第七章沸騰換熱

1、第七章 凝結(nngji)與沸騰換熱共七十一頁1 、重點內(nèi)容： 凝結與沸騰換熱機理及其特點； 膜狀凝結換熱分析解及實驗關聯(lián)式； 大容器飽和核狀沸騰及臨界熱流(rli)密度。 2 、掌握內(nèi)容：掌握影響凝結與沸騰換熱的因素。 共七十一頁3 、了解內(nèi)容(nirng)： 了解強化凝結與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動態(tài)。 蒸汽遇冷凝結，液體受熱沸騰屬對流換熱。其特點是：伴隨有相變的對流換熱。 工程中廣泛應用的是：冷凝器及蒸發(fā)器、再沸器、水冷壁等。 共七十一頁7-1 凝結(nngji)換熱現(xiàn)象凝結換熱實例鍋爐中的水冷壁寒冷冬天窗戶上的冰花許多(xdu)其他的工業(yè)應用過程共七十一頁凝結換熱的關鍵點凝結可能以不

2、同(b tn)的形式發(fā)生，膜狀凝結和珠狀凝結冷凝物相當于增加了熱量進一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結換熱的實驗關聯(lián)式影響膜狀凝結換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結理論g共七十一頁1 、凝結(nngji)換熱現(xiàn)象 蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結液的過程，稱凝結換熱現(xiàn)象(xinxing)。有兩種凝結形式。 2 、凝結換熱的分類 根據(jù)凝結液與壁面浸潤能力不同分兩種 共七十一頁 (1)膜狀凝結(nngji) 定義：凝結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形式，稱膜狀凝結。 特點：壁面上有一層液膜，凝結放出的相變熱

3、（潛熱）須穿過(chun u)液膜才能傳到冷卻壁面上， 此時液膜成為主要的換熱熱阻 g共七十一頁(2)珠狀凝結(nngji) 定義：凝結液體不能很好地濕潤(shrn)壁面，凝結液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結形式，稱珠狀凝結。 特點：凝結放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。所以，在其它條件相同時，珠狀凝結的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結的傳熱系數(shù)。 g共七十一頁 7-2 膜狀凝結(nngji)分析解及關聯(lián)式 1、純凈蒸汽層流(cn li)膜狀凝結分析解 假定：1）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，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉移

4、只有導熱；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g共七十一頁共七十一頁根據(jù)以上(yshng) 8 個假設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，凝結液膜的流動和換熱符合邊界層的薄層性質。 以豎壁的膜狀凝結為例： x 坐標(zubio)為重力方向，如圖所示。 在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結液膜流動的微分方程組為 ：共七十一頁下腳(xi jio)標 l 表示液相共七十一頁考慮(kol)假定（3）液膜的慣性力忽略 將動量方程應用于邊界層外的蒸汽,并考慮假定（7）忽略蒸汽密度，邊界層外的壓力(yl)變化更大共七十一頁 只有(zhyu)u 和 t 兩

5、個未知量，于是，上面得方程組化簡為： 考慮假定（5） 膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉移(zhuny)只有導熱共七十一頁邊界條件：求解(qi ji)上面方程可得：(1) 液膜厚度(hud)定性溫度：注意：r 按 ts 確定共七十一頁(2) 局部(jb)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均(pngjn)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定性溫度：注意：r 按 ts 確定共七十一頁(3) 修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結換熱得到(d do)強化，因此，實驗值比上述得理論值高20左右修正(xizhng)后：共七十一頁（4）當是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(nngji)時，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為： 水平(shupng)管：球：橫管

6、與豎管的對流換熱系數(shù)之比：共七十一頁2 膜層中凝結液的流動(lidng)狀態(tài) 無波動層流有波動層流湍流凝結液體流動(lidng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時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量直徑。共七十一頁如圖由熱平衡所以(suy)橫管(hn un)：用d 代替 L并且橫管一般都處于層流狀態(tài)共七十一頁共七十一頁3 湍流(tunli)膜狀凝結換熱實驗(shyn)證明：（ 1 ）膜層雷諾數(shù) Re=1800 時，液膜由層流轉變?yōu)槲闪?； （ 2 ）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。 特征 :對于紊流液膜，熱量的傳遞：（ 1 ）靠近壁面極薄的層

