V4-第七章-相變對流傳熱-2014

1、第七章相變對流傳熱傳熱學 Heat Transfer相變對流傳熱凝結傳熱 （氣相變液相）沸騰傳熱 （液相變氣相）7-1 凝結傳熱的模式相變：物質系統(tǒng)不同相（氣液固）之間的轉變。相變過程伴隨吸熱、放熱的相變潛熱相變傳熱的特點： 由于有潛熱釋放和相變過程的復雜性，比單相對流換熱更復雜。相變對流傳熱的重點在于確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后由牛頓冷卻公式計算熱流量凝結傳熱： 夏天出空調(diào)房間后的眼鏡表面膜狀凝結沸騰傳熱： 燒開水傳熱學 Heat Transfer7-1 凝結傳熱的模式凝結傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給壁面的過程。凝結傳熱產(chǎn)生的必要條件：swttgswttgswtt膜狀凝

2、結珠狀凝結凝結模式源于氣液界面的接觸角（圖7-1）傳熱學 Heat Transfer凝結傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給壁面的過程。珠狀凝結珠狀凝結的表面換熱系數(shù) 膜狀凝結，但是一般無法長久保持。 2.55105 5000250007-1 凝結傳熱的模式傳熱學 Heat Transfer7-2 膜狀凝結分析解及實驗關聯(lián)式 層流膜狀凝結努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結理論分析解： 液體膜層的熱阻為主要因素?；炯僭O： 二維、穩(wěn)態(tài)、常物性、層流；蒸汽靜止，汽液界面無對液膜的粘滯力；忽略慣性力，液膜的運動僅取決于重力和粘滯力；壁溫twconst，汽液界面無溫差 tts液膜內(nèi)部無

3、對流而只有導熱，溫度分布為線性；忽略液膜的過冷度，即認為液膜僅存在潛熱；蒸汽密度液體密度；1.液膜表面平整無波動。努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結理論分析解2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll穩(wěn)態(tài)邊界層微分方程002222ytyugllswttyuyttuy ,0dd 0, 0時，時，簡化后的常微分方程yttttyyguwswll)()21(2簡化后的速度和溫度分布拋物線線性基本假設： 1)二維、穩(wěn)態(tài)、常物性、層流； 2)蒸汽靜止，汽液界面無對液膜的粘滯力； 3)忽略慣性力，液膜的運動僅取決于重力和粘滯力； 4)壁溫twconst，汽液界面無溫差 tts ；

4、 5)液膜內(nèi)部無對流而只有導熱，溫度分布為線性； 6)忽略液膜的過冷度，即認為液膜僅存在潛熱；7）蒸汽密度液體密度；8）液膜表面平整無波動。傳熱學 Heat Transfer努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結理論分析解微元體熱平衡)()(0udyrdrdMdxxttdlwsxyttttyyguwswll)()21(21/ 4llsw2l4(tt )xgr 導熱公式+牛頓冷卻公式dxtthdxxttdwsxwsx)()()(xhx1 / 423llxlswgrh4( tt)x 簡化后的速度和溫度分布7-2 膜狀凝結分析解及實驗關聯(lián)式 層流膜狀凝結傳熱學 Heat Transfer努塞爾純凈飽和蒸汽層

5、流膜狀凝結理論分析解1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) 豎壁傾斜豎壁4/132)(sin943. 0wslllVttlrgh水平圓管壁1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 球壁2wsmttt特征長度分別為 l 和 d；r 由ts 確定。其它物性由平均溫度確定：為何冷凝器一般多采用水平橫管布置？7-2 膜狀凝結分析解及實驗關聯(lián)式 層流膜狀凝結傳熱學 Heat Transfer膜狀凝結實驗關聯(lián)式： 豎壁（層流）理論分析解在一定的假設條件下獲得實驗結果修正實驗關聯(lián)式豎壁（湍流）N uhl /;

6、32Gagl/伽利略數(shù)Rec1600lwsrtthl)(4Re豎壁雷諾數(shù)豎壁臨界雷諾數(shù)16007-2 膜狀凝結分析解及實驗關聯(lián)式傳熱學 Heat Transfer膜狀凝結實驗關聯(lián)式： 理論分析解在一定的假設條件下獲得實驗結果修正實驗關聯(lián)式水平圓管壁1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 與分析解一致lwsrttdh)(2Re水平圓管壁雷諾數(shù)橫管一般處于層流范圍上述實驗關聯(lián)式僅適用低流速情況：水蒸氣10m/s, 氟利昂0.5m/s7-2 膜狀凝結分析解及實驗關聯(lián)式傳熱學 Heat Transfer膜狀凝結換熱的工程計算步驟： 膜狀凝結換熱的形式（豎壁、側壁、水平單圓管、多圓管、球壁

