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1、第六章第六章 相变对流传热相变对流传热 6.1 6.1 凝合传热的模式；凝合传热的模式；6.2 6.2 膜状凝合分析解及计算关联式；膜状凝合分析解及计算关联式；6.3 6.3 膜状凝合的影响因素及其传热强化；膜状凝合的影响因素及其传热强化；6.4 6.4 沸腾传热的模式；沸腾传热的模式；6.5 6.5 大容器沸腾传热的试验关联式；大容器沸腾传热的试验关联式；6.6 6.6 沸腾传热的影响因素及其强化；沸腾传热的影响因素及其强化；6.7 6.7 热管简介；热管简介；1 主要内容：主要内容：（1 1）相变（沸腾与凝合）换热的特点及影响因素；）相变（沸腾与凝合）换热的特点及影响因素；（2 2）相变换
2、热的探讨与计算方法；）相变换热的探讨与计算方法；（3 3）相变换热的强化技术。）相变换热的强化技术。相变换热属于对流换热，基本计算公式仍为牛顿冷相变换热属于对流换热，基本计算公式仍为牛顿冷却公式：却公式：=A=A h h tt凝合换热：凝合换热：沸腾换热：沸腾换热：t=ts-twt=tw-ts26.1 6.1 凝合传热的模式凝合传热的模式膜状凝合：凝合液体能膜状凝合：凝合液体能很好地润湿壁面，就会很好地润湿壁面，就会在壁面上铺展成膜。在壁面上铺展成膜。珠状凝合：凝合液体不珠状凝合：凝合液体不能很好地润湿壁面时，能很好地润湿壁面时，凝合液体在壁面上形成凝合液体在壁面上形成一个个的小液珠。一个个的
3、小液珠。1.1.珠状凝合与膜状凝合珠状凝合与膜状凝合3膜状凝合的热阻比珠状凝合大一个数量级以上。膜状凝合的热阻比珠状凝合大一个数量级以上。46.2 6.2 膜状凝合分析解及计算关联式膜状凝合分析解及计算关联式1.1.层流膜状凝合分析解层流膜状凝合分析解 努塞尔（努塞尔（19161916）首先建立了层流膜状凝合换热的简化热物）首先建立了层流膜状凝合换热的简化热物理模型和数学模型，他作了以下几点假设：理模型和数学模型，他作了以下几点假设：（1 1）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不行凝气体；）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不行凝气体；（2 2）汽、液物性均为常数；）汽、液物性均为常数；（3 3）蒸气静止
4、，对液膜表面无粘性力作用；）蒸气静止，对液膜表面无粘性力作用；（4 4）液膜极薄，流速很低，忽视其惯性力；）液膜极薄，流速很低，忽视其惯性力；（5 5）相变发生在汽）相变发生在汽-液界面上，界面处于饱和温度；液界面上，界面处于饱和温度；（6 6）液膜内仅有导热作用，忽视对流传热方式；）液膜内仅有导热作用，忽视对流传热方式；（7 7）液膜的过冷度可以忽视不计；）液膜的过冷度可以忽视不计；（8 8）膜表面没有波动。）膜表面没有波动。依据上述假设，可使竖直平壁表面稳态层流膜状凝合换热问依据上述假设，可使竖直平壁表面稳态层流膜状凝合换热问题的数学模型大为简化。题的数学模型大为简化。5 类似于外掠平板强
5、迫对流层流换热，对于竖直平壁表面稳态类似于外掠平板强迫对流层流换热，对于竖直平壁表面稳态层流膜状凝合换热，选取坐标系如图。层流膜状凝合换热，选取坐标系如图。微分方程组：微分方程组：6液膜在液膜在x x方向的压力梯度：方向的压力梯度：微分方程组可简化为：微分方程组可简化为：边界条件：边界条件：7将动量方程与能量方程做两次积分：将动量方程与能量方程做两次积分：下一步的关键须要求解液膜厚度随下一步的关键须要求解液膜厚度随x x的变更规律的变更规律8 对对dxdx的微元段做质量平衡，通过的微元段做质量平衡，通过L L截面处宽为截面处宽为1m1m的壁面凝合液体的质的壁面凝合液体的质量流量为量流量为:在在
