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2013
传热学
教案
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2013传热学教案,2013,传热学,教案
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第六章 凝结与沸腾换热1 、重点内容： 凝结与沸腾换热机理及其特点； 膜状凝结换热分析解及实验关联式； 大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2 、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3 、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：伴随有相变的对流换热。工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。6-1 凝结换热现象一、基本概念1.凝结换热现象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。2.凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种：（1）膜状凝结：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。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。（2）珠状凝结定义：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。产生珠状凝结时，所形成的液珠不断发展长大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也扫治了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。图63是珠状凝结的照片，从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。小则液体湿润能力强，就会铺展开来。一般情况下，工业冷凝器，形成膜状凝结，但珠状凝结的形成比较困难且不持久。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。 所以，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。3.产生的条件：固体壁面温度必须低于蒸气的饱和温度，即。实验查明，几乎所有的常用蒸气，包括水蒸气在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。在大多数工业冷凝器中，例如动力与制冷装置的冷凝器上，实际上都得到膜状凝结。6-2 膜状凝结分析解及关联式一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解1.努塞尔微分方程组根据：液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻。1916年，努塞尔在理论分析中作了若干合理假设，从而揭示了有关物理参数对凝结换热的影响。2.假设条件：图6-4 努塞尔理论分析的坐标系与边界条件 除在标题中已明确的纯净饱和蒸气层流液膜的假定外，还有：（1）常物性；（2）蒸气静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力，即。（3）液膜的惯性力可以忽略；（4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，；（5）膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用；（6）液膜的过冷度可以忽略；（7），相对于可忽略不计；（8）液膜表面平整无波动。 根据以上9个假设从边界层微分方程组推出努塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。以竖壁的膜状凝结为例，坐标为重力方向，如图64所示。在稳态情况下，式（5-14）、（5-15）（加上体积力）以及（5-16）适用，则凝结液膜流动的微分方程组为： （5-14） （5-15a） （5-16）其中角码“”表示液相。应用简化假定（3），式（5-15a）左边可舍去。为液膜在方向的压力梯度，可按处液膜表面蒸汽的压力梯度计算。据假设（2），若以表示蒸汽密度，则有： 根据假设（7），相对于，可忽略。根据假设（5），式（5-16）左边舍去。由此可见，方程（5-15a）及（5-16）只有、两个未知量，不必补充其他方程即可进行求解。所以方程（5-14）可舍去。由此，微分方程组可简化为： （a） （b）其边界条件为：时： （c）时： ， （d）这一组简化了的方程组是努塞尔推导的出发点。2.努塞尔微分方程组理论解的求解方法 （1）求解的基本思路先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度在内的流速及温度分布的表达式；再利用一段距离上凝结液体的质量平衡关系取得液膜厚度的表达式；最后利用傅立叶定律与牛顿冷却公式的联系求出表面传热系数的表达式。 （2）求解过程详见附录4（3）求解结果：（液膜层流时竖壁膜状凝结换热）液膜厚度： （6-1）局部表面传热系数： （6-2）整个竖壁的平均传热系数： 注意到，在高为的整个竖壁上牛顿冷却公式中的温差为常数，因而整个竖壁的平均表面传热系数为： （6-3）式（6-3）就是液膜层流时竖壁膜状凝结努塞尔的理论解，其中的角码“”表示竖壁。（4）努塞尔的理论分析的推广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，平均表面传热系数为： （6-4） （6-5）其中： H、S、d分别表示水平圆管、球及直径； 除相变热按蒸汽饱和温度确定外，其他物性温度均取膜层平均温度为定性温度； 横管、竖壁的平均表面传热系数的不同点：特征长度和系数。特征长度横管用，而竖壁用；在其他条件相同时，横管平均表面传热系数与竖壁平均表面传热系数的比值为： （6-6）当时，横管的平均表面传热系数是竖管的2倍，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案。对于与水平轴的倾斜角为（）的倾斜壁，只需将式（6-3）中的改为就可应用。 3.膜层中凝结液的流动状态根据膜层雷诺数的大小，其流动状态分：层流： 湍流：（1）膜层雷诺数膜层雷诺数是根据膜层的特点取当量直径为特征长度的雷诺数。图6-5 竖壁上层流液膜的质量流量数学表达式：如图6-5所示，以竖壁为例，在离开液膜起始处为处的膜层雷诺数为： （6-7）其中：为处液膜层的平均流速；为该截面处液膜层的当量直径；参看图6-5，当液膜宽为时，润湿周边，截面积，于是，代入式（6-7）得： （6-8）式中：是处宽为1m的截面上凝结液的质量流量，kg/(m.s)。乘以汽化潜热就等于高、宽1m的整个竖壁的换热量，故有：将此关系式中的代入式（6-8）得： （6-9）值得指出，式（6-7）（6-9）中的物性参数都是指液膜的，为书写简单略去了角码。对于水平管，用代替上式中的，即为其膜层雷诺数。（2）理论解与实验结果的比较分析对于水平圆管、横管，实验数据与理论解相符。对于竖壁：当时，实验数据与理论解相符；当时，实验数据越来越高于理论解，最高大于20%（在层流向紊流转折点处，原因是膜层表面波动的结果），所以，应对理论解修正之，则 （610）对于数接近于1或大于1的流体，只要无量纲量（雅各布数）时，微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响才可忽略。二、紊流膜状凝结换热实验证明：（ 1 ）膜层雷诺数时，液膜由层流转变为紊流；（ 2 ）横管均在层流范围内，因为管径较小。1.特征对于紊流液膜，热量的传递：（1）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（2）层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。2.计算方法对于竖壁，紊流膜状换热，沿整个壁面上的平均表面传热系数可按下式求取： （611）其中：层流段的平均表面传热系数；紊流段的平均表面传热系数；层流转变为紊流时转折点的高度；竖壁面总高度。以下实验关联式，可供计算整个壁面的平均表面传热系数用： （612）其中：，称伽利略数。除用壁温计算外，其它物理量的定性温度为，且物性参数均是指凝结液。6-3 影响膜状凝结的因素上节讨论了理想条件下饱和蒸汽膜状凝结换热的计算，但在工程中不是如此理想的条件，它受很多复杂因素的影响，主要有以下几个方面：一、不凝结气体蒸汽中含有不凝结的气体，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分有害的影响。如：水蒸汽中质量含量占1%的空气能使表面传热系数下降60%。原因：（1）在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结，蒸汽分压力下降，而不凝结气体的分压力上升，液体在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过积聚在界面附近的不凝结气体层。因此，它的存在增加了传递过程（凝结）的阻力。（2）蒸汽分压力的下降，使相应的饱和温度下降，则减小了凝结的驱动力，也使凝结过程削弱。二、蒸汽流速努塞尔的理论分析忽略了流速的影响。因此，其结论只适于流速较低的场合。当蒸汽流速高时（对于水蒸汽，流速大于10m/s），蒸汽流对液膜表面会产生明显的粘滞应力。其影响程度与蒸汽流向与重力场方向及流速大小是否撕破液膜有关。若流动方向与液膜重力场一致，使液膜拉薄，增加；若流动方向与液膜重力场相反，则阻滞液膜流动，使其增厚，下降。三、过热蒸汽前述是针对饱和蒸汽的，对于过热蒸汽，应进行修正，只须用过热蒸汽与饱和液的焓差代替式中的潜热即可。四、液膜过冷度及温度分布的非线性努塞尔的理论分析忽略了液膜过冷度及温度分布的非线性影响，只须用代替（对汽化潜热应进行修正）即消除二者的影响。 （6-13）五、管子排数前述横管凝结换热公式只适于单根横管，对于沿流动方向有排管应予以修正： 理论上：用代替特征长度；实际上：计算结果应大于理论结果。原因：上排凝结液落在下排管子上时，要产生飞溅及对液膜的冲击扰动，其程度取决于管束的几何位置、流体物性等。 六、管内冷凝对于冷凝器（如冰箱中的制冷剂蒸汽冷凝器）蒸汽在压差作用下流经管子内部时，会产生凝结，此时的换热与蒸汽的流速有关。以水平管为例：（a）当蒸汽流速低时，凝结液主要积聚在管子下部，蒸汽位于上部，较大；（b）当流速增大时，凝结液则分布于管子周围，形成环状流动，而中心则为蒸汽核，随着流动的进行，液膜厚度不断增厚以致凝结完时占据整个截面，急剧下降。七、凝结表面的几何形状凝结换热表面的几何形状不同，其换热能力差别很大。如何提高凝结换热的效果。