沸騰給熱與冷凝給熱

福州大學(xué)化工原理電子教案傳熱福州大學(xué)化工原理電子教案傳熱--2-沸騰給熱與冷凝給熱液體沸騰和蒸汽冷凝必需伴有流體的流淌，故沸騰給熱和冷凝給熱同樣屬于對(duì)流傳熱。但與前面所講的對(duì)流不同，這兩種給熱過程伴有相變化。相變化的存在，使給熱過程有其特有的規(guī)律。沸騰給熱按設(shè)備的尺寸和外形可分為：大容器沸騰：加熱壁面浸入液體，液體被加熱而引起的無強(qiáng)制對(duì)流的沸騰現(xiàn)象。管內(nèi)沸騰：在確定壓差下流體在流淌過程中受熱沸騰〔強(qiáng)制對(duì)流而且加熱面上氣泡不能自由上浮，被迫隨流體一起流淌，消滅了簡潔的氣液兩相的流淌構(gòu)造。工業(yè)上有再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等都是通過沸騰傳熱來產(chǎn)生蒸汽。管內(nèi)沸騰的傳熱機(jī)理比大容器沸騰更為簡潔。本節(jié)僅爭論大容器的沸騰傳熱過程。〔1〕大容積飽和沸騰依據(jù)管內(nèi)液流的主體溫度是否到達(dá)相應(yīng)壓力下的飽和溫度，沸騰給熱還有過冷沸騰與飽和沸騰之分。假設(shè)液流主體溫度低于飽和溫度，而加熱外表上有氣泡產(chǎn)生，稱為過冷沸騰。此時(shí)，加熱面上產(chǎn)生的氣泡或在脫離之前、或脫離之后在液流主體中重分散，熱量的傳遞就是通過這種汽化——冷凝過程實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)液流主體溫度到達(dá)飽和溫度，則離開加熱面的氣泡不再重分散。這種沸騰稱為飽和沸騰。氣泡的生成和過熱度由于外表張力的作用，要求氣泡內(nèi)的蒸氣壓力大于液體的壓力。而氣泡生成和長大都需要從四周液體中吸取熱量，要求壓力較低的液相溫度高于汽相的溫度，故液體必需過熱，即液體的溫度必需高于氣泡內(nèi)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度。在液相中緊貼加熱面的液體具有最大的過熱度。液體的過熱是相——小氣泡生成的必要條件。粗糙外表的氣化核心開頭形成氣泡時(shí)，氣泡內(nèi)的壓力必需無窮大。這種狀況明顯是不存在的，因此純潔的液體在確定光滑的加熱面上不行能產(chǎn)生氣泡。氣泡只能在粗糙加熱面的假設(shè)干點(diǎn)上產(chǎn)生，這種點(diǎn)稱為氣化核心。無氣化核心則氣泡不會(huì)產(chǎn)生。過熱度增大，氣化核心數(shù)增多。氣化核心是一個(gè)簡潔的問題，它與外表粗糙程度、氧化狀況、材料的性質(zhì)及其不均勻性質(zhì)等多種因素有關(guān)。大容積飽和沸騰曲線如以下圖，以常壓水在大容器內(nèi)沸騰為例，說明t對(duì)的影響。①AB段，t=tw－ts，t很小時(shí)，僅在加熱面有少量汽化核心形成汽泡，長大速度慢，所以加熱面與液體之間主要以自然對(duì)流為主。在此階段，汽化現(xiàn)象僅發(fā)生在液體外表，嚴(yán)格說還不是沸騰，而是外表汽化。此階段，較小，且隨t上升得緩慢。②BC段，t>2.2C時(shí)，加熱面上有氣泡產(chǎn)生，給熱系數(shù)隨t急劇上升。這是由于汽化核心數(shù)增大，汽泡長大速度增快，對(duì)液體擾動(dòng)增加，對(duì)流傳熱系數(shù)增加，由汽化核心產(chǎn)生的氣泡對(duì)傳熱起主導(dǎo)作用，此時(shí)為核狀沸騰。③CD段，t，。當(dāng)t進(jìn)一步增大到確定數(shù)值，加熱面上的汽化核心大大增加，以至氣泡產(chǎn)生的較小，使，此階段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰。DE段，t>250C時(shí)，氣膜穩(wěn)定，由于加熱面t 高，熱輻射影響增大，對(duì)流傳熱系數(shù)增大，此時(shí)為穩(wěn)W定膜狀沸騰。工業(yè)上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，其優(yōu)點(diǎn)是：此階段下大，tW

小。從核狀沸騰到膜狀沸騰的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C稱為臨界點(diǎn)〔此后傳熱惡化tc

