凝结与沸腾换热-传热学-课件-09

1、Chapter 8凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热(Condensation and Boiling)1 凝结换热凝结换热(Condensation heat transfer)1.1 概述概述(Introduction)Definition：Condensation occurs when the temperature of a vapor is reduced below its saturation temperature. In industrial equipment, the process commonly results from contact between the vapo

2、r and a cool surface. The latent energy of the vapor is released, heat is transferred to the surface, and the condensate is formed. Condition：1. surface temperaturesaturation temperature of the vapor 膜状凝结膜状凝结(Film condensation) 当凝结液能很好地润湿壁面时，凝结液和壁面的润湿角(液体与壁面交界处的切面经液体到壁面的交角)900)，则凝结液将聚成一个个的液珠，称为珠状凝结。

3、Fig 10.10 Modes of condensation. (a) Film condensation; (b) Dropwise condensation Condensation on a vertical surface.(a) Dropwise. (b) Film(a)(b) 换热能力换热能力(Heat transfer capacity) 膜状凝结：凝结换热发生在液膜表面 珠状凝结：蒸汽与液珠表面+蒸汽与裸露壁面。具有较高的换热系数，但不稳定。 6. 说明：说明： 凝结液润湿壁面的能力取决于它的表面张力和它对壁面附着力的关系。 附着力附着力表面张力表面张力膜状凝结膜状凝结 附着

4、力附着力V022llgdyud000dyduyuy，边界条件积分解得221yygull速度分布2. 温度分布温度分布(Temperature distribution)22ytaytvxtuEnergy equation当对流项为零时022dytdswttytty，0边界条件yttttwsw凝结液膜内温度分布3. 单位宽度上凝结液流量 Mass flow rate of condensate per unit widthllllllgdyyygudyM32132020流量M在dx范围内的增量dddMdxdxdddMdxdxdMdgdMll22在单位宽度壁面上，液体流量为4. 液膜厚度与液膜厚度

5、与x的关系的关系 Relationship between film thickness and xdxdxdMMHdxdydtHMdMHwlwhere, H” is the enthalpy of saturated vapor； H is the enthalpy of saturated liquid.=H”-H is the latent heat of vaporizationEnergy balance002322，xdxgttddxttdgdxdydtdMHHlwsllwslllwl4124xgttlwsll5. 换热系数换热系数(Convection coefficient)l

6、xwslwsxhdxttdxtthHence, local convection coefficient413214xttghwslllx（7-1a）dx微段内的凝结换热量等于该段膜层向壁面的导热量Average convection coefficient(液膜的平均换热系数液膜的平均换热系数)4132413241041320943. 0434411wslllwslllHwslllHxttHgttHgdxxttgHdxhHh（7-1b）理论解(Theoretical solution)：设壁高为H，则液膜的平均换热系数为液膜的平均换热系数（续）液膜的平均换热系数（续）(Average con

7、vection coefficient)413213. 1wslllttHgh实验解：由于液膜表面波动，实验值比理论值高实验解：由于液膜表面波动，实验值比理论值高20% 适用于垂直壁适用于垂直壁 直径远大于液膜厚度的圆管直径远大于液膜厚度的圆管 对于与水平面夹角对于与水平面夹角 的斜壁，的斜壁，g =gsin 定性温度：定性温度：tm=(ts+ tw)/26. 水平圆管外壁的层流膜状凝结水平圆管外壁的层流膜状凝结(Laminar film condensation on the outer surface of a horizontal tube)4132728. 0wsolllttdghA

8、single horizontal tubeA bank of tubes4132728. 0wsomlllttdngh 定性温度：tm=(ts+ tw)/2 液膜逐层增厚：h逐层下降 nm垂直方向平均管排数：以nmdo为定型尺寸 卧式冷凝器：多排管子（顺排、差排）（7-2a）7. 水平圆管内的膜状凝结水平圆管内的膜状凝结 (Film condensation in a horizontal tube)35000RevivvduAverage convection coefficient4132555. 0wsillvlttdghReynolds number of the vapor at

9、inletwspttc83whereNote that the liquid close to the surface is subcooled.二、层流膜状凝结换热准则关联式二、层流膜状凝结换热准则关联式 Empirical correlations: Laminar film condensation凝结液膜雷诺数RecPqPAududulmllmllemllemc44Re（10）对于垂直壁，设膜宽为b，则湿周Pb，膜断面积Alb，则lllmcleMuPAd44Re44（7-3）式中M=um，是单位时间通过单位宽度的壁底部断面的凝液量，kg/sm凝液M释放的潜热，等于高H，宽1米壁上的换热

