6-相变对流传热解析.ppt

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1、第六章第六章 相变对流传热相变对流传热 6 6.1 .1 凝结传热的模式；凝结传热的模式；6.2 6.2 膜状凝结分析解及计算关联式；膜状凝结分析解及计算关联式；6.3 6.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化；膜状凝结的影响因素及其传热强化；6.4 6.4 沸腾传热的模式；沸腾传热的模式；6.5 6.5 大容器沸腾传热的实验关联式；大容器沸腾传热的实验关联式；6.6 6.6 沸腾传热的影响因素及其强化；沸腾传热的影响因素及其强化；6.7 6.7 热管简介；热管简介；1 主要内容主要内容：（1 1）相变（沸腾与凝结）换热的特点及影响因素；）相变（沸腾与凝结）换热的特点及影响因素；（2 2）相变换

2、热的研究与计算方法；）相变换热的研究与计算方法；（3 3）相变换热的强化技术。）相变换热的强化技术。相变换热属于对流换热，基本计算公式仍为牛顿冷相变换热属于对流换热，基本计算公式仍为牛顿冷却公式：却公式：=A A h h tt凝结换热：凝结换热：沸腾换热：沸腾换热：t=ts-twt=tw-ts26.1 6.1 凝结传热的模式凝结传热的模式膜状凝结膜状凝结：凝结液体能：凝结液体能很好地润湿壁面，就会很好地润湿壁面，就会在壁面上铺展成膜。在壁面上铺展成膜。珠状凝结珠状凝结：凝结液体不：凝结液体不能很好地润湿壁面时，能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠。一个个的

3、小液珠。1.1.珠状凝结与膜状凝结珠状凝结与膜状凝结3膜状凝结的热阻比珠状凝结大一个数量级以上。膜状凝结的热阻比珠状凝结大一个数量级以上。46.2 6.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式1.1.层流膜状凝结分析解层流膜状凝结分析解 努塞尔（努塞尔（19161916）首先建立了层流膜状凝结换热的简化热物）首先建立了层流膜状凝结换热的简化热物理模型和数学模型，他作了以下几点假设：理模型和数学模型，他作了以下几点假设：（1 1）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不可凝气体；）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不可凝气体；（2 2）汽、液物性均为常数；）汽、液物性均为常数；（3 3）蒸气静止

4、，对液膜表面无粘性力作用；）蒸气静止，对液膜表面无粘性力作用；（4 4）液膜极薄，流速很低，忽略其惯性力；）液膜极薄，流速很低，忽略其惯性力；（5 5）相变发生在汽）相变发生在汽-液界面上，界面处于饱和温度；液界面上，界面处于饱和温度；（6 6）液膜内仅有导热作用，忽略对流传热方式；）液膜内仅有导热作用，忽略对流传热方式；（7 7）液膜的过冷度可以忽略不计；）液膜的过冷度可以忽略不计；（8 8）膜表面没有波动。）膜表面没有波动。根据上述假设，可使竖直平壁表面稳态层流膜状凝结换热问根据上述假设，可使竖直平壁表面稳态层流膜状凝结换热问题的数学模型大为简化。题的数学模型大为简化。5 类似于外掠平板强

5、迫对流层流换热，对于竖直平壁表面稳态类似于外掠平板强迫对流层流换热，对于竖直平壁表面稳态层流膜状凝结换热，选取坐标系如图。层流膜状凝结换热，选取坐标系如图。微分方程组：微分方程组：6液膜在液膜在x x方向的压力梯度：方向的压力梯度：微分方程组可简化为：微分方程组可简化为：边界条件：边界条件：7将动量方程与能量方程做两次积分：将动量方程与能量方程做两次积分：下一步的下一步的关键关键需要求解需要求解液膜厚度随液膜厚度随x x的变化规律的变化规律8 对对dxdx的微元段做质量平衡，通过的微元段做质量平衡，通过L L截面处宽为截面处宽为1m1m的壁面凝结液体的质的壁面凝结液体的质量流量为量流量为:在在