、q。對(duì)于常壓水在大容器內(nèi)沸騰時(shí)：c ct=25C、q=1.25×106W/m2。c ct不大于其臨界直徑tc狀沸騰，使急劇下降。即不適當(dāng)?shù)靥岣邿崃黧w溫度，反而使沸騰裝置的效率降低。對(duì)于由恒熱流熱源〔電加熱等〕qqq，將使加熱面溫度急c c劇上升，甚至將設(shè)備燒毀。沸騰的計(jì)算沸騰給熱的影響因素：cp L和 等。v②加熱外表的粗糙狀況和外表物理性質(zhì)，特別是液體與外表的潤濕性。③操作壓力和溫差。關(guān)于沸騰給熱至今尚沒有牢靠的一般閱歷關(guān)聯(lián)式。但已積存了大量的試驗(yàn)資料，這些資料說明沸騰給熱系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可按以下函數(shù)形式關(guān)聯(lián)：At2.5Bts或 lglgA2.5lgtts式中t——蒸汽的飽和溫度，C。s

lgBa2.5lgtbtsa和b通過試驗(yàn)測(cè)定的兩個(gè)參數(shù)，不同的外表與液體的組合，其值不同。沸騰給熱過程的強(qiáng)化在沸騰給熱中，氣泡的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)狀況影響極大。氣泡的生成和運(yùn)動(dòng)與加熱外表狀況及液體的性質(zhì)兩方面因素有關(guān)。因此，沸騰給熱的強(qiáng)化也可以從加熱外表和沸騰液體兩方面入手。①將金屬外表粗糙化，這樣可供給更多汽化核心，使氣泡運(yùn)動(dòng)加劇，給熱過程得以強(qiáng)化。②在沸騰液體中參與少量添加劑，轉(zhuǎn)變沸騰液體的外表張力，添加劑還可提高沸騰液體的臨界熱負(fù)荷。③氣、液、固三相流：在氣液相中參與固體粒子。④EHD〔Electrohydrodynamics〕強(qiáng)化傳熱。蒸汽冷凝給熱冷凝給熱過程的熱阻蒸汽冷凝作為一種加熱方法在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在蒸汽冷凝加熱過程中，加熱介質(zhì)為飽和蒸汽。飽和蒸汽與低于其溫度的冷壁接觸時(shí)，將分散為液體，釋放出汽化潛熱。在飽和蒸汽冷凝過程中，汽液兩相共存，對(duì)于純物質(zhì)蒸汽的冷凝，系統(tǒng)的自由度為fc2f1221汽相：p給定→ts，即只能有一個(gè)汽相溫度。或者說，在冷凝給熱時(shí)汽相不行能存在溫度梯度。在傳熱過程中，溫差是由熱阻造成的。汽相主體不存在溫差，汽相內(nèi)不存在任何熱阻。這是由于蒸汽在冷凝給熱過程中，蒸汽分散而產(chǎn)生的冷凝液形成液膜將壁面掩蓋。因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液外表上發(fā)生，冷凝時(shí)放出的潛熱必需通過這層液膜才能傳給冷壁。冷凝給熱過程的熱阻幾乎全部集中于冷凝液膜內(nèi)。這是蒸汽冷凝給熱過程的一個(gè)主要特點(diǎn)。假設(shè)加熱蒸汽是過熱蒸汽，而且冷壁溫度高于相應(yīng)的飽和溫度，則壁面上不會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象，蒸汽與壁面之間只是一般的對(duì)流給熱。此時(shí)，熱阻將集中于壁面四周的層流層內(nèi)。因蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)比冷凝液的給熱系數(shù)小得多，故冷凝

>> 。液膜液膜中間層s假設(shè)壁溫小于t，則過熱蒸汽溫度從tsv

降到飽和溫度，在壁面冷凝，同樣形tts vtt成液膜。即過熱蒸汽t

t t,t>tw s >tw

t ts w

tw ts

過熱蒸汽v tw

t不會(huì)冷凝，無相變s膜狀冷凝和滴狀冷凝飽和蒸汽冷凝給熱過程的熱阻主要集中在冷凝液液膜內(nèi)，因此，冷凝液的流淌狀態(tài)對(duì)給熱系數(shù)必有極大的影響。冷凝液在壁面上的存在和流淌方式有兩種類型：膜狀冷凝和滴狀冷凝。膜狀冷凝：假設(shè)冷凝液能潤濕壁面，形成一層完整的液膜布滿液面并連續(xù)向下流淌。滴狀冷凝：假設(shè)冷凝液不能很好地潤濕壁面，僅在其上分散成小液滴，此后長大或合并成較大的液滴而脫落。通常滴狀冷凝時(shí)蒸汽不必通過液膜傳熱，可直接在傳熱面上冷凝，其對(duì)流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的對(duì)流5～10倍。但滴狀冷凝難于把握，因此工業(yè)上冷凝器的設(shè)計(jì)大多是按膜狀冷凝考慮。冷凝給熱系數(shù)〔數(shù)學(xué)模型法〕液膜流淌與局部給熱系數(shù)有一垂直平壁，飽和蒸汽在其上冷凝，冷凝液借重力沿壁流下。因整個(gè)高度上都存在冷凝，故越往下凝液流量越大，液膜越厚。液膜厚度沿壁高的變化必定導(dǎo)致熱阻或給熱系數(shù)沿高度分布不均勻。上部液膜。假設(shè)壁足夠高，冷凝量較大，則壁下部液膜發(fā)生湍流流淌，此時(shí)局部給熱系數(shù)反而有所提高。蒸汽在垂直管外或板側(cè)冷凝①冷凝液膜為層流時(shí)的平均假設(shè)：液膜為等速流淌，蒸汽存在不影響液膜流淌，且為純導(dǎo)熱過程，理論上可推導(dǎo)出C

r2g31 Lt

1/4試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一關(guān)系的正確性，同時(shí)測(cè)出C1113，即r2g3 Lt Lt

