華科傳熱學(xué)20-05

1、2022-1-1015-1 管管(槽槽)內(nèi)流體受迫對流換熱計算內(nèi)流體受迫對流換熱計算5-2 流體外掠物體的對流換熱計算流體外掠物體的對流換熱計算5-3 自然對流換熱計算自然對流換熱計算 5-4 液體沸騰換熱計算液體沸騰換熱計算5-5 蒸汽凝結(jié)換熱計算蒸汽凝結(jié)換熱計算2022-1-1025-1 管管(槽槽)內(nèi)流體受迫對流換熱計算內(nèi)流體受迫對流換熱計算 基本概念：進(jìn)口段與充分發(fā)展段基本概念：進(jìn)口段與充分發(fā)展段管內(nèi)受迫對流換熱的計算管內(nèi)受迫對流換熱的計算5-2 流體外掠物體的對流換熱計算流體外掠物體的對流換熱計算外掠平板（外掠平板（5105）外掠單管外掠單管外掠管束外掠管束2022-1-1035-3

2、 自然對流換熱計算自然對流換熱計算無限空間自然對流換熱無限空間自然對流換熱豎直平板在空氣中自然冷卻流動和換熱豎直平板在空氣中自然冷卻流動和換熱特征特征 豎板自然對流換熱的微分方程組豎板自然對流換熱的微分方程組有限空間自然對流換熱有限空間自然對流換熱2022-1-104以上我們分析了無相變的對流換熱，包括以上我們分析了無相變的對流換熱，包括強(qiáng)制對流換熱和自然對流換熱強(qiáng)制對流換熱和自然對流換熱下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為也稱之為相變換熱相變換熱，目前涉及的是，目前涉及的是凝結(jié)凝結(jié)換熱換熱和和沸騰沸騰換熱兩種。換熱兩種。蒸汽遇冷凝結(jié)、液體受熱沸

3、騰是伴隨有相變蒸汽遇冷凝結(jié)、液體受熱沸騰是伴隨有相變的對流換熱，其基本規(guī)律與單相對流換熱有的對流換熱，其基本規(guī)律與單相對流換熱有重大的區(qū)別。重大的區(qū)別。2022-1-105凝結(jié)與沸騰換熱廣泛地被應(yīng)用于各種工程領(lǐng)凝結(jié)與沸騰換熱廣泛地被應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域中：電站氣輪機(jī)裝置中的凝氣器，鍋爐爐域中：電站氣輪機(jī)裝置中的凝氣器，鍋爐爐膛中的水冷壁，冰箱與空調(diào)器中的冷凝器與膛中的水冷壁，冰箱與空調(diào)器中的冷凝器與蒸發(fā)器，化工裝置中的再沸器等，都是應(yīng)用蒸發(fā)器，化工裝置中的再沸器等，都是應(yīng)用實(shí)例。實(shí)例。 相變換熱的相變換熱的特點(diǎn)特點(diǎn)：由于有潛熱釋放和相變過：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，

4、因此，程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實(shí)驗關(guān)目前，工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實(shí)驗關(guān)聯(lián)式。聯(lián)式。2022-1-1065-4 液體沸騰換熱計算液體沸騰換熱計算液體的汽化（液體的汽化（vaporization）可區(qū)分為蒸發(fā)）可區(qū)分為蒸發(fā)(evaporation)和沸騰和沸騰(boiling)兩種。兩種。前者指發(fā)生在液體表面上的氣化過程，后者則前者指發(fā)生在液體表面上的氣化過程，后者則指在液體內(nèi)部以產(chǎn)生氣泡的形式進(jìn)行的汽化過指在液體內(nèi)部以產(chǎn)生氣泡的形式進(jìn)行的汽化過程。程。就流體運(yùn)動的動力而言，沸騰過程又有大容器就流體運(yùn)動的動力而言，沸騰過程又有大容器沸騰，又稱池沸