10、量MHtthws1Then, an important form of ReclwsctthH4Re（7-4）where, characteristic length Film condensation on a vertical plate：height(H) Film condensation on the outer surface of a horizontal tube：perimeter(do)2. 凝结准则Co31232lllghCo313123NuGaglhlCollGalileo number Co为无量纲数，也可称为修正的Nu。 Co为反映凝结换热的强弱。3. 用用Rec及

11、及Co准则表达式准则表达式(7-1b)、(7-2a)垂直壁理论解水平管理论解3131Re51. 1Re47. 1ccCoCo（7-1c）（7-2b）4132943. 0wslllttHgh4132728. 0wsolllttdgh（7-1b）（7-2a）准则关联式准则关联式垂直壁理论解水平管理论解4. 垂直壁层流膜状凝结换热的实用计算式垂直壁层流膜状凝结换热的实用计算式2 . 5Re08. 1Re)(13. 1:Re76. 122. 13231ccwslllcCottHghorCo（7-5b）（7-6）5. 水平管直接用理论解水平管直接用理论解31Re51. 1cCo讨论：讨论：Rec30后，

12、理论解低于实验数据。这主要是因为在液膜表面张力以及蒸汽与液膜间的粘滞应力作用下，层流液膜发生了波动，它促进了膜内热量的对流传递。三、紊流膜状凝结(Turbulent film condensation)Rec1600时，液膜为紊流，传热方式：导热+紊流传递Rec 换热 (层流时相反)紊流段253RePr588750Re75. 05 . 0ccCo（7-7）则平均换热系数lxhlxhhctcl11.3 影响膜状凝结的因素及增强换热的措施影响膜状凝结的因素及增强换热的措施一、影响因素一、影响因素蒸汽速度(Vapor velocity )蒸汽中含不凝气体 换热系数下降表面粗糙度(Surface ro

13、ughness)蒸汽含油过热蒸汽(Superheated vapor)二、增强凝结换热的措施二、增强凝结换热的措施改变壁面几何特征(开沟槽、挂丝等)：a.肋的作用；b.液体易于排泄；c.液膜薄。有效排除不凝气体：负压运行，货加抽气装置。加速凝结液的排除：导流、离心力(内螺纹管)、振动、静电造成珠状凝结：加涂层，减小凝结液附着力。 减薄凝液膜层厚度减薄凝液膜层厚度加速液体排除加速液体排除促成珠状凝结促成珠状凝结关键！关键！2 沸腾换热(Boiling heat transfer)根据液体沸腾时是否存在自由表面大容器沸腾(Pool boiling)管内强迫对流沸腾(Forced convectio

14、n boiling)根据发生沸腾时液体的温度饱和沸腾(Saturated boiling)过冷沸腾(Subcooled boiling)当液体与温度高于其相应压力下饱和温度的壁面接触时可能发生沸腾传热。2.1 池沸腾换热池沸腾换热(Pool boiling heat transfer)一、基本概念一、基本概念(Fundamental concepts)定义：定义：高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾。特点：特点：汽泡可以自由浮生，穿过液体表面进入容器空间。1. 过冷池沸腾过冷池沸腾(Subcooled pool boiling)：液体主体温度低于相应压力下液体的饱和温度(

15、ts)时，换热面上也会产生汽泡，但该汽泡会在低于饱和温度的过冷液体中重新凝结成液体，这时发生的沸腾称为过冷池沸腾。(twtst)(LiquidVapor Liquid)饱和池沸腾饱和池沸腾(Saturated pool boiling)：在一定压强下，当液体主体温度等于饱和温度(ts)时，产生的汽泡不会再被冷凝成液体，这时发生的沸腾称为饱和池沸腾。 说明：说明：因为液体主体温度大于ts，所以汽泡浮升过程中从液体吸热并逐渐长大。壁面过热度壁面过热度(Excess temperature)：发生沸腾时，壁温与饱和温度之差。沸腾换热的动力。沸腾换热的动力。沸腾曲线沸腾曲线(Boiling curve

16、)：发生沸腾换热时，热流密度与壁面过热度的关系曲线称为沸腾曲线。直观反映了液体与壁面间的换热状态。直观反映了液体与壁面间的换热状态。二、沸腾曲线二、沸腾曲线(The boiling curve) Nikiyama was the first to identify different regimes of pool boiling using the following experimental system.Nikiyamas boiling curve for saturated water at atmospheric pressurePower-controlled heatingCo

