傳熱學(xué)-第七章new

1、第一節(jié) 凝結(jié)換熱第二節(jié) 沸騰換熱第三節(jié) 熱管第七章第七章 凝結(jié)與沸騰換熱凝結(jié)與沸騰換熱 膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)gswttgswtt7-1 7-1 凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱1 1凝結(jié)形式凝結(jié)形式（1 1）定義：蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給固）定義：蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。 （2 2）視凝結(jié)液體依附壁面的不同可分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種）視凝結(jié)液體依附壁面的不同可分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種 。膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)o（1 1）定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁

2、面，并能在壁面上均勻鋪展）定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。o（2 2）特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須）特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻. .o如果冷凝壁面是水平放置，那么隨著凝結(jié)過程的進(jìn)行液膜厚度會(huì)如果冷凝壁面是水平放置，那么隨著凝結(jié)過程的進(jìn)行液膜厚度會(huì)逐步增加，熱阻也就越來越大；逐步增加，熱阻也就越來越大；o如果冷凝壁面是豎直安放，那么液膜會(huì)在重力作用下向下流動(dòng)，如果冷凝壁

3、面是豎直安放，那么液膜會(huì)在重力作用下向下流動(dòng)，形成一個(gè)流動(dòng)的液膜層，隨著沿途蒸汽的不斷凝結(jié)液膜也會(huì)逐步形成一個(gè)流動(dòng)的液膜層，隨著沿途蒸汽的不斷凝結(jié)液膜也會(huì)逐步增厚，變成一個(gè)類似于流體邊界層的流動(dòng)換熱的模式。顯然，豎增厚，變成一個(gè)類似于流體邊界層的流動(dòng)換熱的模式。顯然，豎直壁面上部的換熱性能要好于豎直壁面的下部。直壁面上部的換熱性能要好于豎直壁面的下部。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)o（1 1）定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)）定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。o（2 2）特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須

4、穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。）特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。o當(dāng)凝結(jié)液不能潤濕壁面時(shí)，凝結(jié)液在壁面許多點(diǎn)上以當(dāng)凝結(jié)液不能潤濕壁面時(shí)，凝結(jié)液在壁面許多點(diǎn)上以顆顆小液珠的形式依顆顆小液珠的形式依附于壁面，在重力的作用下，液珠滾下并與相通的液珠匯合成較大的液滴，附于壁面，在重力的作用下，液珠滾下并與相通的液珠匯合成較大的液滴，在向下滾動(dòng)的同時(shí)掃清了沿途的液珠，讓出無液珠的壁面供繼續(xù)凝結(jié)凝在向下滾動(dòng)的同時(shí)掃清了沿途的液珠，讓出無液珠的壁面供繼續(xù)凝結(jié)凝結(jié)過程主要是直接在冷壁面上進(jìn)行的，沒有凝結(jié)液膜引起的附加熱阻，因此結(jié)過程主要是直接在冷壁面上進(jìn)行的，沒有凝結(jié)液膜引起的附

5、加熱阻，因此有較高的換熱強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)要高有較高的換熱強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)要高5 51010倍倍以上。以上。o雖然如此，但到目前為止在工業(yè)冷凝器中還沒能創(chuàng)造出持久地保持珠狀凝雖然如此，但到目前為止在工業(yè)冷凝器中還沒能創(chuàng)造出持久地保持珠狀凝結(jié)的工作條件。珠狀凝結(jié)的機(jī)理及保證產(chǎn)生珠狀凝結(jié)的條件正在廣泛地研究結(jié)的工作條件。珠狀凝結(jié)的機(jī)理及保證產(chǎn)生珠狀凝結(jié)的條件正在廣泛地研究中。中。o如果冷凝壁面水平放置，壁面遲早會(huì)被冷凝液覆蓋；如果冷凝壁面是豎直安如果冷凝壁面水平放置，壁面遲早會(huì)被冷凝液覆蓋；如果冷凝壁面是豎直安放，液珠會(huì)逐步變大而沿著壁面向下滾動(dòng)，

