第六章凝结与沸腾换热精选文档.ppt
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1、第六章凝结与沸腾换热1本讲稿第一页,共六十二页一、一、凝结换热凝结换热 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。各种液体各种液体二、凝结换热的分类二、凝结换热的分类 1.1.膜状凝结膜状凝结(filmwise condensation):(filmwise condensation):在壁面形成完整的液膜的凝结。在壁面形成完整的液膜的凝结。2.2.珠状凝结珠状凝结(dropwise condensation)(dropwise condensation):凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。6-1 6-1
2、凝结换热现象凝结换热现象本讲稿第二页,共六十二页 是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力,而润湿能力是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力,而润湿能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明,几乎所又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明,几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。状凝结。本讲稿第三页,共六十二页本讲稿第四页,共六十二页 珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落,沿途清扫液珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落,沿途清扫液珠,壁面裸露,蒸气直接与壁接触,
3、凝结成新的液珠。珠,壁面裸露,蒸气直接与壁接触,凝结成新的液珠。在珠状凝结时,蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻,故传热大在珠状凝结时,蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻,故传热大的加强,一般的加强,一般 在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时,先在壁面在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时,先在壁面上凝结成液体,沿壁面下流,逐渐形成液膜。上凝结成液体,沿壁面下流,逐渐形成液膜。膜状凝结时,壁面总被液膜覆盖,凝结时放出的潜热必须穿过液膜膜状凝结时,壁面总被液膜覆盖,凝结时放出的潜热必须穿过液膜才能传到壁面上,故液膜是换热的主要热阻。才能传到壁面上,故液膜是换热的主要热阻。珠状凝结好珠状凝结好 难于
4、获得难于获得:通过材料表面改性或涂憎水层。通过材料表面改性或涂憎水层。本讲稿第五页,共六十二页一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解凝结换热是一个非常复杂的现象,如要考虑所有因素将无法进行凝结换热是一个非常复杂的现象,如要考虑所有因素将无法进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化,忽略次要因素,突出主要因分析。传热学中惯用的方法是进行简化,忽略次要因素,突出主要因素,使理论分析可以进行。素,使理论分析可以进行。Nusselt Nusselt 于于19161916年成功地用理论分析法求年成功地用理论分析法求解了膜状凝结问题。下面即为此理论:解了膜状凝结问题。下面即为此理论:1
5、.1.物理问题:蒸气在冷壁面凝结,形成液膜,蒸气凝结将热量传给冷物理问题:蒸气在冷壁面凝结,形成液膜,蒸气凝结将热量传给冷壁面,求换热系数。壁面,求换热系数。6-2 6-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式本讲稿第六页,共六十二页1 1)常物性;)常物性;2 2)蒸气是静止的,汽液界面上无对液膜的粘滞应力;)蒸气是静止的,汽液界面上无对液膜的粘滞应力;3 3)液膜惯性力可以忽略;)液膜惯性力可以忽略;4 4)汽液界面上无温差,界面上液膜温度等于饱和温度;)汽液界面上无温差,界面上液膜温度等于饱和温度;5 5)膜内温度分布是线形的,即认为液膜内的热量转移只有导热,)膜内温度分
6、布是线形的,即认为液膜内的热量转移只有导热,而无对流作用;而无对流作用;6 6)液膜的过冷度可以忽略;)液膜的过冷度可以忽略;7 7)v v l l,v可忽略不计;可忽略不计;8 8)液膜表面平整无波动。)液膜表面平整无波动。2.2.基本假设基本假设:本讲稿第七页,共六十二页取如右图所示的坐标系,取如右图所示的坐标系,因为液膜具有边界层的特性,因为液膜具有边界层的特性,故满足边界层微分方程组,但故满足边界层微分方程组,但要加上重力项。要加上重力项。BernoulliBernoulli方程方程 边界层外边界层外3.3.数学描述:数学描述:本讲稿第八页,共六十二页4.4.求解求解本讲稿第九页,共六
