相变对流传热.ppt

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1、第13讲 相变对流传热,提纲：一、凝结传热1.现象与特点基本概念，产生条件是壁面温度h膜状，但不能持久。2.竖壁膜状凝结分析解Nusselt分析解基于9条假设，视液膜内只有纯导热。因此要获得局部表面传热系数，只需获得该处液膜厚度。竖管与横管，h横h竖。3.膜状凝结的工程计算流态判别(Re迭代法)；关联式；注意特征长度和定性温度4.影响因素掌握膜状凝结诸影响因素，尤其是不凝性气体和蒸气流速的影响机理。,5.凝结换热的强化 当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则是破坏或减薄液膜层，强化技术是减薄液膜厚度、加速液膜的排泄。二、沸腾换热1.特点 基本概念：蒸发与沸腾，大容器沸腾与管

2、内沸腾，饱和沸腾，过热度。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。2.大容器饱和沸腾曲线 曲线形式，随着t，四个不同区域的换热规律和特点。核态沸腾是工业中理想的工作区域，其温差小，换热强。3.沸腾换热的两种加热方式 控制壁温(改变壁温tw与液体饱和温度ts之差t=tw-ts，q的大小受沸腾侧影响很大。)控制热流(改变壁面处的热流密度q，q取决于外部施加的条件，而与h无关),4.临界热流密度qmax 的意义 对热流可控：使q qmax，保证设备安全运行不致烧毁 对壁温可控：使t tc，保证设备有较高的传热效率5.沸腾换热的实验关联式 计算公式的拟合误差一般较大，因为沸腾换热机理复杂，受加热表面影响很

3、大。6.汽化核心 结合汽化核心概念理解沸腾换热机理，结合大容器饱和沸腾曲线了解气泡的生成、长大、脱离、破裂等规律7.沸腾换热影响因素和强化 沸腾换热影响因素就是气泡生长运动的影响因素。强化沸腾换热的主要出发点是增加壁面汽化核心数，基本手段是沸腾表面的特殊加工。,相变对流传热,凝结传热（气相变液相）,沸腾传热（液相变气相）,7-1 凝结传热的模式,相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热相变传热的特点：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。相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量,凝结传热：夏天出空调房间后的眼镜表面

4、膜状凝结沸腾传热：烧开水,7-1 凝结传热的模式,凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。,凝结传热产生的必要条件：,凝结模式源于气液界面的接触角（图7-1）,凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。,珠状凝结,珠状凝结的表面换热系数 膜状凝结，但是一般无法长久保持。2.55105 500025000,7-1 凝结传热的模式,7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结,努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解：液体膜层的热阻为主要因素。,基本假设：二维、稳态、常物性、层流；蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力；忽略惯性力，液膜

5、的运动仅取决于重力和粘滞力；壁温twconst，汽液界面无温差 tts液膜内部无对流而只有导热，温度分布为线性；忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热；蒸汽密度液体密度；液膜表面平整无波动。,努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解,稳态边界层微分方程,简化后的常微分方程,简化后的速度和温度分布,7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结,抛物线,线性,努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解,微元体热平衡,导热公式+牛顿冷却公式,简化后的速度和温度分布,7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结,努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解,竖壁,倾斜竖壁,水平圆管壁,球壁,特征长度

6、分别为 l 和 d；r 由ts 确定。其它物性由平均温度确定：,为何冷凝器一般多采用水平横管布置？,7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结,膜状凝结实验关联式：,竖壁（层流）,理论分析解在一定的假设条件下获得,实验结果修正,实验关联式,竖壁（湍流）,伽利略数,Rec1600,Rec1600,竖壁雷诺数,竖壁临界雷诺数1600,7-2 膜状凝结分析解及实验关联式,膜状凝结实验关联式：,理论分析解在一定的假设条件下获得,实验结果修正,实验关联式,水平圆管壁,与分析解一致,水平圆管壁雷诺数,横管一般处于层流范围,上述实验关联式仅适用低流速情况：水蒸气10m/s,氟利昂0.5m/s,7-2

7、膜状凝结分析解及实验关联式,膜状凝结换热的工程计算步骤：,膜状凝结换热的形式（竖壁、侧壁、水平单圆管、多圆管、球壁）；判别流态（层流、湍流）；利用对应形式的实验关联式计算平均表面传热系数；利用牛顿冷却公式计算换热量，并计算凝结速率（单位时间内凝结的液膜质量）。,注意事项：1.由于Re中包含未知量 h，先假定流态进行计算，之后再校核流态；2.一定压力下的饱和水蒸气 r 和ts 由附录10确定，其它物性由平均温度tm查附录9确定。,7-2 膜状凝结分析解及实验关联式,7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化,膜状凝结换热的影响因素：,不凝结气体：蒸汽流速：过热蒸汽：液膜的过冷度及温度分布的非线性管子

8、排数管内凝结凝结表面的几何形状,膜状凝结换热的强化措施：,减薄液膜的厚度 基于表面张力减薄液膜厚度（低肋管、锯齿管、微肋管）增加顺液膜流动方向的蒸汽流速 水平放置单管或管束加速液膜的排出 分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等减少不凝结气体 抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速凝结表面实现珠状凝结,7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化,7-4 沸腾传热的模式,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。沸腾换热：液体内部固液界面形成气泡而使热量由固壁传给液体的过程。,沸腾换热产生的必要条件：,沸腾液体是否整体流动,管内强制对流沸腾,大容器沸腾,沸腾液体主体温度是否达到饱和温

