《传热学2Cha》PPT课件.ppt

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 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 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：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：,分类：,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：,自然对流区 核态沸腾区 孤立汽泡区 汽块区 过渡沸腾 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，0t4,（2）核态沸腾区（4t30 ）,孤立汽泡区：气泡独立地产生、长大、脱离，互不影响,4.1 沸 腾 传 热,汽块区：汽泡相互靠近融合，形成汽块或汽柱,在C点，汽泡融合非常剧烈，形成大的汽块附着于加热面而使传热性能下降，因此，CD曲线相对于BC来说较为平缓，核态沸腾传热规律发生变化。,4.1 沸 腾 传 热,（3）过渡沸腾区,30t120,壁面过热度增大,汽泡汇聚覆盖加热面增大,传热性能下降,4.1 沸 腾 传 热,（4）稳定膜态沸腾区（t120）,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：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/m,4.1 沸 腾 传 热,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,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,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,牛顿冷却公式仍然适用,影响因素多,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,物性参数按饱和温度确定,4.2 大容器沸腾传热计算,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=0.100.19,4.2 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,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,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,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,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。,4.3 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,液珠的表面积比其所占壁面面积大很多 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/m2,4.4 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 纯蒸汽，常物性 蒸汽静止，液膜表面无粘性力 液膜流速缓慢，忽略惯性力 汽液界面上无温差 液膜内部的热量传递只靠导热 忽略液膜的过冷度 液膜表面无波动 vl,4.4 凝 结 传 热,简化方程,任意x处凝液质量流量,能量平衡,4.4 凝 结 传 热,壁面平均表面传热系数,适用于竖圆管,水平管外,倾斜壁面,1.13,r按ts确定，其他物性按tm=(tw+ts)/2确定,4.4 凝 结 传 热,水平管和竖直管的比较,取d=0.02m，L=1m，则L/d=50，有,凝汽器都采用水平管布置方式,竖排管外膜状凝结,n25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,蒸汽向下流动，加速液膜运动，液膜变薄，传热增强 蒸汽向上流动，抑制液膜下落，液膜变厚，传热减弱,u,t,u,t,（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。,改变表面几何特征,低肋管,4.4 凝 结 传 热,锯齿管示意图,加速凝结液的排除,4.4 凝 结 传 热,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