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1、1第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流第六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，也称之为相变换热相变换热，目前涉及的是，目前涉及的是凝结凝结换热和换热和沸腾沸腾换热两种。换热两种。相变换热的相变换热的特点特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂：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。只能助于经验公式和实验关联式。第1页/共48页太阳能热动力发电系统 第2
2、页/共48页1 1 凝结形式凝结形式 膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结gg 人格特质有的是与生俱人格特质有的是与生俱来，有的受家庭影响，来，有的受家庭影响，也可由音乐熏陶。也可由音乐熏陶。7-1 凝结换热的模式第3页/共48页4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NusseltNusselt膜状凝结理论凝结换热实例 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第4页/共48页5凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（t
3、ts s-t-tw w）汽化潜热 r 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5页/共48页61 凝结过程凝结过程 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。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）gg第6页/共48页7虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝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结
4、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于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结第7页/共48页2 2 液膜的流态液膜的流态无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然是Re，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8页/共48页如图，由热平衡，所以 对水平管，用 r 代替上式中的 l 即可。而由于管径一般都比较小，所以横管一般都处于层流状态对流换热量蒸汽凝结量第9页/共48页3 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年，年，Nusse
5、lt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状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。自凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或年以来，各种修正或发展都是针对发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成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，我们首先得了解了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解Nusselt对对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。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
6、度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动第10页/共48页11gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layers微元控制体边界层微分方程组：边界层微分方程组：对应于对应于p.141页页(5-14)，(5-15)，(5-16)下脚标下脚标 l 表示液相表示液相x第11页/共48页12考虑（3）液膜的惯性力忽略 考虑（5 5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热 考虑（7 7）忽略蒸汽密度只有只有u u 和和 t t 两个未知量，于两个未知量，于是，上面得方程组化简为：是，上面得方程组化简为：第12页/共48页13边界条件：边界
7、条件：求解上面方程可得：求解上面方程可得：(1)(1)液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定第13页/共48页14(2)(2)局部对流换热系数局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数(3)(3)修正：修正：实验表明，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，实验值比上述得理论值高化，因此，实验值比上述得理论值高2020左右左右修正后：修正后：定性温度：定性温度：注意：注意：r 按按 ts 确定确定第14页/共48页15时，惯性力项和液膜过冷度时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。的影响均可忽略。对于对
8、于倾斜壁倾斜壁，则用，则用 gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g g 即可即可另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的研究，如当研究，如当 并且，并且，(4)(4)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流膜状凝结式中：下标“H”H”表示水平管，“S”S”表示球;d;d 为水 平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同定性温度与前面的公式相同第15页/共48页16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：3 3 边界层内的流态边界层内的流态无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流
9、湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时且其判断依据仍然时ReRe，式中：u ul l 为 x=lx=l 处液膜层的平均流速；de de 为该截面处液膜层的当量直径。第16页/共48页17如图由热平衡所以对水平管，用 代替上式中的 即可。并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态第17页/共48页184 4 湍流膜状凝结换热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，换热大为增强对竖壁的湍流凝结换热
10、，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为：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18页/共48页19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：式中：。除 用壁温 计算外，其余物理量的定性温度均为第19页/共48页207-3 7-3 影响膜状凝结的因素及其传热强化 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。1.1.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模型的粘滞应力。流速较高
11、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，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使增大；反之使 减小。减小。第20页/共48页21 4.4.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 ，5.5.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。3.3.过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。第21页/共48页22 6.6.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
12、，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。第22页/共48页23 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23页/共48页膜状凝结的强化原则和技术1基本原则2强化技术第24页/共48页257-4 沸腾换热现象 蒸汽锅炉 做饭 许多其它的工业过程1 生活中的例子生活中的例子第25页/共48页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
13、，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26页/共48页27a 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；b 强制对流沸腾：强制对流沸腾加热表面加热表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow第27页/共48页284 汽泡动力学简介汽泡动力学简介 (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热面的某实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面
14、的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽汽化核心化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留，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。气体，是最好的汽化核心，如图所示。c 过冷沸腾：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，称之为饱和沸腾我们这本书仅介绍我们这本书仅介绍大容器大容器的的饱和沸腾饱和沸腾第28页/共48页29(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
