凝結(jié)與沸騰換熱

1第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，工程上也只能借助于閱歷公式和試驗關(guān)聯(lián)式。2第七章分散與沸騰換熱7.1分散傳熱的模式7.2膜狀分散分析解及計算關(guān)聯(lián)式7.3膜狀分散的影響因素及其傳熱強化7.4沸騰傳熱模式7.5大容器沸騰傳熱的試驗關(guān)聯(lián)式7.6沸騰傳熱的影響因素及其強化31、重點內(nèi)容：①分散與沸騰換熱機理及其特點；②膜狀分散換熱分析解及試驗關(guān)聯(lián)式；③大容器飽和核態(tài)沸騰及臨界熱流密度。2、把握內(nèi)容：把握影響分散與沸騰換熱的因素。3、了解內(nèi)容：①了解強化分散與沸騰換熱的措施及進呈現(xiàn)狀、動態(tài)。②蒸汽遇冷分散，液體受熱沸騰屬對流換熱。其特點是：伴隨有相變的對流換熱。③工程中廣泛應(yīng)用的是：冷凝器及蒸發(fā)器、再沸器、水冷壁等。4

7.1.1珠狀分散與膜狀分散分散換熱:蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成分散液的過程。分類：依據(jù)分散液與壁面浸潤力量不同分兩種。7.1分散傳熱的模式珠狀分散與膜狀分散5(1)膜狀分散定義：分散液體能很好地潮濕壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的分散形式，稱膜狀分散。g(2)珠狀分散定義：分散液體不能很好地潮濕壁面，分散液體在壁面上形成一個個小液珠的分散形式，稱珠狀分散。g67.1.2分散液－主要熱阻膜狀分散特點：壁面上有一層液膜，分散放出的相變熱〔潛熱〕須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時液膜成為主要的換熱熱阻。珠狀分散特點：分散放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。gg在其它條件一樣時，珠狀分散的外表傳熱系數(shù)定大于膜狀分散的傳熱系數(shù)。7

7.1.3膜狀分散是工程設(shè)計依據(jù)試驗證明，幾乎全部的常用蒸汽，包括水蒸汽在內(nèi)，在純潔的條件下均能在常用工程材料的潔凈外表上得到膜狀分散。工業(yè)時間應(yīng)用上都只能實現(xiàn)膜狀分散，所以從設(shè)計的觀點動身，為保證分散效果，只能用膜狀分散的計算式作為設(shè)計的依據(jù)。強化膜狀分散的途徑－減薄液膜的厚度8§7-3膜狀分散的影響因素及其傳熱強化2.管子排數(shù)前面推導(dǎo)的橫管分散換熱的公式只適用于單根橫管。橫管管束分散換熱狀況比較簡單。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(qū)動力。例：水蒸汽中質(zhì)量含量占1％的空氣能使外表傳熱系數(shù)降低60％，后果是很嚴峻的。93.管內(nèi)冷凝此時換熱與蒸氣的流速關(guān)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。106.液膜過冷度及溫度分布的非線性假設(shè)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r，4.蒸氣流速流速較高時〔對于水蒸汽流速大于10m/s〕，蒸氣流對液膜外表產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。假設(shè)蒸氣流淌與液膜向下的流淌同向時，使液膜拉薄，h增大；反之使h減小。5.過熱蒸氣

把計算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液的焓差。11強化分散換熱的原則：技術(shù)：用各種帶有尖峰的外表使在其上冷凝的液膜拉薄使已分散的液體盡快從換熱外表上排泄掉。7.3.2膜狀分散的強化原則和技術(shù)盡量減薄粘滯在換熱外表上的液膜的厚度1213作業(yè)：P338復(fù)習(xí)題：1，8141916年，Nusselt提出的簡潔層流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(shè)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。7-2膜狀分散分析解及關(guān)聯(lián)式157.2.1純潔蒸汽層流膜狀分散分析解假設(shè)：1〕常物性；2〕蒸氣靜止，氣液界面上無對液膜的粘滯應(yīng)力；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(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；6〕液膜的過冷度無視；7〕無視蒸汽密度；8〕液膜外表平坦無波動1、對實際問題的簡化圖7-4努賽爾理論分析的坐標系與邊界條件16下腳標l表示液相在穩(wěn)態(tài)狀況下，分散液膜流淌的微分方程組為：以豎壁的膜狀分散為例：x坐標為重力方向，如下圖。2、邊界層方程組的簡化17考慮假設(shè)（3）液膜的慣性力忽略

考慮假設(shè)（7）忽略蒸汽密度dp/dx為可按y=δ處液膜外表蒸汽壓力梯度計算，將動量方程應(yīng)用于蒸汽。由假設(shè)〔2〕蒸汽的靜止的，假設(shè)以ρV表示蒸汽密度：18只有u和t兩個未知量，不需補充其他方程?？紤]假設(shè)〔5〕膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱方程組化簡為：19邊界條件：求解的根本思路〔1〕先從簡化的微分方程組動身獲得包括液膜厚度δ在內(nèi)的流速u及溫度t分布的表達式；〔2〕再利用dx一段距離上分散液體的質(zhì)量平衡關(guān)系取得液膜厚度的表達式；〔3〕最終依據(jù)對流換熱微分方程式利用傅立葉定律求出外表傳熱系數(shù)的表達式。203.主要求解過程與結(jié)果(1)液膜厚度定性溫度：注意：r