5、騰（沸騰，又稱池沸騰（pool boiling）和管內(nèi)沸騰）和管內(nèi)沸騰兩種兩種(in-tube boiling)。2022-1-107大容器沸騰時流體的運(yùn)動是由于溫差和氣泡大容器沸騰時流體的運(yùn)動是由于溫差和氣泡的擾動所引起的。的擾動所引起的。而管內(nèi)沸騰則需外加的壓差作用才能維持。而管內(nèi)沸騰則需外加的壓差作用才能維持。本節(jié)通過大容器沸騰的介紹闡明沸騰換熱的本節(jié)通過大容器沸騰的介紹闡明沸騰換熱的機(jī)理和基本特點(diǎn)。機(jī)理和基本特點(diǎn)。 2022-1-1081 液體沸騰過程的分類和特征液體沸騰過程的分類和特征 定義：定義：在一定壓力下液體與高于其飽和溫度在一定壓力下液體與高于其飽和溫度的壁面接觸時就有可能在

6、壁面上產(chǎn)生的壁面接觸時就有可能在壁面上產(chǎn)生沸騰現(xiàn)沸騰現(xiàn)象象。（產(chǎn)生條件（產(chǎn)生條件 ）：）：twts特點(diǎn)：液體的蒸汽泡首先在加熱壁面的局部特點(diǎn)：液體的蒸汽泡首先在加熱壁面的局部位置上產(chǎn)生，并逐步長大，直到在浮力和表位置上產(chǎn)生，并逐步長大，直到在浮力和表面張力的共同作用下汽泡脫離加熱表面面張力的共同作用下汽泡脫離加熱表面2022-1-109實(shí)驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生實(shí)驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個加熱面上，在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化核心汽化核心，較普遍，較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘

7、留氣的看法認(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。體，是最好的汽化核心，如圖所示。Nucleation Growth Departure2022-1-1010汽化核心會隨著壁面溫度汽化核心會隨著壁面溫度tw的升高，也就是壁的升高，也就是壁面的過熱度面的過熱度ts=tw-ts的增加而越來越多。汽化的增加而越來越多。汽化核心增多，產(chǎn)生的汽泡就多。核心增多，產(chǎn)生的汽泡就多。分類：分類：大容器沸騰大容器沸騰(池內(nèi)沸騰池內(nèi)沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生由表面的液體中所發(fā)生的沸騰；此時產(chǎn)生的汽的沸騰；此時產(chǎn)生的汽泡能自由浮升，穿過液泡能自由浮升

8、，穿過液體自由進(jìn)入容器空間。體自由進(jìn)入容器空間。2022-1-10112022-1-10122022-1-1013強(qiáng)制對流沸騰：強(qiáng)制對流沸騰：強(qiáng)制對流沸騰，強(qiáng)制對流沸騰，與自然對與自然對流沸騰過程相對應(yīng)的是液體的沸騰過程發(fā)生流沸騰過程相對應(yīng)的是液體的沸騰過程發(fā)生在流體強(qiáng)制對流的過程在流體強(qiáng)制對流的過程飽和沸騰：飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度液體主體溫度達(dá)到飽和溫度ts，壁溫壁溫tw高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰。高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰。過冷沸騰：過冷沸騰：指液體主流尚未達(dá)到飽和溫度，指液體主流尚未達(dá)到飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產(chǎn)生氣泡，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產(chǎn)生氣泡，稱之為過

9、冷沸騰。稱之為過冷沸騰。2022-1-10142 液體中汽泡存在的條件液體中汽泡存在的條件 假設(shè)在液體中存在一個球形汽泡，假設(shè)在液體中存在一個球形汽泡，它與周圍液體處于力和熱的平衡。它與周圍液體處于力和熱的平衡。plpv由于汽液界面有表面張力，汽由于汽液界面有表面張力，汽泡內(nèi)的壓力泡內(nèi)的壓力pv必大于汽泡外的壓必大于汽泡外的壓力力pl。力的平衡條件為：力的平衡條件為：RppRlV2)(2 pl 汽泡的受力分析汽泡的受力分析pvR2022-1-1015式中式中 為汽液界面的表面張力。為汽液界面的表面張力。pl是液體的壓力，可認(rèn)為是環(huán)是液體的壓力，可認(rèn)為是環(huán)境壓力，即境壓力，即 pl ps。Rpp

