第七章----沸腾换热

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2 l 3 l 1/ 4
( t ts tw C )
整个竖壁的平均表面传热系数
gr 1 l hV hx dx 0.943 l 0 l l( t s t w
2 l 3 l
)
1/ 4
ts tw 定性温度:t m 2
注意:r
按 ts 确定
(3) 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 修正后:
3 )过渡沸腾
从峰值点进一步提高 t ,热流密度 q 减小; t q 当 增大到一定值时,热流密度减小到 ,这 min 一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳 定过程。 原因:汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的 速度,ຫໍສະໝຸດ Baidu汽泡聚集覆盖在加热面上,形成一层 蒸汽膜,而蒸汽排除过程恶化,致使 q m 下降。
1/ 4
球:
gr hS 0.826 d( t t ) s w l
2 l 3 l
1/ 4
横管与竖管的对流换热系数之比:
hH l 0.77 hV d
14
2
膜层中凝结液的流动状态
凝结液体流动也分层流和湍流,并且其判断依据 仍然时Re,
Re
式中:
d e ul
无波动层流

Re 30
有波动层流
Rec 1800
湍流
ul
de
为 x = l 处液膜层的平均流速; 为该截面处液膜层的当量直径。
如图
de 4 Ac / P 4b / b 4
Re 4 ul


4qml

由热平衡
h( ts tw )l rqml
gr hV 1.13 l l( t s t w )
2 l 3 l 1/ 4
(4)当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时, 其平均表面传热系数为:
水平管:
gr hH 0.729 d( t t ) s w l
2 l 3 l
§6-4 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) ;
tw ts
g
根据以上 8 个假设从边界层微分方程组推出努 塞尔的简化方程组,从而保持对流换热理论的 统一性。同样的,凝结液膜的流动和换热符合
边界层的薄层性质。
以竖壁的膜状凝结为例: x 坐标为重力方向,如 图所示。 在稳态情况下,凝结液膜流动的微分方程组为 :
u v x y 0 u u dp 2u v ) l g l 2 l (u x y dx y t t 2t u v al 2 y y x
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。 4. 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 ,
r r 0.68c p ( ts tw )
5. 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。
2
汽化核心的分析
(1) 汽泡的成长过程 实验表明,通常情况下,沸腾时汽泡只发生在 加热面的某些点,而不是整个加热面上,这些
产生气泡的点被称为汽化核心,较普遍的看法
认为,壁面上的凹穴和裂缝易残留气体,是最
好的汽化核心,如图所示。



