第7章 相变对流传热

1、第第7 7章章 相变对流传热相变对流传热 7.1 7.1 凝结传热的模式凝结传热的模式 7.1.1 7.1.1 珠状凝结与膜状凝结珠状凝结与膜状凝结 相变对流传热相变对流传热： 凝结凝结：蒸汽接触较冷壁面，释放汽化潜热，成为液体。：蒸汽接触较冷壁面，释放汽化潜热，成为液体。 例如：汽轮机中的凝汽器，冰箱中的冷凝器等。例如：汽轮机中的凝汽器，冰箱中的冷凝器等。 沸腾沸腾：液体接触高温壁面，吸收汽化潜热，成为气体。：液体接触高温壁面，吸收汽化潜热，成为气体。 例如：锅炉中水冷壁，冰箱中的蒸发器等。例如：锅炉中水冷壁，冰箱中的蒸发器等。 两种凝结形式：两种凝结形式： 膜状凝结膜状凝结：凝结液体：凝结

2、液体能湿润能湿润壁面，并在壁面上铺展成膜。壁面，并在壁面上铺展成膜。 珠状凝结珠状凝结：凝结液：凝结液不能湿润不能湿润壁面，在壁面上聚集成液珠。壁面，在壁面上聚集成液珠。 润湿能力润湿能力： 分子作用力的表现。分子作用力的表现。 液体分子之间有液体分子之间有内聚力内聚力， 液体与壁面分子有液体与壁面分子有附着力附着力。 附着力大于内聚力时，附着力大于内聚力时， 液体润湿壁面的能力强。液体润湿壁面的能力强。 例如：例如： 干净的玻璃表面，干净的玻璃表面， 水容易铺展成膜，水容易铺展成膜， 而水银形成液珠。而水银形成液珠。 7.1.2 7.1.2 凝结液构成了蒸气与壁面间的主要热阻凝结液构成了蒸气

3、与壁面间的主要热阻 膜状凝结：凝结液膜覆盖整个壁面，膜状凝结：凝结液膜覆盖整个壁面， 液膜将蒸汽与壁面隔开，液膜将蒸汽与壁面隔开， 形成较大热阻。形成较大热阻。 珠状凝结：凝结液珠覆盖部分壁面，珠状凝结：凝结液珠覆盖部分壁面， 蒸汽可与换热壁面直接接触，蒸汽可与换热壁面直接接触， 热阻较小，热阻较小， 并且液珠逐渐长大，并且液珠逐渐长大， 到一定程度会沿壁面滚下，到一定程度会沿壁面滚下， 清除沿途的液珠，有利传热。清除沿途的液珠，有利传热。 因此：珠状凝结比膜状凝结传热效果好。因此：珠状凝结比膜状凝结传热效果好。 7.1.3 7.1.3 膜状凝结是工程设计的依据膜状凝结是工程设计的依据 工程实

4、践表明：工程实践表明： 纯净条件下，平整传热表面，都是膜状凝结。纯净条件下，平整传热表面，都是膜状凝结。 工程设计中：工程设计中： 常用膜状凝结进行分析计算，常用膜状凝结进行分析计算， 并在此基础上，采用特殊方法强化传热并在此基础上，采用特殊方法强化传热 。 7.2.1 7.2.1 努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解 7.2 7.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式 1. 1. 对实际问题的简化假设对实际问题的简化假设 纯净、饱和蒸气、均匀壁温、层流、膜状凝结纯净、饱和蒸气、均匀壁温、层流、膜状凝结 （1 1）常物性；）常物性； （2 2）蒸气静止

5、，无粘滞力，即；）蒸气静止，无粘滞力，即； （3 3）液膜薄且流速缓慢，忽略惯性力和对流；）液膜薄且流速缓慢，忽略惯性力和对流； （4 4）气液界面无温差）气液界面无温差 （5 5）液膜导热无对流，温度线性分布；）液膜导热无对流，温度线性分布； （6 6）忽略液膜过冷度；）忽略液膜过冷度； （7 7）忽略蒸气密度）忽略蒸气密度 （8 8）液膜表面平整无波动。）液膜表面平整无波动。 s tt 0 V 0 y u 凝结液膜的流动具有边界层的特征，凝结液膜的流动具有边界层的特征， 稳态时，符合边界层微分方程组：稳态时，符合边界层微分方程组： （液膜体积力（液膜体积力 ） gF lx 2. 2. 边界

