第七章凝結(jié)與沸騰換熱

1、第七章第七章 凝結(jié)與沸騰換熱凝結(jié)與沸騰換熱第一節(jié)第一節(jié) 凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱第二節(jié)第二節(jié) 沸騰換熱沸騰換熱第三節(jié)第三節(jié) 熱管熱管第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱一、概述一、概述1.1.定義：定義：蒸汽與低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面接觸，在冷壁面上發(fā)生蒸汽變成液體的現(xiàn)象。2.2.凝結(jié)形式：凝結(jié)形式：依凝結(jié)液體依附于壁面型式不同，有膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)兩種。膜狀凝結(jié)：膜狀凝結(jié)：凝結(jié)液能很好地潤(rùn)濕壁面，形成完整的液膜向下流動(dòng)。 a.a.形成機(jī)理：形成機(jī)理： 冷壁對(duì)凝液的吸附力凝液的表面張力 b.b.換熱機(jī)理：換熱機(jī)理： 液膜往往成為主要熱阻。 換熱與液膜厚薄、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等有關(guān)。壁液膜蒸

2、汽第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱a.a.以壁面上微小凹坑為核化點(diǎn)：以壁面上微小凹坑為核化點(diǎn)： 先形成較小液珠，再逐漸長(zhǎng)大。 凝結(jié)主要在液珠外進(jìn)行。 潛熱以導(dǎo)熱和對(duì)流通過(guò)液珠。 認(rèn)為：F2F1b.b.另一模式認(rèn)為：另一模式認(rèn)為： 先形成液膜，后斷裂成水珠。 換熱主要在斷裂的裸壁處。 實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明： h珠狀比h膜狀大510倍。F1F2核化點(diǎn)過(guò)冷蒸汽內(nèi)循環(huán)一、概述一、概述2.2.凝結(jié)形式凝結(jié)形式珠狀凝結(jié)：珠狀凝結(jié)：凝液形成一個(gè)個(gè)液珠。其形成與換熱機(jī)理為：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱1.1.層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）層流膜狀

3、凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）1.1.假設(shè)：假設(shè)：豎壁tw均勻，且貼壁凝液液溫也為tw，汽液交界上液溫為ts；蒸汽處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)凝液運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生任何影響；凝結(jié)液處于層流狀態(tài)；忽略凝液運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度；凝液物性參數(shù)為常數(shù)；忽略膜內(nèi)對(duì)流換熱及沿液膜縱向的導(dǎo)熱，即液膜的換熱是純導(dǎo)熱，其溫度分布呈線性；凝結(jié)蒸汽為純凈蒸汽；蒸汽密度 凝結(jié)液體密度。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱1.1.層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）yxdxtuutwts+d+di/Mi/dMabcdy dy dxw

4、ytidxMdxdM第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱 式中：dp/dx為液膜在x向的壓力梯度，可按y=處液膜表面蒸汽壓力梯度來(lái)算，若將上述動(dòng)量方程用于蒸汽時(shí)，由于u汽=0，故有： dp/dx=g 據(jù)假設(shè)，忽略加速度，則動(dòng)量式中左項(xiàng)為0，將代入：122yudxdpyuxugu3022gdyud4022gdyud二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱1.1.層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）2.2.局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出 由動(dòng)量方程：據(jù)假設(shè)，忽略，上式變?yōu)椋旱谝还?jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱式說(shuō)明作用于微元

5、體上的力只有粘滯力和重力，且兩力平衡，據(jù)前述假設(shè)此方程的邊界條件為： y=0，u=0 y=，du/dy=0 解微分方程，即得液膜的速度分布：5221yyug6/13320skgMudyMg7/22skgdMdg二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱1.1.層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）2.2.局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出微元體熱量應(yīng)守恒，設(shè)微元體寬1M，沿x處流入的凝液質(zhì)量：在dx距離內(nèi)的增量為：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱 設(shè)單位質(zhì)量純蒸汽的焓為i/，飽和液體的焓為i/，則由汽至液的潛熱r=i/-i/

6、，據(jù)熱平衡：a+b=c+d，代入整理有： （i/-i/）dM=（t/y）wdx 因液膜只有純導(dǎo)熱，在x處相當(dāng)于平壁，故其溫度分布為： t=tw+（ts-tw）y/ dxrwsttdg22 104124grttxwsx二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱1.1.層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）2.2.局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出將上式積分得：將、代入得：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱1.1.層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽

7、在豎壁的膜狀凝結(jié)）2.2.局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出局部對(duì)流換熱系數(shù)的導(dǎo)出 據(jù)牛頓冷卻公式及傅里葉定律：41432wsxttxrgh1141320943. 0|341wslxxlxttxrglhdxhhhx（ts-tw）dx=（ts-tw）/（x）dxhx=/（x） 將（x）代入得：設(shè)豎壁高為l，則理論上平均換熱系數(shù)為：上式即為努謝爾特推出的理論平均換熱系數(shù)計(jì)算式。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱1.1.層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）層流膜狀凝結(jié)換熱的理論解（純凈蒸汽在豎壁的膜狀凝結(jié)）3.3.實(shí)用關(guān)系式實(shí)用關(guān)系式 上式結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相較，實(shí)驗(yàn)h

