传热学-第7章.ppt

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1、第七章第七章 凝结与沸腾凝结与沸腾换热换热第第5 5、6 6章无章无相相变对变对流流换热换热 相相变变换热换热：凝凝结结换热换热 沸沸腾腾换热换热相变换相变换热特热特点点：潜：潜热热释放和吸收（释放和吸收（小，小，q q大）大）自然对流换热自然对流换热强制对流换热强制对流换热2022/12/201第7章 凝结与沸腾换热例例锅锅炉炉汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器水泵水泵水泵水泵冷却水冷却水冷却水冷却水过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽乏汽乏汽循环水循环水循环水循环水发电机发电机发电机发电机2022/12/202第7章 凝结与沸腾换热7-1 7-1 凝结换热现象凝结换热现象凝结换热实例凝结换热实例

2、 锅炉中的水冷壁锅炉中的水冷壁 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程2022/12/203第7章 凝结与沸腾换热凝结换热中的重要参数凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（t ts s-t-tw w）汽化潜热汽化潜热 r r 特征尺度特征尺度 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热热系数系数、比热容等、比热容等2022/12/204第7章 凝结与沸腾换热1.1.凝结形式凝结形式 膜状膜状凝结凝结 润湿能力好润湿能力好珠状珠状凝结凝结 润湿能力差润湿能力差g gg g2

3、.2.冷凝物相当于热阻冷凝物相当于热阻2022/12/205第7章 凝结与沸腾换热珠状凝结：换热好，难保持珠状凝结：换热好，难保持膜状凝结：工程中常用膜状凝结：工程中常用7-2 7-2 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2022/12/206第7章 凝结与沸腾换热假定：假定：1 1）常物）常物性；性；2 2）蒸气静）蒸气静止；止；3 3）液膜的惯性力忽）液膜的惯性力忽略；略；4 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；度；5 5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；热；6 6）液膜的过冷度忽）

4、液膜的过冷度忽略；略；7 7）忽略蒸汽密）忽略蒸汽密度；度；8 8）液膜表面平整无波动）液膜表面平整无波动1 1 纯净饱和蒸汽纯净饱和蒸汽层流层流膜状凝结分析解膜状凝结分析解2022/12/207第7章 凝结与沸腾换热g gt(y)t(y)u(y)u(y)Thermal boundary Thermal boundary layerslayersVelocity boundary Velocity boundary layerslayers微元控微元控制体制体边界层微分方程组：边界层微分方程组：对应对应于于P211P211页页(5-15)(5-15)，(5-16)(5-16)，(5-17)(5

5、-17)下脚标下脚标 l l 表示液相表示液相x x2022/12/208第7章 凝结与沸腾换热（3 3）液膜的惯性力忽略）液膜的惯性力忽略 （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 （7 7）忽略）忽略蒸汽密度蒸汽密度只有只有u u 和和 t t 两个两个未知量，未知量，方程组方程组化简为：化简为：2022/12/209第7章 凝结与沸腾换热边界条件：边界条件：求解上面方程可得：求解上面方程可得：(1)(1)液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定2022/12/2010第7章 凝结与沸腾换热(2)(2)局

6、部对流换热系数局部对流换热系数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定性温度：定性温度：注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定2022/12/2011第7章 凝结与沸腾换热倾倾斜壁斜壁，则用，则用 gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g g 即可即可(3)(3)修正：修正：2022/12/2012第7章 凝结与沸腾换热水平圆管水平圆管(4)(4)水平圆管水平圆管式中：下式中：下标标H H水水平平管，管，S S 球球;d;d 为水平为水平管或球的直径。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球表面球表面横管与竖管的对流换热系数之比：横

7、管与竖管的对流换热系数之比：2022/12/2013第7章 凝结与沸腾换热(5)(5)液膜内液膜内的流态的流态无波动无波动层流层流有波动有波动层流层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍凝结液体流动也分层流和湍流，流，式中：式中：u ul l ：x=lx=l 处液膜层的平均流速处液膜层的平均流速d de e ：该截面处液膜层的当量直径该截面处液膜层的当量直径2022/12/2014第7章 凝结与沸腾换热如图如图由由热平衡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l l即可。即可。横横管一管一般处般处于层流状态于层流状态2022/12/2015第7章 凝结与沸腾换热2 2 湍流

