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1、第六章 凝結(jié)與沸騰換熱1、重點(diǎn)內(nèi)容: 凝結(jié)與沸騰換熱機(jī)理及其特點(diǎn); 膜狀凝結(jié)換熱分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式; 大容器飽和核態(tài)沸騰及臨界熱流密度。2、掌握內(nèi)容:掌握影響凝結(jié)與沸騰換熱的因素。3、了解內(nèi)容:了解強(qiáng)化凝結(jié)與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)。蒸汽遇冷凝結(jié),液體受熱沸騰屬對流換熱。其特點(diǎn)是:伴隨有相變的對流換熱。工程中廣泛應(yīng)用的是:冷凝器及蒸發(fā)器、再沸器、水冷壁等。前面論述的僅僅是單相流體對流換熱的計(jì)算問題,而在工程上和日常生活中還存在著大量發(fā)生相變的傳熱過程,如蒸汽的凝結(jié)、液體的沸騰、液體的蒸發(fā)、液體的凝固以及固體的熔化等。這里僅僅討論流體在對流換熱過程中發(fā)生相變傳熱的情況,即液體的沸騰和蒸汽的

2、凝結(jié)的換熱過程。由于流體在與固體壁面進(jìn)行熱交換的過程中發(fā)生相的變化,因在相變的過程中流體潛熱的釋放或吸收而使這種熱交換過程的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于同種流體無相變時(shí)的換熱強(qiáng)度。下面將分別討論沸騰換熱和凝結(jié)換熱的特征。第一節(jié) 凝結(jié)換熱1-1概述凝結(jié)換熱實(shí)例鍋爐中的水冷壁;寒冷冬天窗戶上的冰花;許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程1、凝結(jié)換熱現(xiàn)象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。有兩種凝結(jié)形式。2、凝結(jié)換熱的分類蒸汽與低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面或冷液體相接觸時(shí),就會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。蒸汽釋放出氣化浴熱并凝結(jié)為液體。當(dāng)凝結(jié)過程在冷壁面上進(jìn)行時(shí),視凝結(jié)液體依附壁

3、面的不同可分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種。1) 膜狀凝結(jié)(1)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)。(2)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當(dāng)凝結(jié)液體能潤濕壁面(凝結(jié)液和壁面的潤濕角90時(shí),凝結(jié)液體在壁面上形成一層完整的液膜,這種凝結(jié)稱為膜狀凝結(jié)。膜狀凝結(jié)時(shí),壁面總是被一薄層凝結(jié)液膜所覆蓋,這層液膜把蒸汽與冷壁面隔開。因此,當(dāng)形成液膜后蒸汽凝結(jié)只能在液膜表面上發(fā)生,凝結(jié)時(shí)放出的潛熱必須通過這層液膜才能傳給冷壁面。由于蒸汽凝結(jié)為液體的相變熱阻通常較小(表現(xiàn)在氣液界面的溫度一班近似等于蒸汽

4、的飽和溫度),因此這層液膜是膜狀凝結(jié)傳熱過程的主要熱阻。在膜態(tài)凝結(jié)時(shí)由于冷凝壁面被冷凝液覆蓋,蒸汽凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜后由壁面帶走,因而成為凝結(jié)換熱的主要熱阻,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;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),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,豎直壁面上部的換熱性能要好于豎直壁面的下部。2)珠狀凝結(jié)(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)小液珠的凝結(jié)形式,稱珠狀凝結(jié)。如圖:1)小則液體濕潤能力強(qiáng)

5、,就會(huì)鋪展開來。一般情況下,工業(yè)冷凝器,形成膜狀凝結(jié),但珠狀凝結(jié)的形成比較困難且不持久(雖然h膜<<h珠)。(2)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。當(dāng)凝結(jié)液不能潤濕壁面(90)時(shí),凝結(jié)液在壁面許多點(diǎn)上(稱為凝結(jié)核心)以顆顆小液珠的形式依附于壁面,這種凝結(jié)稱為珠狀凝結(jié)。在界面力的作用下,這些液珠逐漸長大,到一定尺寸后,當(dāng)重力的影響超過界面力時(shí),它們便隨機(jī)地沿壁滾下。這些滾下的液珠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)這樣在冷劈面上又會(huì)有新的液珠形成并長大。這樣,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

6、引起的附加熱阻,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510倍以上。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中。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),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。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)。3、產(chǎn)生的條件:固體壁面溫度必須低于蒸氣的飽和溫度,即< 。1-2 膜狀凝結(jié)換熱一、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論解1、努塞爾微分方程組根據(jù):液體膜

