第七章凝结及沸腾换热_传热学.ppt

1、1,第七章 凝结与沸腾换热,7-1 凝结换热,7-2 沸腾换热,2,7-1 凝结换热,一.概述,1.凝结,2.凝结形式,膜状凝结:,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,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,凝结液将形成连续的膜向下流动,(2) 珠状凝结,3,(3) 两种凝结形式的比较,膜状凝结: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，因此，液膜厚度及运动状态直接影响了热量传递。,珠状凝结: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接接触，因此，换

2、热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）,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多属于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结.,4,1. 层流膜状凝结换热理论解,1）常物性； 2）蒸气静止； 3）液膜的惯性力忽略； 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度； 5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热； 6）液膜的过冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度； 8）液膜表面平整无波动,二.膜状凝结换热,(1)假定,5,边界层微分方程组：,下脚标 l 表示液相,(2)理论解的推导,6,7,边界条件：,求解上面方程可得：,(1) 液膜厚度

3、,定性温度：,注意：r 按 ts 确定,8,(2) 局部对流换热系数,整个竖壁的平均表面传热系数,(3) 修正：,定性温度：,注意：r 按 ts 确定,竖壁:,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20左右,9,用 gsin 代替以上各式中的 g 即可,水平圆管:,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,式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 为水 平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同,倾斜壁:,横管与竖管的对流换热系数之比：,10,时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。,另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相

4、关的研究，如当 并且，,11,(1) 凝结液膜雷诺数Rec,凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时Rec，,式中： um 壁的底部液膜断面平均流速； de 液膜层的当量直径。,2. 层流膜状凝结换热准则关联式,12,由热平衡 所以 对水平管，用 代替上式中的 即可。,并且横管一般都处于层流状态,如图,13,(2) 凝结准则Co,竖壁:,(3) 准则关联式,水平管:,14,三. 湍流膜状凝结换热,液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1800。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,竖壁湍流

5、液膜段的平均表面传热系数:,15,对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为：,式中：hl 为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度,16,四. 影响膜状凝结的因素,要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。,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,1. 不凝结气体,2. 蒸气流速,3. 过热蒸气,流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， 增大；反之使 减小。,17,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 ，,管

6、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。,4. 液膜过冷度及温度分布的非线性,5. 管子排数,6. 管内冷凝,此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低时，凝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，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上 排泄掉。,7. 凝结表面的几何形状,19,20,7-2 沸腾换热,一. 概述,2.分类：,a.沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态

7、的一种剧烈的汽化过程 b.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,a.大空间沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由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大空间沸腾(池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。,1.定义：,21,加热表面,b.强制对流沸腾：强制对流沸腾,c.过冷沸腾：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,22,d 饱和沸腾：,二.大空间饱和沸腾,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心，较普遍的看法认为，壁面

8、上的凹穴和裂缝易残留气体，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发生的沸腾，称之为饱和沸腾,1. 汽泡动力学简介,(1) 汽泡的成长过程,23,(2) 汽泡的存在条件,式中： 表面张力，N/m；r 汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，C ts 对应压力下的饱和温度， C 可见， (tw ts ) , 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,汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程),24,3 大空间饱和沸腾曲线：,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

9、流、泡态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：,25,4.几点说明：,（1）上述热流密度的峰值qmax 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。,（2）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。,26,三. 大空间泡态沸腾表面传热系数计算,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,影响泡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

10、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。,27,为此，书中分别推荐了两个计算式,按 ,（1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海耶夫公式，压力范围：1054106 Pa,（2）罗森瑙公式广泛适用的强制对流换热公式,28,（2）罗森瑙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，st = f ( Re, Pr )也应该适用。罗森瑙正是在这种思路下，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

11、液体组 合情况的经验常数 q 沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7,29,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。,30,四. 影响沸腾换热的因素,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，影响因素也只针对大容器沸腾换热。,1 不凝结气体,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,2 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，

12、，因此，过冷会强化换热。,31,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)。,图中介质为一个大气压下的水,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：,3.液位高度,4.重力加速度,32,从0.1 -1009.8 m/s2 的范围内，g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 因此，g Nu 换热加强。,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：(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。,5.沸腾表面的结构,33,34,.,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?,3.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?,4.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?,5.池内饱和沸腾曲线可