6、层方程组的简化边界层方程组的简化 0 y v x u 2 2 d d y u x p g y u v x u u lll 2 2 y t a y t v x t u l 简化：简化： 动量方程动量方程 液膜层流液膜层流 0 v 0 x u 竖直方向无惯性力，流动慢竖直方向无惯性力，流动慢 压力梯度压力梯度 0 d d x p 0 y t v x t u 能量方程能量方程 液膜无对流液膜无对流 边界层方程组：边界层方程组： 0 d d 2 2 g y u ll 0 d d 2 2 y t 边界条件：边界条件： 0 y 时：时： ， 0 u w tt y 时：时： ， 0 d d y u s tt

7、 3. 3. 主要求解过程与结果主要求解过程与结果( (过程略）过程略） 液膜厚度：液膜厚度： 41 2 4 rg xtt l wsll 局部表面传热系数：局部表面传热系数： 41 23 4 xtt gr h wsl ll x 平均表面传热系数：平均表面传热系数： 41 23 943. 0 wsl ll V ttl gr h （ 汽化潜热汽化潜热）r （ 竖壁高度）竖壁高度） l 7.2.2 7.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证竖直管与水平管的比较及实验验证 1. 1. 水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数 努塞尔的理论分析可推广，努塞尔的理论分析

8、可推广， 水平圆管，平均表面传热系数：（水平圆管，平均表面传热系数：（ 外径）外径） 41 23 729. 0 wsl ll H ttd gr h 球表面，平均表面传热系数：（球表面，平均表面传热系数：（ 直径）直径） 41 23 826. 0 wsl ll S ttd gr h d d 相变潜热：饱和温度相变潜热：饱和温度 ； 定性温度：定性温度： s t 2 wsm ttt 2. 2. 水平管外凝结与竖直管外凝结的比较水平管外凝结与竖直管外凝结的比较 两者不同处：特征长度两者不同处：特征长度 横管横管外径外径 ，竖壁，竖壁高度高度 dl 在其他条件相同时：在其他条件相同时： 41 77.

9、0 d l h h V H 在在 时：时： VH hh2 50 dl 因此：因此：横管可强化换热横管可强化换热。例如：冷凝器常用横管布置。例如：冷凝器常用横管布置。 3. 3. 分析解的实验验证和假设条件的影响分析解的实验验证和假设条件的影响 实验表明：实验表明： 时，实验结果与理论相符；时，实验结果与理论相符； 时，有偏差；转折点高时，有偏差；转折点高 20% 20% 。 20 Re 20 Re 工程修正：工程修正： 41 23 13. 1 wsl ll V ttl gr h 7.2.3 7.2.3 湍流膜状凝结湍流膜状凝结流动状态判别：膜层雷诺数流动状态判别：膜层雷诺数 Re 对竖壁：高对

10、竖壁：高 ，膜厚，膜厚 ，膜宽，膜宽 平均流速平均流速 （ 处流速）处流速） l b l u l 雷诺数：雷诺数： elel dudu Re 当量直径：当量直径： 4 44 b b P A d c e mll qu Re 44 注意：注意： 1 lml uq质量流量质量流量 wsml ttlhrq 1 换热量换热量 r tthl Re ws 4 膜层雷诺数膜层雷诺数 实验表明：实验表明： 竖壁竖壁 1600 c Re 横管均为层流，横管均为层流， rl 湍流膜状凝结：湍流膜状凝结： 1600 Re 上部层流，下部湍流上部层流，下部湍流 920025358 43 41 21 31 RePrPrP

11、r ReGa Nu sws 平均传热：平均传热： hlNu 伽利略数伽利略数： 23 glGa 定性温度：定性温度： s t),( s Prr m t),( w t)( w Pr 特征长度：竖壁高度特征长度：竖壁高度 l P309习题习题7-1 压力为压力为1.013105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结，壁的水蒸气在方形竖壁上凝结，壁 的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98oC。试计算每小时的传热量及。试计算每小时的传热量及 凝结蒸气量。凝结蒸气量。 解解：流动状态，无法确定：流动状态，无法确定： r tthl Re ws 4 ， ? h 假设为层流：假设为层流： Pa1001

12、3. 1 5 p 时，时， C100 o s t ， kgkJ1 .2257 r P P565 565附录 附录1010 定性温度：定性温度： C992 o swm ttt 物性参数物性参数：（液膜）：（液膜） 3 mkg4 .958 sPa105 .282 6 ， KmW68. 0 P P563 563附录 附录9 9 层流液膜：层流液膜： KmW1057. 113. 1 24 41 23 ws ll ttl gr h 膜层雷诺数：膜层雷诺数： 16001 .59 4 r tthl Re ws 换热量：换热量： rqtthA mws W1083. 2 3 凝结蒸气量：凝结蒸气量：hkg50.

