相變對(duì)流傳熱

第13講相變對(duì)流傳熱教學(xué)過(guò)程：

自學(xué)、提問(wèn)教學(xué)目的及要求了解相變傳熱模式、影響傳熱因素、強(qiáng)化方法；了解實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。教學(xué)內(nèi)容：

膜狀凝結(jié)相關(guān)概念，計(jì)算關(guān)聯(lián)式，影響因素及強(qiáng)化傳熱方法；大容器沸騰傳熱相關(guān)概念，計(jì)算關(guān)聯(lián)式，影響因素及強(qiáng)化傳熱方法。2022/10/191提綱：一、凝結(jié)傳熱1.現(xiàn)象與特點(diǎn)基本概念，產(chǎn)生條件是壁面溫度<蒸氣飽和溫度。珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)的特點(diǎn)、熱量傳遞規(guī)律，h珠狀>>h膜狀，但不能持久。2.豎壁膜狀凝結(jié)分析解Nusselt分析解基于9條假設(shè)，視液膜內(nèi)只有純導(dǎo)熱。因此要獲得局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，只需獲得該處液膜厚度。豎管與橫管，h橫>h豎。3.膜狀凝結(jié)的工程計(jì)算流態(tài)判別(Re迭代法)；關(guān)聯(lián)式；注意特征長(zhǎng)度和定性溫度4.影響因素掌握膜狀凝結(jié)諸影響因素，尤其是不凝性氣體和蒸氣流速的影響機(jī)理。2022/10/1925.凝結(jié)換熱的強(qiáng)化當(dāng)凝結(jié)熱阻是傳熱過(guò)程主要分熱阻時(shí)，強(qiáng)化效果較好。強(qiáng)化的原則是破壞或減薄液膜層，強(qiáng)化技術(shù)是減薄液膜厚度、加速液膜的排泄。二、沸騰換熱1.特點(diǎn)基本概念：蒸發(fā)與沸騰，大容器沸騰與管內(nèi)沸騰，飽和沸騰，過(guò)熱度。汽化核心數(shù)是衡量強(qiáng)化沸騰的重要參數(shù)。2.大容器飽和沸騰曲線曲線形式，隨著t，四個(gè)不同區(qū)域的換熱規(guī)律和特點(diǎn)。核態(tài)沸騰是工業(yè)中理想的工作區(qū)域，其溫差小，換熱強(qiáng)。3.沸騰換熱的兩種加熱方式

控制壁溫(改變壁溫tw與液體飽和溫度ts之差t=tw-ts，q的大小受沸騰側(cè)影響很大。)

控制熱流(改變壁面處的熱流密度q，q取決于外部施加的條件，而與h無(wú)關(guān))2022/10/1934.臨界熱流密度qmax

的意義對(duì)熱流可控：使q<qmax，保證設(shè)備安全運(yùn)行不致燒毀對(duì)壁溫可控：使t<tc，保證設(shè)備有較高的傳熱效率5.沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算公式的擬合誤差一般較大，因?yàn)榉序v換熱機(jī)理復(fù)雜，受加熱表面影響很大。6.汽化核心結(jié)合汽化核心概念理解沸騰換熱機(jī)理，結(jié)合大容器飽和沸騰曲線了解氣泡的生成、長(zhǎng)大、脫離、破裂等規(guī)律7.沸騰換熱影響因素和強(qiáng)化沸騰換熱影響因素就是氣泡生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的影響因素。強(qiáng)化沸騰換熱的主要出發(fā)點(diǎn)是增加壁面汽化核心數(shù)，基本手段是沸騰表面的特殊加工。

2022/10/194相變對(duì)流傳熱凝結(jié)傳熱（氣相變液相）沸騰傳熱（液相變氣相）7-1凝結(jié)傳熱的模式相變：物質(zhì)系統(tǒng)不同相（氣液固）之間的轉(zhuǎn)變。相變過(guò)程伴隨吸熱、放熱的相變潛熱相變傳熱的特點(diǎn)：由于有潛熱釋放和相變過(guò)程的復(fù)雜性，比單相對(duì)流換熱更復(fù)雜。相變對(duì)流傳熱的重點(diǎn)在于確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后由牛頓冷卻公式計(jì)算熱流量凝結(jié)傳熱：夏天出空調(diào)房間后的眼鏡表面膜狀凝結(jié)沸騰傳熱：燒開(kāi)水2022/10/1957-1凝結(jié)傳熱的模式凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給壁面的過(guò)程。凝結(jié)傳熱產(chǎn)生的必要條件：gg膜狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)凝結(jié)模式源于氣液界面的接觸角θ（圖7-1）2022/10/196凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給壁面的過(guò)程。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)的表面換熱系數(shù)>>膜狀凝結(jié)，但是一般無(wú)法長(zhǎng)久保持。

