【教学课件】第六章凝结与沸腾换热.ppt
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1、第六章第六章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热1 1、重点内容:、重点内容:凝结与沸腾换热机理及其特点;凝结与沸腾换热机理及其特点;膜状凝结换热分析解及实验关联式;膜状凝结换热分析解及实验关联式;大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2 2、掌握内容:、掌握内容:掌握影响凝结与沸腾换热的因素。掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3 3、了解内容:、了解内容:了解强化凝结与沸腾换热的措施及发了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。展现状、动态。蒸汽遇冷凝结,液体受热沸腾属对流蒸汽遇冷凝结,液体受热沸腾属对流换热。其特点是:伴随有相变的对流换热。换热。其特点是:伴随有相变
2、的对流换热。工程中广泛应用工程中广泛应用的是:冷凝器及蒸发的是:冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。器、再沸器、水冷壁等。6-1 6-1 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凝结换热的凝结换热的关键点关键点凝结可能以不同的形式发生,膜状凝结和珠凝结可能以不同的形式发生,膜状凝结和珠状凝结状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的
3、因素会分析竖壁和横管的换热过程,及会分析竖壁和横管的换热过程,及NusseltNusselt膜膜状凝结理论状凝结理论1 1、凝结换热现象、凝结换热现象 蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时,将汽化蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时,将汽化潜热释放给固体壁面,并在壁面上形成凝结液的潜热释放给固体壁面,并在壁面上形成凝结液的过程,称凝结换热现象。有两种凝结形式。过程,称凝结换热现象。有两种凝结形式。2 2、凝结换热的分类、凝结换热的分类 根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种 (1)(1)膜状凝结膜状凝结 定义:定义:凝结液体能很好地湿润壁面,并凝结液体能很好地湿润壁面,并能在
4、壁面上均匀铺展成膜的凝结形式,能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式,称膜状凝结。称膜状凝结。特点:特点:壁面上有一层液膜,凝结放出的壁面上有一层液膜,凝结放出的相变热(潜热)须穿过液膜才能传到冷相变热(潜热)须穿过液膜才能传到冷却壁面上,却壁面上,此时液膜成为主要的换热此时液膜成为主要的换热热阻热阻 g(2)(2)珠状凝结珠状凝结 定义:定义:凝结液体不能很好地湿润壁凝结液体不能很好地湿润壁面,凝结液体在壁面上形成一个个面,凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式,称珠状凝结。小液珠的凝结形式,称珠状凝结。特点:特点:凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却
5、壁面上。可传到冷却壁面上。所以,在其它条件相同时,珠状凝结的表面传所以,在其它条件相同时,珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。热系数定大于膜状凝结的传热系数。g 6-2 6-2 膜状凝结分析解及关联式膜状凝结分析解及关联式1 1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解 假定假定:1 1)常物性;)常物性;2 2)蒸气静止;)蒸气静止;3 3)液膜的惯性)液膜的惯性力忽略;力忽略;4 4)气液界面上无温差,即液膜温度等于)气液界面上无温差,即液膜温度等于饱和温度;饱和温度;5 5)膜内温度线性分布,即热量转移只)膜内温度线性分布,即热量转移只有导热;有导热;6 6)液
6、膜的过冷度忽略;)液膜的过冷度忽略;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根据以上根据以上 9 9 个假设从边界层微分方程组推出努个假设从边界层微分方程组推出努塞尔的简化方程组,从而保持对流换热理论的塞尔的简化方程组,从而保持对流换热理论的统一性。同样的,凝结液膜的流动和换热符合统一性。同样的,凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。边界层的薄层性质。以竖壁的膜状凝结为例:以竖壁的膜状凝结为例:x x 坐标为重力方向,如坐标为重力方向,如图所示。图所示。在稳态情况下,凝结液膜流动的在稳态情况下,凝结液膜流动的微分方程组为微分方程组为 :下脚标下脚
7、标 l l 表示液相表示液相考虑假定(考虑假定(3 3)液膜的惯性力忽略)液膜的惯性力忽略 考虑假定(考虑假定(7 7)忽略蒸汽密度)忽略蒸汽密度 只有只有u u 和和 t t 两个未知量,于是,上面得方两个未知量,于是,上面得方程组化简为:程组化简为:考虑假定(考虑假定(5 5)膜内温度线性分布,即热量膜内温度线性分布,即热量转移只有导热转移只有导热边界条件: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(2)(2)局部表面传热系数局部表面传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
8、数定性温度:定性温度:注意:注意:r r 按按 t ts s 确定确定(3)(3)修正:修正:实验表明,由于液膜表面波动,凝结实验表明,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换热得到强化,因此,实验值比上述得理论值高2020左右左右修正后:修正后:(4 4)当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时,)当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时,其平均表面传热系数为:其平均表面传热系数为:水平管:水平管:球:球:横管与竖管的对流换热系数之比:横管与竖管的对流换热系数之比:2 2 膜层中凝结液的流动状态膜层中凝结液的流动状态 无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结
