第7章凝结与沸腾换热课件.ppt

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1、第七章 凝结与沸腾换热Condensation and Boiling,2,7-1 凝结换热7-2 沸腾换热7-3 热管,主要内容,掌握凝结换热、沸腾换热、热管的概念、原理和计算。,核心知识点,3,3）相变换热的特点：由于有潜热释放、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 只能借助于经验公式和实验关联式；换热强度大大增加 （膜状h=600060000，珠状h=400004105）。,1）凝结：气态工质在饱和温度ts下，由气态液态的 过程， 又称为冷凝。,2）沸腾：液态工质在饱和温度ts下，以产生气泡的形式 由液相气态的过程。,saturation,（上海交通大学2001年

2、考研题）试比较自认对流传热、强制对流传热及沸腾传热三种传热系数的大小。（仅给出大小关系）,4,7-1 凝结换热,本节关键点 (需重点掌握的内容)凝结可以不同的形式发生：膜状凝结、珠状凝结会分析竖壁、横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论层流、紊流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素,凝结换热实例 结露 开水壶盖内表面的液膜 寒冷冬天，窗户 表面上的冰花,一、概述 当壁温tw ts 蒸气的饱和温度时，蒸气在壁面上发生冷凝过程,内,许多其他工业应用过程 (制冷系统四大件之一冷凝器),condenser,结露,结霜,6,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 - t

3、w） 汽化潜热 r（干饱和蒸气焓H” -饱和液体焓H ） 特征尺度（寸） 其他标准的热物理性质，如、Cp等,7,膜状凝结 film当凝结液体能很好地浸润壁面时，沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力作用下流动，凝结放出的凝结潜热（=汽化潜热）必须通过液膜才能传至冷却壁面，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。,珠状凝结 dropwise 当凝结液体不能很好地浸润壁面时，则在壁面上形成许多个大小不一的小液珠，此时壁面的部分表面与蒸气直接接触，因此，换热速率膜状凝结（大几倍，甚至一个数量级（10倍左右）,（上海交通大学2001年考研题）试说明珠状凝结比膜状凝结的传热系数高的原因。An：珠状凝结比膜状凝结的

4、传热系数高，这是因为对于珠状凝结，蒸汽与壁面直接接触。而对于膜状凝结，蒸汽需要经过液膜与壁面传热，所以珠状凝结比膜状凝结的换热系数高。,（浙江大学2006年考研题）凝结传热的两种形式是 和 。,（上海九校联考2002年考研题）蒸汽与温度低于饱和温度的壁面接触时，有哪两种不同的凝结形式？产生不同凝结形式的原因是什么？,8,虽然珠状凝结换热膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持。故，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，故，教材中只简单介绍膜状凝结。,二、膜状凝结换热,1916年，德国物理学家威廉-努塞尔 Wilhelm 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

5、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的，并形成了各种实用的计算方法。故，首先需了解Nusselt对纯净 饱和蒸汽 膜状凝结换热的分析(以竖壁为例)。,9,1）层流，常物性；2）液膜表面温度=饱和温度，即气液界面上无温差，无辐射、对流换热；3）蒸气静止，蒸气对液膜表面无粘滞力作用；4）液膜的惯性力忽略；5）凝结液以导热方式通过液膜，液膜薄，膜内温度视为线性分布，即y方向 热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略（取凝液的焓为饱和液体的焓）；7）忽略蒸汽密度； 8）液膜表面平整无波动。,1. Nusselt假定：,10,在液膜中取微小单元，垂直于纸面方向

6、为单位长度：,下脚标 l 表示液相,x,. 分析求解,单元左表面向上粘滞力：,单元右表面向下粘滞力：,单元所受重力:,单元所受浮力：,由假设4）忽略液膜的惯性力，单元各力平衡：,第七章 凝结与沸腾换热,11,假设5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热,假设7）忽略蒸汽密度：,层流时，牛顿切应力：,单元受力平衡方程：,边界条件：,单元受力方程化简：,求解上面动量方程可得：,（2）P188,12,在壁面沿水平方向取1m的宽度，在x处厚度为的液膜断面流过的液体流量M ,可由速度积分得出：,在沿壁面向下d x，液体流量相应有一个增量dM：,求解上面能量方程可得：,边界条件：,速度u、温度t的计算都用

7、到，怎么求？,13,对位于x和x+dx两面之间的液膜段列热量平衡方程：,上式化简,14,(1) 液膜厚度,定性温度：,注意：r 按 ts 确定,上式整理（分离变量，并积分）,液膜厚度的常微分方程,（8）,15,(2) 局部表面传热系数微元段内凝结换热量等于膜层的导热量,(3) 整个竖壁的平均表面传热系数,定性温度：,注意：r 按 ts 确定,将液膜厚度带入上式，得：,(4) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述的理论值高20左右,修正后：,(5) 倾斜壁：则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可。,(6) 水平圆管,式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”

8、表示球; d 为水 平管或球的外直径。 定性温度与前面公式相同,Vertical,Horizontal,Spherical,17,横管与竖管的对流表面传热系数之比：,3. 层流膜状凝结准则关联式,1） 凝结液膜雷诺数Re 凝结液体流动也分层流和紊流，其判断依据仍为Re：,式中：um x 处液膜层的平均流速； de 该截面处液膜层的当量直径。,思考：冰箱中的饮料应该如何放？,雷诺数的临界值: 液膜为层流时, Rec1800,18,1m宽度上，横断面的凝液量：M= 1 um,横管一般都处于层流状态,如图,对水平管，用d 代替 l 即可。,19,2） 凝结准则Co:,凝结准则Co是无因次数群，反映了