7、流底層依靠導熱方式傳遞熱量；（ 2 ）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因此，紊流液膜換熱遠大于層流液膜換熱。 共七十一頁計算方法：對于(duy)豎壁紊流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 式中：hl為層流(cn li)段的傳熱系數(shù)；ht為紊流段的傳熱系數(shù)； xc為層流轉變?yōu)槲闪鲿r轉折點的高度 l為豎壁的總高度共七十一頁利用(lyng)上面思想，整理的實驗關聯(lián)式：式中： 。除 用壁溫 計算外，其余物理量的定性溫度均為共七十一頁6-3 影響(yngxing)膜狀凝結的因素 工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結過程往往比較復雜，受各種因素的影響(yngxing)。1. 不凝結氣體 不凝結氣體增

8、加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下 降，減小了凝結的驅動力2. 蒸氣流速 流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應力。 如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄， 增大；反之使 減小。共七十一頁 4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性 如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的 ， 5. 管子排數(shù) 管束的幾何布置、流體物性都會影響(yngxing)凝結換熱。 前面推導的橫管凝結換熱的公式只適用于單根橫管。3. 過熱蒸氣 要考慮(kol)過熱蒸氣與飽和液的焓差。共七十一頁 6. 管內(nèi)冷凝 此時換熱與蒸氣的流速關系很大。 蒸氣流速低時，凝結液主要在管子底部，蒸氣則位于 管

9、子上半部。 流速較高時，形成(xngchng)環(huán)狀流動，凝結液均勻分布在管子 四周，中心為蒸氣核。共七十一頁 7. 凝結表面(biomin)的幾何形狀強化凝結換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度?？捎酶鞣N帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結的液體盡快從換熱表面上排泄掉。共七十一頁共七十一頁6-4 沸騰(fitng)換熱現(xiàn)象沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部(nib)產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。 沸騰的特點 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帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱。 共七十一頁

10、沸騰換熱分類(fn li)： 1 ）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰） ； 2 ）強制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。產(chǎn)生(chnshng)沸騰的條件： 理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件： 1）液體必須過熱； 2）要有汽化核心 共七十一頁1 大容器(rngq)飽和沸騰曲線 （1）大容器(rngq)沸騰 定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。 特點：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進入容器空間。 （2）飽和沸騰 定義：液體主體溫度達到飽和溫度 ，壁面溫度 高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。 特點 : 隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn) 4 個換熱規(guī)律全

11、然不同的區(qū)域。 共七十一頁（3）過冷沸騰 指液體主體溫度(wnd)低于相應壓力下飽和溫度(wnd)，壁面溫度(wnd)大于該飽和溫度(wnd)所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。 （4）大容器飽和(boh)沸騰曲線： 表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：共七十一頁qmaxqmin共七十一頁如圖 6-11 所示，橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標為熱流密度（算術密度）。 從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段、將整個(zhngg)曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下： 1 ）單相自然對流(duli)段（液面汽化

12、段） 壁面過熱度小時（圖中 ）沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律。共七十一頁2 ）核態(tài)沸騰(fitng)（飽和沸騰(fitng)） 隨著(su zhe) 的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。其特點是： 開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)； 隨著 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響區(qū)。 共七十一頁隨著 的增大， q 增大，當 增大到一定值時， q 增加到最大值 ，汽泡擾動劇烈，汽化核心(hxn)對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。 其特點：換熱強度大，其終點的熱

13、流密度 q 達最大值 。工業(yè)設計(shj)中應用該段。 共七十一頁 3 ）過渡(gud)沸騰 從峰值點進一步提高 ，熱流密度 q 減??；當 增大到一定值時，熱流密度減小到 ，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定(wndng)過程。 原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使 q m 下降。 共七十一頁4 ）穩(wěn)定(wndng)膜態(tài)沸騰 從 開始，隨著(su zhe) 的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使 上升時，熱流密度 q 上升，此階段稱為穩(wěn)定