7、十二页?x x 处的质量流量处的质量流量X+dxX+dx 处质量流量的增加处质量流量的增加对微元体应用热力学第一定律对微元体应用热力学第一定律即即本讲稿第十页,共六十二页得得液膜厚度液膜厚度分离变量积分分离变量积分本讲稿第十一页,共六十二页竖壁的平均表面传热系数:竖壁的平均表面传热系数:5.5.局部表面传热系数局部表面传热系数 Newton cooling Law Newton cooling Law(忽略过冷度)(忽略过冷度)本讲稿第十二页,共六十二页倾斜壁倾斜壁水平管水平管 Nusselt Nusselt 采用图解积分得采用图解积分得球表面球表面本讲稿第十三页,共六十二页=定性温度,除定性
8、温度,除r r 用用 t ts s 外其余皆为外其余皆为(t tw w+t ts s)/2/2=公式使用范围,层流公式使用范围,层流 Re1600 Re20Re20)本讲稿第十五页,共六十二页Condensation NumberCondensation Number横管横管(层流膜状,不可能湍流)层流膜状,不可能湍流)本讲稿第十六页,共六十二页惯性力项及液膜过冷度的影响均可略而不计。工业应用场合满足此条件惯性力项及液膜过冷度的影响均可略而不计。工业应用场合满足此条件实验表明,液膜由层流转变为湍流的临界雷诺数为实验表明,液膜由层流转变为湍流的临界雷诺数为 1600 1600。研究表示对于研究表
9、示对于PrPr数接近于数接近于1 1或大于或大于1 1的流体,只要的流体,只要8.8.理论公式的修正理论公式的修正横管吻合很好。竖壁,横管吻合很好。竖壁,Re20Re20Re20时,实验值高时,实验值高20%20%本讲稿第十七页,共六十二页对于对于Re Re 1600 1600 的湍流液膜,热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底的湍流液膜,热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外,层流底层以外以湍流传递为主,换热比层流时大层仍依靠导热方式外,层流底层以外以湍流传递为主,换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热,其沿整个壁面的平为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换
10、热,其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算:均表面传热系数按下式计算:除除PrPrw w 的定性温度用的定性温度用 t tw w 外,其余均用外,其余均用t ts s,物性为凝结液的,物性为凝结液的 二、湍流膜状凝结换热二、湍流膜状凝结换热本讲稿第十八页,共六十二页 例题例题 6-1 6-1 压力为压力为1.013101.013103 3Pa Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为尺寸为30cm30cm30cm30cm,壁温保持,壁温保持9898。计算每小时的热换量及凝结蒸。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。汽量。解:先假设液膜为层流。解:先假设液膜为层流。根
11、据根据 t ts s=100=100,查得,查得r r=2257kJ/kg=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均温度其他物性按液膜平均温度 t tm m=(100+98)/2=99=(100+98)/2=99 查取,得:查取,得:=958.4kg/m=958.4kg/m3 3,=2.825 102.825 10-4-4kg/(m.s),kg/(m.s),=0.68W/(m.K)0.68W/(m.K)则有:则有:本讲稿第十九页,共六十二页核算核算ReRe准则:准则:说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算:说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算:凝结蒸汽量为:凝结
12、蒸汽量为:本讲稿第二十页,共六十二页1.1.不凝结气体:不凝结气体:由于不凝结气体形成气膜,故由于不凝结气体形成气膜,故:1).1).蒸气要扩散过气膜,形成阻力;蒸气要扩散过气膜,形成阻力;2).2).气膜导致蒸气分压力降低,从而使气膜导致蒸气分压力降低,从而使 t ts s 降低降低:=严重性:严重性:1%1%的不凝结气体能使的不凝结气体能使 h h降低降低 60%60%=凝汽器凝汽器 6-3 6-3 影响膜状凝结因素的讨论影响膜状凝结因素的讨论本讲稿第二十一页,共六十二页2.2.蒸气流速蒸气流速 前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。=u u 向上向上 液
13、膜增厚液膜增厚 h h ;u u 液膜破裂液膜破裂 h h =u u 向下向下 液膜减薄液膜减薄 h h ;u u 液膜破裂液膜破裂 h h 3.3.过热蒸气过热蒸气 实验证实实验证实 代替代替 r r 即可即可4.4.液膜过冷度及温度分布的非线形液膜过冷度及温度分布的非线形 只要用只要用 代替计算公式中的代替计算公式中的 r r,即可:,即可:本讲稿第二十二页,共六十二页5.5.管子排数管子排数 n n排排,特征长度特征长度d d nd nd 由于凝结液落下时要产生飞溅以及对由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动,会使液膜的冲击扰动,会使 h h 增大。增大。6.6.管内冷凝管内冷凝