2.55×1055000～250007-1凝結(jié)傳熱的模式2022/10/1977-2膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解：液體膜層的熱阻為主要因素?；炯僭O(shè)：二維、穩(wěn)態(tài)、常物性、層流；蒸汽靜止，汽液界面無(wú)對(duì)液膜的粘滯力；忽略慣性力，液膜的運(yùn)動(dòng)僅取決于重力和粘滯力；壁溫tw＝const，汽液界面無(wú)溫差tδ＝ts液膜內(nèi)部無(wú)對(duì)流而只有導(dǎo)熱，溫度分布為線性；忽略液膜的過(guò)冷度，即認(rèn)為液膜僅存在潛熱；蒸汽密度<<液體密度；液膜表面平整無(wú)波動(dòng)。2022/10/198努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解穩(wěn)態(tài)邊界層微分方程簡(jiǎn)化后的常微分方程簡(jiǎn)化后的速度和溫度分布7-2膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)拋物線線性2022/10/199努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解微元體熱平衡導(dǎo)熱公式+牛頓冷卻公式簡(jiǎn)化后的速度和溫度分布7-2膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)2022/10/1910努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解豎壁傾斜豎壁水平圓管壁球壁特征長(zhǎng)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(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)2022/10/1911膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：豎壁（層流）理論分析解在一定的假設(shè)條件下獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式豎壁（湍流）伽利略數(shù)Rec<1600Rec>1600豎壁雷諾數(shù)豎壁臨界雷諾數(shù)＝16007-2膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2022/10/1912膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：理論分析解在一定的假設(shè)條件下獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式水平圓管壁與分析解一致水平圓管壁雷諾數(shù)橫管一般處于層流范圍上述實(shí)驗(yàn)關(guān)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(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2022/10/1913膜狀凝結(jié)換熱的工程計(jì)算步驟：膜狀凝結(jié)換熱的形式（豎壁、側(cè)壁、水平單圓管、多圓管、球壁）；判別流態(tài)（層流、湍流）；利用對(duì)應(yīng)形式的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；利用牛頓冷卻公式計(jì)算換熱量，并計(jì)算凝結(jié)速率（單位時(shí)間內(nèi)凝結(jié)的液膜質(zhì)量）。

注意事項(xiàng)：1.

由于Re中包含未知量h，先假定流態(tài)進(jìn)行計(jì)算，之后再校核流態(tài)；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(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2022/10/19147-3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化膜狀凝結(jié)換熱的影響因素：不凝結(jié)氣體：蒸汽流速：過(guò)熱蒸汽：液膜的過(guò)冷度及溫度分布的非線性管子排數(shù)管內(nèi)凝結(jié)凝結(jié)表面的幾何形狀

2022/10/1915膜狀凝結(jié)換熱的強(qiáng)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(dòng)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(jié)氣體

抽吸、引射等，或者增加蒸氣的流速凝結(jié)表面實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié)

7-3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化2022/10/19167-4沸騰傳熱的模式沸騰：工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過(guò)程。沸騰換熱：液體內(nèi)部固液界面形成氣泡而使熱量由固壁傳給液體的過(guò)程。沸騰換熱產(chǎn)生的必要條件：沸騰液體是否整體流動(dòng)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰大容器沸騰沸騰液體主體溫度是否達(dá)到飽和溫度飽和沸騰過(guò)冷沸騰YNYN2022/10/19177-4沸騰傳熱的模式大容器飽和沸騰曲線0℃<?t<4℃:

單相自然對(duì)流區(qū)，無(wú)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(dòng)使表面換熱系數(shù)和熱流密度急劇增加，強(qiáng)化換熱。25℃<?t<200℃:過(guò)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。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，但是高溫壁面的輻射換熱卻進(jìn)一步增強(qiáng)了換熱效果。大容器飽和沸騰的四個(gè)區(qū)域萊登佛羅斯特點(diǎn)CHF2022/10/1918工業(yè)應(yīng)用中要求保持在核態(tài)沸騰區(qū)，而不能加入過(guò)渡沸騰區(qū)。過(guò)渡沸騰區(qū)壁溫增加，熱流密度卻下降，設(shè)備易燒毀。qmax