10、Rlv2)(2lvppR2由熱力學(xué)的相平衡方程由熱力學(xué)的相平衡方程 slvTdTdp11其差分表達(dá)式其差分表達(dá)式 svsvlvTTTppvl汽泡存在的條件汽泡存在的條件 )(2svvsTTTR pl 汽泡的受力分析汽泡的受力分析pvR2022-1-1016如果蒸汽泡要在液體中存在或者長大，汽、液如果蒸汽泡要在液體中存在或者長大，汽、液界面上的液體溫度必須等于或大于蒸汽的溫度界面上的液體溫度必須等于或大于蒸汽的溫度,以保持液體的汽化和同時向蒸汽傳熱。否則，以保持液體的汽化和同時向蒸汽傳熱。否則，蒸汽就會因向液體傳熱而凝結(jié)，汽泡內(nèi)的蒸汽蒸汽就會因向液體傳熱而凝結(jié)，汽泡內(nèi)的蒸汽一旦出現(xiàn)凝結(jié)，力平衡一

11、旦遭到破壞，汽泡就一旦出現(xiàn)凝結(jié)，力平衡一旦遭到破壞，汽泡就會迅速破滅。會迅速破滅。 而熱平衡則要求汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為而熱平衡則要求汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為pV壓力下壓力下的飽和溫度的飽和溫度tV。熱平衡還要求界面內(nèi)外溫度相。熱平衡還要求界面內(nèi)外溫度相等。即等。即tl tV所以汽泡外的液體必然是過熱的所以汽泡外的液體必然是過熱的，過熱度為，過熱度為tV - ts。2022-1-1017)(2svvsTTTR氣泡總是首先從加熱壁面上產(chǎn)生。氣泡總是首先從加熱壁面上產(chǎn)生。隨著過熱度增加，允許存在的最小汽泡半徑隨著過熱度增加，允許存在的最小汽泡半徑會越小，可以成為汽化核心的地點(diǎn)就會越多，會越小，可以成為汽化核

12、心的地點(diǎn)就會越多，從而沸騰換熱強(qiáng)度也就越大從而沸騰換熱強(qiáng)度也就越大可見，可見， (tv ts ) , Rmin 同一加熱面上，同一加熱面上，稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心汽化核心數(shù)增加數(shù)增加 換熱增強(qiáng)。換熱增強(qiáng)。液體在加熱面上溫度最高，所以這里的過熱液體在加熱面上溫度最高，所以這里的過熱度最大。代入下式中：度最大。代入下式中：得得maxmin2svstTR2022-1-10183 大容器沸騰曲線分析大容器沸騰曲線分析把一個加熱器浸沒在飽和水中，使之溫度逐把一個加熱器浸沒在飽和水中，使之溫度逐步增加，并觀察加熱器表面上的沸騰過程，步增加，并觀察加熱器表面上的沸騰過

13、程，同時得出加熱熱流密度同時得出加熱熱流密度q與過熱度與過熱度ts=tw-ts的的關(guān)系曲線，這就是飽和水大容器沸騰曲線，關(guān)系曲線，這就是飽和水大容器沸騰曲線， 2022-1-1019自然對流沸騰區(qū)自然對流沸騰區(qū)這里加熱面的溫度較低，這里加熱面的溫度較低，壁面附近的液體的過熱度較小，而液體的總體壁面附近的液體的過熱度較小，而液體的總體溫度低于飽和溫度，壁面上能產(chǎn)生的汽泡的地溫度低于飽和溫度，壁面上能產(chǎn)生的汽泡的地方很少，處于較低強(qiáng)度的過冷沸騰狀態(tài)。方很少，處于較低強(qiáng)度的過冷沸騰狀態(tài)?？刂票跍乜刂票跍刈匀蛔匀粚α鲗α鱰q42022-1-1020流體的運(yùn)動主要是自然對流造成的，因而壁面流體的運(yùn)動主要