汽泡动力学简介:
1. 汽泡稳定存在条件: 设有一个容器,底面加热,上面压力ps 对应ts, 如中间有汽泡,其内压力pv,温度tv, 周围流体对应pl , tl 。 稳定条件:热平衡 力平衡 热平衡 tl= tv tl < tv 汽泡向流体传热,汽泡中的汽要凝结缩小; tl > tv 液体向汽泡传热,汽泡中的汽要膨胀长大。 力平衡 取半个汽泡为控制体,受两个力
考虑假定(5) 膜内温度线性分布,即热量 转移只有导热
t t u v 0 x y
只有u 和 t 两个未知量,于是,上面得方 程组化简为:
2u l g l y 2 0 2 t a 0 l 2 y
边界条件: y 0 时, u 0, t t w
几点说明:
( 1 )上述热流密度的峰值 qmax 有重大意义,称为 临界热流密度,亦称烧毁点。一般用核态沸腾 转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对 热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重 要。 ( 2 )对稳定膜态沸腾,因为热量必须穿过的是热 阻较大的汽膜,所以换热系数比凝结小得多。
③工程中广泛应用的是:冷凝器及蒸发
器、再沸器、水冷壁等。
§7-1 凝结换热现象 凝结换热实例
•锅炉中的水冷壁
•寒冷冬天窗户上的冰花
•许多其他的工业应用过程
tw ts
凝结换热的关键点
状凝结
g
• 凝结可能以不同的形式发生,膜状凝结和珠
• 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
1 )单相自然对流段(液面汽化段) 壁面过热度小时(图中 t 4 ℃)沸腾尚未开始, 换热服从单相自然对流规律。
2 )核态沸腾(饱和沸腾) 随着 t 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。其特点是: 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;
计算方法:对于竖壁紊流膜状换热,沿整个
壁面上的平均表面传热系数
xc xc h hl ht 1 l l
式中:hl为层流段的传热系数;ht为紊流段的传热系数;
xc为层流转变为紊流时转折点的高度 l为竖壁的总高度
利用上面思想,整理的实验关联式:
Re 58 Pr
1 / 2 s
Nu Ga
1/ 3
Prw Pr s
1/ 4
(Re3 / 4 253 ) 9200
3 2 Ga gl / Nu hl / ; 式中: 。除 Prw用壁温
tw
计算外,其余物理量的定性温度均为
t s。
§6-3 影响膜状凝结的因素
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 t。 2. 蒸气流速 流速较高时,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。
4hl( ts t w ) Re r
所以
横管:用d 代替 L 并且横管一般都处于层流状态
3
湍流膜状凝结换热
实验证明: ( 1 )膜层雷诺数 Re=1800 时,液膜由层流转 变为紊流 ; ( 2 )横管均在层流范围内,因为管径较小。 特征 :对于紊流液膜,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 ) 层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因 此,紊流液膜换热远大于层流液膜换热。
g
tw ts
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
(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。
g
tw ts
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。
du y 时, dy

0, t t s
求解上面方程可得: (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
1/ 4
ts tw 定性温度: t m 2
注意:r
按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
gr hx 4l ( t s t w )x
2 )强制对流沸腾(管内沸腾)
上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
产生沸腾的条件: 理论分析与实验证明,产生沸腾的条件: 1)液体必须过热; 2)要有汽化核心
1
大容器饱和沸腾曲线
(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:产生的气泡能自由浮升,穿过液体自由面 进入容器空间。 (2)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。
所以,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。
§ 7-2 膜状凝结分析解及关联式
1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解
假定:1)常物性;2)蒸气静止;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
6. 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。
7. 凝结表面的几何形状

强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面 上的液膜的厚度。

可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉 薄,或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄 掉。
下脚标 l 表示液相
考虑假定(3)液膜的惯性力忽略 u u l (u v ) 0 x y 将动量方程应用于边界层外的蒸汽,并考虑假定 (7)忽略蒸汽密度,边界层外的压力变化更大 dp v g 0 dx u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
第七章
凝结与沸腾换热
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 大容器饱和核状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)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。 (4)大容器饱和沸腾曲线: 表征了大容器饱和沸腾的全部过程,共包括 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,如图所示:
qmax
qmin
如图 6-11 所示,横坐标为壁面过热度(对数坐 标);纵坐标为热流密度(算术密度)。 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,其特性如下:
②随着 t 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。
③随着 t 的增大, q 增大,当 t 增大到一定 值时, q 增加到最大值 ,汽泡扰动剧烈,汽化 核心对换热起决定作用,则称该段为核态沸腾 (泡状沸腾)。 其特点:换热强度大,其终点的热流密度 q 达最 大值 。工业设计中应用该段。
4 )稳定膜态沸腾
从 qmin 开始,随着 t 的上升,气泡生长速 度与跃离速度趋于平衡。此时,在加热面上形成稳 定的蒸汽膜层,产生的蒸汽有规律地脱离膜层,致 t 使 上升时,热流密度 q 上升,此阶段称为稳
定膜态沸腾。
其特点: ( 1 )汽膜中的热量传递不仅有导热,而且有对流; ( 2 )辐射热量随着t 的加大而剧增,使热流密度大 大增加; ( 3 )在物理上与膜状凝结具有共同点:前者热量必 须穿过热阻大的汽膜;后者热量必须穿过热阻相对较 小的液膜。
• 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
1 、凝结换热现象
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。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(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。
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