傳熱學(xué)第六章凝結(jié)與沸騰換熱

傳熱學(xué)第六章凝結(jié)與沸騰換熱第六章凝結(jié)與沸騰換熱1第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱2第五章我們分析了無相變的對流換熱，包括強(qiáng)制對流換熱和自然對流換熱下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結(jié)換熱和沸騰換熱兩種。相變換熱的特點(diǎn)：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱3§6-1凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點(diǎn)凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的因素會(huì)分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結(jié)理論凝結(jié)換熱實(shí)例鍋爐中的水冷壁寒冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱4凝結(jié)換熱中的重要參數(shù)蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差（ts-tw）汽化潛熱r特征尺度其他標(biāo)準(zhǔn)的熱物理性質(zhì)，如動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱51凝結(jié)過程

膜狀凝結(jié)沿整個(gè)壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動(dòng)，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時(shí)，則在壁面上形成許多小液珠，此時(shí)壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)（可能大幾倍，甚至一個(gè)數(shù)量級）gg第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱6雖然珠狀凝結(jié)換熱遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)，但可惜的是，珠狀凝結(jié)很難保持，因此，大多數(shù)工程中遇到的凝結(jié)換熱大多屬于膜狀凝結(jié)，因此，教材中只簡單介紹了膜狀凝結(jié)2純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)換熱的分析1916年，Nusselt提出的簡單膜狀凝結(jié)換熱分析是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。自1916年以來，各種修正或發(fā)展都是針對Nusselt分析的限制性假設(shè)而進(jìn)行了，并形成了各種實(shí)用的計(jì)算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對純凈飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的分析。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(zhuǎn)移只有導(dǎo)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(dòng)第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱7gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制體邊界層微分方程組：對應(yīng)于p.141頁(5-14)，(5-15)，(5-16)下腳標(biāo)l表示液相x第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱8考慮（3）液膜的慣性力忽略

考慮（5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱考慮（7）忽略蒸汽密度只有u和t兩個(gè)未知量，于是，上面得方程組化簡為：第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱9邊界條件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：r按ts確定第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱10(2)局部對流換熱系數(shù)整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(3)修正：實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動(dòng)，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高20％左右修正后：定性溫度：注意：r按ts確定第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱11時(shí)，慣性力項(xiàng)和液膜過冷度的影響均可忽略。對于傾斜壁，則用gsin代替以上各式中的g即可另外，除了對波動(dòng)的修正外，其他假設(shè)也有人做了相關(guān)的研究，如當(dāng)并且，(4)水平圓管努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)式中：下標(biāo)“H”表示水平管，“S”表示球;d為水平管或球的直徑。定性溫度與前面的公式相同第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱12橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：3邊界層內(nèi)的流態(tài)無波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時(shí)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(dāng)量直徑。第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱13如圖由熱平衡所以對水平管，用代替上式中的即可。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱144湍流膜狀凝結(jié)換熱液膜從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)可定為1600。橫管因直徑較小，實(shí)踐上均在層流范圍。對湍流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導(dǎo)熱來傳遞熱量外，層流底層之外以湍流傳遞為主，換熱大為增強(qiáng)對豎壁的湍流凝結(jié)換熱，其沿整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式為：式中：hl

為層流段的傳熱系數(shù)；

ht

為湍流段的傳熱系數(shù)；

xc

為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度

l

為豎壁的總高度第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱15利用上面思想，整理的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中：。除用壁溫

計(jì)算外，其余物理量的定性溫度均為第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱16§6-3影響膜狀凝結(jié)的因素

工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因素的影響。1.不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時(shí)使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力2.蒸氣流速流速較高時(shí)，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，使液膜拉薄，增大；反之使減小。第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱17

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(shí)際情況，要用下式代替計(jì)算公式中的，5.管子排數(shù)管束的幾何布置、流體物性都會(huì)影響凝結(jié)換熱。前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。3.過熱蒸氣

