第六章各種對(duì)流傳熱過(guò)程ppt課件.ppt

第六章各種對(duì)流傳熱過(guò)程 本章要點(diǎn) 1 著重掌握受迫 自然對(duì)流換熱的基本原理和基本計(jì)算2 著重掌握凝結(jié) 沸騰換熱的基本概念及影響因素本章難點(diǎn) 受迫 自然對(duì)流換熱的分析計(jì)算凝結(jié) 沸騰換熱的分析解 本章主要內(nèi)容 第一節(jié)受迫對(duì)流換熱第二節(jié)自然對(duì)流換熱第三節(jié)蒸汽凝結(jié)換熱第四節(jié)液體沸騰換熱 第一節(jié)單相流體受迫對(duì)流傳熱 一 管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征1 概述 1 流動(dòng)和傳熱特征 流動(dòng)有層流和湍流之分層流 Re10000 入口段的熱邊界層薄 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高 層流入口段長(zhǎng)度 湍流時(shí) 2 熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種湍流 除液態(tài)金屬外 兩種條件的差別可不計(jì)層流 兩種邊界條件下的換熱系數(shù)差別明顯 式中 為質(zhì)量流量 分別為出口 進(jìn)口截面上的平均溫度 牛頓冷卻公式中的平均溫差對(duì)恒熱流條件 可取作為 對(duì)于恒壁溫條件 截面上的局部溫差是個(gè)變值 應(yīng)利用熱平衡式 按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算 當(dāng)出口截面的溫差與進(jìn)口截面的溫差在0 5 2之間時(shí) 可用算術(shù)平均溫差代替 2 管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 強(qiáng)迫對(duì)流 實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯 貝爾特公式 式中 特征溫度采用流體平均溫度tf 特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑 非圓形截面槽道 用當(dāng)量直徑de作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去 式中 A為槽道的流動(dòng)截面積 P為濕周長(zhǎng) 特征流速為流體平均溫度tf下流動(dòng)截面的平均流速uf 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合 在有換熱條件下 截面上的溫度并不均勻 導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變 一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù) 來(lái)考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響 入口段的傳熱系數(shù)較高 對(duì)于通常的工業(yè)設(shè)備中的尖角入口 有以下入口效應(yīng)修正系數(shù) 迪貝斯 貝爾特修正公式 入口效應(yīng)修正系數(shù) 管長(zhǎng)修正系數(shù) 對(duì)氣體被加熱時(shí) 當(dāng)氣體被冷卻時(shí) t 1 對(duì)液體 液體受熱時(shí) 液體被冷卻時(shí)m 0 25 w表示以壁面平均溫度tw作定性溫度時(shí)流體的動(dòng)力粘度 當(dāng)溫差不大 可不作溫差修正 即 t 1 溫差修正系數(shù) 螺線管強(qiáng)化了換熱 對(duì)此有彎管修正系數(shù) 對(duì)于氣體 對(duì)于液體 彎管效應(yīng)修正系數(shù) 以上所有方程僅適用于的氣體或液體 對(duì)數(shù)很小的液態(tài)金屬 換熱規(guī)律完全不同 對(duì)流換熱系數(shù) 式中 用來(lái)考慮入口效應(yīng)對(duì)h的影響 用來(lái)考慮溫度場(chǎng)對(duì)h的影響 實(shí)際工程換熱設(shè)備中 層流時(shí)的換熱常常處于入口段的范圍 可采用齊德 泰特公式 3 管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式 強(qiáng)迫對(duì)流 特征溫度為流體平均溫度 按壁溫確定 特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑 管子處于均勻壁溫 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為 Ref0 6 RefPrfd l 10 管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱特點(diǎn) 常處于入口段范圍 進(jìn)入充分發(fā)展段后 對(duì)于常物性流體 Nu數(shù)與Re無(wú)關(guān)而保持不變 對(duì)流傳熱系數(shù)h也不變 熱邊界條件對(duì)傳熱有顯著影響 一般恒熱流時(shí)的傳熱強(qiáng)大于恒壁溫 例如 圓管內(nèi)層流充分發(fā)展段 恒熱流時(shí)Nu 4 36 恒壁溫時(shí)Nu 3 66 上面的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式只適用于圓管 4 過(guò)渡區(qū)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為 2300 Ref 6000 二 外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 外部流動(dòng) 換熱壁面上的流動(dòng)邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展 