6、使得冷凝壁面始終能與蒸汽直接放，液珠會(huì)逐步變大而沿著壁面向下滾動(dòng)，使得冷凝壁面始終能與蒸汽直接接觸，保持良好的熱交換性能。接觸，保持良好的熱交換性能。o在其它條件相同時(shí)，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。在其它條件相同時(shí)，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。2 2 膜狀液膜的流態(tài)膜狀液膜的流態(tài)20Re 1600Re c無波動(dòng)層流無波動(dòng)層流有波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流湍流凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然是Re，式中： ul 為 x = l 處液膜層的平均流速； de 為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。elduRe如圖，如圖，由熱平衡，由熱平衡，所以所以根據(jù)膜層雷諾數(shù)

7、的大小，其流動(dòng)狀態(tài)分：根據(jù)膜層雷諾數(shù)的大小，其流動(dòng)狀態(tài)分： 層流層流 Re 1800Re 1800 湍流湍流 Re 1800Re 1800 ecd4A / P4b/ b4()swmlh ttlrq蒸汽凝結(jié)量44Relmluq對(duì)流換熱量sw4hl(tt )Rer3 3 層流膜狀凝結(jié)的分析求解層流膜狀凝結(jié)的分析求解在下面假設(shè)的基礎(chǔ)上，1916年，Nusselt提出的簡單膜狀凝結(jié)換熱分析是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。假定：1）純蒸汽、常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于液膜溫度等于飽和溫度飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；6）液膜的

8、過冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動(dòng)g)(xm t(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layersswtt微元控制體邊界層微分方程組：邊界層微分方程組：下腳標(biāo) l 表示液相x0yvxu22ytaytvxtul22)yuxpgyuvxuulll（1）液膜的慣性力忽略液膜的慣性力忽略 0)(yuvxuul3）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱 2）忽略蒸忽略蒸 汽密度汽密度0ytvxtu只有u 和 t 兩個(gè)未知量，于是，上面方程組化簡為：根據(jù)假設(shè)條件根據(jù)假設(shè)條件邊界條件：swttyu

9、yttuy , 0dd 0, 0時(shí)，時(shí)，002222ytayuglll0gdxdpv 為液膜在x方向的壓力梯度，可按y=處液膜表面蒸汽壓力梯度計(jì)算。 dxdp求解上面方程可得：(1) 液膜厚度定性溫度：2wsmttt(2) 局部對(duì)流換熱系數(shù)sw(tttC )整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1/ 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll(tt ) 注意：注意：r 按按 ts 確定確定(3) 修正：實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動(dòng)，凝結(jié)換熱得到強(qiáng) 化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述理論值高20左右1/ 423llVlswgrh1.13l(tt ) 修正后：4/12)(4grttxlwsll4/132)(4w

10、slllxttxrgh4 4 紊流膜狀凝結(jié)換熱紊流膜狀凝結(jié)換熱對(duì)紊流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導(dǎo)熱來傳遞熱對(duì)紊流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導(dǎo)熱來傳遞熱量外，層流底層之外以紊流傳遞為主，換熱大為增強(qiáng)量外，層流底層之外以紊流傳遞為主，換熱大為增強(qiáng)對(duì)對(duì)豎壁的紊流凝結(jié)換熱豎壁的紊流凝結(jié)換熱，其沿整個(gè)壁面的，其沿整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式為：計(jì)算式為：ccltxxhhh1ll式中：式中：hl 為層流段的傳熱系數(shù)；為層流段的傳熱系數(shù)； ht 為湍流段的傳熱系數(shù)；為湍流段的傳熱系數(shù)； xc 為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度 l 為豎壁的總高度

11、為豎壁的總高度)253(RePr588750Re75. 05 . 0ccCo豎壁紊流膜段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)豎壁紊流膜段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)5 5 水平圓管外壁的凝結(jié)換熱水平圓管外壁的凝結(jié)換熱 ( (ReRec c=3600)=3600)努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管外壁的層流層流膜狀凝結(jié)1 / 423llHlswgrh0.729d( tt) 式中：下標(biāo)“ H ”表示水平管。定性溫度與前面的公式相同定性溫度與前面的公式相同定性尺寸定性尺寸:單管為管外徑單管為管外徑d 水平管束為水平管束為nd利用上面思想，整理的整個(gè)表面的平均努塞爾數(shù)：利用上面思想，整理的整個(gè)表面的平均努塞爾數(shù)：4/13)()(5