6、dxdx微元段上质量流量的增量为：微元段上质量流量的增量为：9从通过厚为从通过厚为的液膜的导热与的液膜的导热与dqmdqm的凝合液体释放出来的潜热相等。的凝合液体释放出来的潜热相等。凝合液体释放的凝合液体释放的汽化潜热汽化潜热通过液膜的通过液膜的导热导热10积分积分局部表面传热系数：局部表面传热系数：常数常数整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数液膜层流时竖液膜层流时竖壁膜状凝合的壁膜状凝合的努塞尔理论解努塞尔理论解112.2.竖直管与水平管的比较及试验验证竖直管与水平管的比较及试验验证（1 1）水平圆管及球表面的凝合传热表面传热系数）水平圆管及球表面的凝合传热表面传热系数水平管
7、水平管球球d-d-水平管或者球的直径。水平管或者球的直径。定性温度定性温度：除汽化潜热：除汽化潜热r r按饱和温度按饱和温度t ts s取值以外，其它参数都取值以外，其它参数都按液膜的算术平均温度按液膜的算术平均温度 取值。取值。12（2 2）水平管外凝合与竖直管外凝合的比较）水平管外凝合与竖直管外凝合的比较横管横管竖管竖管 当当l/d=50l/d=50，横管的平均表面传热系数是竖管的，横管的平均表面传热系数是竖管的2 2倍，故冷倍，故冷凝器通常都接受横管的布置方案。凝器通常都接受横管的布置方案。横管和竖管的平均表面传热系数计算式区分：横管和竖管的平均表面传热系数计算式区分：a a 横管特横管
8、特征长度为征长度为d d，竖管特征长度为，竖管特征长度为l l；系数不同。；系数不同。13（3 3）分析解的试验验证和假设条件的影响）分析解的试验验证和假设条件的影响因素：因素：液膜波动液膜波动143.3.湍流膜状凝合湍流膜状凝合为推断凝合液膜的流态，引进膜层雷诺数为推断凝合液膜的流态，引进膜层雷诺数Re。膜层雷诺数：依据液膜的特点取当量直径为特征长度的膜层雷诺数：依据液膜的特点取当量直径为特征长度的ReRe数。数。-壁底部壁底部x=lx=l处液膜层的平均流速。处液膜层的平均流速。-该截面处液膜层的当量直径。该截面处液膜层的当量直径。15-x=l-x=l处宽为处宽为1m1m的截面上凝合液的质量
9、流量。的截面上凝合液的质量流量。整个竖壁整个竖壁的传热量的传热量 当当Re1600Re1600Re1600时，凝合液膜时，凝合液膜变为湍流，用下式计算整个壁面的平均表面传热系数。变为湍流，用下式计算整个壁面的平均表面传热系数。16例例6-1：压力为：压力为1.013105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝合，壁的尺的水蒸气在方形竖壁上凝合，壁的尺寸为寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98.试计算每小时的传热量及凝合试计算每小时的传热量及凝合蒸气量。蒸气量。解：依据压力，查表知解：依据压力，查表知ts=100，r=2257 kJ/kg。物性参数按。物性参数按液膜平均温度液膜平均温度tm=（100
10、+98 ）/2=99,查附录得：查附录得：接受层流液膜平均表面传热系数（接受层流液膜平均表面传热系数（7-7）来计算：）来计算：17依据式（依据式（7-10）验证）验证Re准则：准则：说明原假设液膜为说明原假设液膜为层流成立层流成立。1600传热量为：传热量为：凝合蒸气量为：凝合蒸气量为：186.3 6.3 膜状凝合的影响因素及其传热强化膜状凝合的影响因素及其传热强化1.1.膜状凝合的影响因素膜状凝合的影响因素（1 1）蒸气中含有不凝合气体；）蒸气中含有不凝合气体；（2 2）管子排数；）管子排数；（3 3）管内冷凝）管内冷凝（4 4）蒸气流速；）蒸气流速；（5 5）蒸气过热度；）蒸气过热度；（
11、6 6）液膜过冷度及温度分布的非线性。）液膜过冷度及温度分布的非线性。19（1 1）不凝合气体）不凝合气体 假如水蒸气中质量含量占假如水蒸气中质量含量占1%1%的空气可使表面传热系数降低的空气可使表面传热系数降低60%60%。不凝合气体层增加蒸气传递过程的阻力，降低蒸气分压力，不凝合气体层增加蒸气传递过程的阻力，降低蒸气分压力，减弱凝合的动力，使得凝合过程减弱。减弱凝合的动力，使得凝合过程减弱。（2 2）管子排数管子排数 排管上的凝合液在下落时产生飞溅及对液膜产生冲击扰动，排管上的凝合液在下落时产生飞溅及对液膜产生冲击扰动，对传热过程造成影响。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布对传热过程造成影