不會(huì)受到鄰近壁面存在的限制 縱掠平壁換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 1 層流強(qiáng)迫對(duì)流傳熱 局部換熱系數(shù) 平均換熱系數(shù) 適用范圍 Re 5 105Pr 0 6 50 m為特征溫度為tm 1 2 tw t 時(shí)的流體導(dǎo)熱系數(shù) 2 湍流強(qiáng)迫對(duì)流傳熱 適用范圍 Re 5 105Pr 0 6 60 3 層流 湍流強(qiáng)迫對(duì)流傳熱 適用范圍 Rel 5 105 2 橫掠單管 流體沿著垂直于管子軸線的方向流過(guò)管子表面 流動(dòng)具有邊界層特征 還會(huì)發(fā)生繞流脫體 邊界層的成長(zhǎng)和脫體決定了外掠圓管換熱的特征 雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜 但從平均表面換熱系數(shù)看 漸變規(guī)律性很明顯 可采用以下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 式中 特征溫度為tm 特征長(zhǎng)度為管外徑d0 Re數(shù)的特征速度為來(lái)流速度 為考慮沖刷角度對(duì)平均對(duì)流傳熱系數(shù)的影響 見表6 2 當(dāng) 90 時(shí) 1 當(dāng) 90 時(shí) 1 當(dāng) 0 時(shí) 即流體縱掠圓管 此時(shí) 最小 可近似采用縱掠平壁的計(jì)算公式 在相同的條件下 流體沖刷同一根單圓管 橫向沖刷比縱向沖刷時(shí)換熱系數(shù)要大得多 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍 C及n的值見表6 1 對(duì)于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對(duì)流換熱也可采用上式 注 指數(shù)C及n值見下表 表中示出的幾何尺寸是計(jì)算數(shù)及數(shù)時(shí)用的特征長(zhǎng)度 式中 定性溫度為tm 適用于的情形 上述公式對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要分段整理 邱吉爾與朋斯登對(duì)流體橫向外掠單管提出了以下在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)則式 3 橫掠管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 外掠管束在換熱器中最為常見 通常管子有叉排和順排兩種排列方式 叉排換熱強(qiáng) 阻力損失大并難于清洗 影響管束換熱的因素除數(shù)外 還有 叉排或順排 管間距 管束排數(shù)等 a 順排 a 叉排 流體橫掠圓管束的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為 后排管受前排管尾流的擾動(dòng)作用對(duì)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響直到10排以上的管子才能消失 式中 定性溫度為流體平均溫度tf 按管束的平均壁溫確定 系數(shù)C和指數(shù)n m k p的值見下表 特征長(zhǎng)度為管外徑d0 Re數(shù)中的流速采用整個(gè)管束中最窄截面處的最大流速 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍 C和m的值 對(duì)于排數(shù)少于10排的管束 平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可在上式的基礎(chǔ)上乘以管排修正系數(shù) 的值引列在下表 茹卡烏斯卡斯對(duì)流體外掠管束換熱總結(jié)出一套在很寬的數(shù)變化范圍內(nèi)更便于使用的公式如下表所示 式中 定性溫度為進(jìn)出口流體平均流速 特征長(zhǎng)度為管子外徑 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍 按管束的平均壁溫確定 數(shù)中的流速取管束中最小截面的平均流速 流體橫掠順排管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式 16排 第二節(jié)自然對(duì)流換熱及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 自然對(duì)流 不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng) 由流體自身溫度場(chǎng)的不均勻所引起的流動(dòng) 一般地 不均勻溫度場(chǎng)僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi) 例如 暖氣管道的散熱 不用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻的電器元件的散熱 自然對(duì)流換熱可分成大空間和有限空間兩類 大空間自然對(duì)流 流體的冷卻和加熱過(guò)程互不影響 邊界層不受干擾 大空間自然對(duì)流傳熱 溫度為t 的靜止流體被高溫豎壁tw加熱 波爾豪森分析解與施密特 貝克曼實(shí)測(cè)結(jié)果 豎板層流自然對(duì)流邊界層理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比 自然對(duì)流亦有層流和湍流之分 層流時(shí) 換熱熱阻主要取決于邊界層的厚度 旺盛湍流時(shí) 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是常量 自然對(duì)流傳熱流動(dòng)狀態(tài)的判定依據(jù)是 