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1、第七章第七章 相变对流传热相变对流传热对流换热分类对流换热分类2重点掌握：重点掌握：凝结与沸腾过程的基本特点凝结与沸腾过程的基本特点强化凝结与沸腾传热过程的基本思想和主要技术强化凝结与沸腾传热过程的基本思想和主要技术计算关联式的选择计算关联式的选择3凝结换热凝结换热凝结换热实例凝结换热实例 寒冷冬天窗户上的雾寒冷冬天窗户上的雾 冰箱与空调器中的冷凝器等冰箱与空调器中的冷凝器等凝结换热过程凝结换热过程当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面接当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面接触时，蒸汽释放出汽化潜热并传递给固体壁面的触时，蒸汽释放出汽化潜热并传递给固体壁面的过程。过程。4凝结液体能很好地
2、浸润壁面，沿整个壁面凝结液体能很好地浸润壁面，沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，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，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。液膜厚度直接影响了热量传递。凝结液体不能很好地浸润壁面，在壁面上形凝结液体不能很好地浸润壁面，在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热效率远大于膜状凝结直接接触，因此，换热效率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）。（可能大几倍，甚至一个数量级）。gg凝结过程分类凝结过程分类膜状凝结膜状凝结
3、珠状凝结珠状凝结51916年，努塞尔，简化假定：年，努塞尔，简化假定：1）常物性；）常物性；2）蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力；）蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力；3）液膜流速缓慢，液膜流速缓慢，液膜的惯性力可忽略；液膜的惯性力可忽略；4）气液界面上无温差，即界面上液膜温度等于饱和温度；）气液界面上无温差，即界面上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；）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，即忽略液膜的显热，认为只有潜热；）液膜的过冷度忽略，即忽略液膜的显热，认为只有潜热；7）l lv v，忽略蒸汽密度；忽略蒸汽密度；8）液膜表面平
4、整无波动）液膜表面平整无波动纯净饱和纯净饱和蒸汽蒸汽层流膜状层流膜状凝结换热的分析凝结换热的分析g6边界层微分方程组：边界层微分方程组：（3）液膜的惯性力忽略）液膜的惯性力忽略（5 5）膜内温度线性分布）膜内温度线性分布（2 2）蒸气静止）蒸气静止（7 7）l lv v，忽略蒸汽密度忽略蒸汽密度7只有只有u u 和和 t t 两个未知量，两个未知量，方程组化简为：方程组化简为：边界条件：边界条件：8求解上面方程可得：求解上面方程可得：(1)(1)液膜厚度液膜厚度(2)(2)局部局部表面传热表面传热系数系数(3)(3)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g9对竖壁，对竖壁，实验表
5、明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此实验值比上述理论值高化，因此实验值比上述理论值高2020左右左右对于对于倾斜壁（与水平轴夹角倾斜壁（与水平轴夹角 ），则用，则用gsingsin 代替以代替以上各式中的上各式中的g g。10水平圆管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。流膜状凝结。球表面球表面横管与竖管的对流换热系数之比：横管与竖管的对流换热系数之比：当当L/d=50时，时，hHg=2hvg,所以冷凝器通常采用所以冷凝器通常采用横管横管的布的布置方式。置方式。11液膜液
6、膜内的流态内的流态无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，判断依据是凝结液体流动也分层流和湍流，判断依据是膜层膜层ReRe数数横管因直径较小一般都处于层流横管因直径较小一般都处于层流状态。状态。对水平管对水平管，用，用 代替式中的代替式中的 对竖壁对竖壁12竖壁湍流凝结换热，沿整个壁面的平均表面传热系数竖壁湍流凝结换热，沿整个壁面的平均表面传热系数式中：式中：hl 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数；ht 为湍流段的传热系数；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为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度湍流膜状凝
