相变对流传热

1、第7章 相变对流传热,7.1 凝结传热的模式,7.1.1 珠状凝结与膜状凝结,相变对流传热： 凝结：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。 沸腾：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。,两种凝结形式： 膜状凝结：凝结液体能湿润壁面，并在壁面上铺展成膜。 珠状凝结：凝结液不能湿润壁面，在壁面上聚集成液珠。,润湿能力： 分子作用力的表现。 液体分子之间有内聚力， 液体与壁面分子有附着力。 附着力大于内聚力时， 液体润湿壁面的能力强。 例如： 干净的玻璃表面， 水容易铺展成膜， 而水银形成液珠。,7.1.2

2、凝结液构成了蒸气与壁面间的主要热阻,膜状凝结：凝结液膜覆盖整个壁面， 液膜将蒸汽与壁面隔开， 形成较大热阻。,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， 热阻较小， 并且液珠逐渐长大， 到一定程度会沿壁面滚下， 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。,7.1.3 膜状凝结是工程设计的依据,工程实践表明：,纯净条件下，平整传热表面，都是膜状凝结。,工程设计中： 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 。,7.2.1 努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解,7.2 膜状凝结分析解及计算关联式,1. 对实际问题的简化假设,纯净、饱和蒸气、均

3、匀壁温、层流、膜状凝结,（1）常物性； （2）蒸气静止，无粘滞应力； （3）忽略液膜惯性力； （4）气液界面无温差 （5）液膜导热无对流，温度线性分布； （6）忽略液膜过冷度； （7）忽略蒸气密度 （8）液膜表面平整无波动。,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： （液膜体积力 ）,2. 边界层方程组的简化,简化： 动量方程 液膜层流,竖直方向无惯性力，流动慢,压力梯度, 能量方程,液膜无对流,边界层方程组：,边界条件：,时： ，,时： ，,3. 主要求解过程与结果(过程略）,液膜厚度：,局部表面传热系数：,平均表面传热系数：,（ 汽化潜热）,（ 竖壁高度）,7.2.

4、2 竖直管与水平管的比较及实验验证,1. 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，,水平圆管，平均表面传热系数：（ 外径）,球表面，平均表面传热系数：（ 直径）, 相变潜热：饱和温度 ； 定性温度：,2. 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,横管外径 ，竖壁高度,在其他条件相同时：,在 时：,因此：横管可强化换热。例如：冷凝器常用横管布置。,3. 分析解的实验验证和假设条件的影响,实验表明： 时，实验结果与理论相符； 时，有偏差；转折点高 20% 。,工程修正：,7.2.3 湍流膜状凝结,流动状态判别：膜层雷诺数,对竖壁：高 ，膜厚 ，膜宽 平均流速

5、 （ 处流速）,雷诺数：,当量直径：,注意：,质量流量,换热量,膜层雷诺数,实验表明：,竖壁,横管均为层流，,湍流膜状凝结：,上部层流，下部湍流,平均传热：,伽利略数：,定性温度：,特征长度：竖壁高度,P309习题7-1 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98oC。试计算每小时的传热量及凝结蒸气量。,解：流动状态，无法确定：,，,假设为层流：,时，,，,P565附录10,定性温度：,物性参数：（液膜）,，,P563附录9,层流液膜：,膜层雷诺数：,换热量：,凝结蒸气量：,7.3.1 膜状凝结的影响因素,7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化

6、,1. 不凝结气体,来源：蒸气带入、蒸气分解、系统漏入等。 危害：含有 1% 空气，表面传热系数降低 60% 。 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， 温差减小，使凝结过程削弱。 措施：断绝来源，去除不凝结气体。 如抽气器、空气分离器等。,2. 管子排数,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； 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， 两者都会使传热增强。,3. 管内冷凝,蒸气流速不同，管内液膜形状不同，热阻不同。,低速时： 聚在底部,高速时： 分布

7、在四周,4. 蒸气流速,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反方向，增厚液膜，减弱传热。,5. 蒸气过热度,过热蒸气在换热器中放热，两个阶段：,过热蒸气,饱和蒸气,饱和液体,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. 液膜过冷度及温度分布的非线性,可对相变热进行修正：,7.3.2 膜状凝结的强化原则和技术,1. 尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则,两种方法： 减薄液膜厚度； 及时排除液体。,2. 强化技术简介,竖壁、竖管： 降低传热面高度， 竖管改为横管；,利用尖峰： 液膜表面张力 减薄尖峰上液膜厚度。,内侧微肋管：

