傳熱學-第七章1

1、第七章,Boiling and Condensation,凝結與沸騰換熱,第五章我們分析了無相變的對流換熱，包括強制對流換熱和自然對流換熱,下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結換熱和沸騰換熱兩種。,相變換熱的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復雜性，比單相對流換熱更復雜，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實驗關聯(lián)式。,§6-1 凝結換熱,凝結換熱實例 鍋爐中的水冷壁 寒冷冬天窗

2、戶上的冰花 許多其他的工業(yè)應用過程,凝結換熱的關鍵點凝結可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結和珠狀凝結冷凝物相當于增加了熱量進一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結換熱的實驗關聯(lián)式,凝結換熱中的重要參數(shù) 蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差（ts - tw） 汽化潛熱 r 特征尺度 其他標準的熱物理性質，如動力粘度、導熱系數(shù)、比熱容等,影響膜狀凝結換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結理論,一、

3、概述：,膜狀凝結沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動。這層液膜把蒸汽與壁面分開，因此，蒸汽的凝結只能在液膜表面發(fā)生，凝結放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞，即熱阻增加。,1、冷凝條件：壁面溫度低于相應壓力下的飽和溫度,當蒸汽在與低于相應壓力下飽和溫度的冷壁面接觸時，在冷壁面上就會發(fā)生凝結現(xiàn)象。,2、分類：,膜層,,當凝結液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直接

4、接觸，因此，換熱速率遠大于膜狀凝結（可能大幾倍，甚至一個數(shù)量級）,珠狀凝結,產生兩種不同形式的凝結原因在于凝結液體與壁面潤滑情況不同。在干凈末被污染的表面通常是膜狀凝結；當涂有潤滑油或高度磨光的壁面，往往產生珠狀凝結。,潤濕角θ：,膜狀凝結,珠狀凝結,水：,煤油：,水銀：,雖然珠狀凝結換熱遠大于膜狀凝結，但可惜的是，珠狀凝結很難保持，因此，大多數(shù)工程中遇到的凝結換熱大多屬于膜狀凝結，因此，教材中只簡單介紹了珠狀凝結。,1916年，Nus

5、selt提出的簡單膜狀凝結換熱分析是近代膜狀凝結理論和傳熱分析的基礎。自1916年以來，各種修正或發(fā)展都是針對Nusselt分析的限制性假設而進行了，并形成了各種實用的計算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對純凈飽和蒸汽膜狀凝結換熱的分析。,§6-2 膜狀凝結分析解及實驗關聯(lián)式,豎直冷壁面遇到高溫蒸汽就會形成液膜，液膜受重力作用向下流動，這種流動也有層流和紊流之分。當液膜形成時，厚度較小，隨流動方向厚度增大；流速也由小增

6、大，流動由層流變?yōu)槲闪鳌?一、層流,假定：1）常物性的純蒸氣且靜止；2）液膜的慣性力忽略；3）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；4）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱；5）忽略蒸汽密度；6）液膜表面平整無波動,Nusselt 在以上假定條件下，運用邊界層微分方程組，導出了液膜層流動的微分方程組：方法：在液膜層內取一微元體，寫出連續(xù)性方程、動量方程、能量方程,1、層流換熱系數(shù)表達式,邊界層微分方程組：,,x,下腳標 表示液

7、相,將以上假設代入，邊界層微分方程可簡化為：,2,,,邊界條件：,求解步驟：求出δ內的速度及溫度分布，利用質量守恒方程求出液膜厚度，再利用導熱公式和牛頓冷卻公式求出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的表達式。,,求解上面方程可得速度、溫度分布，利用質量守恒求,(1) 液膜厚度,定性溫度：,注意：汽化潛熱 r 按 ts 確定,液膜厚度沿流動方向增加。,(2) 由換熱量＝導熱量求局部對流換熱系數(shù),整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),(3) 修正：實驗表明，由于液膜表面

8、波動，凝結換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高20％左右,修正后：,定性溫度：,注意：汽化潛熱 r 按 ts 確定,時，慣性力項和液膜過冷度的影響均可忽略。,對于傾斜壁，則用 gsin? 代替以上各式中的 g 即可另外，除了對波動的修正外，其他假設也有人做了相關的研究，如當 并且，,(4) 水平圓管,努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結,式中：下標“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 為