格拉曉夫數(shù)Gr 反映流體的浮升力與粘性力的比值 強(qiáng)迫對(duì)流 Re 從對(duì)流換熱微分方程組出發(fā) 可得到自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式參照上圖的坐標(biāo)系 對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化 在方向 并略去二階導(dǎo)數(shù) 由于在薄層外 從上式可推得 將此關(guān)系帶入上式得 引入體積膨脹系數(shù) 代入動(dòng)量方程并令改寫原方程 采用相似分析方法 以及分別作為流速 長(zhǎng)度及過(guò)余溫度的標(biāo)尺 得 式中 進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得 式中第一個(gè)組合量是雷諾數(shù) 第二個(gè)組合量可改寫為 與雷諾數(shù)相乘 稱為格拉曉夫數(shù) 在物理上 數(shù)是浮升力 粘滯力比值的一種量度 數(shù)的增大表明浮升力作用的相對(duì)增大 自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式為 自然對(duì)流換熱可分成大空間和有限空間兩類 大空間自然對(duì)流 流體的冷卻和加熱過(guò)程互不影響 邊界層不受干擾 如圖兩個(gè)熱豎壁 底部封閉 只要底部開口時(shí) 只要壁面換熱就可按大空間自然對(duì)流處理 大空間的相對(duì)性 工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式 對(duì)于符合理想氣體性質(zhì)的氣體 體脹系數(shù) 對(duì)于實(shí)際氣體 可查熱物性表 1 大空間自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 式中 定性溫度采用 m為流體在特征溫度tm下的運(yùn)動(dòng)粘度 m2 s t tw t 特征長(zhǎng)度的選擇 豎壁和豎圓柱取高度 橫圓柱取外徑 常數(shù)C和n的值見下表 注 豎圓柱按上表與豎壁用同一個(gè)關(guān)聯(lián)式只限于以下情況 H 式中 定性溫度取平均溫度 特征長(zhǎng)度對(duì)矩形取短邊長(zhǎng) 對(duì)于常熱流邊界條件下的自然對(duì)流 往往采用下面方便的專用形式 按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表 這里流動(dòng)比較復(fù)雜 不能套用層流及湍流的分類 2 有限空間自然對(duì)流換熱 這里僅討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對(duì)流換熱 而且推薦的冠軍事僅局限于氣體夾層 封閉夾層示意圖 夾層內(nèi)流體的流動(dòng) 主要取決于以?shī)A層厚度為特征長(zhǎng)度的數(shù) 當(dāng)極低時(shí)換熱依靠純導(dǎo)熱 對(duì)于豎直夾層 當(dāng)對(duì)于水平夾層 當(dāng) 另 隨著的提高 會(huì)依次出現(xiàn)向?qū)恿魈卣鬟^(guò)渡的流動(dòng) 環(huán)流 層流特征的流動(dòng) 湍流特征的流動(dòng) 對(duì)豎夾層 縱橫比對(duì)換熱有一定影響 一般關(guān)聯(lián)式為 對(duì)于豎空氣夾層 推薦以下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 式中 定性溫度均為數(shù)中的特征長(zhǎng)度均為 對(duì)于水平空氣夾層 推薦以下關(guān)聯(lián)式 實(shí)際上 除了自然對(duì)流外 夾層中還有輻射換熱 此時(shí)通過(guò)夾層的換熱量應(yīng)是兩者之和 對(duì)豎空氣夾層 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍 3 自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流并存的混合對(duì)流 在對(duì)流換熱中有時(shí)需要既考慮強(qiáng)制對(duì)流亦考慮自然對(duì)流考察浮升力與慣性力的比值 時(shí) 自然對(duì)流的影響不能忽略 一般認(rèn)為 而時(shí) 強(qiáng)制對(duì)流的影響相對(duì)于自然對(duì)流可以忽略不計(jì) 自然對(duì)流對(duì)總換熱量的影響低于10 的作為純強(qiáng)制對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流對(duì)總換熱量的影響低于10 的作為純自然對(duì)流 這兩部分都不包括的中區(qū)域?yàn)榛旌蠈?duì)流 上圖為流動(dòng)分區(qū)圖 其中數(shù)根據(jù)管內(nèi)徑及計(jì)算 定性溫度為 式中 為混合對(duì)流時(shí)的數(shù) 而 則為按給定條件分別用強(qiáng)制對(duì)流及自然對(duì)流準(zhǔn)則式計(jì)算的結(jié)果 混合對(duì)流的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式這里不討論 推薦一個(gè)簡(jiǎn)單的估算方法 兩種流動(dòng)方向相同時(shí)取正號(hào) 相反時(shí)取負(fù)號(hào) n之值常取為3 第三節(jié)蒸氣凝結(jié)換熱 膜狀凝結(jié) 如果能夠濕潤(rùn) 蒸汽就在壁面上形成一層液膜并受重力作用而向下流動(dòng) 稱為膜狀凝結(jié) 珠狀凝結(jié) 當(dāng)冷凝液體不能濕潤(rùn)冷卻壁面時(shí) 它就在冷表面上形成小液滴 飽和蒸氣在這些液滴上凝結(jié) 使液滴形成半徑愈來(lái)愈大的液珠 