9、度,饱和沸腾,过冷沸腾,Y,N,Y,N,7-4 沸腾传热的模式 大容器饱和沸腾曲线,0 t 4:单相自然对流区，无汽泡。4 t 25:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25 t 200:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200 t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。,大容器饱和沸腾的四个区域,莱登佛罗斯特点,CHF,工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能加入过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却下降，设备易烧毁。qmax 临

10、界热流密度CHF（烧毁点）设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点）沸腾换热：换热温差t 越大 热流密度大沸腾换热的两种加热方式：控制壁温 控制热流（大于qmax 时，工况沿虚线直接跳至稳定膜态沸腾，t 猛增到1000，需要避免）,7-4 沸腾传热的模式 大容器饱和沸腾曲线,CHF,7-4 沸腾传热的模式 汽化核心,汽化核心：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，这些产生气泡的点被称为汽化核心。气泡产生的源泉。壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心。,汽泡半径R 必须满足下列条件才能存活：,克拉贝龙方程,式中：表面张力，N/m；r 汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度

11、，kg/m3；tw 壁面温度，C ts 对应压力下的饱和温度，C可见，(tw ts),Rmin 同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强,壁面汽泡的产生、成长和脱离增强沸腾传热强度,受热面积残存气体,7-4 沸腾传热的特点,沸腾换热属于有相变的对流换热。加热固体表面的热量通过导热和对流传递给沸腾流体，同时流体存在液相到气相的相变。牛顿冷却公式仍然适用；沸腾换热的推动力也是温差，壁面过热（twts）是必要条件；沸腾换热时气泡在汽化核心处产生，成长并逸出；之后流体补充，重新形成气泡，周而复始；气泡的形成、成长和脱离对加热表面的流体产生剧烈的扰动，因此换热的强度远大于无相变

12、对流换热；汽化核心数目的增加有利于强化沸腾换热。,大容器饱和核态沸腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数,通用液体的大容器饱和核态沸腾：罗森诺Rohsenow公式,1,符号意义参见教材（7-17）式，Cwl查表7-1确定。水：s1，其它液体：s1.7,7-5 大容器沸腾传热的实验关联式,大容器饱和核态沸腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数,制冷介质的大容器饱和核态沸腾：库铂Cooper公式,2,式中：q 热流密度，W/m2；Mr 制冷介质分子量；pr 介质压力与临界压力比；Rp 表面平均粗糙度，um。,7-5 大容器沸腾传热的实验关联式,大容器饱和核态沸腾临界热流密度,7-5 大容器

13、沸腾传热的实验关联式,式中：物性参数根据饱和温度查取。,大容器膜态沸腾：,注意事项：横管 a0.62，球壁 a0.67 汽化潜热r 和饱和液体密度l 由饱和温度ts确定，其它物性参数由平均温度确定 Tt+273,200 t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。,7-5 大容器沸腾传热的实验关联式,7-6 沸腾传热的影响因素及其强化,不凝结气体（与膜状凝结传热不同）溶解于液体中的不凝结气体在汽化核心处逸出强化沸腾换热过冷度 在核态沸腾起始段自然对流区域，过冷度强化沸腾换热液位高度 低于临界液位，表面传热系数随液位降低而增加，从

14、而强化沸腾换热重力加速度 仅在微重力环境下，重力加速度才会影响核态沸腾换热管内强制对流沸腾（图7-20）蒸汽-流体的掺混两相流。,7-6 沸腾传热的影响因素及其强化,原则 通过传热表面的处理增加加热面汽化核心数目。大容器饱和沸腾 传热表面多孔结构管内强制对流沸腾 内螺纹管、微肋管,沸腾传热的强化措施：,7-7 热管,1963年美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明,利用工作流体（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸发与冷凝来传递热量。,真空的金属管+工作流体+内壁吸液芯结构,1.热量由热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-气分界面；2.液体在蒸发段内的液-气分界面上蒸发；3

15、.蒸气的温度和压力高于热管的其它部分，压差作用促使蒸汽流向热管内冷凝端；4.蒸汽在冷凝段内的气-液分界面上凝结：5.热量从气-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；6.在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。,7-7 热管,1963年美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明,利用工作流体（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸发与冷凝来传递热量。,真空的金属管+工作流体+内壁吸液芯结构,热管相对于一种基于相变传热的等温导热体，较多用于卫星表面的等温化和内部电子设备的温度控制。用于地面芯片散热还需要在冷凝段加翅片和风扇。,常用下标的含义,一般均对应表达对象英文首字母,本章重

16、点：,凝结换热凝结换热的产生条件及两种凝结换热的形式；竖壁膜状凝结的分析解（最主要的两点假设），为何多水平横置；膜状凝结的实验关联式（凝结换热量+凝结速率），注意Re需校核；膜状凝结的影响因素和强化措施（减薄液膜厚度、加速凝结液膜的排出）。,沸腾换热沸腾换热的产生条件、分类，以及与蒸发的区别；沸腾换热的特点；大容器饱和沸腾曲线（四区，核态沸腾区为理想工作区域）；临界热流密度的意义（沸腾曲线中虚线的含义）；实验关联式的应用；沸腾换热的影响因素及其强化措施（增加壁面汽化核心的数目）。,作业,7-37-77-117-237-327-367-37（需先假设一个壁面温度，最终应确保管内外对流换热量相等）,