9、水平管或球的直徑。定性溫度與前面的公式相同,橫管與豎管的對流換熱系數(shù)的比較：,1）橫管的特征尺寸用d，而豎管特征尺寸用L；2）系數(shù)不同。在相同條件下，兩者的對流換熱系數(shù)之比,當,只要 橫管的 hH 大于豎管的 hV 。故工程上的冷凝器多采用橫管布置。,2、 用無量綱數(shù)表示 hV,由,有,式中,伽利略準則,雅各布準則,普朗特準則,3、 邊界層內的流態(tài),凝結液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然是Re，,式

10、中： uL 為 x = L 處液膜層的平均流速；de 為該截面處液膜層的當量直徑。,當量直徑定義：,故雷諾數(shù)為：,qmL為 x=L 處、寬為1m 的截面上凝結液的質量流量，由熱平衡,r qmL 為高 L 、寬 1m 豎壁的換熱量,故雷諾數(shù)為：,對水平管，用 代替上式中的 即可。,對于橫管一般都處于層流狀態(tài)。,實踐表明，判別層流變?yōu)槲闪鞯呐R界雷諾數(shù)為,豎壁（板）,二、湍流膜狀凝結換熱,當豎壁足夠高或凝結液足夠多時，液膜的

11、流動由層流轉變?yōu)槲闪?，仍用雷諾數(shù)來判別流態(tài)。對湍流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導熱來傳遞熱量外，層流底層之外以湍流傳遞為主，而且波動現(xiàn)象隨 Re的增大而加強，故h增大，換熱大為增強。所以提高膜狀凝結換熱的關鍵在于減小液膜厚度和增強液膜波動。通常采用粗糙壁面或用肋管來代替光管，還可增大冷凝量qm，以達到增大 h 的目的。,對豎壁的湍流凝結換熱，其沿整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式為：,式中：hL 為層流段的傳熱系數(shù)； ht 為湍流

12、段的傳熱系數(shù), xc 為層流轉變?yōu)橥牧鲿r轉折點的高度L 為豎壁的總高度,§6-3 影響膜狀凝結的因素,工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結過程往往比較復雜，受各種因素的影響。1. 不凝結氣體 不凝結氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結的驅動力,,,,,,不凝結氣體,液膜,ts,tw,實踐表明，1%的不凝結氣體可使 h 下降60%,2. 蒸氣流速 當蒸汽具有一定的流速時，蒸汽與液膜之間會產生力的作用。

13、 如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，力的作用使液膜拉薄， 增大；反之使 減小。,3. 過熱蒸氣 要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。,4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的 ，,6. 管內冷凝此時換熱與蒸氣的流速關系很大。蒸氣流速低時，凝結液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。,5. 管

14、子排數(shù)管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結換熱。前面推導的橫管凝結換熱的公式只適用于單根橫管。,強化換熱的措施： 強化凝結換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度。 可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結的液體盡快從換熱表面上 排泄掉。,§6-4 沸騰換熱現(xiàn)象,蒸汽鍋爐、做飯、許多其它的工業(yè)過程,1 生活中的例子,2 定義： a 沸騰：工質內部形成大量氣泡并由液態(tài)轉換到氣態(tài)

15、的一種劇烈的汽化過程 b 沸騰換熱：指工質通過氣泡運動帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式,3 分類：沸騰的分類很多，書中僅介紹了常見的大,容器沸騰(池內沸騰)和強制對流沸騰，每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。,沸騰,大容器沸騰,強制對流沸騰,飽和沸騰,過冷沸騰,豎管,水平管強制,自然循環(huán),強制循環(huán),飽和沸騰,過冷沸騰,飽和沸騰,過冷沸騰,飽和沸騰,過冷沸騰,,,,,,,,沸騰分類：,a 大容器沸騰(池內沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自由,加

16、熱表面,b 強制對流沸騰：強制對流＋沸騰,表面的液體中所發(fā)生的沸騰；是由于液體與加熱面上的溫差以及氣泡干擾引起的沸騰。如燒開水。,液體受迫流過加熱面而產生沸騰，此式既有液體受迫流動，也有液體在高溫壁面上所產生的氣泡流動，屬于兩相流動。液體沿途吸熱，使流速和含氣量不斷增加。,d 過冷沸騰：指液體主流尚未達到飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產生氣泡， tL ts稱之為過冷沸騰。汽泡只在加熱面附近形成，故稱為局部沸騰。,c 飽和