14、是自然對流造成的，因而壁面與流體之間的熱交換也與流體之間的熱交換也以自然對流換熱為主以自然對流換熱為主。由于存在一定程度的沸騰現(xiàn)象，在該區(qū)段的換由于存在一定程度的沸騰現(xiàn)象，在該區(qū)段的換熱強(qiáng)度要比單純的自然對流換熱強(qiáng)。熱強(qiáng)度要比單純的自然對流換熱強(qiáng)。 自然自然對流對流tq控制壁溫控制壁溫2022-1-1021核態(tài)沸騰區(qū)核態(tài)沸騰區(qū)在此區(qū)段中隨著液體過熱度的增加，在此區(qū)段中隨著液體過熱度的增加，液體的總體溫度也不斷地升高而達(dá)到或大于飽和液體的總體溫度也不斷地升高而達(dá)到或大于飽和溫度。加熱壁面上產(chǎn)生汽泡的地點(diǎn)逐步增多，汽溫度。加熱壁面上產(chǎn)生汽泡的地點(diǎn)逐步增多，汽泡不斷產(chǎn)生、長大、躍離，并在液體浮升力作

15、用泡不斷產(chǎn)生、長大、躍離，并在液體浮升力作用下運(yùn)動，最后上升到液體的自由面。下運(yùn)動，最后上升到液體的自由面?？刂票跍乜刂票跍刈匀蛔匀粚α鲗α鱰q核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰2022-1-1022當(dāng)加熱壁面的過熱度后，壁面上個別地點(diǎn)當(dāng)加熱壁面的過熱度后，壁面上個別地點(diǎn)（稱為氣化核心）開始產(chǎn)生氣泡開始階段，（稱為氣化核心）開始產(chǎn)生氣泡開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡彼此互不干擾，稱孤立汽化核心產(chǎn)生的汽泡彼此互不干擾，稱孤立汽泡區(qū)。汽泡區(qū)。隨著隨著t t進(jìn)一步增加，汽化核心增加，汽泡互進(jìn)一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影響，井會合成汽塊及汽柱。相影響，井會合成汽塊及汽柱。在這兩區(qū)中，汽泡的擾動劇烈，換熱系數(shù)和在這兩

16、區(qū)中，汽泡的擾動劇烈，換熱系數(shù)和熱流密度都急劇增大。熱流密度都急劇增大。2022-1-1023(a) 孤立氣泡區(qū)孤立氣泡區(qū) （b) 氣柱氣塊區(qū)氣柱氣塊區(qū)2022-1-1024由于由于具有傳熱溫差小換熱熱流密度大的特征具有傳熱溫差小換熱熱流密度大的特征，核態(tài)沸騰區(qū)是工程樂于采用的過程。核態(tài)沸騰區(qū)是工程樂于采用的過程?？刂票跍乜刂票跍刈匀蛔匀粚α鲗α鱰q核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰2022-1-1025過渡沸騰區(qū)過渡沸騰區(qū)經(jīng)過經(jīng)過C點(diǎn)之后，隨著過熱度的進(jìn)點(diǎn)之后，隨著過熱度的進(jìn)一步增加而使汽化核心的數(shù)目增加到使其產(chǎn)生一步增加而使汽化核心的數(shù)目增加到使其產(chǎn)生的汽泡很容易結(jié)合成汽膜，使換熱強(qiáng)度下降的汽泡很容易結(jié)合成