15、满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程克拉贝龙方程)式中：式中：表面张力，表面张力，N/m；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度，C ts 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度，C可见，可见，(tw ts),Rmin 同一加热面上，称为汽化核同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强第29页/共48页305 大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾曲曲线线：表表征征了了大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾的的全全部部过过程程，共共包包括括4个个换换热热规规律律不不同同的
16、的阶阶段段：自自然然对对流流、核核态态沸沸腾腾、过过渡渡沸沸腾腾和和稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾，如图所示：，如图所示：qmaxqmin第30页/共48页31临界热流密度及其工程意义：（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31页/共48页327-5 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，即但对于沸腾换热的h h却又许多不同的计算公式1 大容
17、器饱和核态沸腾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。种是广泛适用于各种液体的。第32页/共48页33为此，书中分别推荐了两个计算式为此，书中分别推荐了两个计算式（1 1）对于水的大容器饱和核态沸腾
18、，教材推荐适用米海）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：耶夫公式，压力范围：10105 54 4 10106 6 Pa Pa按按 第33页/共48页34（2）罗森诺公式）罗森诺公式广泛适用的强制对流换热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，既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)也也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得应该适用。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：出了如下实验关联式：式中，式中，r 汽化潜热；汽化潜热；Cpl 饱和液体的比定压热容饱和液体的比定压热容 g 重力加速度重力加速
19、度 l 饱和液体的动力粘度饱和液体的动力粘度 Cwl 取决于加热表面液体取决于加热表面液体 组合情况的经验常数组合情况的经验常数(表表6)q 沸腾传热的热流密度沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水经验指数，水s=1,否则，否则，s=1.7第34页/共48页35上式可以改写为：上式可以改写为：可见，可见，因此，尽管有时上述计算公式得到的，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达与实验值的偏差高达 100，但已知，但已知q计算计算 时，则时，则可以将偏差缩小到可以将偏差缩小到 33。这一点在辐射换热种更为明显。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。计算时必须谨慎处理热
20、流密度。2 大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：书中推荐适用如下经验公式：第35页/共48页363 大容器膜态沸腾的关联式大容器膜态沸腾的关联式（1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾式中，除了式中，除了r 和和 l 的值由饱和温度的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均决定外，其余物性均以平均温度以平均温度 tm(twts)/2 为定性温度，特征长度为管为定性温度，特征长度为管子外径子外径d,如果加热表面为球面，则上式中的系数如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为改为0.67第36页/共48页37勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：
21、其中：（2）考虑热辐射作用）考虑热辐射作用由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。必须综合考虑热辐射效应。第37页/共48页387-6 7-6 影响沸腾换热的因素及其强化沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾
22、换热，因此，影响因素也多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。只针对大容器沸腾换热。1 不凝结气体不凝结气体 对膜状凝结换热的影响？对膜状凝结换热的影响？与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热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强化得到某种程度的强化2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。见p.183第38页/共48页393 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够当传热表面上的液位足够高时，沸
23、腾换热表面传热高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随表面传热系数会明显地随液液 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 大气压下的水4 重力加速度重力加速度 随着航空航天技术的发展，随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的超重力和微重力条件下的 传热规律得到蓬勃发展，传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地但目前还远没到成熟的地 步，就现有的成果表明：步，就现有的成果表明：第39页/共48页40 从从0.1 100 9.8 m/s2 的范围内，的范围内，g对核态沸腾
24、换热规律对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于没有影响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，因此，g Nu 换热加强。换热加强。5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸沸腾腾表表面面上上的的微微笑笑凹凹坑坑最最容容易易产产生生汽汽化化核核心心，因因此此，凹凹坑坑多多，汽汽化化核核心心多多，换换热热就就会会得得到到强强化化。近近几几十十年年来来的的强强化化沸沸腾腾换换热热的的研研究究主主要要是是增增加加表表面面凹凹坑坑。目目前前有有两两种种常常用用的的手手段段：(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学手段在换热表面上形成多孔结构。化学手段
25、在换热表面上形成多孔结构。(2)机械加工方法。机械加工方法。第40页/共48页41第41页/共48页强化沸腾换热的原则和技术1强化大容器沸腾的表面结构2强化管内沸腾的表面结构第42页/共48页Quick Review 凝结换热凝结换热中的重要参数凝结换热中的重要参数 汽化潜热 r 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）特征尺度 其它热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等凝结换热的关键点凝结换热的关键点凝结可能以不同的形式发生冷凝物相当于增加了热量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膜状凝结理论第43页/共48页Q
26、uick Review 沸腾换热沸腾换热的关键点沸腾换热的关键点沸腾和沸腾换热的定义沸腾换热的分类及各自的物理意义水的大容器饱和沸腾曲线影响沸腾换热的因素沸腾换热的计算及相关实验关联式的适用范围第44页/共48页45思考题：思考题：1.1.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导方法纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法.在这个推导方法中在这个推导方法中 最基本的假设是什么最基本的假设是什么?4.4.对于单根管子对于单根管子,有那些因素影响层流膜状凝结换热有那些因素影响层流膜状凝结换热?它们它们 起什么作用起什么作用?5.
27、5.对于实际凝结换热器对于实际凝结换热器,有那些方法可以提高膜状凝结换热有那些方法可以提高膜状凝结换热 系数系数?6.6.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域?有那些特性点有那些特性点?各各 个区域在换热原理上有何特点个区域在换热原理上有何特点?7.7.气化核心的概念气化核心的概念.沸腾气泡产生的物理条件沸腾气泡产生的物理条件.8.8.画出水的池内饱和沸腾曲线画出水的池内饱和沸腾曲线.掌握特性点的基本数值范围掌握特性点的基本数值范围.第45页/共48页469.9.什么是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?如果是定壁温加热如果是定壁温加热 条件条件,还会有烧毁现象出现吗还会有烧毁现象出现吗?10.10.为什么对于不同的表面粗糙度为什么对于不同的表面粗糙度,核态沸腾换热系数有很核态沸腾换热系数有很 大的不同大的不同?11.11.那些因素影响核态沸腾换热那些因素影响核态沸腾换热?12.12.沸腾换热的基本计算方法沸腾换热的基本计算方法?第46页/共48页47作业：作业：6-46-4，6-76-7，6-116-11，6-136-13，6-216-21，6-256-25，6-286-28，6-326-32，6-406-40，6-426-42，6-446-44第47页/共48页48谢谢您的观看！第48页/共48页