17、沸騰：液體主體溫度 tL=ts 達到飽和溫度，而壁面溫度 tw 高于飽和溫度 ts 所發(fā)生的沸騰，即 tL=ts tw > ts 稱之為飽和沸騰，此時，汽泡增大，上升至液面。,4 大容器飽和沸騰曲線：,仔細觀察燒開水的過程：水加熱到一定時間后，加熱面上會不斷的產生一些小汽泡，隨后汽泡越來越大越來越多，到100℃時，容器中的液體全部沸騰，此后液體溫度保持100℃不變，液體不斷地吸收汽化潛熱發(fā)生相變。稱此不變溫度為飽和溫度ts

18、。然而，實際沸騰時液體的主體溫度略大于飽和溫度，即液體略有過熱，容器中的過熱溫度如圖：,加熱面上過熱度很大Δt=tw-ts，加熱面只有在過熱條件下才會產生汽泡，故壁面過熱度是壁面產生沸騰換熱的推動力。,在飽和沸騰時隨著壁面過熱度的增大，有四個不同的區(qū)域：,自然對流核態(tài)沸騰,過渡沸騰,穩(wěn)定膜態(tài)沸騰,,,1、單相自然對流區(qū)域：Δt < 4℃ 在加熱表面上沒有汽泡產生，換熱服從單相自然對流規(guī)律。,2、核態(tài)沸騰區(qū)域：4 ℃ <

19、;Δt < 25℃ 在加熱表面上某些特定點上產生汽泡，產生汽泡的速度小于汽泡脫離加熱,面的速度。開始這些汽泡互不干擾，稱孤立汽泡區(qū)；隨著Δt的增加，汽泡核心增加，汽泡合并成汽塊或汽柱。汽泡的劇烈擾動使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h 和熱流密度 q 急劇增加。汽化核心對換熱起決定性的作用，一般工程應用都設計在此區(qū)域。,3、過渡沸騰區(qū)域：25℃ <Δt < 200℃ 隨著過熱度的增加，熱流密度不升反降，這是由于加熱面上產生汽

20、泡的速度大于汽泡脫離的速度，在加熱面上形成不穩(wěn)定汽膜汽膜使換熱熱阻增加，故換熱量減小。,,4、穩(wěn)態(tài)膜態(tài)沸騰區(qū)域：Δt > 200℃ 在加熱面上形成穩(wěn)定的汽膜，相變過程不是發(fā)生在壁面上而是發(fā)生在汽液交界面上。由于蒸汽的導熱系數(shù)遠小于液體的導熱系數(shù),因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h 大大降低，而此時壁溫 tw 遠高于液體的飽和溫度 ts ，需考慮汽膜內的輻射換熱，故換熱強度 q 又隨 Δt 的增大而增大。對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的

21、是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結小得多。,確定臨界點qmax的意義：,由于核態(tài)沸騰具有溫差小，換熱強的特點，因此臨界熱流qmax具有十分重要的意義：,1）對熱流可控的加熱方式：當熱流達到或超過qmax時工況將沿 qmax 跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)， Δt 將猛增至1000℃，可能導致設備燒毀。,,2）對壁溫可控的加熱方式：超過qmax點意味著 盡管 Δt 增加，但由于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h 的減小，因而使熱流密度 q 反而下降。因此，工業(yè)應

22、用中一般盡量,控制加熱的熱流密度或壁溫，使設備不至于燒毀或換熱效率下降。將 qmax 稱為燒毀點，為了安全運行和提高熱效率，往往在 qmax 點之前設一個警戒點，圖中DNB點，用來提示將達到燒毀點qmax .,,,5 汽化核心分析：1）汽泡的成長過程 實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖

23、所示。,(2) 汽泡的存在條件,在沸騰液體中取一個半徑 R 的球形汽泡,若汽泡在液體中能平衡存在，則必須同時滿足力平衡和熱平衡,PL——液體壓力 Pv —蒸汽壓力,Ps——飽和壓力,r—單位長度的表面張力,由力平衡條件：壓力差＝表面張力,若不考慮液柱高度的影響，,故,由此可知,此式說明：由于表面張力的存在，汽泡內的壓力大于液體的壓力。（汽泡存在條件）,由熱平衡條件：界面內外溫度相等，有,若 tv > tL, 汽泡將向液體放