當(dāng)液珠的重力大于其對(duì)壁面的附著力時(shí) 液珠便脫離凝結(jié)核心而沿壁面滾下 這些滾下的液珠沖掉了沿途所有的液滴 于是蒸氣又在這些裸露的冷壁面上重新在凝結(jié)核心處形成小液滴 這稱之為珠狀凝結(jié) 珠狀凝結(jié)存在著裸露的表面 所以 其對(duì)流換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)大 1 膜狀凝結(jié) 定義 凝結(jié)液體能很好地濕潤(rùn)壁面 并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式 稱膜狀凝結(jié) 特點(diǎn) 壁面上有一層液膜 凝結(jié)放出的相變熱 潛熱 須穿過(guò)液膜才能傳到冷卻壁面上 此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻 2 珠狀凝結(jié) 定義 凝結(jié)液體不能很好地濕潤(rùn)壁面 凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液珠的凝結(jié)形式 稱珠狀凝結(jié) 特點(diǎn) 凝結(jié)放出的潛熱不須穿過(guò)液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上 所以 在其它條件相同時(shí) 珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù) 凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點(diǎn)凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生 膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的因素 膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式 1 純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解 假定 1 常物性 2 蒸氣靜止 3 液膜的慣性力忽略 4 氣液界面上無(wú)溫差 即液膜溫度等于飽和溫度 5 膜內(nèi)溫度線性分布 即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱 6 液膜的過(guò)冷度忽略 7 忽略蒸汽密度 8 液膜表面平整無(wú)波動(dòng) 根據(jù)以上9個(gè)假設(shè)從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡(jiǎn)化方程組 從而保持對(duì)流換熱理論的統(tǒng)一性 同樣的 凝結(jié)液膜的流動(dòng)和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì) 以豎壁的膜狀凝結(jié)為例 x坐標(biāo)為重力方向 如圖所示 在穩(wěn)態(tài)情況下 凝結(jié)液膜流動(dòng)的微分方程組為 下腳標(biāo)l表示液相 考慮假定 3 液膜的慣性力忽略 考慮假定 7 忽略蒸汽密度 只有u和t兩個(gè)未知量 于是 上面得方程組化簡(jiǎn)為 考慮假定 5 膜內(nèi)溫度線性分布 即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱 邊界條件 求解上面方程可得 1 液膜厚度 定性溫度 注意 r按ts確定 2 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 定性溫度 注意 r按ts確定 3 修正 實(shí)驗(yàn)表明 由于液膜表面波動(dòng) 凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化 因此 實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高20 左右 修正后 4 當(dāng)是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時(shí) 其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 水平管 球 橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比 2膜層中凝結(jié)液的流動(dòng)狀態(tài) 凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流 并且其判斷依據(jù)仍然時(shí)Re 式中 ul為x l處液膜層的平均流速 de為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑 如圖 由熱平衡 所以 式中 qm為液膜流動(dòng)截面的質(zhì)量流量 kg s 為汽化潛熱 由飽和溫度ts查取 J kg 豎壁層流膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 式中 特性溫度取 為凝結(jié)液熱導(dǎo)率 W m k 對(duì)于豎管壁 也可采用上式計(jì)算 當(dāng)是水平圓管上的層流膜狀凝結(jié)時(shí) 其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 水平管 橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比 一般工程上管子長(zhǎng)度比外徑要大得多 及橫管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)要比豎管大 故冷凝器通常采用橫管布置 3湍流膜狀凝結(jié)換熱 實(shí)驗(yàn)證明 1 膜層雷諾數(shù)Re 