相变换热

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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
第六章 凝结与沸腾换热
23
5 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:
第六章 凝结与沸腾换热
26
为此,书中分别推荐了两个计算式 (1)对于水的大容器饱和核态沸腾,教材推荐适用米海
耶夫公式,压力范围:105~4106 Pa
h C1t 2.33 p0.5 C1 0.122 W (m N 0.5 K 3.33)
按 q ht
h C2q0.7 p0.15
Re
1/ 4
58
Prs1 / 2

Prw Prs

(Re3 / 4 253 ) 9200
式中:Nu hl / ; Ga gl 3 / 2 。除 Prw用壁温 tw
计算外,其余物理量的定性温度均为 ts。
第六章 凝结与沸腾换热
15
§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。
2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析
1916年,Nusselt提出的简单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。



第六章 凝结与沸腾换热
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(2) 汽泡的存在条件
汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)
R

Rmin

2 Ts rv (tw
ts
)
式中: — 表面张力,N/m;r — 汽化潜热,J/kg v — 蒸汽密度,kg/m3;tw — 壁面温度,C ts — 对应压力下的饱和温度, C
t t 2t
u
x

v
y

al
y 2
考虑(5) 膜内温度线性分布,即热量转移只有导热
u t v t 0 x y
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 y 2

0
al
2t y 2
0
第六章 凝结与沸腾换热
对应于p.141页(5-14),(5-15),(5-16)
第六章 凝结与沸腾换热
7
考虑(3)液膜的惯性力忽略
l
(u
u x

v
u y
)

0

考虑(7)忽 略蒸汽密度

dp dx

0
u

x

v y
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0
l

(u
u x

v
u y
)


dp dx

l g
l
2u y 2
第六章 凝结与沸腾换热
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§6-5 沸腾换热计算式
沸腾换热也是对流换热的一种,因此,牛顿冷却公式仍 然适用,即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式
1 大容器饱和核态沸腾
影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数,而 汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配, 所以沸腾换热的情况液比较复杂,导致了个计算公式分歧 较大。目前存在两种计算是,一种是针对某一种液体,另 一种是广泛适用于各种液体的。
• 做饭 • 许多其它的工业过程
2 定义:
a 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
b 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
3 分类:沸腾的分类很多,书中仅介绍了常见的大容器
沸腾(池内沸腾)和强制对流沸腾,每种又分为 过冷沸腾和饱和沸腾。
第六章 凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热
3
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 • 其他标准的热物理性质,如动力粘度、导热系
数、比热容等
第六章 凝结与沸腾换热
4
1 凝结过程
tw ts
g
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。
对竖壁的湍流凝结换热,其沿整个壁面的平均表面传热
系数计算式为:
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
第六章 凝结与沸腾换热
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利用上面思想,整理的实验关联式:
Nu Ga1/ 3
C2 0.533W 0.3 (m0.3 N 0.15 K)
第六章 凝结与沸腾换热
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(2)罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式
既然沸腾换热也属于对流换热,那么,st = f ( Re, Pr )也 应该适用。罗森诺正是在这种思路下,通过大量实验得 出了如下实验关联式:
Thermal boundary layers
u(y)
Velocity boundary layers
u

x

v y

0
l (u

u x

v
u y
)


dp dx

l g
l
2u y 2
u
t x

v
t y

al
2t y 2
下脚标 l 表示液相
第六章 凝结与沸腾换热
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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。
第六章 凝结与沸腾换热
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§6-4 沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
第六章 凝结与沸腾换热
2
§6-1 凝结换热
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
凝结换热的关键点
• 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
8
边界条件:
y 0 时, u 0, t tw
y 时, du 0,
dy
t ts
求解上面方程可得:
(1) 液膜厚度



4l
l (
g
ts
l2 r
tw
)x 1/ 4
定性温度:
tm

ts
tw 2
注意:r 按 ts 确定
第六章 凝结与沸腾换热
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研究,如当 Pr 1并且,
Ja
r
1 时,惯性力项和液膜过冷度
c p (ts tw )
的影响均可忽略。
(4) 水平圆管
努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流
膜状凝结
hH

0.729

l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4
)

hS
0.826

l
gr d(
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 0.68cp ( 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。
第六章 凝结与沸腾换热
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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。
l2l3
ts tw
1/ 4

)

式中:下标“ H ”表示水平管,“ S ”表示球; d 为水
平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同
第六章 凝结与沸腾换热
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横管与竖管的对流换热系数之比:
hHg hVg

0.77
l d
1
4
3 边界层内的流态
凝结液体流动也分层流和湍流,并 且其判断依据仍然时Re,
态,而壁面上开始产生气泡,称之为过冷沸腾
d 饱和沸腾:液体主体温度达到饱和温度,而壁面温度高于
饱和温度所发生的沸腾,称之为饱和沸腾
4 汽泡动力学简介 (1) 汽泡的成长过程
我们这本书仅介绍大容器的饱和沸腾
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。
所以 h( ts tw )l rqml
Re 4hl( ts tw )
r
对水平管,用 r代替上式中的 l 即可。
并且横管一般都处于层流状态
第六章 凝结与沸腾换热
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4 湍流膜状凝结换热
液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横管因 直径较小,实践上均在层流范围。
对湍流液膜,除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递 热量外,层流底层之外以湍流传递为主,换热大为增强
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a 大容器沸腾(池内沸腾):加热壁面沉浸在具有自由表面的
液体中所发生的沸腾;
加热表面
b 强制对流沸腾:强制对流+沸腾
Liquid Bubble Slug flow flow flow
Annular flow
Mist flow
Heated Surface
第六章 凝结与沸腾换热
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c 过冷沸腾:指液体主流尚未达到饱和温度,即处于过冷状
qmax
qmin
第六章 凝结与沸腾换热
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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。
第六章 凝结与沸腾换热
Boiling and Condensation
第六章 凝结与沸腾换热
1
第五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 上也只能助于经验公式和实验关联式。
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。
第六章 凝结与沸腾换热
无波动层流
Re 20
有波动层流
Rec 1600
湍流
12
如图 de 4 Ac / P 4b / b 4
Re 4ul 4qml


由热平衡
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
第六章 凝结与沸腾换热
6
tw ts g
m(x)
微元控制体
边界层微分方程组:
x
t(y)
(2) 局部对流换热系数
( t ts tw C )
hx


gr l2l3 4l ( ts tw
1/ 4

)x

整个竖壁的平均表面传热系数
hV
1 l
l 0
hx dx

0.943
lgl(rts l2tl3w
1/ 4

)

定性温度:
tm
ts tw 2
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 (可能大几倍,甚至一个数量级)
第六章 凝结与沸腾换热
tw ts
g
5
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,大多数工程中遇到的凝结换热大多属 于膜状凝结,因此,教材中只简单介绍了膜状凝结
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。
第六章 凝结与沸腾换热
16
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
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 lgl(rts l2tl3w
1/ 4

)

第六章 凝结与沸腾换热
10
对于倾斜壁,则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可
另外,除了对波动的修正外,其他假设也有人做了相关的
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