7、结换热湍流膜状凝结换热利用上面思想，整理的实验关联式：利用上面思想，整理的实验关联式：14影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素1.1.不凝结气体不凝结气体不不凝凝结结气气体体增增加加了了传传递递过过程程的的阻阻力力；同同时时使使饱饱和和温温度下降，减小了凝结的驱动力（度下降，减小了凝结的驱动力（t ts s-t-tw w）。）。2.2.蒸气流速蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞力；流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞力；如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，薄，h h增大；反之使增大；反之使h h减小。减小。3.过热蒸气过热蒸气4
8、.4.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5.5.管子排数管子排数：特征长度特征长度ndnd156.6.管内冷凝管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大。此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸蒸气气流流速速低低时时，凝凝结结液液主主要要在在管管子子底底部部，蒸蒸气气则则位位于管子上半部。于管子上半部。流流速速较较高高时时，形形成成环环状状流流动动，凝凝结结液液均均匀匀分分布布在在管管子四周，中心为蒸气核。子四周，中心为蒸气核。16实现方法：实现方法：可可用用各各种种带带有有尖尖峰峰的的表表面面使使在在其其上上冷冷凝凝的的液膜减薄液膜减薄，或或者者使使已已凝凝结结的的液液体体尽尽快快从
9、从换换热热表表面面上上排排泄掉泄掉。强化膜状凝结换热的原则：强化膜状凝结换热的原则：尽量减薄液膜的厚度尽量减薄液膜的厚度。膜状凝结的强化原则和技术膜状凝结的强化原则和技术排液圈17沸腾换热沸腾换热沸腾换热：沸腾换热：在液体内部固液界面上形成气泡，从而在液体内部固液界面上形成气泡，从而实现热量由固体传给液体的过程。实现热量由固体传给液体的过程。分类分类：按沸腾液体是否做整体运动分为按沸腾液体是否做整体运动分为大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)和强制对流沸腾和强制对流沸腾按液体主体是否达到饱和温度分为按液体主体是否达到饱和温度分为饱和沸腾饱和沸腾和过冷沸腾和过冷沸腾汽化汽化蒸发：液体表面，任
10、意温度蒸发：液体表面，任意温度沸腾：液体表面及内部，饱和温度沸腾：液体表面及内部，饱和温度ts18大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；表面的液体中所发生的沸腾；强制对流沸腾：强制对流沸腾强制对流沸腾：强制对流沸腾加热表面加热表面Heated Surface单相流单相流泡状流泡状流块状流块状流环状流环状流单相流单相流19过冷沸腾：过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾为过冷沸腾饱和沸腾：饱和沸腾：液体
11、主体温度达到饱和温度，而壁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，称之为饱面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾和沸腾20大容器饱和沸腾大容器饱和沸腾曲线曲线qmax一般工业应用都在一般工业应用都在核核态沸腾区态沸腾区；热流密度热流密度可控时的曲可控时的曲线线烧毁点烧毁点qmin盛水的烧杯中通电加盛水的烧杯中通电加热不锈钢管热不锈钢管壁温可控时的曲线壁温可控时的曲线Info.21(1)汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加实验表明，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，这些产生热面的某些点，而不是整个加
12、热面上，这些产生气泡的点被称为气泡的点被称为汽化核心汽化核心，较普遍的看法认为，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心核心，如图所示。，如图所示。汽泡动力学简介汽泡动力学简介22(2)汽泡的存在条件汽泡的存在条件汽泡半径汽泡半径R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活式中：式中：表面张力，表面张力，N/mN/m；r r 汽化潜热，汽化潜热，J/kgJ/kg v v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/mkg/m3 3；t tw w 壁面温度，壁面温度，C C t ts s 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度，C C可见
