相變對流傳熱市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

第13講相變對流傳熱教學(xué)過程：

自學(xué)、提問教學(xué)目及要求了解相變傳熱模式、影響傳熱因素、強化方法；了解實驗關(guān)聯(lián)式。教學(xué)內(nèi)容：

膜狀凝結(jié)相關(guān)概念，計算關(guān)聯(lián)式，影響原因及強化傳熱方法；大容器沸騰傳熱相關(guān)概念，計算關(guān)聯(lián)式，影響原因及強化傳熱方法。/10/101相變對流傳熱第1頁提要：一、凝結(jié)傳熱1.現(xiàn)象與特點基本概念，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)特點、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。所以要取得局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，只需取得該處液膜厚度。豎管與橫管，h橫>h豎。3.膜狀凝結(jié)工程計算流態(tài)判別(Re迭代法)；關(guān)聯(lián)式；注意特征長度和定性溫度4.影響原因掌握膜狀凝結(jié)諸影響原因，尤其是不凝性氣體和蒸氣流速影響機理。/10/102相變對流傳熱第2頁5.凝結(jié)換熱強化當(dāng)凝結(jié)熱阻是傳熱過程主要分熱阻時，強化效果很好。強化標(biāo)準(zhǔn)是破壞或減薄液膜層，強化技術(shù)是減薄液膜厚度、加速液膜排泄。二、沸騰換熱1.特點基本概念：蒸發(fā)與沸騰，大容器沸騰與管內(nèi)沸騰，飽和沸騰，過熱度。汽化關(guān)鍵數(shù)是衡量強化沸騰主要參數(shù)。2.大容器飽和沸騰曲線曲線形式，伴隨t，四個不一樣區(qū)域換熱規(guī)律和特點。核態(tài)沸騰是工業(yè)中理想工作區(qū)域，其溫差小，換熱強。3.沸騰換熱兩種加熱方式

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

控制熱流(改變壁面處熱流密度q，q取決于外部施加條件，而與h無關(guān))/10/103相變對流傳熱第3頁4.臨界熱流密度qmax

意義對熱流可控：使q<qmax，確保設(shè)備安全運行不致燒毀對壁溫可控：使t<tc，確保設(shè)備有較高傳熱效率5.沸騰換熱試驗關(guān)聯(lián)式計算公式擬合誤差普通較大，因為沸騰換熱機理復(fù)雜，受加熱表面影響很大。6.汽化關(guān)鍵結(jié)合汽化關(guān)鍵概念了解沸騰換熱機理，結(jié)合大容器飽和沸騰曲線了解氣泡生成、長大、脫離、破裂等規(guī)律7.沸騰換熱影響原因和強化沸騰換熱影響原因就是氣泡生長運動影響原因。強化沸騰換熱主要出發(fā)點是增加壁面汽化關(guān)鍵數(shù)，基本伎倆是沸騰表面特殊加工。

/10/104相變對流傳熱第4頁相變對流傳熱凝結(jié)傳熱（氣相變液相）沸騰傳熱（液相變氣相）7-1凝結(jié)傳熱模式相變：物質(zhì)系統(tǒng)不一樣相（氣液固）之間轉(zhuǎn)變。相變過程伴隨吸熱、放熱相變潛熱相變傳熱特點：因為有潛熱釋放和相變過程復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜。相變對流傳熱重點在于確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后由牛頓冷卻公式計算熱流量凝結(jié)傳熱：夏天出空調(diào)房間后眼鏡表面膜狀凝結(jié)沸騰傳熱：燒開水/10/105相變對流傳熱第5頁7-1凝結(jié)傳熱模式凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給壁面過程。凝結(jié)傳熱產(chǎn)生必要條件：gg膜狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)凝結(jié)模式源于氣液界面接觸角θ（圖7-1）/10/106相變對流傳熱第6頁凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給壁面過程。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)表面換熱系數(shù)>>膜狀凝結(jié)，不過普通無法長久保持。