6、dxdx微元段上质量流量的增量为：微元段上质量流量的增量为：9从通过厚为从通过厚为的液膜的的液膜的导热导热与与dqdqm m的凝结液体释放出来的的凝结液体释放出来的潜热相等潜热相等。凝结液体释放的凝结液体释放的汽化潜热汽化潜热通过液膜的通过液膜的导热导热10积分积分局部表面传热系数：局部表面传热系数：常数常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液膜层流时竖液膜层流时竖壁膜状凝结的壁膜状凝结的努塞尔理论解努塞尔理论解112.2.竖直管与水平管的比较及实验验证竖直管与水平管的比较及实验验证（1 1）水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数）水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数水平管

7、水平管球球d-d-水平管或者球的直径。水平管或者球的直径。定性温度定性温度：除汽化潜热：除汽化潜热r r按饱和温度按饱和温度t ts s取值以外，其它参数都取值以外，其它参数都按液膜的算术平均温度按液膜的算术平均温度 取值。取值。12（2 2）水平管外凝结与竖直管外凝结的比较）水平管外凝结与竖直管外凝结的比较横管横管竖管竖管 当当l/dl/d=50=50，横管的平均表面传热系数是竖管的，横管的平均表面传热系数是竖管的2 2倍，故冷倍，故冷凝器通常都采用横管的布置方案。凝器通常都采用横管的布置方案。横管和竖管的平均表面传热系数计算式区别：横管和竖管的平均表面传热系数计算式区别：a a 横管特横管

8、特征长度为征长度为d d，竖管特征长度为，竖管特征长度为l l；系数不同。；系数不同。13（3 3）分析解的实验验证和假设条件的影响）分析解的实验验证和假设条件的影响因素：因素：液膜波动液膜波动143.3.湍流膜状凝结湍流膜状凝结为判断凝结液膜的流态，引进为判断凝结液膜的流态，引进膜层雷诺数膜层雷诺数Re。膜层雷诺数膜层雷诺数：根据液膜的特点取当量直径为特征长度的：根据液膜的特点取当量直径为特征长度的ReRe数。数。-壁底部壁底部x=lx=l处液膜层的平均流速。处液膜层的平均流速。-该截面处液膜层的当量直径。该截面处液膜层的当量直径。15-x=l-x=l处宽为处宽为1m1m的截面上凝结液的质量

9、流量。的截面上凝结液的质量流量。整个竖壁整个竖壁的传热量的传热量 当当ReRe160016001600时，凝结液膜时，凝结液膜变为变为湍流湍流，用下式计算整个壁面的平均表面传热系数。，用下式计算整个壁面的平均表面传热系数。16例例6-1：压力为：压力为1.013105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结，壁的尺的水蒸气在方形竖壁上凝结，壁的尺寸为寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98.试计算每小时的传热量及凝结试计算每小时的传热量及凝结蒸气量。蒸气量。解：根据压力，查表知解：根据压力，查表知ts=100，r=2257 kJ/kg。物性参数按。物性参数按液膜平均温度液膜平均温度tm=（100 +9

10、8 ）/2=99,查附录得：查附录得：采用层流液膜平均表面传热系数（采用层流液膜平均表面传热系数（7-7）来计算：）来计算：17根据式（根据式（7-10）验证）验证Re准则：准则：说明原假设液膜为说明原假设液膜为层流成立层流成立。1600传热量为：传热量为：凝结蒸气量为：凝结蒸气量为：186.3 6.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化1.1.膜状凝结的影响因素膜状凝结的影响因素（1 1）蒸气中含有不凝结气体；）蒸气中含有不凝结气体；（2 2）管子排数；）管子排数；（3 3）管内冷凝）管内冷凝（4 4）蒸气流速；）蒸气流速；（5 5）蒸气过热度；）蒸气过热度；（6

