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1、第第7 7章章 相变对流换热相变对流换热Phase Transformation Convection Heat Transferp 换热换热特点特点n以小温差获得大的传热速率；以小温差获得大的传热速率；n存在潜热和浮力驱动双重作用。存在潜热和浮力驱动双重作用。第第7 7章章 相变对流换热相变对流换热p 换热影响因素换热影响因素7.1 7.1（表面）凝结（表面）凝结 蒸气与低于其饱和温度的冷（固体）表面接触时，蒸气与低于其饱和温度的冷（固体）表面接触时，将汽化潜热释放给表面并形成凝结液的过程。将汽化潜热释放给表面并形成凝结液的过程。gg7.1 7.1（表面）凝结（表面）凝结p根据表面浸润状况根
2、据表面浸润状况膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结*ggp根据膜层发展根据膜层发展外部凝结外部凝结内部凝结内部凝结*蒸气蒸气凝结液凝结液蒸气速度较低蒸气速度较低蒸气凝结液凝结液蒸气速度较高蒸气速度较高7.2 7.2 膜状凝结换热分析膜状凝结换热分析速度边界层由温度边界速度边界层由温度边界层引起，层引起，=t。gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layers未采用未采用NusseltNusselt假定示意图假定示意图p换热公式换热公式 p边界层特点边界层特点 p控制方程控制方程l液相液相v气气相相 忽略蒸气流动，边界层外忽略蒸气流动，边
3、界层外7.2.1 7.2.1 竖壁膜状凝结换热准数关联式形式竖壁膜状凝结换热准数关联式形式p无量纲化无量纲化 动量方程动量方程引申思考：膜状凝结与何种现象动量方程相似？可以引申引申思考：膜状凝结与何种现象动量方程相似？可以引申出什么结论？出什么结论？n无量纲化控制方程组无量纲化控制方程组p膜状凝结换热特征关联式函数形式膜状凝结换热特征关联式函数形式n参考速度参考速度n准则形式准则形式p准则意义准则意义Ga数数【1 1】重力与粘性力的相对大小的一种量度；重力与粘性力的相对大小的一种量度；【2 2】膜状凝结流动状态的判据；膜状凝结流动状态的判据；Ja数数【1 1】表征液膜显热降与汽化潜热相对大小。
4、表征液膜显热降与汽化潜热相对大小。存在争议本书沿用膜层Re数作为判据常物性参数；常物性参数；静止纯饱和蒸汽；静止纯饱和蒸汽；忽略液膜的惯性力；忽略液膜的惯性力；界面液膜温度等于饱和温度界面液膜温度等于饱和温度T Tsatsat；液膜内热量转移只有导热；液膜内热量转移只有导热；忽略液膜的过冷度；忽略液膜的过冷度；忽略蒸汽密度；忽略蒸汽密度；层流，液膜表面平整无波动层流，液膜表面平整无波动pNusselt假定假定7.2.2 7.2.2 基于基于Nusselt假定竖假定竖壁壁层流层流膜状凝结数学表述膜状凝结数学表述（等壁温）（等壁温）n假设假设 忽略惯性力忽略惯性力 ；n假设假设 只考虑导热；只考虑
5、导热；n假设假设，蒸气静止，蒸气静止n假设假设 忽略蒸气密度；忽略蒸气密度；n控制方程控制方程n边界条件边界条件假设假设交界面切交界面切应力忽略不计应力忽略不计假设假设液膜界液膜界面温度面温度=tsatp结果与分析结果与分析n流速流速u（y）n温度温度t（y）未知nx处单位宽度质量流量处单位宽度质量流量qm,xn液膜厚度液膜厚度 假设假设,忽略忽略蒸气过热度和蒸气过热度和液膜过冷度液膜过冷度假设假设只考虑只考虑导热，且温度导热，且温度呈线性分布呈线性分布n局部表面传热系数局部表面传热系数 n竖壁平均表面传热系数竖壁平均表面传热系数 竖壁n总凝结速率总凝结速率方法一方法一方法二方法二7.2.3
6、7.2.3 膜状凝结分析扩展膜状凝结分析扩展n倾斜壁倾斜壁表面层流膜状凝结表面层流膜状凝结动量方程动量方程n 水平圆管表面层流膜状凝结水平圆管表面层流膜状凝结n 竖直圆管表面层流膜状凝结竖直圆管表面层流膜状凝结引申思考引申思考【1 1】:采用与竖壁相同的公式，需满足何种条件采用与竖壁相同的公式，需满足何种条件？单横管膜态凝结单横管膜态凝结引申思考引申思考【2 2】：试定性分析工程应用中冷凝管常采用横：试定性分析工程应用中冷凝管常采用横管布置的原因。管布置的原因。故冷凝管通常采用横管布置。故冷凝管通常采用横管布置。水平管与竖直管外层流膜状凝结的比较水平管与竖直管外层流膜状凝结的比较n球球表面层流
7、膜状凝结表面层流膜状凝结*单横管膜态凝结单横管膜态凝结n竖壁表面凝结传热理论公式的修正竖壁表面凝结传热理论公式的修正考虑液膜表面波动考虑液膜表面波动无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流定性温度 膜温膜温tfilm=(tw+ts)/2，(按按tsat确定，确定，r 除外除外)7.2.4 7.2.4 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热n膜层膜层ReRe数数能量守恒能量守恒待定准则n流态判据流态判据引申思考：横管膜状凝结膜层引申思考：横管膜状凝结膜层ReRe数如何计算，其一般处于数如何计算，其一般处于什么流动状态？什么流动状态？ReRe,x流动状态n换热计算换热计算n实验关联式实验关联式定