2.55×1055000～250007-1凝結(jié)傳熱模式/10/107相變對流傳熱第7頁7-2膜狀凝結(jié)分析解及試驗關(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：液體膜層熱阻為主要原因。基本假設(shè)：二維、穩(wěn)態(tài)、常物性、層流；蒸汽靜止，汽液界面無對液膜粘滯力；忽略慣性力，液膜運動僅取決于重力和粘滯力；壁溫tw＝const，汽液界面無溫差tδ＝ts液膜內(nèi)部無對流而只有導(dǎo)熱，溫度分布為線性；忽略液膜過冷度，即認(rèn)為液膜僅存在潛熱；蒸汽密度<<液體密度；液膜表面平整無波動。/10/108相變對流傳熱第8頁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)邊界層微分方程簡化后常微分方程簡化后速度和溫度分布7-2膜狀凝結(jié)分析解及試驗關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)拋物線線性/10/109相變對流傳熱第9頁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+牛頓冷卻公式簡化后速度和溫度分布7-2膜狀凝結(jié)分析解及試驗關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)/10/1010相變對流傳熱第10頁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：為何冷凝器普通多采取水平橫管布置？7-2膜狀凝結(jié)分析解及試驗關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)/10/1011相變對流傳熱第11頁膜狀凝堅固驗關(guān)聯(lián)式：豎壁（層流）理論分析解在一定假設(shè)條件下取得試驗結(jié)果修正試驗關(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)分析解及試驗關(guān)聯(lián)式/10/1012相變對流傳熱第12頁膜狀凝堅固驗關(guān)聯(lián)式：理論分析解在一定假設(shè)條件下取得試驗結(jié)果修正試驗關(guān)聯(lián)式水平圓管壁與分析解一致水平圓管壁雷諾數(shù)橫管普通處于層流范圍上述試驗關(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)分析解及試驗關(guān)聯(lián)式/10/1013相變對流傳熱第13頁膜狀凝結(jié)換熱工程計算步驟：膜狀凝結(jié)換熱形式（豎壁、側(cè)壁、水平單圓管、多圓管、球壁）；判別流態(tài)（層流、湍流）；利用對應(yīng)形式試驗關(guān)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(jié)速率（單位時間內(nèi)凝結(jié)液膜質(zhì)量）。

注意事項：1.

因為Re中包含未知量h，先假定流態(tài)進行計算，之后再校核流態(tài)；2.一定壓力下飽和水蒸氣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)分析解及試驗關(guān)聯(lián)式/10/1014相變對流傳熱第14頁7-3膜狀凝結(jié)影響原因及其傳熱強化膜狀凝結(jié)換熱影響原因：不凝結(jié)氣體：蒸汽流速：過熱蒸汽：液膜過冷度及溫度分布非線性管子排數(shù)管內(nèi)凝結(jié)凝結(jié)表面幾何形狀

/10/1015相變對流傳熱第15頁膜狀凝結(jié)換熱強化辦法：減薄液膜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蒸汽流速水平放置單管或管束加速液膜排出分段排泄管、溝槽管、離心力、靜電引力等降低不凝結(jié)氣體

抽吸、引射等，或者增加蒸氣流速凝結(jié)表面實現(xiàn)珠狀凝結(jié)

7-3膜狀凝結(jié)影響原因及其傳熱強化/10/1016相變對流傳熱第16頁7-4沸騰傳熱模式沸騰：工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)一個猛烈汽化過程。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過程。沸騰換熱產(chǎn)生必要條件：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到達飽和溫度飽和沸騰過冷沸騰YNYN/10/1017相變對流傳熱第17頁7-4沸騰傳熱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，汽泡間猛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)。汽泡產(chǎn)生速度大于脫離速度，汽泡附著形成汽膜，汽膜熱阻減弱換熱效果。200℃<?t:穩(wěn)定模態(tài)沸騰區(qū)。形成穩(wěn)定汽膜，即使汽膜熱阻減弱了換熱效果，不過高溫壁面輻射換熱卻深入增強了換熱效果。大容器飽和沸騰四個區(qū)域萊登佛羅斯特點CHF/10/1018相變對流傳熱第18頁工業(yè)應(yīng)用中要求保持在核態(tài)沸騰區(qū)，而不能加入過渡沸騰區(qū)。過渡沸騰區(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）設(shè)置監(jiān)控溫度點DNB（核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點）沸騰換熱：換熱溫差?t