8、值比上式計(jì)算值高20%左右，故在實(shí)際使用時(shí)，將系數(shù)0.943修改成1.13。4132725. 0wsttdrgh 對(duì)于水平放置的圓管外壁的凝結(jié)換熱，若以外徑d定型，其h為：上列各表中定性溫度均為：tm=（ts+tw）/2 對(duì)于豎放管外壁凝結(jié)換熱，其計(jì)算可用豎壁公式計(jì)算，此時(shí)定型尺寸為管長(zhǎng)l，故只要管子不是很短，橫放時(shí)管外凝結(jié)表面的換熱系數(shù)將高于豎放，如當(dāng)l/d=50時(shí)，h橫2h豎，故冷凝設(shè)計(jì)多用橫管。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱 式中：um為壁底部液膜斷面平均流速 de為壁底部液膜斷面當(dāng)量直徑 如圖：潤(rùn)濕周邊U=L，f=L，則有： de=4f/L=4umLlmemecududReMum

9、c44Rertthlwsc4Re二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱2.2.凝結(jié)液膜雷諾數(shù)凝結(jié)液膜雷諾數(shù)ReRec c及凝結(jié)準(zhǔn)則及凝結(jié)準(zhǔn)則CoCo1.1.凝結(jié)液膜雷諾數(shù)凝結(jié)液膜雷諾數(shù)ReRec c M=um為單位時(shí)間單位寬度通過(guò)斷面的凝液量，單位為：kg/sm。另?yè)?jù)：h（ts-tw）l=rM 可得另一形式：第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱2.2.凝結(jié)液膜雷諾數(shù)凝結(jié)液膜雷諾數(shù)ReRec c及凝結(jié)準(zhǔn)則及凝結(jié)準(zhǔn)則CoCo1.1.凝結(jié)液膜雷諾數(shù)凝結(jié)液膜雷諾數(shù)ReRec c 對(duì)于橫管，用d代替l，得橫管的Rec為：rttdhwsc4Re31223ghCo313123GaN

10、uCoglhl2.2.凝結(jié)準(zhǔn)則凝結(jié)準(zhǔn)則CoCo定義：凝結(jié)準(zhǔn)則也可寫(xiě)成： 上式中：Ga=gl3/2為伽利略（Galileo）準(zhǔn)則，于是凝結(jié)換熱也可寫(xiě)成準(zhǔn)則方程式的形式。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱二、膜狀凝結(jié)換熱二、膜狀凝結(jié)換熱3.3.層流膜狀凝結(jié)換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式 如式7-1c、7-2b、7-5b、7-6等4.4.紊流膜狀凝結(jié)換熱紊流膜狀凝結(jié)換熱5.5.水平管（橫管）內(nèi)凝結(jié)換熱水平管（橫管）內(nèi)凝結(jié)換熱6.6.水平管束管外平均表面換熱系數(shù)水平管束管外平均表面換熱系數(shù)當(dāng)管排間距小時(shí)，上排管凝液的流下會(huì)使下排管液膜增厚，而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)下降，若管排數(shù)為n，此時(shí)用nd作定型

11、尺寸，代入式7-2，即得全管束平均換熱系數(shù)hn，當(dāng)n25時(shí)，仍取n=25，即n25后全管束平均換熱系數(shù)不變。若管排間距大，上排凝液下落時(shí)會(huì)對(duì)下排管產(chǎn)生一定的撞擊和飛濺，增加了對(duì)凝液膜的擾動(dòng)，使換熱增強(qiáng)，此時(shí)實(shí)際的hn值比上述計(jì)算要大。其規(guī)律還有待探索。第一節(jié)第一節(jié) 凝凝 結(jié)結(jié) 換換 熱熱三、影響膜狀凝結(jié)的因素及增強(qiáng)換熱的措施三、影響膜狀凝結(jié)的因素及增強(qiáng)換熱的措施1.1.影響因素影響因素1.1.不凝氣體不凝氣體2.2.蒸汽流速：蒸汽流速：當(dāng)蒸汽流向與液膜流向相反時(shí)，h；當(dāng)蒸汽流向與液膜流向相同時(shí)，h；無(wú)論兩者方向相同相反，均增加對(duì)液膜的擾動(dòng)h。3.3.表面粗糙度表面粗糙度4.4.蒸氣含油蒸氣含油

12、5.5.過(guò)熱蒸汽過(guò)熱蒸汽2.2.增強(qiáng)凝結(jié)換熱的措施增強(qiáng)凝結(jié)換熱的措施 改變表面幾何特征、有效地排除不凝氣體、速排凝液、促進(jìn)凝結(jié)向珠狀凝結(jié)轉(zhuǎn)化等。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱一、沸騰分類(lèi)一、沸騰分類(lèi) 大空間沸騰：大空間沸騰：指加熱壁面被沉浸在無(wú)宏觀流速的液體表面（自由表面）下所發(fā)生的沸騰。 有限空間沸騰（管內(nèi)沸騰、受迫對(duì)流沸騰等）：有限空間沸騰（管內(nèi)沸騰、受迫對(duì)流沸騰等）：液體在壓差作用下以一定的速度流過(guò)加熱管（或其它形狀通道）內(nèi)部時(shí)，在管內(nèi)表面上發(fā)生的沸騰。 另根據(jù)液溫與壁溫的關(guān)系可分為： 過(guò)冷沸騰：過(guò)冷沸騰：通常twts，而tlts，且tlts，從壁面產(chǎn)生的氣泡不再被凝結(jié)。通常有三種