臨界熱流密度CHF（燒毀點(diǎn)）設(shè)置監(jiān)控溫度點(diǎn)DNB（核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)）沸騰換熱：換熱溫差?t

越大≠熱流密度大沸騰換熱的兩種加熱方式：控制壁溫控制熱流（大于qmax

時(shí)，工況沿虛線直接跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，?t

猛增到1000℃，需要避免）7-4沸騰傳熱的模式大容器飽和沸騰曲線CHF2022/10/19197-4沸騰傳熱的模式汽化核心汽化核心：實(shí)驗(yàn)表明，通常情況下，沸騰時(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。氣泡產(chǎn)生的源泉。壁面的凹縫、裂穴最可能成為汽化核心。汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活：克拉貝龍方程式中：—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(jiàn)，(tw–ts),Rmin同一加熱面上，稱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)壁面汽泡的產(chǎn)生、成長(zhǎng)和脫離增強(qiáng)沸騰傳熱強(qiáng)度受熱面積殘存氣體2022/10/19207-4沸騰傳熱的特點(diǎn)沸騰換熱屬于有相變的對(duì)流換熱。加熱固體表面的熱量通過(guò)導(dǎo)熱和對(duì)流傳遞給沸騰流體，同時(shí)流體存在液相到氣相的相變。牛頓冷卻公式仍然適用；沸騰換熱的推動(dòng)力也是溫差，壁面過(guò)熱（tw>ts）是必要條件；沸騰換熱時(shí)氣泡在汽化核心處產(chǎn)生，成長(zhǎng)并逸出；之后流體補(bǔ)充，重新形成氣泡，周而復(fù)始；氣泡的形成、成長(zhǎng)和脫離對(duì)加熱表面的流體產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)，因此換熱的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)相變對(duì)流換熱；汽化核心數(shù)目的增加有利于強(qiáng)化沸騰換熱。2022/10/1921大容器飽和核態(tài)沸騰：主要影響因素是壁面的過(guò)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1符號(hào)意義參見(jiàn)教材（7-17）式，Cwl查表7-1確定。水：s＝1，其它液體：s＝1.77-5大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2022/10/1922大容器飽和核態(tài)沸騰：主要影響因素是壁面的過(guò)熱度和汽化核心數(shù)制冷介質(zhì)的大容器飽和核態(tài)沸騰：庫(kù)鉑Cooper公式2式中：q—熱流密度，W/m2；Mr—制冷介質(zhì)分子量；

pr—介質(zhì)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(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2022/10/1923大容器飽和核態(tài)沸騰臨界熱流密度7-5大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式式中：物性參數(shù)根據(jù)飽和溫度查取。2022/10/1924大容器膜態(tài)沸騰：注意事項(xiàng)：橫管a＝0.62，球壁a＝0.67

汽化潛熱r和飽和液體密度ρl由飽和溫度ts確定，其它物性參數(shù)由平均溫度確定

T＝t+273對(duì)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，但是高溫壁面的輻射換熱卻進(jìn)一步增強(qiáng)了換熱效果。7-5大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2022/10/19257-6沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化不凝結(jié)氣體（與膜狀凝結(jié)傳熱不同）溶解于液體中的不凝結(jié)氣體在汽化核心處逸出強(qiáng)化沸騰換熱過(guò)冷度在核態(tài)沸騰起始段自然對(duì)流區(qū)域，過(guò)冷度強(qiáng)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(qiáng)化沸騰換熱重力加速度僅在微重力環(huán)境下，重力加速度才會(huì)影響核態(tài)沸騰換熱管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰（圖7-20）蒸汽-流體的摻混兩相流。

2022/10/19267-6沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化原則通過(guò)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(jié)構(gòu)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰內(nèi)螺紋管、微肋管

沸騰傳熱的強(qiáng)化措施：2022/10/19277-7熱管

1963年美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(lái)傳遞熱量。真空的金屬管+工作流體+內(nèi)壁吸液芯結(jié)構(gòu)1.熱量由熱源通過(guò)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(jié)：5.熱量從氣-液分界面通過(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源；6.在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。2022/10/19287-7熱管

1963年美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(lái)傳遞熱量。真空的金屬管+工作流體+