凝结及沸腾换热传热学分享资料

1、1第七章第七章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热7-1 7-1 凝结换热凝结换热7-2 7-2 沸腾换热沸腾换热27-1 7-1 凝结换热凝结换热 膜状凝结膜状凝结: :gswtt当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在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壁面上形成许多小液珠gswtt工质在饱和温度下由气态转化为液态的过程称为凝结工质在饱和温度下由气态转化为液态的过程称为凝结. .当凝结液能很好地润湿壁面时当凝结液能很好地润湿壁面时, ,凝结液将凝结液将形成连续的膜向下流动形成连续的膜向下流动(2) (2) 珠状凝结珠状凝结3(3) (3) 两种凝结形式的比较两种凝结形式的比较膜状

2、凝结膜状凝结: :由于沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力由于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，液膜厚度及运动状态直接影响了热量传递此，液膜厚度及运动状态直接影响了热量传递。珠状凝结珠状凝结: :由于凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在由于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（可能大几倍，接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）甚至一个数量级）虽

3、然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状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，大多数工程中遇到的凝结换热大凝结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结多属于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结.41 1）常物性；）常物性；2 2）蒸气静止；）蒸气静止；3 3）液膜的惯性力忽略；）液膜的惯性力忽略；4 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5 5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；6 6）液膜的过冷度忽略；）

4、液膜的过冷度忽略； 7 7）忽略蒸汽密度；）忽略蒸汽密度；8 8）液膜表面平整无波动）液膜表面平整无波动5边界层微分方程组：边界层微分方程组：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下脚标下脚标 l l 表示液相表示液相g)(xm t(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layersswtt 微元控制体x62222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll考虑（考虑（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度0dxdp002222ytayuglll考虑（考虑（5 5） 膜内温度线性分布，

5、膜内温度线性分布，即热量转移只有导热即热量转移只有导热0ytvxtu考虑（考虑（3 3）液膜的惯性力忽略）液膜的惯性力忽略0)(yuvxuul7边界条件：边界条件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0时，时，1/ 4llsw2l4(tt )xgr 求解上面方程可得：求解上面方程可得：定性温度：定性温度：2wsmttt注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定81 / 423llxlswgrh4( tt)x sw( tttC )整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) 1/ 423llVlswgrh1

6、.13l(tt ) 定性温度：定性温度：2wsmttt实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，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因此，实验值比上述得理论值高2020左右左右9用用 gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g g 即可即可努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层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流膜状凝结1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 式中：下标式中：下标“ H ”H ”表示水平管，表示水平管，“ S ”S ”表示球表示

7、球; d ; d 为水为水 平管或球的直径。平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同定性温度与前面的公式相同横管与竖管的对流换热系数之比：横管与竖管的对流换热系数之比：4177.0dlhhVgHg101)(wspttcrJa时，惯性力项和液膜过冷度时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。的影响均可忽略。另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的研究，如当研究，如当 并且，并且，1Pr 1120Re 1600Rec无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时

8、且其判断依据仍然时ReRec c，式中：式中： u um m 壁的底部液膜断面平均流速；壁的底部液膜断面平均流速；d de e 液膜层的当量直径。液膜层的当量直径。mecudRe12由热平衡由热平衡所以所以对水平管，用对水平管，用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。ecd4A / P4b/ b4swmlh(tt )lrqrl并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态Mumc44RerMltthws)(rtthlwsc)(4Re如图如图133/ 13/ 1223)(GaNughCo23glGa 3/ 1Re76. 1cCo2 . 5Re08. 1Re22. 1ccCo3/ 1Re5

9、1. 1cCo14 液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为18001800。横管。横管因直径较小，实践上均在层流范围。对湍流液膜，除了靠近因直径较小，实践上均在层流范围。对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强湍流传递为主，换热大为增强竖壁湍流液膜段的平均表面传热系数竖壁湍流液膜段的平均表面传热系数: :)253(RePr588750Re75. 05 . 0ccCo15对对竖壁的湍流凝结换热竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的，其沿整个壁面的平均表面

10、传热系平均表面传热系数数计算式为：计算式为：ccltxxhhh1ll式中：式中：h hl l 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数； h ht t 为湍流段的传热系数；为湍流段的传热系数； x xc c 为层流转变为湍流时转折点的高度为层流转变为湍流时转折点的高度 l l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度16 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。t 。不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度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下降，减小了凝结的驱动力 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模

11、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，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 减小。减小。hh17 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计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算公式中的 ， rpswrr0.68c ( tt) 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。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。蒸气流速低时，凝此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低时，凝结液