（1）强化膜状凝结换热的基本原则：尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜厚度。 （2）实现的方法：用各种带有尖锋的表面使凝结的液膜减薄； 使已凝结的液体尽快从表面上排泄掉。 （3）提高水平管对凝结换热的方法采用低肋或锯齿管这类高效冷凝表面；使液膜在下流过程中分段排泄或采用加速排泄法。6-4 沸腾换热现象一、沸腾换热的基本概念1.沸腾的定义沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。2.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。3.沸腾换热分类： （1）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称大容器沸腾。此时产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由表面进入容器空间。 （2）强制对流沸腾（管内沸腾）：流体在管道内流动过程中产生的沸腾。（3）过冷沸腾：液体主体温度未达到饱和温度，壁温高于饱和温度所发生的沸腾称为过冷沸腾。（4）饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，壁温高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。4.实现沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： （1) 液体必须过热；（2）要有汽化核心。二、大容器饱和沸腾曲线1.大容器沸腾（1）定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。（2）特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。2.饱和沸腾（1）定义：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。（2）特点: 随着壁面过热度的增高，出现4个换热规律全然不同的区域。3.过冷沸腾指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。4.饱和沸腾换热曲线如图6-11所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段、将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下：（1）单相自然对流段（液面汽化段）当较小时（）沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。（2）核态沸腾（饱和沸腾）随着的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起沸点。其特点是：开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区；随着的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为相互影响区。由此可见：在该区内，随着的增大，增大，当增大到一定值时，增加到最大值，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸腾）。其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密度达最大值。工业设计中应用该段。（3）过渡沸腾从最大负荷点（点），随着的上升（），热流密度减小；当增大到一定值时，热流密度减小到，这一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定过程。原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使下降。（4）稳定膜态沸腾从开始，随着的上升（），气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使上升时，热流密度上升，此阶段称为稳定膜态沸腾。其特点：（1）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；（2）辐射热量随着温度的加大而剧增，使热流密度大大增加；（3）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。说明：（热流密度峰值）临界热流密度的物理意义对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备。一旦，工况将沿虚线跳至阶段（稳定膜态沸腾），温差将猛增，可能导致设备烧毁，所以必须严格控制监视，确保在安全工作范围内。因此，也称为烧毁点。因此，在核态沸腾区引出转折点DNB，作为监视接近的警戒点。三、汽化核心分析 在核态沸腾区，汽泡的扰动对换热起支配作用，而汽泡一般产生在汽化核心处。所以分析汽化核心起作用的条件以及汽化核心的数目与壁面过热度的关系，有助于对核态沸腾现象及其换热规律的理解。1.汽化核心的形成目前普遍认为，壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心。这些凹穴中残留的气体（包括蒸气），由于液体表面张力的原因，很难彻底逐出，它们就成为孕育新生气泡的有利场所。下面分析汽化核心。假设在流体中存在一个球形气泡，如图6-13所示，流体中形成的汽泡，它必须与周围液体处于力平衡和热平衡。