17、汽膜，使換熱強(qiáng)度下降 自然自然對流對流tq核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰過渡沸騰過渡沸騰控制壁溫控制壁溫2022-1-1026由于過熱度不是很大，汽泡形成的汽膜并不由于過熱度不是很大，汽泡形成的汽膜并不十分穩(wěn)定，存在不斷地產(chǎn)生和破裂的狀態(tài)。十分穩(wěn)定，存在不斷地產(chǎn)生和破裂的狀態(tài)。因此，整體的沸騰換熱過程是屬于核態(tài)沸騰因此，整體的沸騰換熱過程是屬于核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰并存的過渡沸騰區(qū)域和膜態(tài)沸騰并存的過渡沸騰區(qū)域 。自然自然對流對流tq核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰過渡沸騰過渡沸騰控制壁溫控制壁溫2022-1-1027(4) 穩(wěn)定膜態(tài)沸騰穩(wěn)定膜態(tài)沸騰：局部汽膜相互結(jié)合，最終：局部汽膜相互結(jié)合，最終加熱面全部被汽膜覆蓋，形成穩(wěn)定

18、的膜態(tài)沸騰。加熱面全部被汽膜覆蓋，形成穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰。這時隨著這時隨著tw的提高，輻射換熱量占據(jù)的比例越的提高，輻射換熱量占據(jù)的比例越來越大，所以來越大，所以q隨隨 t的增加而增加。的增加而增加。自然自然對流對流tq核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰過渡沸騰過渡沸騰穩(wěn)定膜態(tài)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰沸騰2022-1-1028(c) 膜態(tài)沸騰區(qū)膜態(tài)沸騰區(qū) 2022-1-1029對控制熱流的加熱方式對控制熱流的加熱方式，那么當(dāng)增大熱流密度，那么當(dāng)增大熱流密度達(dá)到臨界熱流密度，只要熱流密度略有增加，達(dá)到臨界熱流密度，只要熱流密度略有增加，加熱壁面溫度就會出現(xiàn)飛升，即跳到加熱壁面溫度就會出現(xiàn)飛升，即跳到E點(diǎn)之后點(diǎn)之后所對應(yīng)的過熱度值

19、，這會導(dǎo)致加熱設(shè)備的破壞。所對應(yīng)的過熱度值，這會導(dǎo)致加熱設(shè)備的破壞。自然自然對流對流tq核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰過渡沸騰過渡沸騰穩(wěn)定膜態(tài)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰沸騰鐵棒燒毀鐵棒燒毀2022-1-1030對于能夠控制溫度的加熱壁面，從沸騰換熱對于能夠控制溫度的加熱壁面，從沸騰換熱的效果上及工作的穩(wěn)定性上考慮，應(yīng)避免采的效果上及工作的穩(wěn)定性上考慮，應(yīng)避免采用過渡沸騰區(qū)段或膜態(tài)沸騰區(qū)段作為沸騰換用過渡沸騰區(qū)段或膜態(tài)沸騰區(qū)段作為沸騰換熱設(shè)計工況和運(yùn)行狀態(tài)。熱設(shè)計工況和運(yùn)行狀態(tài)。 自然自然對流對流tq核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰過渡沸騰過渡沸騰穩(wěn)定膜態(tài)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰沸騰鐵棒燒毀鐵棒燒毀2022-1-1031幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明：（1）上述

20、熱流密度的峰值）上述熱流密度的峰值qmax有重大意義，有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNB作為監(jiān)視接近作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(diǎn)對熱流密度可控和的警戒。這一點(diǎn)對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。凝結(jié)小得多。2022-1-10324 大容器沸騰換熱計算大容器沸騰換熱計算液體處于核態(tài)沸騰區(qū)時液體處于核態(tài)沸騰區(qū)時 cpl飽

21、和液體的定壓比熱容，飽和液體的定壓比熱容，J/(kgK)；Cwl取決于加熱表面和液體組合情況的經(jīng)驗常數(shù)取決于加熱表面和液體組合情況的經(jīng)驗常數(shù)r 汽化潛熱，汽化潛熱，J/kg；g重力加速度，重力加速度，m/s2；Prl飽和液體的普朗特數(shù)，飽和液體的普朗特數(shù)，Prl=cpl l/ l；q沸騰熱流密度，沸騰熱流密度，W/m2； t壁面過熱度，壁面過熱度，； l、 V分別為飽和液體和飽和蒸汽的密度，分別為飽和液體和飽和蒸汽的密度，kg/m3；nlvllwlswplgqCttcPr)()(31212022-1-1033上式計算大空間核態(tài)沸騰計算結(jié)果的誤差比上式計算大空間核態(tài)沸騰計算結(jié)果的誤差比較大，如水