13、，可见，(tw ts),Rmin 同一加热面上，成为汽化同一加热面上，成为汽化核心的凹穴数量增加核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强231 不凝结气体不凝结气体与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的沸腾换热得到某种程度的强化强化2 2 过冷度过冷度只在自然对流换热段，只在自然对流换热段，因此，过冷会，因此，过冷会强化强化换热。换热。影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素293 液位高度液位高度当传热表面上的液位足够高时，当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位沸腾换热表面传热系数与液位
14、高度无关。但当液位降低到一高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显定值时，表面传热系数会明显地随液地随液 位的降低而升高位的降低而升高(临界临界液位液位)。图中介质为一个图中介质为一个 大气压下的水大气压下的水4 重力加速度重力加速度从从0.1 100 9.8 m/s2 的范围的范围内，内，g对核态沸腾换热规律没对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有有影响，但对自然对流换热有影响。影响。30目前有两种常用的手段：目前有两种常用的手段：(1)用用烧烧结结、钎钎焊焊、火火焰焰喷喷涂涂、电电离离沉沉积积等等物物理理与与化化学手段学手段在换热表面上形成多孔结构在换热表面上形成多孔结
15、构。(2)机械加工方法机械加工方法在换热表面上形成多孔结构在换热表面上形成多孔结构。强化沸腾传热的原则和技术强化沸腾传热的原则和技术沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，近几十年来的近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是强化沸腾换热的研究主要是增加表面增加表面凹坑凹坑。基本原则：基本原则：尽量增加加热面上的气化核心。尽量增加加热面上的气化核心。311.1.膜状凝结和珠状凝结的概念膜状凝结和珠状凝结的概念；2.2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法导方法；膜状凝结热量传递的主要阻力是液体膜
16、；膜状凝结热量传递的主要阻力是液体膜层的导热热阻。层的导热热阻。3.3.关联式中特征长度和定性温度的选取；关联式中特征长度和定性温度的选取；4.4.影响层流膜状凝结换热影响层流膜状凝结换热的的因素因素。5 5.了解了解气化核心气化核心、气泡产生的物理条件气泡产生的物理条件.6 6.大容器大容器饱和沸腾曲线可以分成几个区域饱和沸腾曲线可以分成几个区域?各个区域各个区域在换热原理上有何特点在换热原理上有何特点?7 7.画出水的画出水的大容器大容器饱和沸腾曲线饱和沸腾曲线（控制壁温和控制（控制壁温和控制热流）热流）.了解特性点的基本数值范围了解特性点的基本数值范围.本章小结本章小结328 8.什么是
17、临界热流密度什么是临界热流密度?什么是烧毁点什么是烧毁点?9 9.影响核态沸腾换热影响核态沸腾换热的的因素因素?思考题：思考题：1.1.竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加还是减竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加还是减小，为什么？小，为什么？2.2.试从沸腾过程分析为什么用电加热时当加热功率试从沸腾过程分析为什么用电加热时当加热功率qqq qmaxmax时易发生壁面被烧毁的现象，而采用蒸汽加热时易发生壁面被烧毁的现象，而采用蒸汽加热则不会？则不会？33对流传热小结对流传热小结原理部分：原理部分：1.对流换热是如何分类的对流换热是如何分类的?影响对流换热的主要因素影响对流换热的主要因素.2
18、.对流换热问题的数学描写中包括那些方程对流换热问题的数学描写中包括那些方程?3.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数从流体的温度场分布可以求出对流换热系数(表面表面 传热系数传热系数),其物理机理和数学方法是什么其物理机理和数学方法是什么?5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义.6.如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组?数量级分析法数量级分析法7.使用相似分析法推导准则关系式的基本方法使用相似分析法推导准则关系式的基本方法.8.Bi,Nu,Re,Pr,Gr准则数的物理意义及定义式准则数的物理意义及定义式.34实验关联式：实验关联式：流体外掠等温平板、横掠单管、横掠管束；流体外掠等温平板、横掠单管、横掠管束；圆管或其他截面管道内部流动；圆管或其他截面管道内部流动；大空间自然对流；大空间自然对流；流动特点；流动特点；局部表面换热系数的沿程变化；局部表面换热系数的沿程变化；关联式的选择；关联式的选择；定性温度、特征长度、特征速度的选取。定性温度、特征长度、特征速度的选取。对流传热小结对流传热小结35