7、）；判別流態(tài)（層流、湍流）；利用對應形式的實驗關聯(lián)式計算平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；利用牛頓冷卻公式計算換熱量，并計算凝結速率（單位時間內(nèi)凝結的液膜質量）。 )(wstthArqm注意事項：1. ；2. 一定壓力下的飽和水蒸氣 r 和ts 由附錄10確定，其它物性由平均溫度tm查附錄9確定。7-2 膜狀凝結分析解及實驗關聯(lián)式例例7-1. 7-1. 大氣壓下的飽和水蒸氣在寬大氣壓下的飽和水蒸氣在寬30、高、高1.2m的豎壁上凝結。若壁溫為的豎壁上凝結。若壁溫為70，求，求每小時的傳熱量及凝結水量。每小時的傳熱量及凝結水量。解：本題屬于膜狀凝結換熱問題。假設液膜為層流。sw3612342sw1)100 ,2

8、257.1/1/2tt )1/2 10070)85968.55/,0.677/,335 102)1.13,5433.12/tt )smlllllltcrkJ kgtckg mWm KPa SgrhhWmH 查物性值大氣壓下飽和水蒸氣的溫度 汽化潛熱膜平均溫度（，據(jù)此查得水的物性值：豎壁的凝結傳熱系數(shù)代入數(shù)據(jù)，得：（555433.12 1.2 0.3 302.11 10/2.11 10 /2257.193.5/43)Re10351600,mlKhA tkJ hqrkg hHh tr 校核：以上計算有效。傳熱學 Heat Transfer7-3 膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化膜狀凝結換熱的影響因素

9、： 不凝結氣體：蒸汽流速：過熱蒸汽：液膜的過冷度及溫度分布的非線性管子排數(shù)管內(nèi)凝結凝結表面的幾何形狀 傳熱學 Heat Transfer膜狀凝結換熱的強化措施： 減薄液膜的厚度 基于表面張力減薄液膜厚度（低肋管、鋸齒管、微肋管） 增加順液膜流動方向的蒸汽流速 水平放置單管或管束加速液膜的排出 分段排泄管、溝槽管、離心力、靜電引力等減少不凝結氣體 抽吸、引射等，或者增加蒸氣的流速凝結表面實現(xiàn)珠狀凝結 7-3 膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化傳熱學 Heat Transfer7-4 沸騰傳熱的模式沸騰：工質內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過程。沸騰換熱：液體內(nèi)部固液界面形成氣泡而使

10、熱量由固壁傳給液體的過程。沸騰換熱產(chǎn)生的必要條件：swtt 沸騰液體是否整體流動管內(nèi)強制對流沸騰大容器沸騰沸騰液體主體溫度是否達到飽和溫度飽和沸騰過冷沸騰YNYN傳熱學 Heat Transfer7-4 沸騰傳熱的模式 大容器飽和沸騰曲線0 t 4 : 單相自然對流區(qū)，無汽泡。4 t 25 : 核態(tài)沸騰區(qū)。產(chǎn)生汽泡，汽泡間的劇烈擾動使表面換熱系數(shù)和熱流密度急劇增加，強化換熱。25 t 200 : 過渡沸騰區(qū)。汽泡的產(chǎn)生速度大于脫離速度，汽泡附著形成汽膜，汽膜的熱阻減弱換熱效果。200ts）是必要條件；沸騰換熱時氣泡在汽化核心處產(chǎn)生，成長并逸出；之后流體補充，重新形成氣泡，周而復始；氣泡的形成、

11、成長和脫離對加熱表面的流體產(chǎn)生劇烈的擾動，因此換熱的強度遠大于無相變對流換熱；汽化核心數(shù)目的增加有利于強化沸騰換熱。傳熱學 Heat Transfer大容器飽和核態(tài)沸騰： 主要影響因素是壁面的過熱度和汽化核心數(shù)通用液體的大容器飽和核態(tài)沸騰：羅森諾Rohsenow公式1tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPrslwlCStPrRe33. 01符號意義參見教材（7-17）式，Cwl查表7-1確定。水：s1，其它液體：s1.77-5 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式slvllwlplgrqCrtcPr)(33. 0傳熱學 Heat Transfer大容器飽和核態(tài)沸騰： 主要影響因素是

