相变对流换热.ppt

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 水冷壁等 第六章我们分析了无相变的对流换热 包括强制对流换热和自然对流换热 下面我们即将遇到的是有相变的对流换热 也称之为相变换热 目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种 相变换热的特点 由于有潜热释放和相变过程的复杂性 比单相对流换热更复杂 因此 目前 工程上也只能借助于经验公式和实验关联式 7 1 1珠状凝结与膜状凝结 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 有两种凝结形式 凝结换热的分类 根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种 7 1凝结传热的模式 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 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 凝结传热 蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时 将汽化潜热释放给壁面的过程 珠状凝结 珠状凝结的表面换热系数 膜状凝结 但是一般无法长久保持 2 55 1055000 25000 7 1 2凝结液 主要热阻 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 珠状凝结特点 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 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 7 1 3膜状凝结是工程设计依据 实验证明 几乎所有的常用蒸汽 包括水蒸汽在内 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 工业时间应用上都只能实现膜状凝结 所以从设计的观点出发 为保证凝结效果 只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据 强化膜状凝结的途径 减薄液膜的厚度 1916年 Nusselt提出的简单层流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 自1916年以来 各种修正或发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了 并形成了各种实用的计算方法 所以 我们首先得了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析 7 2膜状凝结分析解及关联式 7 2 1纯净蒸汽层流膜状凝结分析解 假设 1 常物性 2 蒸气静止 气液界面上无对液膜的粘滞应力 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 1 对实际问题的简化 图7 4努赛尔理论分析的坐标系与边界条件 下脚标l表示液相 在稳态情况下 凝结液膜流动的微分方程组为 以竖壁的膜状凝结为例 x坐标为重力方向 如图所示 2 边界层方程组的简化 考虑假设 3 液膜的惯性力忽略 考虑假设 7 忽略蒸汽密度 dp dx为可按y 处液膜表面蒸汽压力梯度计算 将动量方程应用于蒸汽 由假设 2 蒸汽的静止的 若以 V表示蒸汽密度 只有u和t两个未知量 不需补充其他方程 考虑假设 5 膜内温度线性分布 即热量转移只有导热 方程组化简为 边界条件 求解的基本思路 1 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u及温度t分布的表达式 2 再利用dx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 3 最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律求出表面传热系数的表达式 3 主要求解过程与结果 1 液膜厚度 2 局部表面传热系数 整个竖壁的平均表面传热系数 若与水平轴有夹角 0 的倾斜壁 式中g改为gsin 1 水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传热系数 水平管 球 7 2 2竖直管与水平管的比较及实验验证 2 水平管外凝结与竖直管外凝结的比较 在其他条件相同时 直径为d和高为l的圆管 横管与竖管的对流换热系数之比 不同 特征长度不同 系数不同 当l d 50时 横管的平均表面传热系数是竖管的的2倍 3 分析解的实验验证和假设条件 竖壁当Re20时 实验数据越来越高于理论解 最高大于20 图7 7竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果比较 对竖壁的修正 实验表明 由于液膜表面波动 凝结换热得到强化 因此 实验值比上述得理论值高20 左右 修正后 水平圆管 横管 实验数据与理论解相符 Pr数接近1或大于1的流体 只要无量纲量时 微分方程中的惯性力项 液膜过冷度的影响均可忽略 其他假设修正 膜层中凝结液的流动状态 凝结液体流动也分层流和湍流 并且其判断依据为膜层Re 7 2 3湍流膜状凝结换热 膜层雷诺数 根据液膜的特点取当量直径为特征长度的雷诺数 以竖壁为例 ul为处液膜层的平均流速 de为该截面处液膜层的当量直径 对水平管 用代替上式中的 并且横管一般都处于层流状态 如图 由热平衡 所以 竖壁上层流液膜的质量流量 x l处宽为1m的截面上的凝结液的质量流量 实验证明 1 膜层雷诺数Re 1600时 液膜由层流转变为湍流 2 横管均在层流范围内 因为管径较小 湍流特征 对于湍流液膜 