22、的核態(tài)沸騰的實(shí)驗結(jié)果與用關(guān)系較大，如水的核態(tài)沸騰的實(shí)驗結(jié)果與用關(guān)系式計算的結(jié)果大約有式計算的結(jié)果大約有40左右的誤差，且由左右的誤差，且由溫差計算熱流誤差更大。溫差計算熱流誤差更大。 大容器沸騰的臨界熱流密度大容器沸騰的臨界熱流密度2141211)(24lvvvvcgrpq2022-1-1034水平圓管外膜態(tài)沸騰換熱的計算公式水平圓管外膜態(tài)沸騰換熱的計算公式 41362. 0swvvvlvcttdgh除除 l、 的值由飽和溫度確定外，其余物性量的值由飽和溫度確定外，其余物性量均以平均溫度為定性溫度，特征尺寸取圓管均以平均溫度為定性溫度，特征尺寸取圓管的外直徑的外直徑d。膜態(tài)沸騰時加熱壁面溫度高

23、，壁面與液膜之膜態(tài)沸騰時加熱壁面溫度高，壁面與液膜之間的輻射換熱是不能忽略間的輻射換熱是不能忽略,總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 444333crhhh2022-1-1035例題例題大容器中飽和水的壓力為大容器中飽和水的壓力為1.434 105 Pa，其中放置的加熱鎳棒的表面溫度為其中放置的加熱鎳棒的表面溫度為120 。試計算加熱鎳棒與水之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。試計算加熱鎳棒與水之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解解 由參數(shù)表知在由參數(shù)表知在1.434 105 Pa下各物性參數(shù)下各物性參數(shù)值為值為ts=110，cp1=4.233 kJ /（kg），）， =569.0 10-4 N/m， 1=951.0 kg

24、/m3， 1 =259.0 10-6 kg/(m s)，Pr1=1.6， v=0.8265 kg/m3，=2229.9 kJ/kg。 2022-1-1036由核態(tài)沸騰換熱計算式由核態(tài)沸騰換熱計算式 nlvllwlswplgqCttcPr)()(3121得得54332663331081. 1100 .5698265. 00 .95181. 96 . 1006. 0102299. 2100 .2591010233. 4q于是加熱鎳棒與水之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：于是加熱鎳棒與水之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為： 542o118.1 10= 18.12 10 W/(m C)10wqhtt2022-1-1037例題例

25、題:飽和水的壓力為飽和水的壓力為1.434 105 Pa，在大容器，在大容器中受到鎳制加熱器的加熱。在達(dá)到核態(tài)沸騰時，中受到鎳制加熱器的加熱。在達(dá)到核態(tài)沸騰時，試計算最大熱流密度和最大溫差。試計算最大熱流密度和最大溫差。 解解 壓力壓力1.434 105 Pa所對應(yīng)的飽和水及蒸汽所對應(yīng)的飽和水及蒸汽的物性參數(shù)分別為的物性參數(shù)分別為ts=110， 1=951.0 kg/m3，=2229.9 kJ/kg，cP1 = 4.233 kJ/kg，Pr=1.60， 1=259.0 10-6 kg/(m s)， v=0.8265 kg/m5，以，以及由表及由表5-6查得查得CW1 = 0.006，而從表，而

26、從表6-7查出查出 =569 10-4 N/m，對于水，對于水n=1。 2022-1-1038最大熱流密度最大熱流密度 14612()=1.272 10 W/(m2)24vcvvgqrp由核態(tài)沸騰計算式由核態(tài)沸騰計算式 nvwlPrgrqCrtc31111)(代入數(shù)據(jù)解代入數(shù)據(jù)解 tmax= 8.9 2022-1-1039例題例題 電加熱器的不銹鋼加熱管浸沒在大容器的電加熱器的不銹鋼加熱管浸沒在大容器的水中，在加熱管的外表面上發(fā)生核態(tài)沸騰。水水中，在加熱管的外表面上發(fā)生核態(tài)沸騰。水的壓力為的壓力為1.434 105 Pa 加熱管直徑為加熱管直徑為3 mm，其，其比電阻為比電阻為 1.1 10-