17、nstant heat flux 典型沸腾曲线典型沸腾曲线(The typical boiling curve) 恒温差条件下获得：以恒温流体为热源恒温差条件下获得：以恒温流体为热源 池沸腾模式池沸腾模式(Modes of pool boiling) 自然对流区（AB）(Free convection boiling)泡态（核态）沸腾区(BC)(Nucleate boiling)沸腾临界点（C）(Critical heat flux)过渡区（部分膜态沸腾区）（CD）(Transition boiling or partial film boiling)膜态沸腾区（DE）(Film boilin

18、g) 总结：恒壁温：ABCDE； 恒热流：q ABCE q EDBA Boiling of methanol on a horizontal(a) Nucleate boiling in the jets and columns regimeBoiling of methanol on a horizontal(b) Transition boilingBoiling of methanol on a horizontal(c) Film boiling三、核态沸腾机理(Nucleate boiling mechanism) 1. 产生汽泡的必要条件：产生汽泡的必要条件：壁面要有一定的过热度

19、汽泡生成条件汽泡生成条件 要使汽泡长大，泡内压力必须要克服表面张力对外做功。设dV为体积增加量，dA为表面积增加量，则做功量dW：dAdVPPdWLV式中，式中，PV汽泡内压强；汽泡内压强；PL汽泡外压强；汽泡外压强； 表面张力表面张力平衡时，dW=0，即dAdVPPLV23434RARVRPPLV2汽泡稳定存在而不消失的条件(1)RPPLV2汽泡可以继续长大的条件 分析：分析： 汽泡长大所需的压强差与它的半径成反比，所以汽泡半径越小，所需的压强差越大。 即当汽泡刚一出现时(R0)，压力差必须趋于无穷大才能使汽泡长大。这实际上达不到。汽泡是如何产生的？汽泡是如何产生的？ 气泡动力学成核理论：气

20、泡动力学成核理论： 液体的大量分子团中，能量分布并不均匀。部分分子团具有较多的能量，这些高于平均值的能量称为活化能。 由于在沸腾表面材料的凹缝中形成汽泡所需的活化能量最少，所以借助一些分子团足够的活化能，汽泡能在凹缝上自发形成。 汽化核心：汽化核心：孕育汽泡核的这些点称为汽化核心。 气泡生成的条件就是壁面上要有汽化核心。气泡生成的条件就是壁面上要有汽化核心。 汽化核心汽化核心 壁面过热度壁面过热度气泡生成！气泡生成！3. 汽泡稳定存在的条件汽泡稳定存在的条件RPPLV2因为（PV-PL）是一个很小的量，可近似表达为SVSLVttdTdPPP(3)克拉修斯克拉贝隆方程VLSLVSTdTdP(4)

21、当远离临界点时，VLsVSTdTdP(5)将式（1）（5）代入（3），得sVVSttTR2（6） (tV)max=tw 汽泡能稳定存在的最小半径swVSttTRR2min（7）分析：分析：tRmin，即壁面过热度越大， Rmin越小。这意味着初生的汽泡中将有更多的汽泡符合稳定存在与长大的条件。所以增大增大 t，是强化沸腾传，是强化沸腾传热的一个重要措施！热的一个重要措施！汽泡长大的动力条件汽泡长大的动力条件 液体的过热度是汽泡长大的动力条件。即只有汽泡周围液体不断蒸发，汽泡才有可能长大。汽泡脱离直径汽泡脱离直径VLdgd208. 0式中，接触角，rad 表面张力，N/m 脱离直径减小，表明汽泡

22、易于脱离壁面，可强化传热。液体润湿性能好 dd 压力，(L-V) dd 强化传热！强化传热！换热途径换热途径 (1) 换热面直接传热给汽泡 1）单位换热面上由汽泡带走的热量 fzdqVdV3612）随汽泡逸走的过热液带走的热量2swLLttfzCq式中，dd脱离直径，m L和V液相和汽相密度，kg/m3 z单位换热面上汽化核心数 f汽泡脱离频率（Hz） 汽化潜热，J/kg 换热途径（续）换热途径（续）(2) 热由壁传给液体，再由液体传到汽泡表面，使液体在汽泡壁上汽化，汽泡继续长大。由于液体的导热系数远大于蒸汽的导热系数，故传热途径主要是后者。即壁面壁面 液体液体 汽泡汽泡四、大空间核态沸腾换热

23、计算四、大空间核态沸腾换热计算 1. Rohsenow correlation132,PrP LwsLVLnw LLcttgqC (7-12)式中，n=1.0(水)； n=1.7(其它液体)cp,L饱和液体定压比热，J/kgKPrL饱和液普朗特数L饱和液动力粘度，kg/msCw,L与液体及壁面材料有关的常数(章熙民主编传热学表7-1)对于水，Cw,L0.013(10.2)2. 临界热流密度临界热流密度(Critical heat flux) Zuber推荐大空间核态沸腾的临界热流密度计算式412124VLVcgq3. 沸腾传热系数沸腾传热系数(Boiling heat transfer coe