12、响。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布置、流体物性等，状况较为困难。置、流体物性等，状况较为困难。20（3 3）管内冷凝管内冷凝 当蒸气流速低时，凝合液主要积聚在管子的底部，蒸气位当蒸气流速低时，凝合液主要积聚在管子的底部，蒸气位于管子上半部。于管子上半部。当蒸气流速高时，形成环状流淌，凝合液匀整地展布于管当蒸气流速高时，形成环状流淌，凝合液匀整地展布于管子四周，蒸气位于中间。子四周，蒸气位于中间。21（4 4）蒸气流速蒸气流速 蒸气流速蒸气流速较高较高时，蒸气流速对液膜表面会产生明显的时，蒸气流速对液膜表面会产生明显的粘滞粘滞应力应力。其影响又随蒸气流向与重力场同向或异向、流速大小以。其影响
13、又随蒸气流向与重力场同向或异向、流速大小以及是否撕破液膜等有关。及是否撕破液膜等有关。当蒸气流淌方向与液膜向下的流淌同向时，液膜被拉薄，当蒸气流淌方向与液膜向下的流淌同向时，液膜被拉薄，表面传热系数增大；反方向时会阻滞液膜的流淌使其增厚，则表面传热系数增大；反方向时会阻滞液膜的流淌使其增厚，则表面传热系数减小。表面传热系数减小。（5 5）蒸气过热度蒸气过热度 把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差，也可用把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差，也可用前述饱和蒸气的试验关联式来计算过热蒸气的凝合传热系数。前述饱和蒸气的试验关联式来计算过热蒸气的凝合传热系数。22（6 6）液膜过冷度及温度
14、分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 努塞尔的理论分析忽视了液膜的过冷度，并假定液膜中的努塞尔的理论分析忽视了液膜的过冷度，并假定液膜中的温度呈线性分布。在实际工程中，要在原来的基础上加上一个温度呈线性分布。在实际工程中，要在原来的基础上加上一个修正系数。修正系数。雅各布（雅各布（Jakob）数，是衡量液膜过冷度相对大小的无量纲数。）数，是衡量液膜过冷度相对大小的无量纲数。232.2.膜状凝合的强化原则和技术膜状凝合的强化原则和技术（1 1）尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝合的基本原则。）尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝合的基本原则。a.a.减薄蒸气凝合时干脆粘滞在固体表面上的液膜。减薄蒸气凝合时
15、干脆粘滞在固体表面上的液膜。b.b.刚好地将传热表面上产生的凝合液体排走，不使其刚好地将传热表面上产生的凝合液体排走，不使其积存在传热表面上而进一步使液膜加厚。积存在传热表面上而进一步使液膜加厚。24（2 2）强化技术简介）强化技术简介 减薄液膜厚度技术减薄液膜厚度技术整体式低肋片整体式低肋片锯齿管锯齿管25 刚好排液的技术刚好排液的技术266.4 6.4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式沸腾：液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的汽化沸腾：液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的汽化现象，伴随大量汽泡产生。现象，伴随大量汽泡产生。均相沸腾：因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加均相沸腾