13、基本的沸騰狀態(tài)： 自然對(duì)流沸騰：自然對(duì)流沸騰：只有少量氣泡產(chǎn)生； 泡態(tài)沸騰（核沸騰）：泡態(tài)沸騰（核沸騰）：大量產(chǎn)生氣泡； 膜態(tài)沸騰：膜態(tài)沸騰：壁與液體間產(chǎn)生氣體隔膜。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱1.1.沸騰曲線（沸騰與溫差的關(guān)系）沸騰曲線（沸騰與溫差的關(guān)系）lgq溫差t=tw-ts0.12.21055250 5505000ABCDEF自然對(duì)流泡態(tài)（核沸騰） 過(guò)渡態(tài)膜態(tài)沸騰abc“燒毀點(diǎn)”燒毀q = ht第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱 R2（pv-pl）=2R pv-pl=2/R 因一般0，故有： pvplps 得到： tvtlts 另?yè)?jù)熱平衡必

14、須有： tv=tl，此時(shí)氣泡既不長(zhǎng)大也不縮小。 而據(jù)力的平衡必須tvts，則tlts說(shuō)明在泡態(tài)沸騰時(shí)液體應(yīng)處于過(guò)熱狀態(tài)，稱(chēng)t=tl-ts為過(guò)熱度，它是沸騰的推動(dòng)力。pstspvtvpltlpsplpvplRR2（pv-pl）2R二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰1.1.氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡的生存條件氣泡的生存條件 力的平衡有：第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱 顯然，液體的過(guò)熱度在壁面上具有最大值，故上式表示的具有最小氣泡直徑的氣泡只可能出現(xiàn)在壁面上。 在一定的沸騰壓力和過(guò)熱度下，半徑小于Rmin的氣泡是無(wú)法生存的，因它們不具備前述使氣泡保持熱、力平衡的

15、條件。swvsttrTR2min二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰1.1.氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡的生存條件氣泡的生存條件 據(jù)克拉貝隆-克勞修斯方程等可得到能生存的最小氣泡直徑：第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰1.1.氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡的形成和浮升氣泡的形成和浮升 加熱面具有最大的過(guò)熱度，氣泡常在加熱面“氣化核心”處生成，且“氣化核心”常是表面凹縫處，因此處生成氣泡所需的表面功最小。 因液體的過(guò)熱，液體和壁面的熱量不斷地輸入，使汽=液界面上的液體不斷蒸發(fā)，使氣泡長(zhǎng)大。隨浮力的加大而浮

16、升，最后沖破液面與氣相匯合。 在泡態(tài)沸騰中，氣泡不斷產(chǎn)生、長(zhǎng)大、脫離，冷流體不斷沖刷壁面，使液體處于劇烈擾動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)其h比單相流h大。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱二、大空間沸騰換熱二、大空間沸騰換熱2.2.泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰2.2.泡態(tài)沸騰的換熱系數(shù)計(jì)算泡態(tài)沸騰的換熱系數(shù)計(jì)算 常見(jiàn)的計(jì)算式為式7-11，12。注意：注意： 此時(shí)材料的表面狀況表面狀況（如劃痕等）對(duì)沸騰換熱影響很大。3.3.泡態(tài)沸騰換熱的增強(qiáng)泡態(tài)沸騰換熱的增強(qiáng) 主要措施有：在壁面用燒結(jié)化覆蓋一層多孔銅或多孔鋁，能使換熱系數(shù)提高十倍以上。另外還有采用擠壓、打磨等方法使表面變粗糙等辦法來(lái)提高換熱系數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 沸沸 騰騰 換換 熱熱三、管內(nèi)沸騰（有限空間沸騰）換熱簡(jiǎn)介三、管內(nèi)沸騰（有限空間沸騰）換熱簡(jiǎn)介 換熱一般經(jīng)歷：換熱一般經(jīng)歷： 單相流體對(duì)流換熱過(guò)冷沸騰泡態(tài)沸騰液膜對(duì)流沸騰單相換熱（濕蒸汽換熱 過(guò)熱蒸汽換熱） 流動(dòng)一般經(jīng)歷：流動(dòng)一般經(jīng)歷：液相單相流泡狀流塊狀流環(huán)狀流氣相單相流。第三節(jié)第三節(jié) 熱熱 管管熱管的構(gòu)造和簡(jiǎn)單原理熱管的構(gòu)造和簡(jiǎn)單原理 熱管就是將通的金屬管子抽成真空，注入工作液體后密封的管子。通常是由管殼、管芯和