按ts確定(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)假設(shè)與水平軸有夾角〔φ>0〕的傾斜壁，式中g(shù)改為gsinφ。211、水平圓管及球外表上的層流膜狀分散傳熱外表傳熱系數(shù)：水平管：球：7.2.2豎直管與水平管的比較及試驗驗證定性溫度：注意：r

按ts確定222、水平管外分散與豎直管外分散的比較在其他條件一樣時，橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：不同：特征長度不同；系數(shù)不同當l/d=50時，橫管的平均外表傳熱系數(shù)是豎管的的2倍。233、分析解的試驗驗證和假設(shè)條件豎壁當Re<20時，試驗數(shù)據(jù)與理論解相符；當Re>20時，試驗數(shù)據(jù)越來越高于理論解，最高大于20%圖7-7豎壁上水蒸汽膜狀分散的理論式與試驗結(jié)果比較24對豎壁的修正：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：水平圓管、橫管：試驗數(shù)據(jù)與理論解相符。Pr數(shù)接近1或大于1的流體，只要無量綱量時，微分方程中的慣性力項，液膜過冷度的影響均可忽略。

其他假設(shè)修正25膜層中分散液的流淌狀態(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)為膜層Re。7.2.3湍流膜狀分散換熱膜層雷諾數(shù)：依據(jù)液膜的特點取當量直徑為特征長度的雷諾數(shù)。以豎壁為例ul為處液膜層的平均流速；de為該截面處液膜層的當量直徑。26對水平管，用代替上式中的。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)如圖由熱平衡所以豎壁上層流液膜的質(zhì)量流量x＝l處寬為1m的截面上的分散液的質(zhì)量流量27試驗證明：〔1〕膜層雷諾數(shù)Re=1600時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?；?〕橫管均在層流范圍內(nèi)，由于管徑較小。湍流特征:對于湍流液膜，熱量的傳遞：〔1〕靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；〔2〕層流底層以外的湍流層以湍流傳遞的熱量為主。因此，湍流液膜換熱遠大于層流液膜換熱。無波動層流有波動層流湍流28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轉(zhuǎn)折點的高度

l為豎壁的總高度計算方法對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均外表傳熱系數(shù)29可供計算整個壁面的平均外表傳熱系數(shù)的試驗關(guān)聯(lián)式式中：。除用壁溫

計算外，其余物理量的定性溫度均為307.4沸騰換熱現(xiàn)象沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。

沸騰的特點1〕液體汽化吸取大量的汽化潛熱；2〕由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱外表不斷受到冷流體的沖刷和猛烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱。沸騰換熱分類：1〕大容器沸騰〔池內(nèi)沸騰〕；2〕管內(nèi)沸騰〔強制對流沸騰〕上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。31〔1〕大容器沸騰定義：指加熱壁面沉醉在具有自由外表的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。特點：氣泡能自由浮升穿過液體自由面進入容器空間?！?〕飽和沸騰定義：液體主體溫度到達飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。特點:隨著壁面過熱度的增高，消失4個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域?！?〕過冷沸騰指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰?！?〕管內(nèi)沸騰流體的運動需加外加的壓差才能維持。32在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細管，通電加熱以使其外表產(chǎn)生汽泡，燒杯底下的電熱器用于將水加熱到飽和溫度，這樣在不銹鋼外表上進展的沸騰為飽和沸騰。隨著電流密度的增大，燒杯中的水與不銹鋼管外表間的熱交換依次會消失以下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。7.4.1大容器飽和沸騰三個區(qū)域

33qmaxqmin橫坐標為壁面過熱度〔對數(shù)坐標〕；縱坐標為熱流密度〔算術(shù)密度〕。34

從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ將整個曲線分成四個特定的換熱過程。1〕單相自然對流段〔液面汽化段〕壁面過熱度小，沸騰尚未開頭，換熱聽從單相自然對流規(guī)律。352〕核態(tài)沸騰〔飽和沸騰〕隨著的上升，在加熱面的一些特定點上開頭消失汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。①開頭階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)；②隨著的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量增加，汽泡相互影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響區(qū)。36③隨著的增大，q增大，當增大到肯定值時，q增加到最大值，汽泡擾動猛烈，汽化核心對換熱起打算作用，則稱該段為核態(tài)沸騰〔泡狀沸騰〕。其特點：溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密度q達最大值。工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用該段。