16、：因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加热面。热面。非均相沸腾：因表面加热产生的沸腾现象。非均相沸腾：因表面加热产生的沸腾现象。大容器沸腾（池沸腾）：由温差和气泡的扰动引起。大容器沸腾（池沸腾）：由温差和气泡的扰动引起。强迫流淌沸腾（管内沸腾）强迫流淌沸腾（管内沸腾）:在外加的压差下才能维持。在外加的压差下才能维持。主要探讨大容器饱和沸腾主要探讨大容器饱和沸腾27大容器饱和沸腾的特大容器饱和沸腾的特点：加热表面上有汽点：加热表面上有汽泡生成，随着汽泡长泡生成，随着汽泡长大和脱离壁面，容器大和脱离壁面，容器内的液体受到猛烈扰内的液体受到猛烈扰动，换热强度很高。动，换热强度很高。1.1.大容器
17、饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线q qw w-t=t-t=tw w-t-ts s 过热度过热度（1 1）自然对流自然对流（2 2）核态沸腾核态沸腾A-CA-C（传热强）（传热强）（3 3）过渡沸腾过渡沸腾C-DC-D（4 4）膜态沸腾膜态沸腾D DE E偏离核沸腾点，平安警界点偏离核沸腾点，平安警界点282.2.气泡动力学分析简介气泡动力学分析简介汽化汽化核心核心：汽泡产生点汽泡产生点。易于成为汽化核心的位置：易于成为汽化核心的位置：壁面上的凹坑壁面上的凹坑、细缝细缝、裂穴裂穴等。等。29加热表面上要产生气泡液加热表面上要产生气泡液体必需过热体必需过热汽泡的力平衡：汽泡的力平衡：汽泡的生成条件：
18、汽泡的生成条件：当当tl tstl ts时，液体是过热的。过热度越大，能够生存的汽时，液体是过热的。过热度越大，能够生存的汽泡半径越小。加热壁面处的过热度最大，所以该处的汽泡最简泡半径越小。加热壁面处的过热度最大，所以该处的汽泡最简洁生存。洁生存。306.5 6.5 大容器沸腾传热的试验关联式大容器沸腾传热的试验关联式1.1.大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式罗森诺公式罗森诺公式：31ll为饱和液体的动力粘度（为饱和液体的动力粘度（PaPa s s）；）；r r 为沸腾液体的汽化潜热（为沸腾液体的汽化潜热（kJ/kgkJ/kg）；）；为液体与饱和蒸气界面上的表面张
19、力（为液体与饱和蒸气界面上的表面张力（N/mN/m）；）；ll、vv分别为饱和液与饱和蒸气的密度（分别为饱和液与饱和蒸气的密度（kg/m3kg/m3）；）；cpl cpl 为饱和液体的比定压热容（为饱和液体的比定压热容（J/kgJ/kg K K）；）；t t 为壁面的过热度，即沸腾温差（为壁面的过热度，即沸腾温差（）；）；s s 为阅历指数，对水为阅历指数，对水s=1s=1，对其它液体，对其它液体，s=1.7s=1.7；Cwl Cwl 为依据加热面与液体种类选取的阅历常数。为依据加热面与液体种类选取的阅历常数。3233342.2.大容器饱和沸腾临界热流密度计算式大容器饱和沸腾临界热流密度计算式
20、 适用条件：大空间核态饱和沸腾，加热表面的特征尺寸适用条件：大空间核态饱和沸腾，加热表面的特征尺寸远大于汽泡平均直径。远大于汽泡平均直径。临界热流密度的数值与压力亲密相关，在比压力（液体临界热流密度的数值与压力亲密相关，在比压力（液体的压力与其临界压力之比）大约等于的压力与其临界压力之比）大约等于0.30.3处，临界热流密度具处，临界热流密度具有极大值。有极大值。353.3.大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式 膜态沸腾中气膜的流淌和换热类似于膜状凝合中液膜的流膜态沸腾中气膜的流淌和换热类似于膜状凝合中液膜的流淌与换热，可用类似的分析方法分析，得到的解的函数形式也淌
