传热学V4-第七章-相变对流传热-1

7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 膜状凝结换热的强化措施： 减薄液膜的厚度 基于表面张力减薄液膜厚度（低肋管、锯齿管、微肋管） 增加顺液膜流动方向的蒸汽流速 水平放置单管或管束 加速液膜的排出 分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等 减少不凝结气体 抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速 凝结表面实现珠状凝结
u=
ρl g 1 (δy − y 2 ) ηl 2
y
4ηl λl (ts − tw )x δ = gρl2r
dΦ x = λ
1/ 4
导热公式+牛顿冷却公式
ts − tw dx = hx (t s − t w )dx δ ( x)
1/ 4
简化后的速度和 温度分布
hx =
λ δ (x)
CHF
沸腾换热：换热温差∆t 越大 ≠ 热流密度大 沸腾换热的两种加热方式： 控制壁温 控制热流（大于qmax 时，工况沿虚线直接跳至 稳定膜态沸腾， ∆t 猛增到1000℃，需要避免）
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7-4 沸腾传热的模式
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7-4 沸腾传热的特点 1. 沸腾换热属于有相变的对流换热。加热固体表面的热量通过导热和对流传 递给沸腾流体，同时流体存在液相到气相的相变。牛顿冷却公式仍然适用； 2. 沸腾换热的推动力也是温差，壁面过热（tw>ts）是必要条件； 3. 沸腾换热时气泡在汽化核心处产生，成长并逸出；之后流体补充，重新形 成气泡，周而复始；气泡的形成、成长和脱离对加热表面的流体产生剧烈 的扰动，因此换热的强度远大于无相变对流换热； 4. 汽化核心数目的增加有利于强化沸腾换热。
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7-1 凝结传热的模式 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。 凝结传热产生的必要条件：
tw < ts
tw < ts
tw < ts
g
膜状凝结
g
珠状凝结
凝结模式源于气液界面的接触角θ（图7-1）
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7-4 沸腾传热的模式 沸腾：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：液体内部固液界面形成气泡而使热量由固壁传给液体的过程。 沸腾换热产生的必要条件：
tw > ts
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7-1 凝结传热的模式 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。 2.55×105 5000～25000
l
1/ 4
g sin ϕrρ l2 λ3 l hV = 0.943 ηl l (t s − t w )
1/ 4
特征长度分别为 l 和 d；
1/ 4
水平圆管壁
grρl2λl3 hH = 0.729 ηl d(ts − tw )
2 3 l l
r 由ts 确定。 其它物性由平均温度确定：
⇒
⇒
克拉贝龙方程
2σ Ts = rρ v (t w − t s )
式中：σ — 表面张力，N/m；r — 汽化潜热，J/kg
ρv — 蒸汽密度，kg/m3；tw — 壁面温度，°C
ts — 对应压力下的饱和温度， °C 可见， (tw – ts ) ↑ , Rmin↓ ⇒ 同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加 ⇒ 汽化核心数增加 ⇒ 换热增强
第七章
相变对流传热
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7-1 凝结传热的模式 凝结传热 （气相变液相） 相变对流传热 沸腾传热 （液相变气相） 凝结传热： 夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结 沸腾传热： 烧开水 相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热 相变传热的特点： 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。 相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量
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7-5 大容器沸腾传热的实验关联式 大容器饱和核态沸腾： 主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数 1 通用液体的大容器饱和核态沸腾：罗森诺Rohsenow公式
St −1 = C wl ⋅ Re 0.33 ⋅ Prls
∂ 2u = 0 ρlg +ηl ∂y 2 2 ∂ t = 0 ∂y 2
y = 0 时， u = 0, t = t w du y = δ 时， = 0, t = t s dy δ
u=
简化后的速度和温度分布
ρl g 1 (δy − y 2 ) 2 ηl
y
抛物线 线性
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Y 管内强制对流沸腾 大容器沸腾
沸腾液体是否整体流动
N
Y 沸腾液体主体温度 是否达到饱和温度
饱和沸腾 过冷沸腾
N
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7-4 沸腾传热的模式
大容器饱和沸腾曲线
CHF
大容器饱和沸腾的四个区域 0℃< ∆t < 4℃ : 单相自然对流区，无汽泡。 4℃< ∆t < 25℃ : 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℃< ∆t < 200℃ : 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。
Rec>1600
Nu = hl / λ; Ga = gl 3 / ν 2