11、6）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。19（1 1）不凝结气体不凝结气体 如果水蒸气中质量含量占如果水蒸气中质量含量占1%1%的空气的空气可使表面传热系数降低可使表面传热系数降低60%60%。不凝结气体层不凝结气体层增加增加蒸气传递过程的阻力，降低蒸气分压力，蒸气传递过程的阻力，降低蒸气分压力，减弱凝结的动力，使得凝结过程减弱凝结的动力，使得凝结过程削弱削弱。（2 2）管子排数管子排数 排管上的凝结液在下落时产生排管上的凝结液在下落时产生飞溅飞溅及对液膜产生及对液膜产生冲击扰动冲击扰动，对传热过程造成影响。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布对传热过程造成影响。飞溅和

12、扰动的程度取决于管束的几何布置、流体物性等，情况较为复杂。置、流体物性等，情况较为复杂。20（3 3）管内冷凝管内冷凝 当蒸气流速低时，凝结液主要积聚在管子的底部，蒸气位当蒸气流速低时，凝结液主要积聚在管子的底部，蒸气位于管子上半部。于管子上半部。当蒸气流速高时，形成环状流动，凝结液均匀地展布于管当蒸气流速高时，形成环状流动，凝结液均匀地展布于管子四周，蒸气位于中间。子四周，蒸气位于中间。21（4 4）蒸气流速蒸气流速 蒸气流速蒸气流速较高较高时，蒸气流速对液膜表面会产生明显的时，蒸气流速对液膜表面会产生明显的粘滞粘滞应力应力。其影响又随蒸气流向与重力场同向或异向、流速大小以。其影响又随蒸气流

13、向与重力场同向或异向、流速大小以及是否撕破液膜等有关。及是否撕破液膜等有关。当蒸气流动方向与液膜向下的流动当蒸气流动方向与液膜向下的流动同向同向时，液膜被时，液膜被拉薄拉薄，表面传热系数表面传热系数增大增大；反方向反方向时会阻滞液膜的流动使其时会阻滞液膜的流动使其增厚增厚，则，则表面传热系数表面传热系数减小减小。（5 5）蒸气过热度蒸气过热度 把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差，也可用把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差，也可用前述饱和蒸气的实验关联式来计算过热蒸气的凝结传热系数。前述饱和蒸气的实验关联式来计算过热蒸气的凝结传热系数。22（6 6）液膜过冷度及温度分布的非线性液膜

14、过冷度及温度分布的非线性 努塞尔的理论分析忽略了液膜的过冷度，并假定液膜中的努塞尔的理论分析忽略了液膜的过冷度，并假定液膜中的温度呈线性分布。在实际工程中，要在原来的基础上加上一个温度呈线性分布。在实际工程中，要在原来的基础上加上一个修正系数。修正系数。雅各布（雅各布（Jakob）数，是衡量液膜过冷度相对大小的无量纲数。）数，是衡量液膜过冷度相对大小的无量纲数。232.2.膜状凝结的强化原则和技术膜状凝结的强化原则和技术（1 1）尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则。尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则。a.a.减薄蒸气凝结时直接粘滞在固体表面上的液膜。减薄蒸气凝结时直接粘滞在固体表面

15、上的液膜。b.b.及时地将传热表面上产生的凝结液体排走，不使其及时地将传热表面上产生的凝结液体排走，不使其积存在传热表面上而进一步使液膜加厚。积存在传热表面上而进一步使液膜加厚。24（2 2）强化技术简介）强化技术简介 减薄液膜厚度技术减薄液膜厚度技术整体式低肋片整体式低肋片锯齿管锯齿管25 及时排液的技术及时排液的技术266.4 6.4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式沸腾沸腾：液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的汽化：液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的汽化现象，伴随大量汽泡产生。现象，伴随大量汽泡产生。均相沸腾：因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加均相沸腾：因压力突降发生的