24、fficient) 对于(0.2-101)105Pa压力下水的大容器饱和沸腾，米海耶夫推荐下列沸腾传热系数的计算式：)/(,56. 01448. 0215. 07 . 05 . 033. 2KmWpqhpth五、五、 沸腾换热的强化沸腾换热的强化 (Augumentation of boiling heat transfer)提高壁面过热度改用汽化潜热较高的介质加入添加剂：如表面活性剂降低ddf 提高压力：， dd人工制造粗糙表面(增加汽化核心数)抽吸法振动法、搅动法1. 静电场、磁场2.2 管内受迫对流沸腾管内受迫对流沸腾 (Forced convection boiling in tube

25、s) 特点： 受迫对流+沸腾现象1）当热流密度不太高时，两种方式同时起作用，所以h大于相同q下池沸腾的换热系数。2）q较高时，沸腾换热占主导地位。Fig.2 Flow regimes for forced convection boiling inside a tube气液两相流流型气液两相流流型 Gas-Liquid Two-Phase Flow Regimes垂直上升流动垂直上升流动 Upward Vertical FlowDefinitions of flow regimesBubbly flow: The gas is dispersed as small bubbles in the

26、 continuous liquid. The bubbles may have different shapes and sizes but they are smaller than the pipe diameter.Definitions of flow regimesSlug flow: As the volume fraction of the vapor increases, individual bubbles coalesce to form big bubbles, of a size similar to the pipe diameter. These are call

27、ed Taylor bubbles. The Taylor bubbles are separated by liquid slugs, which may have smaller bubbles in it. The Taylor bubbles are separated from the wall by a falling liquid film. Definitions of flow regimesChurn flow: When the velocity of the flow is increased, the slugs break-down into a seemingly

28、 unstable regime. Liquid may be flowing up and down in an oscillatory fashion. This is a flow regime in between the slug flow and annular flow. The churn flow regime can not be found in small diameter pipe. Definitions of flow regimesAnnular flow: The bulk of the liquid flows on the wall, as a film

29、and the gas is the continuous phase at the center of the pipe. Normally there is some liquid entrained in the continuous phase in the form of small droplets, and there may be some gas in the liquid film in the form of bubbles. Definitions of flow regimesMist flow: Mist flow regime occurs when the ve

30、locity of gas is extremely high and the velocity of liquid is very low. At this moment, liquid is dispersed as small droplets in the continuous gas. Fig.1 Flow regimes in a vertical pipe1.Bubbly flow; 2.Slug flow; 3.Churn flow; 4. Annular flow; 5.Mist flow 水平流动水平流动 Horizontal Flow1.1.泡状流泡状流（Bubbly F

31、lowBubbly Flow） 在泡状流中，气相以离散气泡的形式分散在连续的液体中，由于浮力的作用，气泡倾向于聚集在管子上半部流动。流速越高，气泡在管中分布越均匀。 Flow regimes in horizontal flow 2.2.塞状流塞状流（Plug FlowPlug Flow） 这是一种间歇流型，产生于低气体流速和中等液体流速时。在这种流态中，液弹被长气泡分割开，并且其中不夹杂小气泡。塞状流还被称为长泡状流型。 Flow regimes in horizontal flow 3.3.分层流分层流（Stratified FlowStratified Flow） 在分层流型中，气相和液

32、相分别在管子上部和下部流动，两相中存在明显的分界面。根据气液界面形状，可将分层流型划分为两种情况：平滑分层流和波状分层流。平滑分层流存在于低气体和液体流速时；随着气体速度增加，波状分层流形成。此时，气液分界面上产生波动，波动与流体同相运动。波动的幅度取决于两相之间的相对速度和流体的性质，如他们的密度和表面张力。 Flow regimes in horizontal flow 4.4.弹状流弹状流（Slug FlowSlug Flow） 随着塞状流（或长泡状流）中气体流速的增加，液弹中出现大量小气泡，弹状流形成。与塞状流相比，弹状流动的紊流程度加大，与长气泡尾部相接的液弹前方出现强烈的漩涡。 Flow regimes in horizontal flow 5.5.环状流环状流（Annular FlowAnnular Flow） 较高的气体流速会使液体在管壁上形成液膜，这与在垂直管中观察到的有些相似，液膜会有波动，液滴通常分散在气体核心中。两者的重要区别是水平管中管下部液膜比管上部的液膜厚（厚度变化取决于气体速度）