1600時(shí) 液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?2 橫管均在層流范圍內(nèi) 因?yàn)楣軓捷^小 特征 對(duì)于紊流液膜 熱量的傳遞 1 靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量 2 層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主 因此 紊流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱 計(jì)算方法 對(duì)于豎壁湍流膜狀換熱 沿整個(gè)壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 式中 hl為層流段的傳熱系數(shù) ht為湍流段的傳熱系數(shù) xc為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度l為豎壁的總高度 利用上面思想 整理的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 式中 除用壁溫計(jì)算外 其余物理量的定性溫度均為 影響膜狀凝結(jié)的因素 工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過(guò)程往往比較復(fù)雜 受各種因素的影響 1 不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體增加了傳遞過(guò)程的阻力 同時(shí)使飽和溫度下降 減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力 2 蒸氣流速流速較高時(shí) 蒸氣流對(duì)液膜表面產(chǎn)生粘滯應(yīng)力 如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí) 使液膜拉薄 增大 反之使減小 4 液膜過(guò)冷度及溫度分布的非線性如果考慮過(guò)冷度及溫度分布的實(shí)際情況 要用下式代替計(jì)算公式中的 5 管子排數(shù)管束的幾何布置 流體物性都會(huì)影響凝結(jié)換熱 前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管 3 過(guò)熱蒸氣要考慮過(guò)熱蒸氣與飽和液的焓差 6 管內(nèi)冷凝此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大 蒸氣流速低時(shí) 凝結(jié)液主要在管子底部 蒸氣則位于管子上半部 流速較高時(shí) 形成環(huán)狀流動(dòng) 凝結(jié)液均勻分布在管子四周 中心為蒸氣核 7 凝結(jié)表面的幾何形狀強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度 可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄 或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉 第四節(jié)液體沸騰換熱 沸騰的定義 沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過(guò)程稱為沸騰 沸騰的特點(diǎn)1 液體汽化吸收大量的汽化潛熱 2 由于汽泡形成和脫離時(shí)帶走熱量 使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動(dòng) 所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)相變的換熱 沸騰換熱分類 1 大容器沸騰 池內(nèi)沸騰 2 強(qiáng)制對(duì)流沸騰 管內(nèi)沸騰 上述每種又分為過(guò)冷沸騰和飽和沸騰 產(chǎn)生沸騰的條件 理論分析與實(shí)驗(yàn)證明 產(chǎn)生沸騰的條件 1 液體必須過(guò)熱 2 要有汽化核心 1大容器飽和沸騰曲線 1 大容器沸騰 定義 指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰 特點(diǎn) 產(chǎn)生的氣泡能自由浮升 穿過(guò)液體自由面進(jìn)入容器空間 2 飽和沸騰定義 液體主體溫度達(dá)到飽和溫度 壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰 特點(diǎn) 隨著壁面過(guò)熱度的增高 出現(xiàn)4個(gè)換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域 3 過(guò)冷沸騰指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度 壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱 稱過(guò)冷沸騰 4 大容器飽和沸騰曲線 熱流密度q隨過(guò)熱度 t tw ts的變化關(guān)系 表征了大容器飽和沸騰的全部過(guò)程 共包括4個(gè)換熱規(guī)律不同的階段 自然對(duì)流 核態(tài)沸騰 過(guò)渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 如圖所示 如圖6 11所示 橫坐標(biāo)為壁面過(guò)熱度 對(duì)數(shù)坐標(biāo) 縱坐標(biāo)為熱流密度 算術(shù)密度 從曲線變化規(guī)律可知 隨壁面過(guò)熱度的增大 區(qū)段 將整個(gè)曲線分成四個(gè)特定的換熱過(guò)程 其特性如下 1 單相自然對(duì)流段 液面汽化段 壁面過(guò)熱度小時(shí) 圖中 沸騰尚未開始 