强度。实验表明珠状凝结的换热系数比膜状凝结要高510510倍倍以上。以上。o虽然如此，但到目前为止在工业冷凝器中还没能创造出持久地保持珠状凝虽然如此，但到目前为止在工业冷凝器中还没能创造出持久地保持珠状凝结的工作条件。珠状凝结的机理及保证产生珠状凝结的条件正在广泛地研究结的工作条件。珠状凝结的机理及保证产生珠状凝结的条件正在广泛地研究中。中。o如果冷凝壁面水平放置，壁面迟早会被冷凝液覆盖；如果冷凝壁面是竖直安如果冷凝壁面水平放置，壁面迟早会被冷凝液覆盖；如果冷凝壁面是竖直安放，液珠会逐步变大而沿着壁面向下滚动，使得冷凝壁面始终能
6、与蒸汽直接放，液珠会逐步变大而沿着壁面向下滚动，使得冷凝壁面始终能与蒸汽直接接触，保持良好的热交换性能。接触，保持良好的热交换性能。o在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。2 2 膜状液膜的流态膜状液膜的流态无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍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是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。如图，如图，由热平衡，由热平衡，所以所以根据膜层雷诺数的大小，其流动状态分：根据膜层雷诺数的大小，其流动状态分
7、： 层流层流 Re 1800 Re 1800 湍流湍流 Re 1800 Re 1800 蒸汽凝结量对流换热量3 3 层流膜状凝结的分析求解层流膜状凝结的分析求解在下面假设的基础上，1916年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。假定：1）纯蒸汽、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，即液膜温度等于液膜温度等于饱和温度饱和温度；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gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary
8、 layers微元控制体边界层微分方程组：边界层微分方程组：下脚标 l 表示液相x1）液膜的惯性力忽略液膜的惯性力忽略 3）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热膜内温度线性分布，即热量转移只有导热 2）忽略蒸忽略蒸 汽密度汽密度只有u 和 t 两个未知量，于是，上面方程组化简为：根据假设条件根据假设条件边界条件： 为液膜在x方向的压力梯度，可按y=处液膜表面蒸汽压力梯度计算。 求解上面方程可得：(1) 液膜厚度定性温度：(2) 局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数注意：注意：r 按按 ts 确定确定(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，实验值比上述理论值高2
9、0左右修正后：4 4 紊流膜状凝结换热紊流膜状凝结换热对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强对对竖壁的紊流凝结换热竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的，其沿整个壁面的平均表面传热系数平均表面传热系数计算式为：计算式为：式中：式中：hl 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数；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为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度竖壁紊流膜段的平均
10、表面传热系数竖壁紊流膜段的平均表面传热系数5 5 水平圆管外壁的凝结换热水平圆管外壁的凝结换热 ( (ReRec c=3600)=3600)努塞尔的理论分析可推广到水平圆管外壁的层流层流膜状凝结式中：下标“ H ”表示水平管。定性温度与前面的公式相同定性温度与前面的公式相同定性尺寸定性尺寸:单管为管外径单管为管外径d 水平管束为水平管束为nd利用上面思想，整理的整个表面的平均努塞尔数：利用上面思想，整理的整个表面的平均努塞尔数：6 6 水平管内凝结换热水平管内凝结换热6 6 影响膜状凝结的因素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. 1. 蒸汽流速蒸
11、汽流速2. 2. 不凝气体不凝气体3.3.表面粗糙度表面粗糙度4.4.蒸汽含油蒸汽含油5. 5. 过热蒸气过热蒸气 7 7 增强凝结换热的措施增强凝结换热的措施1.1.该表表面几何形状该表表面几何形状2.2.有效排除不凝气体有效排除不凝气体3.3.加速凝液的排除加速凝液的排除4.4.易于珠状凝结形成的措施易于珠状凝结形成的措施1 1 1 1 、定义：、定义：、定义：、定义：沸腾和沸腾换热沸腾和沸腾换热3 3 3 3 、分类：、分类：、分类：、分类： 大容器沸腾和有限空间沸腾大容器沸腾和有限空间沸腾 过冷沸腾和饱和沸腾本书主要介绍了常见的大容器沸腾(池内沸腾) 。加热表面7-2 7-2 沸腾换热
12、沸腾换热沸腾：工质在饱和温度下由液态转变为气态的过程称为沸腾。沸腾：工质在饱和温度下由液态转变为气态的过程称为沸腾。 2 2 、沸腾的特点、沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。 4 4 汽泡动力学简介汽泡动力学简介 (1) (1) 汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾开始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。(2) (2) 汽泡的
13、存在条件汽泡的存在条件 汽泡半径R必须满足下列条件才能存活式中： 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，成为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强克拉贝隆方程5 5 大容器饱和沸腾曲线：大容器饱和沸腾曲线：qmaxqmin6 6 沸腾换热计算式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却有许多不同的计算公式为此，书中分别推荐了两个计算式（1 1）米海耶夫公式）米海耶夫公式水水 对于水的大容器饱和核态沸腾
14、，教材推荐使用，压力范围：1054106 Pa按按 （2 2）罗森瑙公式）罗森瑙公式多种液体多种液体7.3 7.3 热管热管 热管技术是热管技术是19631963年美国年美国LosAlamosLosAlamos国家实验室的国家实验室的G.M.GroverG.M.Grover发明的一种称为发明的一种称为“热管热管”的传热元件，它充分的传热元件，它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇
15、任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。辟了散热行业新天地。 1.1.
16、结构：管壳、管芯、工作液结构：管壳、管芯、工作液2.2.工作原理：沸腾与凝结两种相变工作原理：沸腾与凝结两种相变过程的巧妙结合。过程的巧妙结合。加热蒸发段时，管内工质蒸发，蒸汽从管中心通道流向凝加热蒸发段时，管内工质蒸发，蒸汽从管中心通道流向凝结段散热区，放出其潜热，凝集后借助管芯的毛细力结段散热区，放出其潜热，凝集后借助管芯的毛细力的作用，液体重新返回蒸发段再蒸发。的作用，液体重新返回蒸发段再蒸发。 3.3.特点特点（1）很高的导热性。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。 （2）优良的等温性。热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。（3）采用不同的工作液，热管适用-200到2200温度范围内的工作。（4）热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。（5）结构简单，无运动部件，工作可靠，形状多变。作业：作业：7 77, 77, 78 8，7 72020