27、6 m 。假定水過熱。假定水過熱20，試，試計算通過加熱管的最大電流，及在此條件下的計算通過加熱管的最大電流，及在此條件下的臨界熱流密度。臨界熱流密度。 解解 在在1.434 105 Pa壓力下對應(yīng)的飽和水溫度壓力下對應(yīng)的飽和水溫度為為ts = 110，而過熱水溫度為，而過熱水溫度為t=110+20=130。在過熱水溫度為在過熱水溫度為130時的物性參數(shù)：時的物性參數(shù)： 1=934.8 kg/m3， =528.8 10-4 N/m， v=1.497 kg/m3，=2173.8 kJ/kg。 2022-1-1040臨界熱流密度臨界熱流密度 1446623.14528.8 109.81(934.8

28、 1.497)2.1738 101.497=1.632 10 W/m2241.497cq電加熱器的電阻為電加熱器的電阻為 )(15. 04/101 . 126LdLALCR由加熱器的熱平衡關(guān)系有由加熱器的熱平衡關(guān)系有q dL = I 2R，解，解 )(7 .31321ARdLqI2022-1-1041復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1：在液體沸騰過程中一個球形汽泡存在在液體沸騰過程中一個球形汽泡存在的條件是什么的條件是什么?為什么需要這樣的條件為什么需要這樣的條件?在液體沸騰過程中一個球形汽泡存在的條件是在液體沸騰過程中一個球形汽泡存在的條件是液體必須有一定的過熱度。這是因為從汽泡的液體必須有一定的過熱度。這是因為從

29、汽泡的力平衡條件得出力平衡條件得出 ，只要汽泡半徑不是，只要汽泡半徑不是無窮大，蒸汽壓力就大于液體壓力，它們各自無窮大，蒸汽壓力就大于液體壓力，它們各自對應(yīng)的飽和溫度就不同有對應(yīng)的飽和溫度就不同有 ；又由汽泡熱；又由汽泡熱平衡條件有平衡條件有 ，而汽泡存在必須保持其飽，而汽泡存在必須保持其飽和溫度，那么液體溫度和溫度，那么液體溫度 ,即大于其對應(yīng)的即大于其對應(yīng)的飽和溫度，也就是液體必須過熱。飽和溫度，也就是液體必須過熱。Rpplv2lsvsTTlvTTlslTT 2022-1-1042復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2：畫出大容器沸騰換熱過程中熱流密畫出大容器沸騰換熱過程中熱流密度隨過熱度的變化曲線度隨過熱度的變化曲

30、線(控制壁溫加熱用實(shí)線控制壁溫加熱用實(shí)線控制熱流加熱用虛線控制熱流加熱用虛線)，并指出沸騰的幾個主，并指出沸騰的幾個主要區(qū)域。要區(qū)域。 自然自然對流對流tq核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰過渡沸騰過渡沸騰穩(wěn)定膜態(tài)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰沸騰2022-1-1043復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)3：什么是沸騰換熱的臨界熱流密度？什么是沸騰換熱的臨界熱流密度？當(dāng)沸騰換熱達(dá)到臨界熱流密度時，在什么條當(dāng)沸騰換熱達(dá)到臨界熱流密度時，在什么條件下才會對換熱設(shè)備造成危害？件下才會對換熱設(shè)備造成危害？ 答：對于大容器飽和沸騰，核態(tài)沸騰和過渡答：對于大容器飽和沸騰，核態(tài)沸騰和過渡沸騰之間熱流密度的峰值稱為臨界熱流密度。沸騰之間熱流密度的峰值稱為臨界熱流密度。當(dāng)沸