12、壁面的過熱度和汽化核心數(shù)制冷介質的大容器飽和核態(tài)沸騰：庫鉑Cooper公式2式中：q 熱流密度，W/m2；Mr 制冷介質分子量； pr 介質壓力與臨界壓力比；Rp 表面平均粗糙度，um。7-5 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式傳熱學 Heat Transfer大容器飽和核態(tài)沸騰臨界熱流密度4121max)(149. 0vlvgrq7-5 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式式中：物性參數(shù)根據(jù)飽和溫度查取。傳熱學 Heat Transfer大容器膜態(tài)沸騰：注意事項： 橫管 a0.62，球壁 a0.67 汽化潛熱r 和飽和液體密度l 由飽和溫度ts確定，其它物性參數(shù)由平均溫度確定 Tt+273343434rchh

13、hswswrTTTTh)(44413)()(swvvvlvcttdgrah對流換熱輻射換熱200 t : 穩(wěn)定模態(tài)沸騰區(qū)。形成穩(wěn)定汽膜，雖然汽膜的熱阻減弱了換熱效果，但是t的增加進一步增強了換熱效果。7-5 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式例題 7-6傳熱學 Heat Transfer7-6 沸騰傳熱的影響因素及其強化不凝結氣體（與膜狀凝結傳熱不同） 溶解于液體中的不凝結氣體在汽化核心處逸出強化沸騰換熱流體過冷度：流體主體溫度低于其飽和溫度。 在核態(tài)沸騰起始段自然對流區(qū)域，過冷度強化沸騰換熱液位高度 低于臨界液位，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨液位降低而增加，從而強化沸騰換熱重力加速度 僅在微重力環(huán)境下，重力加速度

14、才會影響核態(tài)沸騰換熱管內(nèi)強制對流沸騰（圖7-20） 蒸汽-流體的摻混兩相流。 傳熱學 Heat Transfer7-6 沸騰傳熱的影響因素及其強化原則 通過傳熱表面的處理增加加熱面汽化核心數(shù)目。大容器飽和沸騰 傳熱表面多孔結構管內(nèi)強制對流沸騰 內(nèi)螺紋管、微肋管 沸騰傳熱的強化措施： 傳熱學 Heat Transfer本章重點：凝結換熱凝結換熱的產(chǎn)生條件及兩種凝結換熱的形式；豎壁膜狀凝結的分析解（八點假設），為何多水平橫置；膜狀凝結的實驗關聯(lián)式（凝結換熱量+凝結速率），注意Re需校核；1.膜狀凝結的影響因素和強化措施（減薄液膜厚度、加速凝結液膜的排出）。 沸騰換熱沸騰換熱的產(chǎn)生條件、分類，以及與

15、蒸發(fā)的區(qū)別；沸騰換熱的特點；大容器飽和沸騰曲線（四區(qū)，核態(tài)沸騰區(qū)為理想工作區(qū)域）；臨界熱流密度的意義（沸騰曲線中虛線的含義）；實驗關聯(lián)式的應用；1.沸騰換熱的影響因素及其強化措施（增加壁面汽化核心的數(shù)目）。傳熱學 Heat Transfer常用下標的含義一般均對應表達對象英文首字母 下標含義l液體 liquidv蒸汽 vaporw固壁 walls飽和 saturationc臨界 criticalc對流 convectionr輻射 radiationp壓力 pressureV豎向 verticalH水平 horizontalS球 sphere傳熱學 Heat Transfer作業(yè)復習題：1，3,

16、 5, 6, 8 傳熱學 Heat Transfer7-7 熱管 1963年美國Los Alamos國家實驗室的G. M. Grover發(fā)明 利用工作流體（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量。真空的金屬管+工作流體+內(nèi)壁吸液芯結構 1. 熱量由熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-氣分界面；2. 液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-氣分界面上蒸發(fā)；3. 蒸氣的溫度和壓力高于熱管的其它部分，壓差作用促使蒸汽流向熱管內(nèi)冷凝端；4. 蒸汽在冷凝段內(nèi)的氣-液分界面上凝結：5. 熱量從氣-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；6. 在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。 傳熱學 He

17、at Transfer7-7 熱管 1963年美國Los Alamos國家實驗室的G. M. Grover發(fā)明 利用工作流體（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量。真空的金屬管+工作流體+內(nèi)壁吸液芯結構 熱管相對于一種基于相變傳熱的等溫導熱體，較多用于衛(wèi)星表面的等溫化和內(nèi)部電子設備的溫度控制。用于地面芯片散熱還需要在冷凝段加翅片和風扇。傳熱學 Heat Transfer常用下標的含義一般均對應表達對象英文首字母 下標含義l液體 liquidv蒸汽 vaporw固壁 walls飽和 saturationc臨界 criticalc對流 convectionr輻射 radiationp壓力 pressureV豎向 verticalH水平 horizontalS球 sphere傳熱學 Heat Transfer本章重點：凝結換熱凝結換熱的產(chǎn)生條件及兩種