7、層的導(dǎo)熱熱阻是凝結(jié)過程的主要熱阻 1916年,努塞爾在理論分析中作了若干合理假設(shè),從而揭示了有關(guān)物理參數(shù)對凝結(jié)換熱的影響。一個(gè)豎板膜狀凝結(jié)模型的結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系,x方向代表液膜流動(dòng)的方向,y方向則代表液膜厚度的方向。隨著在x方向上不斷地有蒸汽凝結(jié)下來而使液膜逐步增厚,形成一個(gè)類似邊界層的流動(dòng)模式。在分析這種液膜的流動(dòng)和換熱時(shí),努謝爾特做了如下的假設(shè):假設(shè)條件:(1)純凈蒸汽(2)常物性(3)蒸氣靜止、汽液界面上無對液膜的粘滯應(yīng)力,即 。4)氣液界面上無溫差,即液膜溫度等于飽和溫度;5)膜內(nèi)溫度線性分布,即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱;6)液膜的過冷度忽略; 7)忽略蒸汽密度;8)液膜表面平整無波動(dòng)根據(jù)以上假設(shè)

8、從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡化方程組,從而保持對流換熱理論的統(tǒng)一性。同樣的,凝結(jié)液膜的流動(dòng)和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。以豎壁的膜狀凝結(jié)為例:x坐標(biāo)為重力方向,如圖64所示。在穩(wěn)態(tài)情況下,凝結(jié)液膜流動(dòng)的微分方程組為 :即: +=0 (7-1) (7-2) (7-3)其中“”表示液相。根據(jù)假設(shè)(3),式(7-2)左邊舍去;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。據(jù)假設(shè)(2),若以表示蒸汽密度,則有 。根據(jù)假設(shè)(7),相對于可忽略。根據(jù)假設(shè)(5),式(7-3)左邊舍去。由此可見,方程(7-2),(7-3)只有未知量u,t ,不必補(bǔ)充其他方程求解。所以方程(7-1)可舍去。由

9、此可得:簡化的努塞爾微分方程組為: 其邊界條件 y=0時(shí):u=0,t=y=時(shí):,t=2、努塞爾微分方程組理論解的求解方法1)求解的基本思路(1)先從簡化的微分方程組出發(fā)獲得包括液膜厚度在內(nèi)的流速u及溫度t分布的表達(dá)式; (2)再利用dx一段距離上凝結(jié)液體的質(zhì)量平衡關(guān)系取得液膜厚度的表達(dá)式; (3)最后根據(jù)對流換熱微分方程式利用傅立葉定律求出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表達(dá)式。2)求解過程詳見附錄4其求解結(jié)果如下:<液膜層流時(shí)豎壁膜狀凝結(jié)換熱>(1)液膜厚度: (7-4)(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù): (7-5) (3)整個(gè)豎壁()的平均傳熱系數(shù): (7-6) 當(dāng)是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時(shí),其

10、平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為: (7-7) (7-8) 其中H、S、d分別表示圓管、球及直徑;除相變熱按蒸汽飽和溫度ts確定,其他物性溫度均取膜層平均溫度=(+)/2為定性溫度;橫管、豎壁的、不同點(diǎn):特征長度和系數(shù),若其完全相同,則;當(dāng)=50時(shí),橫管的 是豎管的的2倍,即=2 。若管道與水平軸有夾角(>0)的傾斜壁,式中:g=gsin 。3、膜層中凝結(jié)液的流動(dòng)狀態(tài) 根據(jù)膜層雷諾數(shù)的大小,其流動(dòng)狀態(tài)分:層流 Rec <1600湍流 Rec 16001)膜層雷諾數(shù)()(1)膜層雷諾數(shù)是根據(jù)膜層的特點(diǎn)取當(dāng)量直徑為特征長度的雷諾數(shù)。(2)數(shù)學(xué)表達(dá)式:如圖7-5所示,以豎壁為例,在離開液膜起始處為x=

