相变对流换热

1、重点内容：①凝结与沸腾换热机理及其特点；②膜状凝结换热分析解及实验关联式；③大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3、了解内容：①了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。②蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：伴随有相变的对流换热。③工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、水冷壁等。第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热，目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种。相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能借助于经验公式和实验关联式。7.1.1珠状凝结与膜状凝结蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种7.1凝结传热的模式(1)膜状凝结定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。gswtt(2)珠状凝结定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。gswtt凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。珠状凝结珠状凝结的表面换热系数膜状凝结，但是一般无法长久保持。2.55×1055000～250007.1.2凝结液－主要热阻膜状凝结特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻。珠状凝结特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。gswttgswtt在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。7.1.3膜状凝结是工程设计依据实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。工业时间应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。强化膜状凝结的途径－减薄液膜的厚度1916年，Nusselt提出的简单层流膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。7-2膜状凝结分析解及关联式7.2.1纯净蒸汽层流膜状凝结分析解假设：1）常物性；2）蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力；3）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动1、对实际问题的简化图7-4努赛尔理论分析的坐标系与边界条件2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下脚标l表示液相在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为：以竖壁的膜状凝结为例：x坐标为重力方向，如图所示。2、边界层方程组的简化2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll考虑假设（3）液膜的惯性力忽略0)(yuvxuul考虑假设（7）忽略蒸汽密度/0dpdxdp/dx为可按y=δ处液膜表面蒸汽压力梯度计算，将动量方程应用于蒸汽。由假设（2）蒸汽的静止的，若以ρV表示蒸汽密度：0Vdpdxg0ytvxtu只有u和t两个未知量，不需补充其他方程。考虑假设（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll002222ytayuglll方程组化简为：边界条件：swttyuyttuy,0dd0,0时，时，求解的基本思路（1）先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度δ在内的流速u及温度t分布的表达式；（2）再利用dx一段距离上凝结液体的质量平衡关系取得液膜厚度的表达式；（3）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律求出表面传热系数的表达式。3.主要求解过程与结果1/4llsw2l4(tt)xgr(1)液膜厚度定性温度：2wsmttt注意：r按ts确定(2)局部表面传热系数1/423llxlswgrh4(tt)xsw(tttC)整个竖壁的平均表面传热系数1/423lllVx0lswgr1hhdx0.943ll(tt)若与水平轴有夹角（φ0）的倾斜壁，式中g改为gsinφ。1、水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传热系数：1/423llHlswgrh0.729d(tt)1/423llSlswgrh0.826d(tt)水平管：球：7.2.2竖直管与水平管的比较及实验验证定性温度：2wsmttt注意：r按ts确定2、水平管外凝结与竖直管外凝结的比较在其他条件相同时（直径为d和高为l的圆管），横管与竖管的对流换热系数之比：4177.0dlhhVH1/423llVlswgrh0.943l(tt)1/423llHlswgrh0.729d(tt)不同：特征长度不同；系数不同当l/d=50时，横管的平均表面传热系数是竖管的的2倍。HVHVHVhhdlhhdlhhdl,86.2,86.286.23、分析解的实验验证和假设条件竖壁当Re20时，实验数据与理论解相符；当Re20时，实验数据越来越高于理论解，最高大于20%图7-7竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果比较对竖壁的修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右。1/423llVlswgrh1.13l(tt)修正后：水平圆管、横管：实验数据与理论解相符。1/423llHlswgrh0.729d(tt)Pr数接近1或大于1的流体，只要无量纲量时，微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响均可忽略。pswr1c(tt)其他假设修正膜层中凝结液的流动状态20Re1600Rec无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据为膜层Re。elelduduRe7.2.3湍流膜状凝结换热膜层雷诺数：根据液膜的特点取当量直径为特征长度的雷诺数。以竖壁为例ul为处液膜层的平均流速；de为该截面处液膜层的当量直径。xllml4u4qRelr对水平管，用代替上式中的。并且横管一般都处于层流状态ecd4A/P4b/b4如图swmlh(tt)lrq由热平衡sw4hl(tt)Rer所以竖壁上层流液膜的质量流量x＝l处宽为1m的截面上的凝结液的质量流量实验证明：（1）膜层雷诺数Re=1600时，液膜由层流转变为湍流；（2）横管均在层流范围内，因为管径较小。湍流特征:对于湍流液膜，热量的传递：（1）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（2）层流底层以外的湍流层以湍流传递的热量为主。因此，湍流液膜换热远大于层流液膜换热。20Re1600Rec无波动层流有波动层流湍流ccltxxhhh1ll式中：hl为层流段的传热系数；ht为湍流段的传热系数；xc为层流转变为湍流时转折点的高度l为竖壁的总高度计算方法对于竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的平均表面传热系数1/31/41/23/4wssReNuGaPr58Pr(Re253)9200Pr可供计算整个壁面的平均表面传热系数的实验关联式式中：。除用壁温计算外，其余物理量的定性温度均为Nuhl/;32Gagl/wPrwtst。§6-3膜状凝结的影响因素及其传热强化2.管子排数前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。横管管束凝结换热情况比较复杂。工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。1.不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力。例：水蒸汽中质量含量占1％的空气能使表面传热系数降低60％，后果是很严重的。3.管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。6.液膜过冷度及温度分布的非线性如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的r，pswrr0.68c(tt)4.蒸气流速流速较高时（对于水蒸汽流速大于10m/s），蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，h增大；反之使h减小。5.过热蒸气把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差。强化凝结换热的原则•用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄•使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。7.3.2膜状凝结的强化原则和技术尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度7.4沸腾换热现象沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。沸腾的特点1）液体汽化吸收大量的汽化潜热；2）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。沸腾换热分类：1）大容器沸腾（池内沸腾）；2）管内沸腾（强制对流沸腾）上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。（1）大容器沸腾定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。特点：气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。（3）饱和沸腾定义：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。特点:随着壁面过热度的增高，出现4个换热规律全然不同的区域。（4）过冷沸腾指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。（2）管内沸腾流体的运动需加外加的压差才能维持。在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面产生汽泡，烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢表面上进行的沸腾为饱和沸腾。随着电流密度的增大，烧杯中的水与不锈钢管表面间的热交换依次会出现以下4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾。7.4.1大容器饱和沸腾四个区域传热学HeatTransfer7-4沸腾传热的模式大容器饱和沸腾曲线0℃∆t4℃:单相自然对流区，无汽泡。4℃∆t25℃:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25℃∆t200℃:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200℃∆t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。大容器饱和沸腾的四个区域莱登佛罗斯特点CHF从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的换热过程。1）单相自然对流段（液面汽化段）壁面过热度小，沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。4t2）核态沸腾（饱和沸腾）随着的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。t①开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区；②随着的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为相互影响区。t③随着的增大，q增大，当增大到一定值时，q增加到