373〕過渡沸騰從峰值點進一步提高，熱流密度q減??；當增大到肯定值時，熱流密度減小到，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。緣由：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚攏掩蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排解過程惡化，致使熱流密度下降。384〕穩(wěn)定膜態(tài)沸騰從開頭，隨著的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使上升時，熱流密度q上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。其特點：a、汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對流；b、輻射熱量隨著的加大而劇增，使熱流密度大大增加；c、在物理上與膜狀分散具有共同點：前者熱量必需穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必需穿過熱阻相對較小的液膜。39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(zhuǎn)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。7.4.2臨界熱流密度及其工程意義

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。萊登佛羅斯特點40實踐上，上述熱流密度的峰值有重大意義，它被稱為臨界熱流密度。①對于依靠掌握熱流密度來轉(zhuǎn)變工況的加熱設(shè)備，如電加熱器、對冷卻水加熱的核反響堆，一旦熱流密度超過峰值，工況將沿虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，將猛升至近1000℃，可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀，所以必需嚴格監(jiān)視并掌握熱流密度，確保在安全工作范圍之內(nèi)。也由于超過它可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀，所以亦稱燒毀點。DNB〔DepartmentfromNucleateBoiling〕：核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點偏離核態(tài)沸騰規(guī)律的點，作為監(jiān)視接近的戒備，很牢靠。對于蒸發(fā)冷凝器等壁面可控的設(shè)備，這種監(jiān)視也是重要的，由于一旦超過轉(zhuǎn)折點之值，就可能導(dǎo)致膜態(tài)沸騰，使q減小。41

7.4.3氣泡動力學(xué)簡介

產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，普遍認為壁面上的凹坑和細縫裂穴易殘留氣體，是最好的汽化核心。1、為什么沸騰傳熱有那樣高的傳熱強度

主要是由于氣泡的形成、成長以及脫離加熱壁面所引起的各種擾動所造成的。2、加熱外表上什么地點最簡潔形成汽化核心

處于狹縫中的液體所受到的加熱影響要多；狹縫中的氣體易成為氣泡核心423、加熱外表上要產(chǎn)生氣泡液體必需過熱流體中形成的汽泡，必需與液體處于力平衡和熱平衡。由于汽泡外表張力的作用，使其內(nèi)壓大于外壓，依據(jù)力平衡條件：若忽略液柱靜壓力，pl則等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即近似于（飽和溫度下的液體壓力）N/㎡。43汽泡外的液體是過熱的，其過熱度為：。貼壁處液體具有最大過熱度。則壁面凹處最先能滿足汽泡生成的條件：產(chǎn)生半徑為R的氣泡所需過熱度〔克勞修斯－克拉貝龍方程〕由熱平衡可知：汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫度，界面內(nèi)外溫度相等，則。44可見，(tw–ts),Rmin同一加熱面上，成為汽化核心的凹穴數(shù)量增加汽化核心數(shù)增加換熱增加爭論：①假設(shè)汽泡半徑<R時，外表張力>內(nèi)外壓差，則汽泡內(nèi)蒸汽分散，汽泡不能形成。②假設(shè)汽泡半徑>R時，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。457.5大容器沸騰傳熱的試驗關(guān)聯(lián)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

對于沸騰換熱的外表傳熱系數(shù)很多不同的計算公式。影響核態(tài)沸騰的主要因素主要是壁面過熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受到壁面材料及其外表狀況、壓力、物性等的支配，由于因素比較簡單，文獻中提出的沸騰傳熱的計算式分歧較大。目前存在兩種計算是：〔1〕針對一種液體的計算公式；〔2〕廣泛適用于各種液體的計算式467.5.1大容器飽和核態(tài)沸騰的無量關(guān)聯(lián)式綱羅森諾認為，核態(tài)沸騰傳熱之所以猛烈，主要是由于氣泡的產(chǎn)生與脫離造成猛烈的擾動之故，基于這樣的思想，通過大量試驗得出了如下試驗關(guān)聯(lián)式：47系數(shù)Cwl的取值，是一個純閱歷參數(shù)，取決于固體外表的性質(zhì)以及沸騰液體的性質(zhì)，由試驗確定。48顯熱/潛熱Re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,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。無量綱關(guān)聯(lián)式Ja＝f(Re,Pr)49對于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀〔Cooper〕公式目前得到廣泛的應(yīng)用：其中：為液體的相對分子質(zhì)量；為比照壓力〔液體壓力與該流體的臨界壓力之比〕；為外表平均粗糙度〔對一般工業(yè)用管材外表，為0.3~0.4〕；q為熱流密度。507.5.2大容器沸騰的臨界熱流密度對于大容器沸騰的臨界熱流密度的計算，推舉承受如下半閱歷公式：當壓力離開臨界壓力較遠時，上述右端最終一項取為1，同時將流量分析得出的系數(shù)0.131用試驗值0.149代替，得到以下推舉公式：物性均依據(jù)飽和溫度查取，無特征長度。當加熱面的特征長度大于三倍氣泡直徑時，即可適用。517.5.3大容器飽和液體膜態(tài)沸騰的傳熱計算式〔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(shè)加熱外表為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.6752