12、55. 0wsvttdrghpswrr0.68c (tt ) 6 6 水平管內(nèi)凝結(jié)換熱水平管內(nèi)凝結(jié)換熱6 6 影響膜狀凝結(jié)的因素影響膜狀凝結(jié)的因素工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因素的影響。1. 1. 蒸汽流速蒸汽流速2. 2. 不凝氣體不凝氣體3.3.表面粗糙度表面粗糙度4.4.蒸汽含油蒸汽含油5. 5. 過熱蒸氣過熱蒸氣 7 7 增強(qiáng)凝結(jié)換熱的措施增強(qiáng)凝結(jié)換熱的措施1. 1.該表表面幾何形狀該表表面幾何形狀2.2.有效排除不凝氣體有效排除不凝氣體3.3.加速凝液的排除加速凝液的排除4.4.易于珠狀凝結(jié)形成的措施易于珠狀凝結(jié)形成的措施沸騰和沸騰換熱沸騰和沸騰換熱 過冷沸騰和

13、飽和沸騰本書主要介紹了常見的大容器沸騰(池內(nèi)沸騰) 。加熱表面沸騰：工質(zhì)在飽和溫度下由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為沸騰。沸騰：工質(zhì)在飽和溫度下由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為沸騰。 2 2 、沸騰的特點(diǎn)、沸騰的特點(diǎn) 1 ）液體汽化吸收大量的汽化潛熱； 2 ）由于汽泡形成和脫離時(shí)帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動(dòng)，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。 4 4 汽泡動(dòng)力學(xué)簡介汽泡動(dòng)力學(xué)簡介 (1) (1) 汽泡的成長過程汽泡的成長過程 實(shí)驗(yàn)表明，通常情況下，沸騰開始時(shí)汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個(gè)加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化核心，較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣

14、體，是最好的汽化核心，如圖所示。(2) (2) 汽泡的存在條件汽泡的存在條件 汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活)(2minswvsttrTRR式中： 表面張力，N/m；r 汽化潛熱，J/kg v 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面溫度，C ts 對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度， C可見， (tw ts ) , Rmin 同一加熱面上，成為汽化核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心數(shù)增加 換熱增強(qiáng)克拉貝隆方程5 5 大容器飽和沸騰曲線：大容器飽和沸騰曲線：qmaxqmin6 6 沸騰換熱計(jì)算式沸騰換熱計(jì)算式沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即thtthqsw)(但對(duì)于沸騰換熱的h卻有許多不同的

15、計(jì)算公式為此，書中分別推薦了兩個(gè)計(jì)算式（1 1）米海耶夫公式）米海耶夫公式水水 對(duì)于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，教材推薦使用，壓力范圍：1054106 Pa5 . 033. 2122. 0pth按按 thq15. 07 . 0533. 0pqh （2 2）羅森瑙公式）羅森瑙公式多種液體多種液體7.3 7.3 熱管熱管 熱管技術(shù)是熱管技術(shù)是19631963年美國年美國LosAlamosLosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室的國家實(shí)驗(yàn)室的G.M.GroverG.M.Grover發(fā)明的一種稱為發(fā)明的一種稱為“熱管熱管”的傳熱元件，它充分的傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱利用了熱傳

16、導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管技術(shù)以前被廣泛應(yīng)用在宇任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管技術(shù)以前被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)量電改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)量電機(jī)來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術(shù)使機(jī)來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機(jī)，同樣可以得到滿得散熱器即

17、便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機(jī)，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問題得到良好解決，開意效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散熱行業(yè)新天地。辟了散熱行業(yè)新天地。 1. 1.結(jié)構(gòu)：管殼、管芯、工作液結(jié)構(gòu)：管殼、管芯、工作液2.2.工作原理：沸騰與凝結(jié)兩種相變工作原理：沸騰與凝結(jié)兩種相變過程的巧妙結(jié)合。過程的巧妙結(jié)合。加熱蒸發(fā)段時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽從管中心通道流向凝加熱蒸發(fā)段時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽從管中心通道流向凝結(jié)段散熱區(qū)，放出其潛熱，凝集后借助管芯的毛細(xì)力結(jié)段散熱區(qū)，放出其潛熱，凝集后借助管芯的毛細(xì)力的作用，液體重新返回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。的作用，液體重新返回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。 3.3.特點(diǎn)特點(diǎn)（1）很高的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。 （2）優(yōu)良的等溫性。熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