13、 4skg1025. 1 3 rqm 7.3.1 7.3.1 膜状凝结的影响因素膜状凝结的影响因素 7.3 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化 1. 1. 不凝结气体不凝结气体 来源：蒸气带入、蒸气分解、系统漏入等。来源：蒸气带入、蒸气分解、系统漏入等。 危害：含有危害：含有 1% 1% 空气，表面传热系数降低空气，表面传热系数降低 60% 60% 。 原因：不凝结气体将蒸气与液膜隔开，增大了传热阻力；原因：不凝结气体将蒸气与液膜隔开，增大了传热阻力； 不凝结气体还使蒸气分压力下降，饱和温度降低，不凝结气体还使蒸气分压力下降，饱和温度降低， 温差减小，使凝结过

14、程削弱。温差减小，使凝结过程削弱。 措施：断绝来源，去除不凝结气体。措施：断绝来源，去除不凝结气体。 如抽气器、空气分离器等。如抽气器、空气分离器等。 2. 2. 管子排数管子排数 竖管管束：相互之间不影响凝结，只增大传热面积。竖管管束：相互之间不影响凝结，只增大传热面积。 横管管束：不重叠时，不相互影响；横管管束：不重叠时，不相互影响； 重叠时，上排管子凝结液滴下落时，有飞溅作用。重叠时，上排管子凝结液滴下落时，有飞溅作用。 会减薄下排管子液膜，同时产生冲击扰动，会减薄下排管子液膜，同时产生冲击扰动， 两者都会使传热增强。两者都会使传热增强。 3. 3. 管内冷凝管内冷凝 蒸气流速不同，管内

15、液膜形状不同，热阻不同。蒸气流速不同，管内液膜形状不同，热阻不同。 低速时：低速时： 聚在底部聚在底部 高速时：高速时： 分布在四周分布在四周 4. 4. 蒸气流速蒸气流速 在竖壁上，两种情形：在竖壁上，两种情形： 蒸气流速与液膜流动同方向，拉薄液膜，增大传热；蒸气流速与液膜流动同方向，拉薄液膜，增大传热； 蒸气流速与液膜流动反方向，增厚液膜，减弱传热。蒸气流速与液膜流动反方向，增厚液膜，减弱传热。 5. 5. 蒸气过热度蒸气过热度 过热蒸气在换热器中放热，两个阶段：过热蒸气在换热器中放热，两个阶段： 过热蒸气过热蒸气饱和蒸气饱和蒸气饱和液体饱和液体 因此，过热蒸气冷却会增大传热量，但减少了凝

16、结液的产生。因此，过热蒸气冷却会增大传热量，但减少了凝结液的产生。 6. 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 可对相变热进行修正：可对相变热进行修正： wsp ttcrr 68. 0 7.3.2 7.3.2 膜状凝结的强化原则和技术膜状凝结的强化原则和技术 1. 1. 尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则 两种方法：两种方法： 减薄液膜厚度；减薄液膜厚度； 及时排除液体。及时排除液体。 2. 2. 强化技术简介强化技术简介 竖壁、竖管：竖壁、竖管： 降低传热面高度，降低传热面高度， 竖管改为横管；竖管改为横管； 利用尖峰：

17、利用尖峰： 液膜表面张力液膜表面张力 减薄尖峰上液膜厚度。减薄尖峰上液膜厚度。 内侧微肋管：内侧微肋管： 有效减少热阻。有效减少热阻。 分段排液：分段排液： 控制液膜厚度。控制液膜厚度。 7.4 7.4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式 7.4.1 7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域大容器饱和沸腾的三个区域 汽化的两种形式：汽化的两种形式： 蒸发蒸发：液体表面上的汽化过程。：液体表面上的汽化过程。 沸腾沸腾：液体表面和内部剧烈的汽化，同时产生大量的汽泡。：液体表面和内部剧烈的汽化，同时产生大量的汽泡。 根据流体运动的动力分类：根据流体运动的动力分类： 大容器沸腾大容器沸腾：由于液体内温差和汽泡扰