由于汽泡表面张力的作用，使其内压大于外压，根据力平衡条件，气泡内外压差应被作用于汽液界面上的表面张力所平衡，即：式中为汽液界面的表面张力。若忽略液柱静压的影响，则认为近似等于沸腾系统的环境压力，即（饱和温度下的液体压力）。而热平衡则要求气泡内蒸气的温度为压力下的饱和温度，界面内外温度相等，则。因此，汽泡外的液体是过热的，其过热度为：。而贴壁处液体具有最大过热度。加上凹穴处有残存气体，则壁面凹处最先能满足汽泡生成的条件： （614） 故气泡都在壁面上产生。 可以指出，平衡状态的汽泡是很不稳定的。汽泡半径稍微小于式(614)所示半径，表面张力大于压差，则汽泡内蒸气凝结，汽泡瓦解。只有半径大干式(614)所示半径时，界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。 综上所述可知，在定壁面过热度条件下，壁面上只有满足式(614)条件的那些地点，才能成为工作的汽化核心。 随着壁面过热度的提高，压差值越来越高。按式(614)，汽泡的平衡态半径将递减。因此，壁温提高时，壁面上越来越小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心，从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中的长大与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾换热的基本机理以及开发强化沸腾换热的表面都具有十分重要的意义。现有的预测沸腾换热的各种物理模型都是基于对成核理论及汽泡动力学的某种理解而建立起来的。正是20世纪50年代末关于汽化核心首先是在表面上的一些微小凹坑上形成的这一基本观点的确立，才导致了20世纪70年代关于沸腾换热强化表面开发工作的开展。6-5沸腾换热计算式一.大容器饱和核态沸腾前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状况、压力、物性的支配。由于因素比较复杂，如壁面的表面状况需视表面污染、氧化程度而有不同等情况，文献中提出的计算式分歧较大。在此仅介绍二种类型的计算式：一种类型是针对一种液体的；另一种类型是广泛适用于各种液体的。针对性强的计算式精确度往往较高。对于水，米海耶夫推荐的在Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为: (6-15)W/(m.N0.5.k)按的关系，上式亦可转换成： (6-16)W0.3/(m0.3.N0.15.k)以上两式中：沸腾换热表面传热系数，W/(m2.K)； 沸腾绝对压力，Pa； 壁面过热度，； 热流密度，W/m2。基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换热的设想，推荐以下适用性广的实验关联式： （6-17）式中：饱和液体的比定压热容，J/(kg.K)；取决于加热表面液体组合情况的经验常数； 汽化潜热，J/kg； 重力加速度，m/s2； 饱和液体的普朗特数，； 沸腾热流密度，W/m2；壁面过热度，； 饱和液体的动力粘度，kg/(m.s)；、相应于饱和液体和饱和蒸气的密度，kg/m3；液体蒸汽界面的表面张力，N/m；经验指数，对于水，对于其他液体。式（6-17）还可以改写成为以下便于计算的形式： （6-17）注意两点：（1）式（6-17）实际上也是形如或的准则式。其中：是以单位面积上的蒸气质量流速为特征速度的；为特征长度，它正比于汽泡脱离加热面时的直径。不难证明，则是数，其中数也以为特征长度。（2）由于沸腾换热的复杂性，目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热准则式与实验数据的偏差程度最大。以图6-15所示情形为例，当已知计算时，计算值与实验值的偏差可达；而由于，因而已知计算时，则偏差可缩小到左右。对于制冷介质而言，以下的库珀公式目前得到较广泛的应用： （6-19）W0.33/(m0.66. k)其中：为液体的相对分子质量；为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为0.30.4）；为热流密度，W/m2。二.大容器沸腾的临界热流密度 应用汽膜的不稳定性原理导得的大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式可推荐作计算用，该式为： （6-20）三.大容器膜态沸腾的关联式膜态沸腾中，汽膜的流动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和换热，适宜用简化的边界层作分析。对于横管的膜态沸腾，仅需将凝结式中的和改为蒸气的物性，用代替，并用实验系数0.62代替凝结式中的0.729，即 （6-21）此式除及的值由饱和温度决定外，其余物性均以平均温度为定性温度，特征长度为管外径(单位为m)。如果加热表面为球面，则式(621)中的系数为0.67，其余同上。 应该指出，由于汽膜热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，壁面的净换热量除了按沸腾计算的以外，还有辐射换热。辐射换热的作用会增加汽膜的厚度，因此不能认为此时的总换热量是按对流换热与辐射换热方式各自计算所得之值的简单叠加。勃洛姆来建议采用以下超越方程来计算考虑对流换热与辐射换热相互影响在内的复合换热的表面传热系数： (622)
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