換熱服從單相自然對(duì)流規(guī)律 2 核態(tài)沸騰 飽和沸騰 隨著的上升 在加熱面的一些特定點(diǎn)上開始出現(xiàn)汽化核心 并隨之形成汽泡 該特定點(diǎn)稱為起始沸點(diǎn) 其特點(diǎn)是 開始階段 汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾 稱為孤立汽泡區(qū) 隨著的上升 汽化核心增加 生成的汽泡數(shù)量增加 汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱 稱為相互影響區(qū) 隨著的增大 q增大 當(dāng)增大到一定值時(shí) q增加到最大值 汽泡擾動(dòng)劇烈 汽化核心對(duì)換熱起決定作用 則稱該段為核態(tài)沸騰 泡狀沸騰 其特點(diǎn) 溫壓小 換熱強(qiáng)度大 其終點(diǎn)的熱流密度q達(dá)最大值 工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該段 3 過(guò)渡沸騰 從峰值點(diǎn)進(jìn)一步提高 熱流密度q減小 當(dāng)增大到一定值時(shí) 熱流密度減小到 這一階段稱為過(guò)渡沸騰 該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過(guò)程 原因 汽泡的生長(zhǎng)速度大于汽泡躍離加熱面的速度 使汽泡聚集覆蓋在加熱面上 形成一層蒸汽膜 而蒸汽排除過(guò)程惡化 致使qm下降 4 穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 從開始 隨著的上升 氣泡生長(zhǎng)速度與躍離速度趨于平衡 此時(shí) 在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層 產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層 致使上升時(shí) 熱流密度q上升 此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 其特點(diǎn) 1 汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱 而且有對(duì)流 2 輻射熱量隨著的加大而劇增 使熱流密度大大增加 3 在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn) 前者熱量必須穿過(guò)熱阻大的汽膜 后者熱量必須穿過(guò)熱阻相對(duì)較小的液膜 幾點(diǎn)說(shuō)明 1 上述熱流密度的峰值qmax有重大意義 稱為臨界熱流密度 亦稱燒毀點(diǎn) 一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒 這一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要 2 對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 因?yàn)闊崃勘仨毚┻^(guò)的是熱阻較大的汽膜 所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多 2汽化核心的分析 1 汽泡的成長(zhǎng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)表明 通常情況下 沸騰時(shí)汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn) 而不是整個(gè)加熱面上 這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化核心 較普遍的看法認(rèn)為 壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體 是最好的汽化核心 如圖所示 2 汽泡的存在條件汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活 克拉貝龍方程 式中 表面張力 N m r 汽化潛熱 J kg v 蒸汽密度 kg m3 tw 壁面溫度 Cts 對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度 C可見 tw ts Rmin 同一加熱面上 稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心數(shù)增加 換熱增強(qiáng) 沸騰換熱計(jì)算式 沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種 因此 牛頓冷卻公式仍然適用 即 但對(duì)于沸騰換熱的h卻又許多不同的計(jì)算公式 大容器飽和核態(tài)沸騰影響核態(tài)沸騰的因素主要是過(guò)熱度和汽化核心數(shù) 而汽化核心數(shù)受表面材料 表面狀況 壓力等因素的支配 所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜 導(dǎo)致了個(gè)計(jì)算公式分歧較大 目前存在兩種計(jì)算是 1 針對(duì)一種液體的計(jì)算公式 2 廣泛適用于各種液體的計(jì)算式 1 適用于水的米海耶夫計(jì)算式 在壓力下大容器飽和沸騰計(jì)算式 按 2 適用于各種液體的計(jì)算式 既然沸騰換熱也屬于對(duì)流換熱 那么 Nu f Re Pr 也應(yīng)該適用 羅森諾正是在這種思路下 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 上式可以改寫為 對(duì)于制冷介質(zhì)而言 以下的庫(kù)珀 Cooper 公式目前得到廣泛的應(yīng)用 其中 為液體的相對(duì)分子質(zhì)量 為對(duì)比壓力