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 层流底层以外的湍流层以湍流传递的热量为主 因此 湍流液膜换热远大于层流液膜换热 式中 hl为层流段的传热系数 ht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l为竖壁的总高度 计算方法 对于竖壁湍流膜状换热 沿整个壁面上的平均表面传热系数 可供计算整个壁面的平均表面传热系数的实验关联式 式中 除用壁温计算外 其余物理量的定性温度均为 6 3膜状凝结的影响因素及其传热强化 2 管子排数前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管 横管管束凝结换热情况比较复杂 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 不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力 同时使饱和温度下降 减小了凝结的驱动力 例 水蒸汽中质量含量占1 的空气能使表面传热系数降低60 后果是很严重的 3 管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大 蒸气流速低时 凝结液主要在管子底部 蒸气则位于管子上半部 流速较高时 形成环状流动 凝结液均匀分布在管子四周 中心为蒸气核 6 液膜过冷度及温度分布的非线性如果考虑过冷度及温度分布的实际情况 要用下式代替计算公式中的r 4 蒸气流速流速较高时 对于水蒸汽流速大于10m s 蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时 使液膜拉薄 h增大 反之使h减小 5 过热蒸气把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差 强化凝结换热的原则 用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉 7 3 2膜状凝结的强化原则和技术 尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度 7 4沸腾换热现象 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 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 沸腾换热分类 1 大容器沸腾 池内沸腾 2 管内沸腾 强制对流沸腾 上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾 1 大容器沸腾 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 特点 气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间 3 饱和沸腾定义 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 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 4 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 2 管内沸腾流体的运动需加外加的压差才能维持 在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管 通电加热以使其表面产生汽泡 烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度 这样在不锈钢表面上进行的沸腾为饱和沸腾 随着电流密度的增大 烧杯中的水与不锈钢管表面间的热交换依次会出现以下4个换热规律不同的阶段 自然对流 核态沸腾 过渡沸腾和稳定膜态沸腾 7 4 1大容器饱和沸腾四个区域 传热学HeatTransfer 7 4沸腾传热的模式大容器饱和沸腾曲线 0 t 4 单相自然对流区 无汽泡 4 t 25 核态沸腾区 产生汽泡 汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加 强化换热 25 t 200 过渡沸腾区 汽泡的产生速度大于脱离速度 汽泡附着形成汽膜 汽膜的热阻减弱换热效果 200 t 稳定模态沸腾区 形成稳定汽膜 虽然汽膜的热阻减弱了换热效果 但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果 大容器饱和沸腾的四个区域 莱登佛罗斯特点 CHF 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 1 单相自然对流段 液面汽化段 壁面过热度小 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 该特定点称为起始沸点 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 随着的增大 q增大 当增大到一定值时 q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q达最大值 工业设计中应用该段 3 过渡沸腾 从峰值点进一步提高 热流密度q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 致使热流密度下降 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q上升 此阶段称为稳定膜态沸腾 其特点 a 汽膜中的热量传递不仅有导热 而且有对流 b 辐射热量随着 t的加大而剧增 使热流密度大大增加 c 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 