24、熱，汽泡直徑會縮小，若 tv < tL ,液體將向汽泡加熱，汽泡直徑會增大，故汽泡直徑即不增大也不縮小的條件是 tv = tL,由力平衡條件得到 tv > ts，由熱平衡得到 tv= tL，故有 tL > ts, 即沸騰液體是處于過熱狀態(tài)，在加熱面上過熱度最大。,汽化核心的條件：壁面要有一定的過熱度；汽泡直徑滿足 的那些點，才能成為汽化核心。,§6-5 沸騰換熱計算式,沸騰

25、換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即,但對于沸騰換熱的 h 卻有許多不同的計算公式,1 大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復雜，導致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算，一種是針對某一種液體，另一種是廣泛適用于各種液體的。,為此，書中分別推薦了兩個計算式（1）對于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，教材推薦適用米

26、海耶夫公式，壓力范圍：105－4?106 Pa,,按,（2）羅森諾公式——廣泛適用的強制對流換熱公式,既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st = f ( Re, Pr )也應該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關聯(lián)式：,式中，,r — 汽化潛熱； Cpl — 飽和液體的比定壓熱容g — 重力加速度 ?l —飽和液體的動力粘度Cwl — 取決于加熱表面－液體 組合情況的經(jīng)驗常數(shù)(表6)

27、 q — 沸騰傳熱的熱流密度s — 經(jīng)驗指數(shù)，水s = 1,否則，s=1.7,上式可以改寫為：,可見， ，因此，盡管有時上述計算公式得到的q與實驗值的偏差高達?100％，但已知q計算 時，則可以將偏差縮小到?33％。這一點在輻射換熱種更為明顯。計算時必須謹慎處理熱流密度。,2 大容器沸騰的臨界熱流密度,書中推薦適用如下經(jīng)驗公式：,3 大容器膜態(tài)沸騰的關聯(lián)式,（1）橫管的膜態(tài)沸騰,式中，除了r 和 ?l 的值由飽

28、和溫度 ts 決定外，其余物性均以平均溫度 tm ＝( tw＋ts ) / 2 為定性溫度，特征長度為管子外徑d, 如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.67,勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算：,,其中：,（2）考慮熱輻射作用,由于膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應。,§6-

29、6 影響沸騰換熱的因素,沸騰換熱是我們學過的換熱現(xiàn)象中最復雜的，影響因素也最多，由于我們只學習了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。,1 不凝結氣體對膜狀凝結換熱的影響,與膜狀凝結換熱不同，液體中的不凝結氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強化,2 過冷度 只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時， 因此，過冷會強化換熱。,3 液位高度 當傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠?/p>

30、系數(shù)與液位高度無關。但當液位降低到一定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液位的降低而升高(臨界液位)。,圖中介質為一個大氣壓下的水,4 重力加速度 隨著航空航天技術的發(fā)展， 超重力和微重力條件下的 傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)展， 但目前還遠沒到成熟的地 步，就現(xiàn)有的成果表明：,從0.1 － 100?9.8 m/s2 的范圍內，g對核態(tài)沸騰換熱規(guī)律沒有影響，但對自然對流換熱有影響，由于 因此，g ? ?

31、 Nu ? ? 換熱加強。,5 沸騰表面的結構 沸騰表面上的微笑凹坑最容易產生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，換熱就會得到強化。近幾十年來的強化沸騰換熱的研究主要是增加表面凹坑。目前有兩種常用的手段：(1) 用燒結、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學手段在換熱表面上形成多孔結構。(2) 機械加工方法。,思考題：1.膜狀凝結和珠狀凝結的概念.2.純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結換熱分析解的基本推導方法. 在這個推導

32、方法中 最基本的假設是什么? 4.對于單根管子, 有那些因素影響層流膜狀凝結換熱? 它們 起什么作用?5.對于實際凝結換熱器, 有那些方法可以提高膜狀凝結換熱 系數(shù)?6.池內飽和沸騰曲線可以分成幾個區(qū)域? 有那些特性點? 各 個區(qū)域在換熱原理上有何特點? 7.氣化核心的概念. 沸騰氣泡產生的物理條件.8.畫出水的池內飽和沸騰曲線. 掌握特性點的基本數(shù)值范圍.,9.什么是臨界熱流密度? 什么是燒毀點? 如果是定壁溫加