8、性温度：定性温度：Prw 采用采用tw，其余采用，其余采用tsat时凝结液的物性参数时凝结液的物性参数【例例1】压力为压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。及凝结蒸汽量。分析：分析：由于由于ReRe 为待定准则，故可为待定准则，故可先假设液膜为层流先假设液膜为层流。（2 2）凝结蒸汽量）凝结蒸汽量（1 1）换热量）换热量【例例1】压力为压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30c
9、m30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。及凝结蒸汽量。解：解：【1 1】确定定性温度与物性参数确定定性温度与物性参数 根据根据 ts=100，查得，查得r=2257kJ/kg；其余物性参数按膜温其余物性参数按膜温tfilm=(100+98)/2=99 查取，得：查取，得：=958.4kg/m3,=2.825 10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K)【例例1】压力为压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热
10、换量及凝结蒸汽量。及凝结蒸汽量。【2 2】确定表面传热系数确定表面传热系数竖壁层流膜状凝结竖壁层流膜状凝结【3】核算核算Re 准则准则液膜为层流假定成立。液膜为层流假定成立。【例例1】压力为压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。及凝结蒸汽量。【例例1】压力为压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热换量及凝结
11、蒸汽量。及凝结蒸汽量。【4】换热量换热量【5】凝汽量凝汽量【例例2】一根长一根长1m，外径，外径80mm的垂直管，其外表面暴露在常的垂直管，其外表面暴露在常压的饱和蒸汽中，管内有冷水通过，表面维持在压的饱和蒸汽中，管内有冷水通过，表面维持在50。试求：。试求：【1】对冷却液的传热速率；对冷却液的传热速率；【2】蒸汽在表面上的凝结速率。蒸汽在表面上的凝结速率。分析关键：分析关键：【1 1】竖管凝结换热如何处理？竖管凝结换热如何处理？【2 2】采用同例采用同例【1 1】相同的换热公式暗含了什么假设？相同的换热公式暗含了什么假设？7.3 7.3 膜状凝结传热强化膜状凝结传热强化n 换热影响因素剖析换
12、热影响因素剖析凝结换热驱动力凝结换热驱动力【1 1】液膜导热液膜导热热阻是膜状凝热阻是膜状凝结的主要热阻结的主要热阻n强化膜状凝结基本原则强化膜状凝结基本原则尽量减薄液膜厚度尽量减薄液膜厚度n强化措施强化措施a)a)减薄或破坏凝结液膜；减薄或破坏凝结液膜；b)b)加速液膜排泄；加速液膜排泄；c)c)尽可能减少不凝结气体质量分数。尽可能减少不凝结气体质量分数。d)d)尽可能实现珠状凝结。尽可能实现珠状凝结。图例参见P313-314p 定义定义 twtsat,工质内部固液界面上形成大量汽泡的汽化过程。工质内部固液界面上形成大量汽泡的汽化过程。7.4 7.4 沸腾换热沸腾换热p 分类分类n 按流动动
13、力 大容器沸腾大容器沸腾（池沸腾）受迫对流沸腾*n 按流体主体温度 过冷沸腾 饱和沸腾 p换热驱动力换热驱动力 过热度过热度p换热公式换热公式 7.4.1 大容器沸腾大容器沸腾p饱和池沸腾饱和池沸腾蒸气蒸气固体固体液体液体ytytsattwo饱和池沸腾温度分布饱和池沸腾温度分布工业应用设计范围p沸腾曲线（控制壁温）沸腾曲线（控制壁温）141030100 1201000q/(wm-2)103104105106自然对流自然对流 核态沸腾核态沸腾过渡沸腾过渡沸腾膜态沸腾膜态沸腾AEFDBCDNBLeidenfrost点ONBp沸腾曲线沸腾曲线(控制热流控制热流)141030100 1201000q/
14、(wm-2)103104105106自然对流自然对流 核态沸腾核态沸腾过渡沸腾过渡沸腾膜态沸腾膜态沸腾AEDBCF临界热流密度加热曲线冷却曲线烧损点引申思考：试从热流可控和壁温可控角度阐释引申思考：试从热流可控和壁温可控角度阐释qmaxmax的工程意义。的工程意义。7.4.2 大容器核态沸腾换热关系式大容器核态沸腾换热关系式n决定因素决定因素Rpl psatpvR2(pv-pl)2R汽泡受力汽泡受力psat,tsatpl,tlpv,tv汽泡热力平衡汽泡热力平衡汽泡生成、长大与脱离汽泡生成、长大与脱离【1】汽泡得以存在与长大，汽泡外液体必须过热。汽泡得以存在与长大，汽泡外液体必须过热。【2】壁面
15、凹穴是形成汽化核心最佳位置。壁面凹穴是形成汽化核心最佳位置。n汽泡存在条件汽泡存在条件nRohsenow Rohsenow 换热公式换热公式n无量纲关联形式无量纲关联形式系数，与表面流体组合有关。定性温度：定性温度：tsat。7.4.3 7.4.3 沸腾换热强化沸腾换热强化n强化沸腾换热基本原则强化沸腾换热基本原则强化表面，尽量增加汽化核心强化表面，尽量增加汽化核心n强化措施强化措施【1 1】通过物化方法在表面形成多孔涂层；通过物化方法在表面形成多孔涂层；【2 2】采用机械加工方法造成多孔结构。采用机械加工方法造成多孔结构。图例参见330-331作业作业P339复习题复习题 5,6,8,10；习题：习题：7-4*，7-11，7-18，7-37