越大≠熱流密度大沸騰換熱兩種加熱方式：控制壁溫控制熱流（大于qmax

時，工況沿虛線直接跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，?t

猛增到1000℃，需要防止）7-4沸騰傳熱模式大容器飽和沸騰曲線CHF/10/1019相變對流傳熱第19頁7-4沸騰傳熱模式汽化關(guān)鍵汽化關(guān)鍵：試驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面一些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡點被稱為汽化關(guān)鍵。氣泡產(chǎn)生源泉。壁面凹縫、裂穴最可能成為汽化關(guān)鍵。汽泡半徑R必須滿足以下條件才能存活：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—對應(yīng)壓力下飽和溫度，C可見，(tw–ts),Rmin同一加熱面上，稱為汽化關(guān)鍵凹穴數(shù)量增加汽化關(guān)鍵數(shù)增加換熱增強壁面汽泡產(chǎn)生、成長和脫離增強沸騰傳熱強度受熱面積殘余氣體/10/1020相變對流傳熱第20頁7-4沸騰傳熱特點沸騰換熱屬于有相變對流換熱。加熱固體表面熱量經(jīng)過導(dǎo)熱和對流傳遞給沸騰流體，同時流體存在液相到氣相相變。牛頓冷卻公式依然適用；沸騰換熱推進力也是溫差，壁面過熱（tw>ts）是必要條件；沸騰換熱時氣泡在汽化關(guān)鍵處產(chǎn)生，成長并逸出；之后流體補充，重新形成氣泡，周而復(fù)始；氣泡形成、成長和脫離對加熱表面流體產(chǎn)生猛烈擾動，所以換熱強度遠大于無相變對流換熱；汽化關(guān)鍵數(shù)目標(biāo)增加有利于強化沸騰換熱。/10/1021相變對流傳熱第21頁大容器飽和核態(tài)沸騰：主要影響原因是壁面過熱度和汽化關(guān)鍵數(shù)通用液體大容器飽和核態(tài)沸騰：羅森諾Rohsenow公式1符號意義參見教材（7-17）式，Cwl查表7-1確定。水：s＝1，其它液體：s＝1.77-5大容器沸騰傳熱試驗關(guān)聯(lián)式/10/1022相變對流傳熱第22頁大容器飽和核態(tài)沸騰：主要影響原因是壁面過熱度和汽化關(guān)鍵數(shù)制冷介質(zhì)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(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大容器沸騰傳熱試驗關(guān)聯(lián)式/10/1023相變對流傳熱第23頁大容器飽和核態(tài)沸騰臨界熱流密度7-5大容器沸騰傳熱試驗關(guān)聯(lián)式式中：物性參數(shù)依據(jù)飽和溫度查取。/10/1024相變對流傳熱第24頁大容器膜態(tài)沸騰：注意事項：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，即使汽膜熱阻減弱了換熱效果，不過高溫壁面輻射換熱卻深入增強了換熱效果。7-5大容器沸騰傳熱試驗關(guān)聯(lián)式/10/1025相變對流傳熱第25頁7-6沸騰傳熱影響原因及其強化不凝結(jié)氣體（與膜狀凝結(jié)傳熱不一樣）溶解于液體中不凝結(jié)氣體在汽化關(guān)鍵處逸出強化沸騰換熱過冷度在核態(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-流體摻混兩相流。

/10/1026相變對流傳熱第26頁7-6沸騰傳熱影響原因及其強化標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過傳熱表面處理增加加熱面汽化關(guān)鍵數(shù)目。大容器飽和沸騰傳熱表面多孔結(jié)構(gòu)管內(nèi)強制對流沸騰內(nèi)螺紋管、微肋管

沸騰傳熱強化辦法：/10/1027相變對流傳熱第27頁7-7熱管

1963年美國LosAlamos國家試驗室G.M.Grover創(chuàng)造利用工作流體（氨、水、丙酮、甲醇）蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量。真空金屬管+工作流體+內(nèi)壁吸液芯結(jié)構(gòu)1.熱量由熱源經(jīng)過熱管管壁和充滿工作液體吸液芯傳遞到液-氣分界面；2.液體在蒸發(fā)段內(nèi)液-氣分界面上蒸發(fā)；3.蒸氣溫度和壓力高于熱管其它部分，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)氣-液分界面上凝結(jié)：5.熱量從氣-液分界面經(jīng)過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；6.在吸液芯內(nèi)因為毛細(xì)作用使冷凝后工作液體回流到蒸發(fā)段。/10/1028相變對流傳熱第28頁7-7熱管

1963年美國LosAlamos國家試驗室G.M.Grover創(chuàng)造利用工作流體（氨、水、丙酮、甲醇）蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量。真空金屬管+工作流體+內(nèi)