18、动，引起流体运动。：由于液体内温差和汽泡扰动，引起流体运动。 管内沸腾管内沸腾：外加压力差作用，引起流体流动并维持沸腾。：外加压力差作用，引起流体流动并维持沸腾。 实验：不锈钢电加热棒，置于盛水的大烧杯中，实验：不锈钢电加热棒，置于盛水的大烧杯中， 将水加热到饱和温度，产生沸腾将水加热到饱和温度，产生沸腾饱和沸腾饱和沸腾。 提高加热棒电流密度，可增大提高加热棒电流密度，可增大过热度过热度 。 sw ttt 自然对流区自然对流区： 沸腾还未开始，沸腾还未开始， 加热壁面上无气泡，加热壁面上无气泡， 水绕加热棒作自然对流。水绕加热棒作自然对流。 C4 o t 核态沸腾区核态沸腾区： 在加热面的特殊

19、点上在加热面的特殊点上 产生气泡产生气泡汽化核心汽化核心； 开始气泡较小，互不干扰开始气泡较小，互不干扰 孤立气泡区孤立气泡区； C25C4 oo t 过热度增加，气泡合并，过热度增加，气泡合并， 成为气块、气柱，成为气块、气柱， 产生气泡的速度小于产生气泡的速度小于 气泡脱离加热面的速度；气泡脱离加热面的速度； 气泡的剧烈扰动，气泡的剧烈扰动， 使传热急剧增大；使传热急剧增大； 沸腾特点：沸腾特点： 温压小，传热强，温压小，传热强， 工业设计都在此范围。工业设计都在此范围。 过渡沸腾区过渡沸腾区： 加热表面上气泡产生速度加热表面上气泡产生速度 大于脱离速度，大于脱离速度， 气泡汇聚覆盖在加热

20、面上，气泡汇聚覆盖在加热面上， 形成气膜，形成气膜， 气膜热阻使传热急剧减弱。气膜热阻使传热急剧减弱。 C200C25 oo t 膜态沸腾区膜态沸腾区： 加热面上加热面上 形成稳定的气膜层，形成稳定的气膜层， 此时壁面温度较高，此时壁面温度较高， 辐射传热增强，辐射传热增强， 热流密度又开始增大。热流密度又开始增大。 C200 o t 7.4.2 7.4.2 临界热流密度及其工程意义临界热流密度及其工程意义 控制热流密度控制热流密度 ： 如电加热器、核反应堆等。如电加热器、核反应堆等。 当热流密度超过峰值当热流密度超过峰值 ， 沸腾会直接跳到膜态沸腾，沸腾会直接跳到膜态沸腾， 过热度会猛升到过

21、热度会猛升到 10001000o oC C ， 可烧毁设备可烧毁设备烧毁点烧毁点。 工程上常设置警戒点（工程上常设置警戒点（DNB),DNB), 以免达到烧毁点。以免达到烧毁点。 w q 控制壁温控制壁温 如蒸发冷凝器等。如蒸发冷凝器等。 避免沸腾超过峰值避免沸腾超过峰值 ，使热流密度降低。，使热流密度降低。 max q max q w t 7.4.3 7.4.3 气泡动力学简介气泡动力学简介 1. 1. 为什么沸腾传热有那样高的传热强度为什么沸腾传热有那样高的传热强度 对水的核态沸腾：对水的核态沸腾： 比强制对流至少高一个数量级。比强制对流至少高一个数量级。 265 mW1010 q 原因：

22、原因： 汽化时，吸收汽化潜热汽化时，吸收汽化潜热 ； 汽泡运动，引起流体剧烈扰动。汽泡运动，引起流体剧烈扰动。 r 强化沸腾传热：增大汽泡数量，即增加强化沸腾传热：增大汽泡数量，即增加汽化核心汽化核心。 2. 2. 加热表面上什么地点最容易成为汽化核心加热表面上什么地点最容易成为汽化核心 工程实践表明：工程实践表明： 加热壁面上凹坑、细缝、裂穴等最可能成为汽化核心。加热壁面上凹坑、细缝、裂穴等最可能成为汽化核心。 两方面原因：两方面原因： 狭缝处加热面积比平直处大，传递热量多；狭缝处加热面积比平直处大，传递热量多； 狭缝处容易残留气体，成为产生汽泡的核心。狭缝处容易残留气体，成为产生汽泡的核心

23、。 3. 3. 加热面上要产生汽泡液体必须过热加热面上要产生汽泡液体必须过热 汽泡形成条件：汽泡形成条件： 汽泡内外压力差汽泡内外压力差 表面张力表面张力 RppR lV 2 2 忽略液体静压：忽略液体静压： SSl tpp 汽泡内为饱和压力：汽泡内为饱和压力： VV tp 热平衡时：热平衡时： SVl ttt 汽泡公式：汽泡公式： SV tt 即：液体局部必须过热。即：液体局部必须过热。 S t V t 由汽泡公式：由汽泡公式： SV pp R 2 液体过热度液体过热度 越大：越大： 越大，越大， 越小，越小， 越易形成汽泡。越易形成汽泡。 Sl tt SV pp R 加热面过热度最大，最易

