傳熱學第7章-凝結與沸騰換熱概要

第七章分散與沸騰換熱BoilingandCondensation第五、六章我們分析了無相變的對流換熱，包括強制對流換熱和自然對流換熱下面我們馬上遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是分散換熱和沸騰換熱兩種。相變換熱的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的簡單性，比單相對流換熱更簡單，因此，目前，工程上也只能助于閱歷公式和試驗關聯(lián)式。第7章分散與沸騰換熱12/6/2023-1-§7-1分散換熱分散換熱的關鍵點分散可能以不同的形式發(fā)生，膜狀分散和珠狀分散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分散換熱的試驗關聯(lián)式影響膜狀分散換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀分散理論分散換熱實例鍋爐中的水冷壁嚴寒冬天窗戶上的冰花很多其他的工業(yè)應用過程第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-2-分散換熱中的重要參數(shù)蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差〔ts-tw〕汽化潛熱r特征尺度其他標準的熱物理性質，如動力粘度、導熱系數(shù)、比熱容等第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-3-1分散過程膜狀分散沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流淌，分散放出的汽化潛熱必需通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀分散當分散液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成很多小液珠，此時壁面的局部外表與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠大于膜狀分散〔可能大幾倍，甚至一個數(shù)量級〕gg第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-4-雖然珠狀分散換熱遠大于膜狀分散，但惋惜的是，珠狀分散很難保持，因此，大多數(shù)工程中遇到的分散換熱大多屬于膜狀分散，因此，教材中只簡潔介紹了膜狀分散2純潔飽和蒸汽層流膜狀分散換熱的分析1916年，Nusselt提出的簡潔膜狀分散換熱分析是近代膜狀分散理論和傳熱分析的根底。自1916年以來，各種修正或進展都是針對Nusselt分析的限制性假設而進展了，并形成了各種有用的計算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對純潔飽和蒸汽膜狀分散換熱的分析。假定：1〕常物性；2〕蒸氣靜止；3〕液膜的慣性力無視；4〕氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5〕膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱；6〕液膜的過冷度無視；7〕無視蒸汽密度；8〕液膜外表平坦無波動第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-5-gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制體邊界層微分方程組：對應于p.141頁(5-14)，(5-15)，(5-16)下腳標l表示液相x第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-6-考慮〔3〕液膜的慣性力無視

考慮〔5〕膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱考慮（7）忽略蒸汽密度

只有u和t兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為：第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-7-邊界條件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性溫度：留意：r按ts確定第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-8-(2)局部對流換熱系數(shù)整個豎壁的平均外表傳熱系數(shù)(3)修正：試驗說明，由于液膜外表波動，分散換熱得到強化，因此，試驗值比上述得理論值高20％左右修正后：定性溫度：留意：r按ts確定第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-9-時，慣性力項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，除了對波動的修正外，其他假設也有人做了相關的爭論，如當并且，(4)水平圓管努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管及球外表上的層流膜狀分散式中：下標“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一樣第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-10-橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：3邊界層內的流態(tài)無波動層流有波動層流湍流分散液體流淌也分層流和湍流，并且其推斷依據(jù)仍舊時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。第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-11-并且橫管一般都處于層流狀態(tài)如圖由熱平衡所以對水平管，用代替上式中的即可。第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-12-4湍流膜狀分散換熱液膜從層流轉變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)可定為1600。橫管因直徑較小，實踐上均在層流范圍。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，換熱大為增加對豎壁的湍流分散換熱，其沿整個壁面的平均外表傳熱系數(shù)計算式為：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

為層流轉變?yōu)橥牧鲿r轉折點的高度

l

為豎壁的總高度第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-13-利用上面思想，整理的試驗關聯(lián)式：式中：。除用壁溫

計算外，其余物理量的定性溫度均為第7章分散與沸騰換熱——§6-1分散換熱12/6/2023-14-2.蒸氣流速流速較高時，蒸氣流對液膜外表產生模型的粘滯應力。假設蒸氣流淌與液膜向下的流淌同向時，使液膜拉薄，增大；反之使減小?！?-3影響膜狀分散的因素工程實際中所發(fā)生的膜狀分散過程往往比較簡單，受各種因素的影響。1.不分散氣體不分散氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了分散的驅動力第7章分散與沸騰換熱——§6-3影響膜狀分散的因素12/6/2023-15-3.過熱蒸氣