14、膜態(tài)沸騰。 共七十一頁其特點：（ 1 ）汽膜中的熱量傳遞不僅有導熱，而且有對流(duli)； （ 2 ）輻射熱量隨著 的加大而劇增，使熱流密度大大增加； （ 3 ）在物理上與膜狀凝結具有共同點：前者熱量必須穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜。 共七十一頁幾點說明：（1）上述熱流密度的峰值qmax 有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉折點DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(y din)對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結小得多。共七十一頁2 汽化核心的分析 (1)

15、汽泡的成長過程 實驗表明，通常情況下，沸騰(fitng)時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。共七十一頁共七十一頁 1. 汽泡穩(wěn)定存在條件：設有一個容器，底面加熱，上面壓力ps 對應ts，如中間有汽泡，其內(nèi)壓力pv，溫度tv，周圍流體對應pl , tl 。 穩(wěn)定條件：熱平衡 力平衡 熱平衡 tl= tv tl tv 液體向汽泡傳熱，汽泡中的汽要膨脹長大。 力平衡 取半個汽泡為控制體，受兩個力汽泡動力學簡介(jin ji)：共七十一頁要使氣泡(qpo)長大，泡內(nèi)壓力需克服表面張

16、力對外做功，設氣泡(qpo)體積膨脹了dV,相應的表面積增量為dA，則做功量氣泡處于穩(wěn)定(wndng)的力平衡狀態(tài)時 dW=0 上式為氣泡能存在的條件。要使氣泡逐漸長大，則 共七十一頁共七十一頁共七十一頁共七十一頁共七十一頁共七十一頁共七十一頁7-5 沸騰(fitng)換熱計算式 沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然(rngrn)適用，即但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計算公式共七十一頁1 大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況(qngkung)液比較復雜，導致了個計算公式分歧較大。目

17、前存在兩種計算是：（ 1 ）針對一種液體的計算公式； （ 2 ）廣泛適用于各種液體的計算式； 共七十一頁（1）適用(shyng)于水的米海耶夫計算式 在 壓力下大容器飽和(boh)沸騰計算式： 按 共七十一頁（2 ）適用于各種( zhn)液體的計算式: 既然(jrn)沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st = f ( Re, Pr )也應該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關聯(lián)式：共七十一頁上式可以(ky)改寫為： 對于制冷介質而言，以下的庫珀（Cooper）公式目前得到廣泛(gungfn)的應用：共七十一頁其中： 為液體的相對分子質量； 為對比壓力（液體壓力與該流體的臨界壓

18、力之比）； 為表面平均粗糙度，（對一般(ybn)工業(yè)用管材表面，為0.30.4）； 為熱流密度。共七十一頁2 大容器(rngq)沸騰的臨界熱流密度 對于大容器沸騰的臨界熱流密度(md)的計算，推薦采用如下半經(jīng)驗公式：共七十一頁3 大容器膜態(tài)沸騰(fitng)的關聯(lián)式（1）橫管(hn un)的膜態(tài)沸騰 式中，除了r 和 l 的值由飽和溫度 ts 決定外，其余物性均以平均溫度 tm ( twts ) / 2 為定性溫度，特征長度為管子外徑d, 如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.67共七十一頁勃洛姆來建議采用如下(rxi)超越方程來計算：其中(qzhng)：（2）考慮熱輻射作用 由于

19、膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應。共七十一頁7-6 影響(yngxing)沸騰換熱的因素 沸騰換熱是我們學過的換熱現(xiàn)象中最復雜的，影響因素(yn s)也最多，由于我們只學習了大容器沸騰換熱，因此，影響因素(yn s)也只針對大容器沸騰換熱。1 不凝結氣體對膜狀凝結換熱的影響 與膜狀凝結換熱不同，液體中的不凝結氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強化共七十一頁2 過冷度 只影響過冷沸騰，不影響飽和(boh)沸騰，因自然對流換熱時， ，因此，過冷會強化換熱。 3 液位高度(god) 當傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關。但當液位降低到一定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液位的降低而升高(臨界液位)。共七十一頁圖中介質(jizh)為一個 大氣