8、膜状凝结换热湍流膜状凝结换热临临界雷界雷诺数诺数=1600=1600。横管横管:直直径径较小较小-层流层流湍湍流液膜流液膜，层，层流流底层底层-导导热来传递热量热来传递热量外，外，层层流底层流底层之外之外-湍湍流传递为主，换热大为增强流传递为主，换热大为增强竖壁湍竖壁湍流凝结流凝结换热换热:平平均表面传热系数计算式为：均表面传热系数计算式为：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2022/12/2016

9、第7章 凝结与沸腾换热利用上面思想，整理的实验关联式：利用上面思想，整理的实验关联式：式：式：2022/12/2017第7章 凝结与沸腾换热7-3 7-3 影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素 工工程程实实际际中中所所发发生生的的膜膜状状凝凝结结过过程程往往往往比比较较复复杂杂，受各种因素的影响。受各种因素的影响。1.1.不凝结不凝结气体气体 1%1%的空气的空气 h h下降下降6060 2.2.蒸气流速蒸气流速 流速较高流速较高时时u u10m/s10m/s时，粘时，粘滞应滞应力不能略。力不能略。蒸蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，薄，h h

10、增增大；反大；反之使之使 h h 减小。减小。2022/12/2018第7章 凝结与沸腾换热 4.4.液膜过冷度及温度分布的非液膜过冷度及温度分布的非线性线性 3.3.过热蒸气过热蒸气 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。5.5.管子排数管子排数 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。2022/12/2019第7章 凝结与沸腾换热 6.6.管内冷凝管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。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。管子

11、上半部。流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。四周，中心为蒸气核。2022/12/2020第7章 凝结与沸腾换热 强化凝结换热原则：减薄液膜的厚度。尖峰、锯齿液膜拉薄沟槽凝结液排泄掉。7.凝结表面的几何形状2022/12/2021第7章 凝结与沸腾换热7-4 7-4 沸腾换热现象沸腾换热现象 蒸汽锅炉蒸汽锅炉 做饭做饭 许多其它的工业过程许多其它的工业过程1 1 生活中的例子生活中的例子2 2定义：定义：a a 沸沸腾：腾：b b 沸腾换沸腾换热：热：2022/12/2022第7章 凝结与沸腾换热a a 大容器沸腾大容

12、器沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；自由表面的液体中所发生的沸腾；3.3.分类：分类：大大容器沸腾容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)强强制对流沸制对流沸腾，腾，过过冷沸腾和饱和沸腾。冷沸腾和饱和沸腾。2022/12/2023第7章 凝结与沸腾换热c c 过冷沸腾：过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处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，称之为过冷于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾沸腾d d 饱和沸腾：饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面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

13、生的沸腾，称之为饱和沸腾温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾b b 强制对流沸腾：强制对流沸腾强制对流沸腾：强制对流沸腾2022/12/2024第7章 凝结与沸腾换热大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾曲曲线线：表表征征了了大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾的的全全部部过过程程，共共包包括括4 4个个换换热热规规律律不不同同的的阶阶段段：自自然然对对流流、核核态态沸沸腾腾、过过渡渡沸沸腾腾和和稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾，如如图图所所示：示：7.4.1 7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域大容器饱和沸腾的三个区域2022/12/2025第7章 凝结与沸腾换热qmaxqmin2022/12/2026第7章

14、 凝结与沸腾换热（1）临界热流密度（烧毁点）：热流）临界热流密度（烧毁点）：热流密度的峰值密度的峰值qmax 核核态沸腾态沸腾转折点转折点DNB：监视：监视接近接近qmax的警戒的警戒热流热流密度可控和温度可控的密度可控和温度可控的两种情况两种情况（2）稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾换换热热系系数数比比凝凝结结小小得得多多，因因为为热热量量必必须须穿过的是热阻较大的穿过的是热阻较大的汽膜。汽膜。7.4.2 临界热流密度临界热流密度2022/12/2027第7章 凝结与沸腾换热7.4.3 汽泡动力学简介汽泡动力学简介 (1)(1)汽泡的成长过程汽泡的成长过程汽化核心汽化核心：壁面上的凹穴和裂缝：壁面上