8、有效减少热阻。,分段排液： 控制液膜厚度。,7.4 沸腾传热的模式,7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域,汽化的两种形式： 蒸发：液体表面上的汽化过程。 沸腾：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： 大容器沸腾：由于液体内温差和汽泡扰动，引起流体运动。 管内沸腾：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， 将水加热到饱和温度，产生沸腾饱和沸腾。 提高加热棒电流密度，可增大过热度 。, 自然对流区： 沸腾还未开始， 加热壁面上无气泡， 水绕加热棒作自然对流。, 核态沸腾区： 在加热面的特殊点上 产生气泡汽化核心； 开始气

9、泡较小，互不干扰 孤立气泡区；,过热度增加，气泡合并， 成为气块、气柱， 产生气泡的速度小于 气泡脱离加热面的速度； 气泡的剧烈扰动， 使传热急剧增大； 沸腾特点： 温压小，传热强， 工业设计都在此范围。, 过渡沸腾区： 加热表面上气泡产生速度 大于脱离速度， 气泡汇聚覆盖在加热面上， 形成气膜， 气膜热阻使传热急剧减弱。, 膜态沸腾区： 加热面上 形成稳定的气膜层， 此时壁面温度较高， 辐射传热增强， 热流密度又开始增大。,7.4.2 临界热流密度及其工程意义, 控制热流密度 ： 如电加热器、核反应堆等。 当热流密度超过峰值 ， 沸腾会直接跳到膜态沸腾， 过热度会猛升到 1000oC ， 可

10、烧毁设备烧毁点。 工程上常设置警戒点（DNB), 以免达到烧毁点。, 控制壁温 如蒸发冷凝器等。 避免沸腾超过峰值 ，使热流密度降低。,7.4.3 气泡动力学简介,1. 为什么沸腾传热有那样高的传热强度,对水的核态沸腾： 比强制对流至少高一个数量级。,原因： 汽化时，吸收汽化潜热 ； 汽泡运动，引起流体剧烈扰动。,强化沸腾传热：增大汽泡数量，即增加汽化核心。,2. 加热表面上什么地点最容易成为汽化核心,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。,两方面原因： 狭缝处加热面积比平直处大，传递热量多； 狭缝处容易残留气体，成为产生汽泡的核心。,3. 加热面上要产生汽泡液体必须

11、过热,汽泡形成条件： 汽泡内外压力差 表面张力,忽略液体静压：,汽泡内为饱和压力：,热平衡时：,汽泡公式：,即：液体必须过热。,由汽泡公式：,液体过热度 越大： 越大， 越小， 越易形成汽泡。, 加热面过热度最大，最易形成汽泡；, 减小，使得较小残留汽泡 成为汽化核心，汽化核心数量增大。,7.5 大容器沸腾传热的实验关联式,7.5.1 大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式,1. Rohsenow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： 随温度剧烈变化，,饱和液体的比定压热容 ；,壁面过热度， 汽化潜热 ；,液体-蒸汽界面的表面张力 ；,加热表面-液体组合的经验系数 ；,经验指数，

12、对水 ，其他液体,2. 库珀公式,对制冷介质：,单位,液体的相对分子质量（分子量）；,对比压力（液体压力与临界压力之比）；,表面平均粗糙度（0.3 - 0.4)。,7.5.2 大容器饱和沸腾临界热负荷计算式,泰勒计算式：,由实验修正后：,对水，实验值为：,7.5.3 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， 流动和传热都可用边界层理论分析，结果也相似。,横管膜态沸腾：,饱和温度：,平均温度：,特征长度：外径,加热表面为球面：系数取 0.67,膜态沸腾应考虑辐射传热， 勃洛姆来公式：,复合传热,辐射传热,传热表面发射率；,P325例题7-4 在1.013105Pa的绝对压力下，

13、水在tw=113.9oC的铂质加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽化率。,解：大容器沸腾：,核态沸腾,水-铂表面，经验常数：,对水，经验指数：,对水 时：,对水蒸气 时：,将物性参数代入，热流密度：,单位面积汽化率：,P326例题7-6 水平铂线通电加热，在1.013105Pa的水中产生稳态膜态沸腾。已知twts=654oC，导线直径为1.27mm，求沸腾传热表面传热系数。,解：,对水 时：,对水蒸汽 时：,注：水不会过热， 蒸汽会过热。,膜态沸腾：,取壁面发射率：,辐射传热：,复合传热：,7.6 沸腾传热的影响因素及其强化,7.6.1 影响沸腾传热的因素,1. 不凝结气体,与膜状凝结不同， 不凝结气体，往往成为汽化核心，可强化传热。 但实现困难，需用设备不断注入不凝结气体。,2. 过冷度,在核态沸腾起始阶段， 过冷度可增大自然对流强度，传热增强。 在其他沸腾传热阶段基本无影响。,3. 液位高低,