11、處的膜層雷諾數(shù)為 (7-9) 其中 為壁底部x=處液膜層的平均流速; 為x=處截面液膜層的當(dāng)量直徑;所以,其中是x=處寬為1m的截面上凝結(jié)液的質(zhì)量流量(kg/m·s),那么,在高為,寬為1m的整個(gè)豎壁上的換熱量為。根據(jù)牛頓冷卻公式得 (7-10)注意:對于水平管,用d代替上式中的即可,即 (7-11) 2)理論解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析(1)對于水平圓管、橫管:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解相符。(2)對于豎壁:當(dāng)Re<20時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解相符;當(dāng)Re>20時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越來越高于理論解,最高大于20%(在層流向紊流轉(zhuǎn)折點(diǎn)處,原因是膜層表面波動(dòng)的結(jié)果),所以,應(yīng)對理論解修正之,則實(shí)驗(yàn)公式

12、為 (712)對于或的流體,只要無量綱量(雅各布數(shù))>>時(shí),微分方程中的慣性力項(xiàng),液膜過冷度的影響才可忽略。二、紊流膜狀凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)證明:(1)膜層雷諾數(shù)=1600時(shí),液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?; (2)橫管均在層流范圍內(nèi),因?yàn)楣軓捷^小。1、特征對于紊流液膜,熱量的傳遞:(1)靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量;(2)層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因此,紊流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱。2、計(jì)算方法對于豎壁,紊流膜狀換熱,沿整個(gè)壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) (713)其中 層流段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù); 紊流段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度;豎壁面總高度;實(shí)

13、驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 (714)其中,Prw用壁溫計(jì)算,其它物理量的定性溫度為,且物性參數(shù)均是指凝結(jié)液。13影響膜狀凝結(jié)的因素一、影響因素上節(jié)討論了理想條件下飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的計(jì)算,但在工程中不是如此理想的條件,它受很多復(fù)雜因素的影響,主要有以下幾個(gè)方面:1、蒸汽流速努塞爾的理論分析,忽略了流速的影響。因此,其結(jié)論只適于流速較低的場合。當(dāng)蒸汽流速高時(shí)(水蒸汽>10m/s),蒸汽流對液膜表面會(huì)產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。其影響程度與蒸汽流向與重力場方向及流速大小是否撕破液膜有關(guān)。若流動(dòng)方向與液膜重力場一致,使液膜拉薄,h增加;若流動(dòng)方向與液膜重力場相反,則阻滯液膜流動(dòng),使其增厚,h下降。2、不凝結(jié)氣體蒸汽

14、中含有不凝結(jié)的氣體,即使含量極微,也會(huì)對凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響。如:水蒸汽中質(zhì)量含量占1%的空氣能使h下降60% 。原因:(1)在靠近液膜表面的蒸汽側(cè),隨著蒸汽的凝結(jié),蒸汽分壓力下降,而不凝結(jié)氣體的分壓力上升,液體在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)前,必須以擴(kuò)散方式穿過積聚在界面附近的不凝結(jié)氣體層。因此,它的存在增加了傳遞過程(凝結(jié))的阻力。(2)蒸汽分壓力的下降,使相應(yīng)的飽和溫度下降,則減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力,也使凝結(jié)過程削弱。3、表面粗糙度4、蒸汽含油5、過熱蒸汽前述是針對飽和蒸汽的,對于過熱蒸汽,應(yīng)進(jìn)行修正,只須用過熱蒸汽與飽和液的焓差代替式中的潛熱即可。液膜過冷度及溫度分布的非線性:努塞爾的理論分

15、析忽略了液膜過冷度及溫度分布的非線性影響,只須用代替r(對汽化潛熱應(yīng)進(jìn)行修正)即消除二者的影響。管子排數(shù):前述橫管凝結(jié)換熱公式只適于單根橫管,對于沿流動(dòng)方向有n排管應(yīng)予以修正:理論上:用nd代替特征長度d;實(shí)際上:計(jì)算結(jié)果應(yīng)大于理論結(jié)果。原因:上排凝結(jié)液落在下排管子上時(shí),要產(chǎn)生飛濺及對液膜的沖擊擾動(dòng),其程度取決于管束的幾何位置、流體物性等。管內(nèi)冷凝:對于冷凝器(如冰箱中的制冷劑蒸汽冷凝器)蒸汽在壓差作用下流經(jīng)管子內(nèi)部時(shí),會(huì)產(chǎn)生凝結(jié),此時(shí)的換熱與蒸汽的流速有關(guān)。以水平管為例:(a)當(dāng)蒸汽流速低時(shí),凝結(jié)液主要積聚在管子下部,蒸汽位于上部,h較大;(b)當(dāng)流速增大時(shí),凝結(jié)液則分布于管子周圍,形成環(huán)狀流動(dòng)

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