15、的凹穴和裂缝2022/12/2028第7章 凝结与沸腾换热(2)(2)汽泡的存在条件汽泡的存在条件 临界气泡临界气泡半半径径R R (克拉贝龙方程克拉贝龙方程)式中：式中：表面张力，表面张力，N/mN/m；同同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强2022/12/2029第7章 凝结与沸腾换热7-5 沸腾换热计算式沸腾换热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却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，即公式仍然适用，即沸腾曲线，应用不同区域选取不同的计沸腾曲线，应用不同区域选取不同的计

16、算公式算公式1 1 大容器饱和核态沸腾大容器饱和核态沸腾 影响核态沸腾的影响核态沸腾的因素：因素：过热度过热度 汽汽化核化核心数表心数表面材料、表面状况、面材料、表面状况、压力压力2022/12/2030第7章 凝结与沸腾换热（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按按 经验关联式自学经验关联式自学2022/12/2031第7章 凝结与沸腾换热（2）罗森诺公式）罗森诺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式中，式中，r 汽化潜热

17、；汽化潜热；Cpl 饱和液体的比定压热容饱和液体的比定压热容 g 重力加速度重力加速度 l 饱和液体的动力粘度饱和液体的动力粘度 Cwl 取决于加热表面液体取决于加热表面液体 组合情况的经验常数组合情况的经验常数(表表6)q 沸腾传热的热流密度沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水经验指数，水s=1,否则，否则，s=1.72022/12/2032第7章 凝结与沸腾换热上式可以改写为：上式可以改写为：可见，可见，2 大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：书中推荐适用如下经验公式：2022/12/2033第7章 凝结与沸腾换热3 大容器膜态沸腾的关联式大容器膜态沸

18、腾的关联式（1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾r 和和 l 饱饱和温度和温度 ts 定性温度定性温度tm(twts)/2 特特征征长度长度 管管子外径子外径d,如如果加热表面为球面，则上式中的系数果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为改为0.672022/12/2034第7章 凝结与沸腾换热勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：其中：（2）考虑热辐射作用）考虑热辐射作用2022/12/2035第7章 凝结与沸腾换热7-6 7-6 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素沸腾沸腾换热：最换热：最复杂的，影响因素也复杂的，影响因素也最多最多影影响因响因素只

19、素只针对大容器沸腾换热。针对大容器沸腾换热。1 不凝结气体不凝结气体 对膜状凝结换热的影响？对膜状凝结换热的影响？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，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2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，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。见见p.1832022/12/2036第7章 凝结与沸腾换热3 液位高度液位高度液位液位H足足够高时够高时，h与与H无关。无关。但但当液位降低到一定值时当液位降低到一定值时，h会会明

20、显地明显地随随H降降低而升高低而升高(临临界液位界液位)。图中介质为一个图中介质为一个 大气压下的水大气压下的水2022/12/2037第7章 凝结与沸腾换热 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，由于热规律没有影响，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。4 4 重力加速度重力加速度就就现有的成果表明：现有的成果表明：2022/12/2038第7章 凝结与沸腾换热5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸沸腾腾表表面面上上的的微微小小凹

21、凹坑坑最最容容易易产产生生汽汽化化核核心心，因因此此，凹凹坑坑多多，汽汽化化核核心心多多，换换热热就就会会得得到到强强化化。近近几几十十年年来来的的强强化化沸沸腾腾换换热热的的研研究究主主要要是是增增加加表表面面凹凹坑坑。目目前前有有两两种种常常用用的的手手段段：(1)用用烧烧结结、钎钎焊焊、火火焰焰喷喷涂涂、电电离离沉沉积积等等物物理理与与化化学学手手段段在在换换热表面上形成多孔结构。热表面上形成多孔结构。(2)机械加工方法。机械加工方法。2022/12/2039第7章 凝结与沸腾换热2022/12/2040第7章 凝结与沸腾换热第第7 7章作业：章作业：4 4，5 5，1212，19192022/12/2041第7章 凝结与沸腾换热