16、沸腾现象（闪蒸），不存在加热面。热面。非均相沸腾：因表面加热产生的沸腾现象。非均相沸腾：因表面加热产生的沸腾现象。大容器沸腾（池沸腾）：由温差和气泡的扰动引起。大容器沸腾（池沸腾）：由温差和气泡的扰动引起。强迫流动沸腾（管内沸腾）强迫流动沸腾（管内沸腾）:在外加的压差下才能维持。在外加的压差下才能维持。主要讨论主要讨论大容器饱和沸腾大容器饱和沸腾27大容器饱和沸腾的大容器饱和沸腾的特特点点：加热表面上有汽：加热表面上有汽泡生成，随着汽泡长泡生成，随着汽泡长大和脱离壁面，容器大和脱离壁面，容器内的液体受到剧烈扰内的液体受到剧烈扰动，换热强度很高。动，换热强度很高。1.1.大容器饱和沸腾曲线大容器

17、饱和沸腾曲线q qw w-t-t=t tw w-t-ts s 过热度过热度（1 1）自然对流自然对流（2 2）核态沸腾核态沸腾A-CA-C（传热强）（传热强）（3 3）过渡沸腾过渡沸腾C-DC-D（4 4）膜态沸腾膜态沸腾D DE E偏离核沸腾点，安全警界点偏离核沸腾点，安全警界点282.2.气泡动力学分析简介气泡动力学分析简介汽化汽化核心核心：汽泡产生点汽泡产生点。易于成为汽化核心的位置：易于成为汽化核心的位置：壁面上的凹坑壁面上的凹坑、细缝细缝、裂穴裂穴等。等。29加热表面上要产生气泡液加热表面上要产生气泡液体必须过热体必须过热汽泡的力平衡：汽泡的力平衡：汽泡的生成条件：汽泡的生成条件：当

18、当t tl l t ts s时，液体是过热的。过热度越大，能够生存的汽泡时，液体是过热的。过热度越大，能够生存的汽泡半径越小。加热壁面处的过热度最大，所以该处的汽泡最容易半径越小。加热壁面处的过热度最大，所以该处的汽泡最容易生存。生存。306.5 6.5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式1.1.大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式罗森诺公式罗森诺公式：31l l为饱和液体的动力粘度（为饱和液体的动力粘度（PaPa s s）；）；r r 为沸腾液体的汽化潜热（为沸腾液体的汽化潜热（kJ/kgkJ/kg）；）；为液体与饱和蒸气界面上的表面张力（为液体

19、与饱和蒸气界面上的表面张力（N/mN/m）；）；l l、v v分别为饱和液与饱和蒸气的密度（分别为饱和液与饱和蒸气的密度（kg/mkg/m3 3）；）；c cplpl 为饱和液体的比定压热容（为饱和液体的比定压热容（J/J/kgkg K K）；）；t t 为壁面的过热度，即沸腾温差（为壁面的过热度，即沸腾温差（）；）；s s 为经验指数，对水为经验指数，对水s s=1=1，对其它液体，对其它液体，s s=1.7=1.7；C Cwlwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数。为根据加热面与液体种类选取的经验常数。3233342.2.大容器饱和沸腾临界热流密度计算式大容器饱和沸腾临界热流密度计算式

20、 适用条件适用条件：大空间核态饱和沸腾，加热表面的特征尺寸：大空间核态饱和沸腾，加热表面的特征尺寸远大于汽泡平均直径。远大于汽泡平均直径。临界热流密度的数值与压力密切相关，在比压力（液体临界热流密度的数值与压力密切相关，在比压力（液体的压力与其临界压力之比）大约等于的压力与其临界压力之比）大约等于0.30.3处，临界热流密度具处，临界热流密度具有极大值。有极大值。353.3.大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式 膜态沸腾中气膜的流动和换热类似于膜状凝结中液膜的流膜态沸腾中气膜的流动和换热类似于膜状凝结中液膜的流动与换热，可用类似的分析方法分析，得到的解的函数形式也动