竖壁雷诺数
伽利略数
Re =
4hl (t s − t w ) rη l
竖壁临界雷诺数＝1600
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7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 理论分析解在一定 的假设条件下获得 膜状凝结实验关联式： 水平圆管壁 实验结果修正 实验关联式
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7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 膜状凝结换热的工程计算步骤： 1. 膜状凝结换热的形式（竖壁、侧壁、水平单圆管、多圆管、球壁）； 2. 判别流态（层流、湍流）； 3. 利用对应形式的实验关联式计算平均表面传热系数； 4. 利用牛顿冷却公式计算换热量，并计算凝结速率（单位时间内凝结的液膜质量）。
莱登佛罗斯特点
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7-4 沸腾传热的模式
大容器饱和沸腾曲线 工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能加入 过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却 下降，设备易烧毁。 qmax 临界热流密度CHF （烧毁点） 设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点）
7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 膜状凝结换热的影响因素： 1. 不凝结气体： 2. 蒸汽流速： 3. 过热蒸汽： 4. 液膜的过冷度及温度分布的非线性 5. 管子排数 6. 管内凝结 7. 凝结表面的几何形状
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tm =
1/ 4
ts + tw 2
球壁
grρ λ hS = 0.826 ηl d(ts − tw )
为何冷凝器一般多采用水平横管布置？
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7-2 膜状凝结凝结实验关联式： 竖壁（层流） 竖壁（湍流） Rec<1600 实验结果修正 实验关联式
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7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解： 液体膜层的热阻为主要因素。 基本假设： 1. 二维、稳态、常物性、层流； 2. 蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力； 3. 忽略惯性力，液膜的运动仅取决于重力和粘滞力； 4. 壁温tw＝const，汽液界面无温差 tδ＝ts 5. 液膜内部无对流而只有导热，温度分布为线性； 6. 忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热； 7. 蒸汽密度<<液体密度； 8. 液膜表面平整无波动。
汽化核心
壁面汽泡的产生、成长和脱离增强沸腾传热强度
汽化核心：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。 气泡产生的源泉。壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心。 受热面积 残存气体 汽泡半径R 必须满足下列条件才能存活：
⇒
R ≥ Rmin
t = t w + (t s − t w )
δ
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7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解 微元体热平衡
δ ts − tw dΦ x = λ dx = rdM = rd ( ∫ ρ l udy ) 0 δ ( x)
Φ = hA(t s − t w )
注意事项：
Φ qm = r
1. 由于Re中包含未知量 h，先假定流态进行计算，之后再校核流态； 2. 一定压力下的饱和水蒸气 r 和ts 由附录10确定，其它物性由平均温度tm查附录9确定。
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7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解 稳态边界层微分方程 简化后的常微分方程
∂u ∂v ∂x + ∂y = 0 ∂u ∂u dp ∂ 2u ρ l (u ∂x + v ∂y ) = − dx + ρ l g + η l 2 ∂y ∂t ∂t ∂ 2t = al 2 u + v ∂x ∂y ∂y
grρl2λl3 hH = 0.729 ηl d(ts − tw )
1/ 4
与分析解一致
水平圆管壁雷诺数
Re =
2hπd (t s − t w ) rηl
横管一般处于层流范围
上述实验关联式仅适用低流速情况：水蒸气<10m/s, 氟利昂<0.5m/s
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grρl2λl3 hx = η 4 l (ts − tw )x
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7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解 竖壁 倾斜竖壁
grρl2λl3 1 h = ∫ hxdx = 0.943 V l 0 ηll(ts − tw )
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Nu r St = = Re⋅ Pr C pl ⋅ ∆t
q Re = ηl r
q = Cwl η l r
σ
g ( ρl − ρ v )
g ( ρl − ρv )
Prl =
C plη l
λl
c pl ∆t r
σ
0.33
Prls
符号意义参见教材（7-17）式，Cwl查表7-1确定。水：s＝1，其它液体：s＝1.7