9、液体流动也分层流和湍流,并且其判断依据凝结液体流动也分层流和湍流,并且其判断依据仍然时仍然时ReRe,式中:式中:u ul l 为为 x=lx=l 处液膜层的平均流速;处液膜层的平均流速;de de 为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。对水平管,用对水平管,用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态如图如图由热平衡由热平衡所以所以3 3 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热实验证明:实验证明:(1 1)膜层雷诺数)膜层雷诺数 Re=1600 Re=1600 时,液膜由时,液膜由层流转变为紊流层流转变为紊流 ;(2 2)横管均在
10、层流范围内,因为管径)横管均在层流范围内,因为管径较小。较小。特征特征:对于紊流液膜,热量的传递:(对于紊流液膜,热量的传递:(1 1)靠近壁)靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量;(面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量;(2 2)层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因此,紊流液膜换热远大于层流液膜换热。此,紊流液膜换热远大于层流液膜换热。计算方法:计算方法:对于对于竖壁湍流膜状换热竖壁湍流膜状换热,沿整个,沿整个壁面上的壁面上的平均表面传热系数平均表面传热系数 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
11、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利用上面思想,整理的利用上面思想,整理的实验关联式实验关联式:式中:式中:。除。除 用壁温用壁温 计算外,其余物理量的定性温度均为计算外,其余物理量的定性温度均为6-3 6-3 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,受受各各种因素的影响。种因素的影响。1.1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力,同时使饱和温度下不凝结气体增加了传递过程的阻力,同时使
12、饱和温度下 降,减小了凝结的驱动力降,减小了凝结的驱动力2.2.蒸气流速蒸气流速 流速较高时,蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。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,如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时,使液膜拉薄,增大;反之使增大;反之使 减小。减小。4.4.液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如如果果考考虑虑过过冷冷度度及及温温度度分分布布的的实实际际情情况况,要要用用下下式式代代替计算公式中的替计算公式中的 ,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
13、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。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。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。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。蒸气流速低蒸气流速低时,凝结液主要在管子底部,蒸气则位于时,凝结液主要在管子底部,蒸气则位于 管子上半部。管子上半部。流速较高流速较高时,形成环状流动,凝结液均匀分布在管子时,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。7.7.凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状v强强化化凝凝结结换换热热的的
14、原原则则是是尽尽量量减减薄薄粘粘滞滞在在换换热热表表面面上的液膜的厚度。上的液膜的厚度。v可可用用各各种种带带有有尖尖峰峰的的表表面面使使在在其其上上冷冷凝凝的的液液膜膜拉拉薄薄,或或者者使使已已凝凝结结的的液液体体尽尽快快从从换换热热表表面面上上排排泄泄掉。掉。6-4 沸腾换热现象沸腾换热现象沸腾的定义:沸腾的定义:沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。的汽化过程称为沸腾。沸腾的特点沸腾的特点 1 1)液体汽化吸收大量的汽化潜热;)液体汽化吸收大量的汽化潜热;2 2)由于汽泡形成和脱离时带走热量,使加热表)由于汽泡形成和脱离时带走热量,使加热表面
15、不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动,所以沸面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动,所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。腾换热强度远大于无相变的换热。沸腾换热分类:沸腾换热分类:1 1)大容器沸腾(池内沸腾)大容器沸腾(池内沸腾);2 2)强制对流沸腾(管内沸腾)强制对流沸腾(管内沸腾)上述每种又分为上述每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。产生沸腾的条件:产生沸腾的条件:理论分析与实验证明,产生沸腾的条件:理论分析与实验证明,产生沸腾的条件:1 1)液体必须过热;)液体必须过热;2 2)要有汽化核心)要有汽化核心 1 1 大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 (1 1)大容器沸腾)大容器沸
16、腾 定义:定义:指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。所发生的沸腾称为大容器沸腾。特点:特点:产生的气泡能自由浮升,穿过液体自由面产生的气泡能自由浮升,穿过液体自由面进入容器空间。进入容器空间。(2 2)饱和沸腾)饱和沸腾 定义:定义:液体主体温度达到饱和温度液体主体温度达到饱和温度 ,壁面温度,壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。特点特点:随着壁面过热度的增高,出现随着壁面过热度的增高,出现 4 4 个换热个换热规律全然不同的区域。规律全然不同的区域。(3 3)过冷沸腾)过冷沸腾
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- 教学课件 教学 课件 第六 凝结 沸腾
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