21、与换热，可用类似的分析方法分析，得到的解的函数形式也很相似：很相似：定性温度：定性温度：l l和和r r采用饱和温度采用饱和温度t ts s，其余物性参数用，其余物性参数用t tm m=(=(t tw w+t ts s)/2)/2。对于球面，系数。对于球面，系数0.620.62改为改为0.670.67。366.6 6.6 沸腾传热的影响因素及其强化沸腾传热的影响因素及其强化（1 1）液体的物性液体的物性(从罗森诺公式可以看出）从罗森诺公式可以看出）（2 2）加热表面状况加热表面状况：决定汽化核心数目的多少。：决定汽化核心数目的多少。(a)(a)壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的厚度等。如壁面

22、材料的种类、热物理性质以及壁面的厚度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸热系数对沸腾换热壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸热系数对沸腾换热都有影响；都有影响；(b)(b)加热壁面的粗糙度；加热壁面的粗糙度；(c)(c)加热壁面的氧化、老化和污垢沉积情况等。加热壁面的氧化、老化和污垢沉积情况等。1.1.影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素37（3 3）液体的压力液体的压力 液体核态沸腾的表面传热系数随系统压力的增加而增加。液体核态沸腾的表面传热系数随系统压力的增加而增加。（4 4）不凝气体的含量不凝气体的含量、加热表面的大小加热表面的大小与与方向方向以及以及液体自由液体自由表面的高度

23、表面的高度（即液位）、（即液位）、重力加速度重力加速度等因素的影响。等因素的影响。（5 5）管内沸腾管内沸腾竖管管竖管管内沸腾内沸腾示意图示意图382.2.强化沸腾传热的原则和技术强化沸腾传热的原则和技术强化沸腾换热的措施强化沸腾换热的措施（1 1）提高壁面过热度）提高壁面过热度tt;（2 2）采用强迫对流沸腾）采用强迫对流沸腾;（3 3）改变加热壁面状况等）改变加热壁面状况等;39406.7 6.7 热管简介热管简介41热管的热管的工作特点工作特点：（1 1）传热能力强：一根钢水）传热能力强：一根钢水热管的传热能力大致相当于同样尺热管的传热能力大致相当于同样尺寸紫铜棒导热能力的寸紫铜棒导热能

24、力的15001500倍；倍；（2 2）传热温差小；）传热温差小；（3 3）结构简单、工作可靠、传输）结构简单、工作可靠、传输距离长；距离长；（4 4）热流密度可调（通过改变加）热流密度可调（通过改变加热段和放热段的长度或加装肋片）；热段和放热段的长度或加装肋片）；（5 5）采用不同的工质可适用不同）采用不同的工质可适用不同的温度范围；的温度范围；重力热管示意图重力热管示意图42 热管应用中存在的主要问题：热管应用中存在的主要问题：密封性密封性、热管管材与工质间热管管材与工质间的相容性的相容性。43热管的热管的工程应用：工程应用：（1 1）温度控制（如：航天器）；）温度控制（如：航天器）；（2

25、2）热量传递；）热量传递；空气预热器空气预热器大功率晶体管冷却大功率晶体管冷却44第六章第六章 小结小结重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：（1 1）表面凝结的两种基本形态：膜状凝结和珠状凝结的特）表面凝结的两种基本形态：膜状凝结和珠状凝结的特点和形成条件；点和形成条件；（2 2）努塞尔关于竖壁膜状凝结换热的理论分析方法；）努塞尔关于竖壁膜状凝结换热的理论分析方法；（3 3）影响膜状凝结换热的主要因素；）影响膜状凝结换热的主要因素；（4 4）强化凝结换热的主要方法；）强化凝结换热的主要方法；（5 5）大空间饱和沸腾）大空间饱和沸腾4 4个阶段的基本特征、饱和沸腾曲线、个阶段的基本特征、饱和沸腾曲线、临界热流密度；临界热流密度；（6 6）影响大空间饱和核态沸腾换热的主要因素；）影响大空间饱和核态沸腾换热的主要因素；（7 7）强化核态沸腾换热的方法；）强化核态沸腾换热的方法；（8 8）热管的工作原理。）热管的工作原理。45