9、换热的强弱。,A、垂直壁、管径d 的竖圆管: Co =1.47Rec-1/3,C1、凝结换热表面传热系数:,C2、垂直壁、管径d的竖圆管的准则方程修正后: Co =1.76Rec-1/3 （30Rec1800）,B、水平圆管 Co =1.51Rec-1/3,D、下式也可用来计算垂直壁、管径d的竖圆管（Kutateladze:,20,4. 紊流膜状凝结,液膜从层流转变为紊流的临界雷诺数可定为1800。横管因直径较小，实践上均在层流范围。对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强,利用上面思想，整理的整个壁面内平均表面传热实验关联式：,式中：

10、 定性温度均为,21,对竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为：,式中：hl 层流段的平均表面传热系数； ht 紊流段的平均表面传热系数； xc 层流转变为紊流时临界高度； l 竖壁的总高度。,说明：凝结换热准则关联式是表面传热系数h的隐函数， 计算时均采用试算的方法,22,管内蒸汽雷诺数:,G v质量平均流速， kg/m2svt s下蒸汽密度，kg / m3 、按定性温度tm=（t s + t w）/2查的凝液物性 修正后汽化潜热。,5. 水平管内凝结换热,6. 水平管束管外凝结平均换热系数,24,三、影响膜状凝结的因素及增强换热的措施,(2) 不凝结气体空气、氢、氮、润

11、滑油蒸气等 不凝结气体聚集在换热表面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。不凝性气体含量到1%时，表面传热系数将只达纯蒸气的1/3。冷凝器中有抽真空装置。,(1) 蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞应力；如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，h；反之h ；反向时，换热恶化；但如果速度过大时，则不论是向上或向上液膜将脱离，均能增强凝结换热。,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. 五个影响因素,（西安交通大学2005年考研题）一台氟利昂冷凝器试验台，在充灌氟利昂前没有抽真空，试问这对冷凝器运行的传热性能有什么影响？为什么？

12、,（重庆大学2006年考研题）蒸汽中含有不凝性气体将对膜状凝结传热会产生什么影响？分析产生影响的原因。,(3) 表面粗糙度 雷诺数较低时，凝液易于积聚在粗糙的壁上，液膜增厚，表面传热系数低于光滑管30%；当雷诺数140后，表面传热系数又可以高于光滑壁，类似于粗糙壁对单相流体对流换热的影响。(4) 蒸气含油 油（润滑油）可能沉积在壁上形成油垢，增加了热阻。(5) 过热蒸气 计算时，将潜热改为过热蒸气与饱和液体的焓差。,26,(1) 改变表面几何特征 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。(为什么要强化换热?) 可以开沟槽，可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄（表面张力

13、），或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。,2. 四种增强凝结换热的措施,(2) 有效地排除不凝性气体 加装抽气装置,(3) 加速凝液的排除 加装中间导流装置，使用离 心力，低频振动，或静电吸引等方法,(4) 珠状凝结 在凝结表面涂抹凝液附着力很小的材料（聚四氟乙烯）或在蒸气中加入促进剂（油酸）,28,7-2 沸 腾 换 热,蒸汽锅炉 做饭（蒸、煮、煎、炸，蒸是老大） 许多其它的工业过程,1 生活中的例子,定义： a 沸腾：工质与高温壁面接触被加热，温度达到一定数值后，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。当壁温高于液体的饱和温度时，则发生沸腾过程。 b 沸腾换热：指

14、沸腾过程中，工质与壁面热量交换的过程。,3 分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大空间沸腾(池沸腾)和有限空间沸腾（受迫对流沸腾），每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。,29,a 大空间沸腾(池内沸腾)：液体静止地处于大容器中,液体和加热壁 面间进行自然对流换热达到沸腾。,汽泡向前流动复杂的两相流,b 受迫对流沸腾：受迫对流沸腾,加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中；产生汽泡可自由浮升穿过自由表面聚集在液体上方。,加热表面,30,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，而壁面温度高于饱和温度，壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾。d 饱和沸腾：液体主体温度达到或超过饱和温度，而壁面

15、温度高于饱和温度，称之为饱和沸腾。,我们这里主要讨论大空间饱和沸腾,第七章 凝结与沸腾换热,31,1、大空间饱和沸腾过程与沸腾曲线： 沸腾曲线表征了大空间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、泡（核）态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：,壁面过热度,32,壁面过热度,沸腾临界点,33,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。此时t大，

16、h小。,34,2 大空间泡态沸腾表面传热系数的计算,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,1） 大空间饱和泡态沸腾 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比较复杂，导致了个别计算公式分歧较大。目前存在两种计算式，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。,35,为此，书中分别推荐了两个计算式（1）对于水的大空间饱和泡态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：1054106 Pa,按,热流密度与温度差的关系为3.33次幂,36,（2）罗森瑙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，罗森诺正是在这种思路下，在关联不同工质及壁面材料的实验数据基础上，提出大空间泡态沸腾热流密度计算式：,热流密度与温度差的关系为3次幂,37,式中， r 汽化潜热; Cpl 饱和液体的比定压热容; g 重力加速度 ; 表面张力; l 饱和液体的动力粘度; Cwl 取决于加热表面液体组合情况 的经验常数(表7-1); q 沸腾传热的热流密度; Prl 饱和液普朗特数; s 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7说明：该公式需要试算。,