要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。4.液膜過冷度及溫度分布的非線性假設考慮過冷度及溫度分布的實際狀況，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、流體物性都會影響分散換熱。前面推導的橫管分散換熱的公式只適用于單根橫管。第7章分散與沸騰換熱——§6-3影響膜狀分散的因素12/6/2023-16-6.管內冷凝此時換熱與蒸氣的流速關系很大。蒸氣流速低時，分散液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。流速較高時，形成環(huán)狀流淌，分散液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。第7章分散與沸騰換熱——§6-3影響膜狀分散的因素12/6/2023-17-7.分散外表的幾何外形強化分散換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱外表上的液膜的厚度?？捎酶鞣N帶有尖峰的外表使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已分散的液體盡快從換熱外表上排泄掉。第7章分散與沸騰換熱——§6-3影響膜狀分散的因素12/6/2023-18-§7-4沸騰換熱現(xiàn)象蒸汽鍋爐做飯很多其它的工業(yè)過程1生活中的例子定義：a沸騰：工質內部形成大量氣泡并由液態(tài)轉換到氣態(tài)的一種猛烈的汽化過程b沸騰換熱：指工質通過氣泡運動帶走熱量，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(池內沸騰)和強制對流沸騰，每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。第7章分散與沸騰換熱——§6-4沸騰換熱現(xiàn)象12/6/2023-19-a大容器沸騰(池內沸騰)：加熱壁面沉醉在具有自由外表的液體中所發(fā)生的沸騰；b強制對流沸騰：強制對流＋沸騰加熱外表HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow第7章分散與沸騰換熱——§6-4沸騰換熱現(xiàn)象12/6/2023-20-4汽泡動力學簡介(1)汽泡的成長過程試驗說明，通常狀況下，沸騰時汽泡只發(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，如下圖。

c過冷沸騰：指液體主流尚未到達飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開頭產生氣泡，稱之為過冷沸騰d飽和沸騰：液體主體溫度到達飽和溫度，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7章分散與沸騰換熱——§6-4沸騰換熱現(xiàn)象12/6/2023-21-(2)汽泡的存在條件汽泡半徑R必需滿足以下條件才能存活(克拉貝龍方程)式中：—外表張力，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)增加換熱增加第7章分散與沸騰換熱——§6-4沸騰換熱現(xiàn)象12/6/2023-22-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，如下圖：qminqmax第7章分散與沸騰換熱——§6-4沸騰換熱現(xiàn)象12/6/2023-23-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的戒備。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種狀況都特別重要?！?〕對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，由于熱量必需穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比分散小得多。第7章分散與沸騰換熱——§6-4沸騰換熱現(xiàn)象12/6/2023-24-§7-5沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍舊適用，即但對于沸騰換熱的h卻又很多不同的計算公式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)受外表材料、外表狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的狀況液比較簡單，導致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是，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7章分散與沸騰換熱——§6-5沸騰換熱計算式12/6/2023-25-為此，書中分別推舉了兩個計算式〔1〕對于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，教材推舉適用米海耶夫公式，壓力范圍：105～4106Pa按

第7章分散與沸騰換熱——§6-5沸騰換熱計算式12/6/2023-26-〔2〕羅森諾公式——廣泛適用的強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)也應當適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量試驗得出了如下試驗關聯(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—飽和液體的動力粘度Cwl—取決于加熱外表－液體組合狀況的閱歷常數(shù)(表6)q—沸騰傳熱的熱流密度s—閱歷指數(shù)，水s=1,否則，s=1.7第7章分散與沸騰換熱——§6-5沸騰換熱計算式12/6/2023-27-上式可以改寫為：可見，，因此，盡管有時上述計算公式得到的q與試驗值的偏差高達100％，但q計算時，則可以將偏差縮小到33％。這一點在輻射換熱種更為明顯。計算時必需慎重處理熱流密度。2大容器沸騰的臨界熱流密度書中推舉適用如下閱歷公式：第7章分散與沸騰換熱——§6-5沸騰換熱計算式12/6/2023-28-3大容器膜態(tài)沸騰的關聯(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打算外，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,假設加熱外表為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.67第7章分散與沸騰換熱——§6-5沸騰換熱計算式12/6/2023-29-勃洛姆來建議承受如下超越方程來計算：其中：〔2〕考慮熱輻射作用由于膜態(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，它的影響有兩局部，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而削減了換熱量。因此，必需綜合考慮熱輻射效應。第7章分散與沸騰換熱——§6-5沸騰換熱計算式12/6/2023-30-§7-6影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學過的換熱現(xiàn)象中最簡單的，影響因素也最多，由于我們只學習了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。1不分散氣體對膜狀分散換熱的影響？與膜狀分散換熱不同，液體中的不分散氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強化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，，因此，過冷會強化換熱。見p.183第7章分散與沸騰換熱——§6-6影響沸騰換熱的因素12/6/2023-31-3液位高度當傳熱外表上的液位足夠高時，沸騰換熱外表傳熱系數(shù)與液位高度無關。但當液位降低到肯定值時，外表傳熱系數(shù)會明顯地隨液位的降低而上升(臨界液位)。圖中介質為一個大氣壓下的水4重力加速度隨著航空航天技術的進展，超重力和微重力條件下的傳熱規(guī)律得到蓬勃進展，但目前還遠沒到成熟的地步，就現(xiàn)有的成果說明：第6章分散與沸騰換熱——§6-6影響沸騰換熱的因素12/6/2023-32-從0.1~1009.8m/s2的范圍內，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