1/4注：aReM20234LtReM rbL為管長或板高；c、各物性參數(shù)是凝液的物性，定性溫度取t M

tw s；2sd、rts

時(shí)的汽化潛熱；twse、t=t－。tws②湍流時(shí)的給熱系數(shù)M適用范圍：Re>2023；定性溫度：膜溫MLH

2g3 20 2

1/3

Re0.4MM 注：Re 是指板或管最低處的值〔此時(shí)Re M M在計(jì)算過程中，因未知，Re 未知，所以須假設(shè)，先假設(shè)為層流，用層流公式求出，再進(jìn)展驗(yàn)證。M蒸汽在單根水平管外的冷凝給熱系數(shù)蒸汽在水平管外冷凝，液膜厚度薄，全是層流，其給熱系數(shù)為式中d——圓管外徑，mt t

r2g3 dt dt

1/4定性溫度：膜溫t

s w，用膜溫查冷凝液的物性、和rt2 s

查；此時(shí)認(rèn)為主體無熱阻，熱阻集中在液膜中。在其他條件一樣時(shí)，水平圓管的給熱系數(shù)和垂直圓管的給熱系數(shù)之比是垂直 0.64(L d水平

)1/4由于 >水平

，所以工業(yè)冷凝器大局部是臥式的，但蒸發(fā)器是立式的。水平管束外的冷凝給熱系數(shù)就第一排管子而言，其冷凝狀況與單根水平管一樣。但是，對(duì)其他各排管子來說，冷凝狀況必受到其上各排管流下的冷凝液的影響。如假定從上排管流下的冷凝液只是平穩(wěn)地流至下排管使液膜增厚，熱阻增加，而且各排管溫差一樣， dt 則水平管束的平均給熱系數(shù)只要將式 dt

1/4

dndn為管束在垂直方向上的管排數(shù)。但是冷凝液下流時(shí)不行避開地會(huì)撞擊和飛濺，使下排液膜擾動(dòng)增加?？紤]到擾動(dòng)的影響，將上式改為r2g30.725

1/4n2/3dt 液膜氣膜對(duì)于右圖所示的管束，n液膜氣膜影響冷凝給熱的因素及強(qiáng)化措施不凝氣體的影響在實(shí)際的工業(yè)冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性氣體，如空氣。當(dāng)蒸汽冷凝時(shí)，不凝氣體會(huì)在液膜外表濃集形成氣膜。這樣冷凝蒸汽到達(dá)液膜外表冷凝前，必需先以集中的方式通過這層氣膜。這相當(dāng)于額外附加了一熱阻，而且由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，使蒸汽冷凝1%時(shí)，60%左右。因此，在冷凝器的設(shè)計(jì)中，在高處安裝氣體排放口；操作時(shí)，定期排放不凝氣體，削減不凝氣體對(duì)的影響。蒸汽過熱的影響蒸汽溫度高于操作壓強(qiáng)下的飽和溫度時(shí)稱為過熱蒸汽。

tw ts tv過熱蒸汽與比其飽和溫度高的壁面接觸〔tw

>ts熱蒸汽與比其飽和溫度低的壁面接觸〔tw

<t，由兩個(gè)串聯(lián)的傳熱過程組成：冷卻和冷凝。s整個(gè)過程是過熱蒸汽首先在氣相下冷卻到飽和溫度，然后在液膜外表連續(xù)冷凝，冷凝的推動(dòng)力仍為t=t－t。s w一般過熱蒸汽的冷凝過程可按飽和蒸汽冷凝來處理，所以前面的公式仍適用。但此時(shí)應(yīng)把顯熱和潛熱都考慮進(jìn)來rc(t t)r，為過熱蒸汽的比熱和溫度。工業(yè)中過熱蒸汽顯熱增加較小，可近似用飽和p v s蒸汽計(jì)算。蒸汽流速與流向的影響前面介紹的公式只適用于蒸汽靜止或流速不大的狀況。蒸汽的流速對(duì)有較大的影響，蒸汽流速較小u<10m/s時(shí)，可不考慮其對(duì)u>10m/s時(shí)，還要要考慮蒸汽與液膜之間的摩擦作用力。蒸汽與液膜流向一樣時(shí)，會(huì)加速液膜流淌，使液膜變薄,；蒸汽與液膜流向相反時(shí)，會(huì)阻礙液膜流淌，使液膜變厚，；但u時(shí)，會(huì)吹散液膜，。一般冷凝器設(shè)計(jì)時(shí)，蒸汽入口在其上