上述热流密度的峰值qmax有重大意义 称为临界热流密度 亦称烧毁点 一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒 这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要 7 4 2临界热流密度及其工程意义 对稳定膜态沸腾 因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜 所以换热系数比凝结小得多 莱登佛罗斯特点 实践上 上述热流密度的峰值有重大意义 它被称为临界热流密度 对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备 如电加热器 对冷却水加热的核反应堆 一旦热流密度超过峰值 工况将沿虚线跳至稳定膜态沸腾线 将猛升至近1000 可能导致设备的烧毁 所以必须严格监视并控制热流密度 确保在安全工作范围之内 也由于超过它可能导致设备烧毁 所以亦称烧毁点 DNB DepartmentfromNucleateBoiling 核态沸腾转折点偏离核态沸腾规律的点 作为监视接近的警戒 很可靠 对于冷凝器等壁面可控的设备 这种监视也是重要的 因为一旦超过转折点之值 就可能导致膜态沸腾 使传热量减小 7 4 3气泡动力学简介 产生气泡的点被称为汽化核心 普遍认为壁面上的凹坑和细缝裂穴易残留气体 是最好的汽化核心 1 为什么沸腾传热有那样高的传热强度 主要是由于气泡的形成 成长以及脱离加热壁面所引起的各种扰动所造成的 2 加热表面上什么地点最容易形成汽化核心 处于狭缝中的液体所受到的加热影响要多 狭缝中的气体易成为气泡核心 3 加热表面上要产生气泡液体必须过热 流体中形成的汽泡 必须与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 若忽略液柱静压力 pl则等于沸腾系统的环境压力 即近似于 饱和温度下的液体压力 N 汽泡外的液体是过热的 其过热度为 贴壁处液体具有最大过热度 则壁面凹处最先能满足汽泡生成的条件 产生半径为R的气泡所需过热度 克劳修斯 克拉贝龙方程 由热平衡可知 汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温度 界面内外温度相等 则 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 讨论 若汽泡半径内外压差 则汽泡内蒸汽凝结 汽泡不能形成 若汽泡半径 R时 界面上汽泡不断蒸发 汽泡才能成长 7 5大容器沸腾传热的实验关联式 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 对于沸腾换热的表面传热系数许多不同的计算公式 影响核态沸腾的主要因素主要是壁面过热度和汽化核心数 而汽化核心数受到壁面材料及其表面状况 压力 物性等的支配 由于因素比较复杂 文献中提出的沸腾传热的计算式分歧较大 目前存在两种计算是 1 针对一种液体的计算公式 2 广泛适用于各种液体的计算式 7 5 1大容器饱和核态沸腾的无量关联式纲 罗森诺认为 核态沸腾传热之所以强烈 主要是由于气泡的产生与脱离造成强烈的扰动之故 基于这样的思想 通过大量实验得出了如下实验关联式 系数Cwl的取值 是一个纯经验参数 取决于固体表面的性质以及沸腾液体的性质 由实验确定 显热 潜热 Re 可见 因此 尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达 100 但已知q计算 则可以将偏差缩小到 33 这一点在辐射换热更为明显 计算时必须谨慎处理热流密度 无量纲关联式Ja f Re Pr 对于制冷介质而言 以下的库珀 Cooper 公式目前得到广泛的应用 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 3 0 4 q为热流密度 7 5 2大容器沸腾的临界热流密度 对于大容器沸腾的临界热流密度的计算 推荐采用如下半经验公式 当压力离开临界压力较远时 上述右端最后一项取为1 同时将理论分析得出的系数0 131用实验值0 149代替 得到以下推荐公式 物性均按照饱和温度查取 无特征长度 当加热面的特征长度大于三倍气泡直径时 即可适用 7 5 3大容器饱和液体膜态沸腾的传热计算式 1 横管的膜态沸腾 式中 除了r和 l的值由饱和温度ts决定外 其余物性均以平均温度tm tw ts 2为定性温度 特征长度为管子外径d 如果加热表面为球面 则上式中的系数0 62改为0 67 勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算 其中 2 考虑热辐射作用 由于膜态换热时 壁面温度一般较高 因此 有必要考虑辐射换热的影响 它的影响有两部分 一是直接增加了换热量 另一个是增大了汽膜厚度 从而减少了换热量 因此 必须综合考虑热辐射效应 7 6影响沸腾换热的因素 沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的 影响因素也最多 由于我们只学习了大容器沸腾换热 因此 影响因素也只针对大容器沸腾换热 1不凝结气体对膜状凝结换热的影响与膜状凝结换热不同 液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化 2过冷度只影响过冷沸腾 不影响饱和沸腾 因自然对流换热时 因此 过冷会强化换热 3液位高度当传热表面上的液位足够高时 沸腾换热表面传热系数与液位高度无关 但当液位降低到一定值时 表面传热系数会明显地随液位的降低而升高 临界液位 图中介质为一个大气压下的水 4重力加速度随着航空航天技术的发展 超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展 但目前还远没到成熟的地步 就现有的成果表明 从0 1 100 9 8m s2的范围内 g对核态沸腾