《相变对流传热》PPT课件.ppt

第7章相变对流换热,PhaseTransformationConvectionHeatTransfer,相变换热：凝结换热和沸腾换热,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；目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。,7.1凝结换热7.1.1概述,定义蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面的过程。产生条件：壁面温度tw蒸汽的饱和温度ts分类(凝结液与壁面浸润情况)膜状凝结(filmwisecondensation):珠状凝结(dropwisecondensation)实例发电厂凝汽器、制冷装置中的冷凝器深秋玻璃上的水膜,凝结换热研究关键点,凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论,凝结换热中的重要参数,蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）汽化潜热r特征尺度其他热物理性质，如、cp等。,7.1.2凝结过程,膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结(hd=(510)hf),凝结形态的决定性因素,是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力；而润湿能力又取决于表面张力；表面张力小的润湿能力强。实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。,虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持，因此，工程实践应用中只能实现膜状凝结。为保证凝结效果，应以膜状凝结计算作为设计的依据。,7.2膜状凝结分析解及计算关联式7.2.1纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热（竖壁）的分析,简化假设常物性；蒸气静止，气液界面无对液膜的粘滞应力；液膜的惯性力忽略；气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；膜内温度线性分布，热量转移只有导热；液膜的过冷度、蒸汽的过热度忽略；忽略蒸汽密度（v1时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。,对于Re1600的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：,除Prw的定性温度用tw外，其余均用ts，物性均指凝结液的,7.2.4湍流膜状凝结换热,【例】压力为1.013105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,解：先假设液膜为层流。根据ts=100，查得r=2257kJ/kg；其他物性按液膜平均温度tm=(100+98)/2=99查取，得：=958.4kg/m3,=2.82510-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K),核算Re准则：,说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：,【例】压力为1.013103Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,凝结蒸汽量为：,【例】压力为1.013103Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,不凝结气体由于不凝结气体形成气膜，故：1)蒸气要扩散过气膜，形成阻力；2)气膜导致蒸气分压力降低，从而使ts降低：,7.3膜状凝结影响因素及其传热强化7.3.1膜状凝结影响因素,严重性：1%的不凝结气体能使h降低60%凝汽器工作中，排除不凝结气体是保证设计能力的关键,tsq,蒸气流速,前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。u向上液膜增厚h；u液膜破裂hu向下液膜减薄h；u液膜破裂h,蒸气过热度要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。实验证实，h-h代替r即可,用r代替计算公式中的r：,液膜过冷度及温度分布的非线性,管子排数n,理论上，n排管束换热只需将dnd，但由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使h增大；同一铅垂面内，随着液膜的积累，h减小。故前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。,此时换热与蒸气的流速关系很大。流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部（a）。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（b）。,管内冷凝,凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中，强化有更大现实意义。,凝结表面情况,7.3.1膜状凝结传热强化,主要热阻：取决于通过液膜层的导热强化原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。实现方法：尖锋的表面使凝结液尽快从换热表面上排泄掉如低肋管、纵向沟槽等表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结如表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入,7.4沸腾换热的模式,沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程许多学科中正反过程的（物理机制）公式是一样的传热有时不一样（管内强制对流）沸腾比凝结复杂得多,7.4.1沸腾换热的定义与分类,沸腾：当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式应用：电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；烧开水；冰箱中氟里昂的蒸发等。,定义,按流动动力分a).大容器(或池)沸腾(Poolboiling)：加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。b).强制对流沸腾(Forcedconvectionboiling)：液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。工业上的沸腾换热多属于此；例如：冰箱的蒸发器；自然循环锅炉蒸发受热面,分类,从主体温度分,a)过冷沸腾(Subcooledboiling)：液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。b).饱和沸腾(Saturatedorbulkboiling)：液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。例如烧开水,7.4.2大容器饱和沸腾曲线,表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括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,A自然对流区pureconvectiont4，过热液体对流到自由液面后蒸发B,C核态沸腾区NucleateboilingB孤立汽泡区individualbubbleregime汽泡彼此不干扰,对液体扰动大,换热强C汽块区continuouscolumnregime扰动更强q上升,核态沸腾具有温差小、传热强等特点，为一般工业应用设计范围区。,D过度沸腾Transitionboilingregime汽泡迅速形成，许多汽泡连成一片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜的导热系数低，q（不稳定过程）E、F稳定膜态沸腾Stablefilmboilingregime汽泡的产生和脱离速度几乎不变，在壁面上形成稳定的汽膜,和h几乎是常数;q=ht;tqE区，辐射比例小，F区辐射所占比例越来越大,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。,临界热流密度qmax(Criticalheatflux)：恒热流（加热）q=const.热流密度与换热条件无关一旦热流密度超过峰值，工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线，t将猛升至近1000C，可能导致设备的烧毁，qmax所以亦称烧毁点（Burnoutpoint）,7.4.3临界热流密度,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。电加热、反应堆恒热流、实用中设监测点。,(1)如何强化沸腾传热沸腾传热的高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扰动造成。故进一步强化沸腾传热的根本就是设法增加加热表面所能产生气泡的地点气泡核心。,7.4.4汽泡动力学简介,7.4.4汽泡动力学简介,(3)汽泡的存在条件汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程),式中：表面张力，N/m；r汽化潜热，J/kgv蒸汽密度，kg/m3；tw壁面温度，Cts对应压力下的饱和温度，C可见，(twts),Rmin同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强,7.5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却又许多不同的计算公式,7.5.1大容器饱和核态沸腾实验关联式,影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。,（1）特定液体,按,对于水的大容器饱和核态沸腾，推荐适用米海耶夫公式，压力范围：1054106Pa,（2）罗森诺公式广泛适用的强制对流换热公式,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。罗森诺基于St=f(Re,Pr)也应该适用于沸腾换热的理念，通过大量实验得出了如下实验关联式：,式中，r汽化潜热；Cpl饱和液体的比定压热容g重力加速度l饱和液体的动力粘度Cwl取决于加热表面液体组合情况的经验常数(表7-1)q沸腾传热的热流密度s经验指数，水s=1,否则，s=1.7,上式可以改写为：,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计算时，则可以将偏差缩小到33。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。,(3)制冷介质,式中：Mr为液体的分子量；pr对比压力（液体的压力与其临界压力之比；Rp为表面粗糙度。,库珀(Cooper)公式目前用得较多,应用汽膜的泰勒不稳定性原理导得大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式：,7.5.1大容器沸腾的临界热流密度,3大容器膜态沸腾的关联式,（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(twts)/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,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，有以下公式：,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，有必要考虑热辐射换热的影响，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,影响因素仅针对大容器沸腾换热进行探讨,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,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。,2过冷度,3重力加速度超重力和微重力条件下的传热规律现有研究成果表明：从0.11009.8m/s2的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但重力加速度对液体自然对流则有显著的影响，由于故自然对流随加速度的增加而强化.,4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)。,介质为一个大气压下的水,沸腾表面的结构沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。,强化的基本原则尽量增加加热面上的汽化核心强化技术（以沸腾换热为例）(1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。(2)机械加工方法。,7.7强化沸腾传热的原则与技术,思考题：1.膜状凝结和珠状凝结的概念.2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法.在这个推导方法中最基本的假设是什么?4.对于单根管子,有那些因素影响层流膜状凝结换热?它们起什么作用?5.对于实际凝结换热器,有那些方法可以提高膜状凝结换热系数?6.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域?有那些特性?各个区域在换热原理上有何特点?7.气化核心的概念.沸腾气泡产生的物理条件.8.画出水的池内饱和沸腾曲线.掌握特性点的基本数值范围.,