14、低速高速本讲稿第二十三页,共六十二页本讲稿第二十四页,共六十二页本讲稿第二十五页,共六十二页7.7.凝结表面情况凝结表面情况 凝结换热的放热系数一般比较大,故在常规冷凝器中其热阻不占凝结换热的放热系数一般比较大,故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的,空气的漏入使主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的,空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明,采用强化措施可以收冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明,采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中,强化有更大现实意义。到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中,强化有更大现实意义。强化的原则:尽
15、量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。强化的原则:尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。实现的方法实现的方法:=尖锋的表面尖锋的表面=使凝结液尽快从换热表面上排泄掉使凝结液尽快从换热表面上排泄掉 如低肋管、纵向沟槽等如低肋管、纵向沟槽等=表面改性,使膜状凝结变为珠状凝结表面改性,使膜状凝结变为珠状凝结 表面涂层(油脂、纳米技术)、离子注入表面涂层(油脂、纳米技术)、离子注入本讲稿第二十六页,共六十二页本讲稿第二十七页,共六十二页(Boiling heat transfer phenomena)(Boiling heat transfer phenomena)一、一、定义:定义:物质由液态变为气态时发
16、生的换热叫物质由液态变为气态时发生的换热叫沸腾换热沸腾换热。应用:电站中的水冷壁;工业锅炉中的省煤器;烧开水;冰箱中氟应用:电站中的水冷壁;工业锅炉中的省煤器;烧开水;冰箱中氟里昂的蒸发等。里昂的蒸发等。=沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程=许多学科中正反过程的(物理机制)公式是一样的许多学科中正反过程的(物理机制)公式是一样的=传热有时不一样(管内强制对流)传热有时不一样(管内强制对流)=沸腾比凝结复杂得多沸腾比凝结复杂得多 6-4 6-4 沸腾换热现象沸腾换热现象(本科生本科生11.9)本讲稿第二十八页,共六十二页1.1.按流动动力分按流动动力分
17、a).a).大容器大容器(或池内或池内)沸腾沸腾(Pool boiling)(Pool boiling):加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。例铝壶烧开水等例铝壶烧开水等 b).b).强制对流沸腾强制对流沸腾(Forced convection boiling)(Forced convection boiling):液体在外力的作用下,以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾液体在外力的作用下,以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。工业上的沸腾换热多属于此。换热。工业上的沸腾换热多属于此。例如冰箱的蒸发器、自然循环锅炉蒸发受热面传热。例如冰箱的蒸
18、发器、自然循环锅炉蒸发受热面传热。二、二、沸腾换热的分类沸腾换热的分类本讲稿第二十九页,共六十二页2.2.从主体温度分:从主体温度分:a).a).过冷沸腾过冷沸腾(Subcooled boiling)(Subcooled boiling):液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。b).b).饱和沸腾饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)(Saturated or bulk boiling):液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。例如烧开水热。例如烧开水本
19、讲稿第三十页,共六十二页 4 4个区域个区域(电阻丝加热电阻丝加热)=A A 区区 t t44 自然对流自然对流 pure convection pure convection 过热液体对流到自由液过热液体对流到自由液 面后蒸发面后蒸发 =B,C B,C核态沸腾核态沸腾区区 Nucleate boilingNucleate boiling B B 孤立汽泡区孤立汽泡区 individual bubble individual bubble regime regime 汽泡彼此不干扰汽泡彼此不干扰,对液体扰动大对液体扰动大,换热强换热强 C C 汽块区汽块区 Continuous column
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