要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱18

6.管內(nèi)冷凝此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。

蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。

流速較高時(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱197.凝結(jié)表面的幾何形狀強(qiáng)化凝結(jié)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(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉。第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱20§6-4沸騰換熱現(xiàn)象

蒸汽鍋爐做飯?jiān)S多其它的工業(yè)過程1生活中的例子定義：

a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程

b沸騰換熱：指工質(zhì)通過氣泡運(yùn)動(dòng)帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式3分類：沸騰的分類很多，書中僅介紹了常見的大容器沸騰(池內(nèi)沸騰)和強(qiáng)制對流沸騰，每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱21a

大容器沸騰(池內(nèi)沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰；b強(qiáng)制對流沸騰：強(qiáng)制對流＋沸騰加熱表面HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱224汽泡動(dòng)力學(xué)簡介

(1)汽泡的成長過程

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，較普遍的看法認(rèn)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。c過冷沸騰：指液體主流尚未達(dá)到飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產(chǎn)生氣泡，稱之為過冷沸騰d飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度，而壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰，稱之為飽和沸騰我們這本書僅介紹大容器的飽和沸騰第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱23(2)汽泡的存在條件

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/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面溫度，Cts—對應(yīng)壓力下的飽和溫度，C可見，(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)第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱245大容器飽和沸騰曲線：表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個(gè)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：qmaxqmin第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱25幾點(diǎn)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(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(diǎn)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?yàn)闊崃勘仨毚┻^的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱26§6-5沸騰換熱計(jì)算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計(jì)算公式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液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了個(gè)計(jì)算公式分歧較大。目前存在兩種計(jì)算是，一種是針對某一種液體，另一種是廣泛適用于各種液體的。第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱27為此，書中分別推薦了兩個(gè)計(jì)算式（1）對于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，教材推薦適用米海耶夫公式，壓力范圍：105～4106Pa按

第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱28（2）羅森諾公式——廣泛適用的強(qiáng)制對流換熱公式既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st=f(Re,Pr)也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中，r—汽化潛熱；Cpl—飽和液體的比定壓熱容g—重力加速度

l—飽和液體的動(dòng)力粘度Cwl—取決于加熱表面－液體組合情況的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(表6)q—沸騰傳熱的熱流密度s—經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，水s=1,否則，s=1.7第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱29上式可以改寫為：可見，，因此，盡管有時(shí)上述計(jì)算公式得到的q與實(shí)驗(yàn)值的偏差高達(dá)100％，但已知q計(jì)算時(shí)，則可以將偏差縮小到33％。這一點(diǎn)在輻射換熱種更為明顯。計(jì)算時(shí)必須謹(jǐn)慎處理熱流密度。2大容器沸騰的臨界熱流密度書中推薦適用如下經(jīng)驗(yàn)公式：第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱303大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式（1）橫管的膜態(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＝(tw＋ts)/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第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱31勃洛姆來建議采用如下超越方程來計(jì)算：其中：（2）考慮熱輻射作用由于膜態(tài)換熱時(shí)，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(gè)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(yīng)。第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱32§6-6影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學(xué)過的換熱現(xiàn)象中最復(fù)雜的，影響因素也最多，由于我們只學(xué)習(xí)了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。1不凝結(jié)氣體

對膜狀凝結(jié)換熱的影響？與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)氣體會(huì)使沸騰換熱得到某種程度的強(qiáng)化2過冷度只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時(shí)，，因此，過冷會(huì)強(qiáng)化換熱。見p.183第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱333液位高度當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時(shí)，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)明顯地隨液位的降低而升高(臨界液位)。圖中介質(zhì)為一個(gè)大氣壓下的水4重力加速度

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，超重力和微重力條件下的傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)展，但目前還遠(yuǎn)沒到成熟的地步，就現(xiàn)有的成果表明：第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日第六章凝結(jié)與沸騰換熱34從0.1~1009.8m/s2的范圍內(nèi)，g對核態(tài)沸騰換熱規(guī)律沒有影響，但對自然對流換熱有影響，由于因此，g