24、形成汽泡；加热面过热度最大，最易形成汽泡； 减小，使得较小残留汽泡减小，使得较小残留汽泡 成为汽化核心，汽化核心数量增大。成为汽化核心，汽化核心数量增大。 R 7.5 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式 7.5.1 7.5.1 大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式 1. Rohsenow1. Rohsenow基本思想：汽泡的产生与脱离造成强烈的扰动。基本思想：汽泡的产生与脱离造成强烈的扰动。 无量纲关联式：无量纲关联式： 随温度剧烈变化，随温度剧烈变化， s l Vll wl pl Pr gr q C r tc 33. 0 饱和液体的比定压

25、热容饱和液体的比定压热容 ； pl c 壁面过热度，壁面过热度， 汽化潜热汽化潜热 ； tr 液体液体- -蒸汽界面的表面张力蒸汽界面的表面张力 ； 加热表面加热表面- -液体组合的经验系数液体组合的经验系数 ； wl C 经验指数，对水经验指数，对水 ，其他液体，其他液体s1 s7 . 1 s h? hq 2. 2. 库珀公式库珀公式 对制冷介质：对制冷介质： 55. 0 5 . 067. 0 lg r m rr ppMCqh KmW90 0.660.33 C m p Rm lg2 . 012. 0 单位单位 液体的相对分子质量（分子量）；液体的相对分子质量（分子量）； 对比压力（液体压力与

26、临界压力之比）；对比压力（液体压力与临界压力之比）； 表面平均粗糙度（表面平均粗糙度（0.3 - 0.4)0.3 - 0.4)。 r M r p p R 7.5.2 7.5.2 大容器饱和沸腾临界热负荷计算式大容器饱和沸腾临界热负荷计算式 泰勒计算式：泰勒计算式： 21 2 41 2 max 24 V Vl V Vl V g rq 由实验修正后：由实验修正后： 41 21 max 149. 0 VlV grq 对水，实验值为：对水，实验值为： 25 max mW107 .11 q 7.5.3 7.5.3 大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式 膜态沸腾与膜状凝结相似，

27、膜态沸腾与膜状凝结相似， 流动和传热都可用边界层理论分析，结果也相似。流动和传热都可用边界层理论分析，结果也相似。 41 3 62. 0 swV VVlV ttd gr h 横管膜态沸腾：横管膜态沸腾： 饱和温度：饱和温度： rt ls , 平均温度：平均温度： VVVSwm ttt ,2 特征长度：外径特征长度：外径 d 加热表面为球面：系数取加热表面为球面：系数取 0.67 0.67 膜态沸腾应考虑辐射传热，膜态沸腾应考虑辐射传热， 勃洛姆来公式：勃洛姆来公式： 复合传热复合传热 343434 rc hhh 辐射传热辐射传热 sw sw r TT TT h 44 传热表面发射率；传热表面发

28、射率； 428 KmW1067. 5 P325例题例题7-4 在在1.013105Pa的绝对压力下，水在的绝对压力下，水在tw=113.9oC的的铂铂 质质加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽化率。加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽化率。 解解：大容器沸腾：大容器沸腾： Pa10013. 1 5 pC100 o s t C9 .13 o sw ttt 核态沸腾核态沸腾 s l Vll wl pl Pr gr q C r tc 33. 0 水水- -铂表面，经验常数：铂表面，经验常数： 0130. 0 wl C 对水，经验指数：对水，经验指数：1 s 对水对水 时：时：C100

29、 o s t KkgJ10220. 4 3 pl c mN106 .588 4 sPa105 .282 6 l 3 mKg4 .958 l 75. 1 l Pr 对水蒸气对水蒸气 时：时： C100 o s t kgJ101 .2257 3 r 3 mkg5977. 0 V 将物性参数代入，热流密度：将物性参数代入，热流密度： 25 mW1079. 3 q 单位面积汽化率：单位面积汽化率： smkg168. 0 2 r q P326例题例题7-6 水平水平铂线铂线通电加热，在通电加热，在1.013105Pa的水中产生稳态的水中产生稳态 膜态膜态沸腾。已知沸腾。已知twts=654oC，导线直径为，导线直径为1.27mm，求沸腾传热表，求沸腾传热表 面传热系数。面传热系数。 解解：Pa10013. 1 5 pC100 o s t 对水对水 时：时：C100 o s t 3