传热学凝结核沸腾传热

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???
gr l l(
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ts
?2 3
ll
? tw
?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：
hH
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0.729
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???
l
gr d(
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2 l
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3 l
ts ? tw
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)
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4
球：
hS
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0.826
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???
l
gr d(
?
ts
2 l
?
?
3 l
tw
?1/
)
状凝结理论
一、凝结传热现象
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，称凝结传热现象。有两种凝结形式。
二、凝结传热的分类
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。 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。
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
? ?
?x
?
?v ?y
?
0
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?
l
(u
?
?u ?x
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v
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?
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dp dx
?
?lg
??l
? 2u ?y2
? ???u
?t ?x
?
v
?t ?y
?
al
? 2t ?y2
下脚标 l 表示液相
一、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
根据以上 9 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。
考虑假定（ 3）液膜的惯性力忽略
?
l
(u
?u ?x
?
v
?u ?y
)
?
0
考虑假定（ 7）忽略蒸汽密度
dp ? 0 dx
? ?u
? ?
?x
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Байду номын сангаас?v ?y
?
0
??? l
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(u
?u ?x
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?u v ?y)
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dp dx
?
?l
g
??
l
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?t ?x
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v
?t ?y
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al
? 2t ?y2
考虑假定（ 5） 膜内温度线性分布，即热量转
第六章 凝结和沸腾传热
（1）重点内容： ① 凝结与沸腾传热机理及其特点； ② 膜状凝结传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传热的因素。
（3）了解内容： 了解强化凝结与沸腾传热的措施及发展现
状、动态。
蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流传热。 其特点是：伴随有相变的对流换热。
工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、 再沸器、水冷壁等。
6-1 凝结传热现象 凝结传热实例
?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
凝结传热的关键点
? 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传热的实验关联式 ? 影响膜状凝结传热的因素 ? 会分析竖壁和横管的传热过程，及 Nusselt膜
有波动层流
Re c ? 1600
湍流
如图 de ? 4Ac / P ? 4b? / b ? 4?
Re ? 4?? ul ? 4q ml
?
?
由热平衡
h( ts ? tw )l ? rq ml
所以
Re ? 4hl( ts ? tw )
?r
对水平管，用 ? 代r 替上式中的 即l可。
并且横管一般都处于层流状态
/
2
? ? ?
Pr w Pr s
g
tw ? ts
(2)珠状凝结
tw ? ts
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
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。
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。
6-2 膜状凝结分析解及关联式
三、湍流膜状凝结换热
实验证明： （ 1 ）膜层雷诺数 Re=1600 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。
? hV
?
1 l
l
0 hxdx ? 0.943
?
???
gr l l(
?
2 l
?
3 l
ts ? tw
?1 / 4
)
? ?
定性温度：t m
?
ts
? tw 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：
hV
?
1.13
? ?
4
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH ? 0.77?? l ??1 4
hV
?d ?
二、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
?
de ? ul ?
式中：
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速；
de 为该截面处液膜层的当量直径。
无波动层流
Re ? 20
(1) 液膜厚度
?
?
?4?
? ?
l
?
l( g
ts ?
?
2 l
r
tw
)x
?1/ ? ?
4
定性温度：
tm
?
ts
? tw 2
注意：r 按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
hx
?
?
? ?
4
?
gr
?
2 l
?
3 l
l( ts ? tw
)x
?1 / 4 ? ?
整个竖壁的平均表面传热系数
( ?t ? ts ? tw ? C )
移只有导热
u
?t ?x
?
v
?t ?y
?
0
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组 化简为：
? ??
?
l
g
??l
? 2u ?y2
?
0
?
? ??
a
l
? 2t ?y2
?
0
边界条件： y ? 0 时， u ? 0, t ? t w
y ? ? 时，
du ? 0, dy ?
t ? ts
求解上面方程可得：
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
h
?
hl
xc l
?
ht
???1 ?
xc l
? ??
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
利用上面思想，整理的实验关联式：
Nu
?
Ga 1 / 3
58
Re
Pr
? s
1