21、与换热，可用类似的分析方法分析，得到的解的函数形式也很相像：很相像：定性温度：定性温度：ll和和r r接受饱和温度接受饱和温度tsts，其余物性参数用，其余物性参数用tm=(tw+ts)/2tm=(tw+ts)/2。对于球面，系数。对于球面，系数0.620.62改为改为0.670.67。366.6 6.6 沸腾传热的影响因素及其强化沸腾传热的影响因素及其强化（1 1）液体的物性液体的物性(从罗森诺公式可以看出）从罗森诺公式可以看出）（2 2）加热表面状况：确定汽化核心数目的多少。）加热表面状况：确定汽化核心数目的多少。(a)(a)壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的厚度等。如壁面材料的种类、热
22、物理性质以及壁面的厚度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸热系数对沸腾换热壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸热系数对沸腾换热都有影响；都有影响；(b)(b)加热壁面的粗糙度；加热壁面的粗糙度；(c)(c)加热壁面的氧化、老化和污垢沉积状况等。加热壁面的氧化、老化和污垢沉积状况等。1.1.影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素37（3 3）液体的压力液体的压力 液体核态沸腾的表面传热系数随系统压力的增加而增加。液体核态沸腾的表面传热系数随系统压力的增加而增加。（4 4）不凝气体的含量不凝气体的含量、加热表面的大小加热表面的大小与与方向方向以及以及液体自由液体自由表面的高度表面的高度（即
23、液位）、（即液位）、重力加速度重力加速度等因素的影响。等因素的影响。（5 5）管内沸腾管内沸腾竖管管竖管管内沸腾内沸腾示意图示意图382.2.强化沸腾传热的原则和技术强化沸腾传热的原则和技术强化沸腾换热的措施强化沸腾换热的措施（1 1）提高壁面过热度）提高壁面过热度t;t;（2 2）接受强迫对流沸腾）接受强迫对流沸腾;（3 3）变更加热壁面状况等）变更加热壁面状况等;39406.7 6.7 热管简介热管简介41热管的工作特点：热管的工作特点：（1 1）传热实力强：一根钢水）传热实力强：一根钢水热管的传热实力大致相当于同样尺热管的传热实力大致相当于同样尺寸紫铜棒导热实力的寸紫铜棒导热实力的150
24、01500倍；倍；（2 2）传热温差小；）传热温差小；（3 3）结构简洁、工作牢靠、传输）结构简洁、工作牢靠、传输距离长；距离长；（4 4）热流密度可调（通过变更加）热流密度可调（通过变更加热段和放热段的长度或加装肋片）；热段和放热段的长度或加装肋片）；（5 5）接受不同的工质可适用不同）接受不同的工质可适用不同的温度范围；的温度范围；重力热管示意图重力热管示意图42 热管应用中存在的主要问题：热管应用中存在的主要问题：密封性密封性、热管管材与工质间热管管材与工质间的相容性的相容性。43热管的热管的工程应用：工程应用：（1 1）温度限制（如：航天器）；）温度限制（如：航天器）；（2 2）热量传
25、递；）热量传递；空气预热器空气预热器大功率晶体管冷却大功率晶体管冷却44第六章第六章 小结小结重点驾驭以下内容：重点驾驭以下内容：（1 1）表面凝合的两种基本形态：膜状凝合和珠状凝合的特）表面凝合的两种基本形态：膜状凝合和珠状凝合的特点和形成条件；点和形成条件；（2 2）努塞尔关于竖壁膜状凝合换热的理论分析方法；）努塞尔关于竖壁膜状凝合换热的理论分析方法；（3 3）影响膜状凝合换热的主要因素；）影响膜状凝合换热的主要因素；（4 4）强化凝合换热的主要方法；）强化凝合换热的主要方法；（5 5）大空间饱和沸腾）大空间饱和沸腾4 4个阶段的基本特征、饱和沸腾曲线、个阶段的基本特征、饱和沸腾曲线、临界热流密度；临界热流密度；（6 6）影响大空间饱和核态沸腾换热的主要因素；）影响大空间饱和核态沸腾换热的主要因素；（7 7）强化核态沸腾换热的方法；）强化核态沸腾换热的方法；（8 8）热管的工作原理。）热管的工作原理。45