7.相变对流传热

第7章相变对流换热PhaseTransformationConvectionHeatTransfer相变换热：凝结换热和沸腾换热相变换热的特点：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；目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。7.1凝结换热7.1.1概述定义–蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面的过程。产生条件：壁面温度tw蒸汽的饱和温度ts分类(凝结液与壁面浸润情况)–膜状凝结(filmwisecondensation):–珠状凝结(dropwisecondensation)实例–发电厂凝汽器、制冷装置中的冷凝器–深秋玻璃上的水膜凝结换热研究关键点‐凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结‐冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻‐层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式‐影响膜状凝结换热的因素‐会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论凝结换热中的重要参数–蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）–汽化潜热r–特征尺度–其他热物理性质，如、λ、cp等。7.1.2凝结过程膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结(hd=(5~10)hf)gswttgswtt凝结形态的决定性因素‐是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力；‐而润湿能力又取决于表面张力；表面张力小的润湿能力强。‐实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持，因此，工程实践应用中只能实现膜状凝结。为保证凝结效果，应以膜状凝结计算作为设计的依据。7.2膜状凝结分析解及计算关联式7.2.1纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热（竖壁）的分析简化假设①常物性；②蒸气静止，气液界面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，热量转移只有导热；⑥液膜的过冷度、蒸汽的过热度忽略；⑦忽略蒸汽密度（ρvρl）；⑧液膜表面平整无波动g)(xmt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayersswtt微元控制体凝结液膜的流动和传热符合边界层薄层性质。取重力方向为x方向，稳态情况下，边界层描述为2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullvll边界层方程组的简化下脚标l表示液相考虑假设③忽略惯性力；液膜在x方向的压力梯度可按界面y=δ处压力梯度计算。考虑假设②考虑假设⑦忽略蒸气密度；考虑假设⑤之考虑导热2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullvllgxpgxpvvdd0XX002222ytayuglll只有u和t两个未知量，故控制方程简化为：边界条件：swttyuyttuy,0dd0,0时，时，求解与结果1cygdydull2122cycygull00,02cuy01cgdydull2212yygull022yugll由流速u温度1cyt21cyctwwtctty2,0wswssttctcttty11,,)(wswttytt022ytal由x处的质量流量qmlllllmmgyyygyuqq3d21dd3220020则，x+dx处质量流量的增量dd22llmgqmqmmqqdxdmqd液膜厚度引入假设⑥不考虑液膜过冷所释放的显热，根据能量守恒定律，微元体xmdqrdxttrgwslllldd2dd22llmgqxdmqrdxd412)(4lwsllrgxtt液膜的导热凝结液体的潜热引入假设⑥温度线性分布，热量转移仅考虑导热局部表面传热系数4123412)(4)(4xttrgxttrghwslllwsllllxdxttdxtthdwslwsxx)(/lxh整个竖壁平均表面传热系数41230)(943.0341wsllllxlwsxwsVttlrghdxtthttlh表竖壁7.2.2膜状凝结分析扩展22sinyugdxdpyuvxuulll由4123)(sin943.0wslllttLrgh倾斜壁平均表面传热系数4123)(729.0wslllHttdrgh4/1/77.0dlhhVH水平圆管表面凝结传热表面传热系数•水平管外凝结与竖直管外凝结的比较•Nusselt采用图解积分得特征尺度为l特征尺度为dVHhhdl,85.2/时当∴冷凝管通常采用横管布置。竖壁表面凝结传热表面传热系数理论公式的修正球表面凝结传热表面传热系数4123)(826.0wslllSttdrgh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。故工程中采用4123)(13.1wslllVttlrgh20Re1600Rec无波动层流有波动层流湍流几点说明定性温度除r用ts外其余皆为(tw+ts)/2公式适用范围层流Re1600ReleρudRe444bbPAdcemllquRe44mlwsrqltthrtthlRews)(4横管：用d代替l横管一般都处于层流状态Why？Re取决于h，为待定准则7.2.3相关准则竖壁表面凝结传热表面传热系数修正公式4123)(13.1wslllVttlrgh414/1234/13213.1)(13.1)(13.1PrJaGacttcrglttlrghLNulplwsplwslll粘性力惯性力粘性力重力uLLuuLgLgLGa22323GalileoNumberJacobNumber显热潜热)(wspttcrJa对于Pr数接近于1或大于1的流体，当Ja1时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。对于Re1600的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：lxhlxhhctcl19200)253(584/34/12/131Re/PrPrPrReGaNusw除Prw的定性温度用tw外，其余均用ts，物性均指凝结液的7.2.4湍流膜状凝结换热【例】压力为1.013×105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98℃。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。解：先假设液膜为层流。根据ts=100℃，查得r=2257kJ/kg；其他物性按液膜平均温度tm=(100+98)/2=99℃查取，得：ρ=958.4kg/m3,η=2.825×10-4kg/(m.s),λ=0.68W/(m.K)4/123)(13.1wslllttlrgh1244/143112311KmW1057.198)K(1000.3msPa102.825Km0.68Wm958.4kgkg2257kJs9.8m13.1核算Re准则：说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：1.59sPa10825.2kgJ102257K)98100(m3.0KmW1057.14)(4416124rtthLRewsW1083.2K2m3.0KmW1057.1)(32124wstthA【例】压力为1.013×103Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98℃。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。凝结蒸汽量为：kg/h5.41025.11022571083.2333mrq【例】压力为1.013×103Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98℃。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。不凝结气体由于不凝结气体形成气膜，故：1)蒸气要扩散过气膜，形成阻力；2)气膜导致蒸气分压力降低，从而使ts降低：4/123)(13.1wslllttLrgh7.3膜状凝结影响因素及其传热强化7.3.1膜状凝结影响因素4/34/123)(13.1)(wslllwsttLrgtthq严重性：1%的不凝结气体能使h降低60%凝汽器工作中，排除不凝结气体是保证设计能力的关键ts↓→q↓蒸气流速前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。u向上液膜增厚h；u液膜破裂hu向下液膜减薄h；u液膜破裂h蒸气过热度要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。实验证实，h-h’代替r即可用r’代替计算公式中的r：Jarttcrrwsp68.01)(68.0液膜过冷度及温度分布的非线性管子排数n理论上，n排管束换热只需将dnd，但由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使h增大；同一铅垂面内，随着液膜的积累，h减小。故前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。此时换热与蒸气的流速关系很大。流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部（a）。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（b）。管内冷凝凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中，强化有更大现实意义。凝结表面情况7.3.1膜状凝结传热强化主要热阻：取决于通过液膜层的导热强化原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。实现方法：–尖锋的表面–使凝结液尽快从换热表面上排泄掉如低肋管、纵向沟槽等–表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结如表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入沟槽管微肋管7.4沸腾换热的模式沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程许多学科中正反过程的（物理机制）公式是一样的传热有时不一样（管内强制对流）沸腾比凝结复杂得多7.4.1沸腾换热的定义与分类沸腾：当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式应用：电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；烧开水；冰箱中氟里昂的蒸发等。定义按流动动力分a).大容器(或池)沸腾(Poolboiling)：加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。b).强制对流沸腾(Forcedconvectionboiling)：液体在外力的作用下，以一定的流速流过