12、主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。流速较高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。蒸气核。18强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。的厚度。可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上使已凝结的液体尽快从换热表面上 排泄掉。排泄掉。19207-2 7-2 沸腾换热沸腾换热：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一工质内

13、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种剧烈的汽化过程 ：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却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的一种传热方式 ：加热壁面沉浸在具有自由加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；表面的液体中所发生的沸腾；沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大空间沸腾大空间沸腾( (池内沸腾池内沸腾) )和和强制对流沸腾强制对流沸腾，每种又分为每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。21Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMi

14、st flow：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾22：实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。是最好的汽化核心，如图所示。液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所

15、发液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾生的沸腾，称之为饱和沸腾23 )(2minswvsttrTRR式中：式中： 表面张力，表面张力，N/mN/m；r r 汽化潜热，汽化潜热，J/kgJ/kg v v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/mkg/m3 3；t tw w 壁面温度，壁面温度， C C t ts s 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度， C C可见，可见， (t(tw w t ts s ) ) , R , Rminmin 同一加热面上，称为同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 汽泡半径汽泡

16、半径R R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活( (克拉贝龙方程克拉贝龙方程) )24qmaxqmin表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4 4个换热规律不同个换热规律不同的阶段的阶段：自然对流、泡态沸腾、过渡沸腾自然对流、泡态沸腾、过渡沸腾和和稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾，如图所示：如图所示：25（1 1）上述热流密度的峰值）上述热流密度的峰值q qmaxmax 有重大意义，称为临界热有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNBDNB作为监作为监视接近视接近q qmaxmax的警戒

17、。这一点对热流密度可控和温度可控的的警戒。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。两种情况都非常重要。（2 2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较）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。大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。26沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍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，即然适用，即thtthqsw)(但对于沸腾换热的但对于沸腾换热的h h却又许多不同的计算公式却又许多不同的计算公式 影响泡态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而影响泡态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽

18、化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，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。一种是广泛适用于各种液体的。27为此，书中分别推荐了两个计算式为此，书中分别推荐了两个计算式5 . 033. 2122. 0pth按按 thq15. 07 . 0533. 0pqh （1 1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐

19、适用米海耶夫公式，压力范围：耶夫公式，压力范围：10105 54 4 10106 6 Pa Pa（2 2）罗森瑙公式）罗森瑙公式广泛适用的强制对流换热公式广泛适用的强制对流换热公式28（2 2）罗森瑙公式）罗森瑙公式广泛适用的强制对流换热公式广泛适用的强制对流换热公式既然沸腾换热也属于对流换热，那么，既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, st = f ( Re, Pr )Pr )也应该适用。罗森也应该适用。罗森瑙瑙正是在这种思路下，通过大量正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：实验得出了如下实验关联式：slwlCStPrRe33. 01式中，式中， r r

20、汽化潜热；汽化潜热； C Cplpl 饱和液体的比定压热容饱和液体的比定压热容 g g 重力加速度重力加速度 l l 饱和液体的动力粘度饱和液体的动力粘度 C Cwlwl 取决于加热表面液体组取决于加热表面液体组 合情况的经验常数合情况的经验常数 q q 沸腾传热的热流密度沸腾传热的热流密度 s s 经验指数，水经验指数，水s = 1,s = 1,否则，否则，s=1.7s=1.7tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPr29上式可以改写为：上式可以改写为：321Pr)(slwlplvllrCtCgrq可见，可见， ，因此，尽管有时上述计算公式得到的，因此，尽管有时上述计算公

21、式得到的q q与实验值的偏差高达与实验值的偏差高达 100100，但已知，但已知q q计算计算 时，时，则可以将偏差缩小到则可以将偏差缩小到 3333。这一点在辐射换热种更为明。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。显。计算时必须谨慎处理热流密度。3tqt30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。只针对大容器沸腾换热。 与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热与膜状凝结换热不同

22、，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化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，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。，因此，过冷会强化换热。nfwtth)(31 当传热表面上的液位足够高时，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。但当液位降低到一高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显定值时，表面传热系数会明显地随液地随液 位的降低而升高位的降低而升高( (临界临界液位液位) )。图中介质为一个大气压下的水图中介质为一个大气压下的水随着航空航天技术的发展

23、，超重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：熟的地步，就现有的成果表明：32 从从0.1 -1000.1 -100 9.8 m/s9.8 m/s2 2 的范围内，的范围内，g g对核态沸腾换热规律对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于没有影响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，因此，g g Nu Nu 换热加强。换热加强。23tlgGrnCNuPr)(Re 沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，沸腾表面上的微笑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。目前有两种常强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：用的手段