31、騰換熱達(dá)到臨界熱流密度時，高溫下恒當(dāng)沸騰換熱達(dá)到臨界熱流密度時，高溫下恒熱流密度加熱時會對換熱設(shè)備造成危害。熱流密度加熱時會對換熱設(shè)備造成危害。 2022-1-1044復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)4：燒開水時，為什么一旦燒開水時，為什么一旦水燒干了，鋁壺就很容易燒壞？水燒干了，鋁壺就很容易燒壞？答：因為水側(cè)（沸騰）時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)答：因為水側(cè)（沸騰）時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)大于火焰?zhèn)鹊谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)，沒燒干時，遠(yuǎn)大于火焰?zhèn)鹊谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)，沒燒干時，壺底更接近于水的溫度，所以不會達(dá)到鋁壺底更接近于水的溫度，所以不會達(dá)到鋁的熔點(diǎn)。的熔點(diǎn)。 2022-1-1045復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)5：解釋為什么用紙可以燒解釋為什么用紙可以燒開水？開水？

32、答：水側(cè)的熱阻遠(yuǎn)小于加熱側(cè)的熱阻，紙答：水側(cè)的熱阻遠(yuǎn)小于加熱側(cè)的熱阻，紙的溫度更接近于水的溫度，不會達(dá)到紙的的溫度更接近于水的溫度，不會達(dá)到紙的著火點(diǎn)。著火點(diǎn)。 2022-1-1046復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)6：兩滴完全相同的水珠分兩滴完全相同的水珠分別落在別落在120C和和400C的鐵板上，的鐵板上，哪一滴先氣化？哪一滴先氣化？答：落在答：落在120C鐵鐵板上的水珠先氣板上的水珠先氣化。因為水珠在化。因為水珠在120C鐵板上的沸鐵板上的沸騰屬于核態(tài)沸騰，騰屬于核態(tài)沸騰，換熱較強(qiáng)。在換熱較強(qiáng)。在400C鐵板上的沸鐵板上的沸騰屬于膜態(tài)沸騰，騰屬于膜態(tài)沸騰，換熱較弱。換熱較弱。自然自然對流對流tq核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰

33、過渡沸騰過渡沸騰穩(wěn)定膜態(tài)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰沸騰4 100 10002022-1-10475 沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化沸騰換熱是我們所學(xué)習(xí)過的對流換熱現(xiàn)象沸騰換熱是我們所學(xué)習(xí)過的對流換熱現(xiàn)象中影響因素最多、最復(fù)雜的換熱過程，實(shí)中影響因素最多、最復(fù)雜的換熱過程，實(shí)驗關(guān)聯(lián)式與所依據(jù)的試驗數(shù)據(jù)間的離散度驗關(guān)聯(lián)式與所依據(jù)的試驗數(shù)據(jù)間的離散度和不同關(guān)聯(lián)式間的分歧也最為嚴(yán)重。和不同關(guān)聯(lián)式間的分歧也最為嚴(yán)重。本節(jié)中主要討論影響大容器沸騰的因素，本節(jié)中主要討論影響大容器沸騰的因素，和強(qiáng)化沸騰換熱的機(jī)理與技術(shù)。和強(qiáng)化沸騰換熱的機(jī)理與技術(shù)。 2022-1-10485.1 影響沸騰換熱的因素影響

34、沸騰換熱的因素 不凝結(jié)氣體：不凝結(jié)氣體：與膜狀凝結(jié)不同，溶解于液體中與膜狀凝結(jié)不同，溶解于液體中的不凝結(jié)氣體會使沸騰換熱得到某種強(qiáng)化。這的不凝結(jié)氣體會使沸騰換熱得到某種強(qiáng)化。這是因為，隨著工作液體溫度的升高，不凝結(jié)氣是因為，隨著工作液體溫度的升高，不凝結(jié)氣體會從液體中逸出，使壁面附近的微小凹坑得體會從液體中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成為汽泡的胚芽，即在相同的下產(chǎn)以活化，成為汽泡的胚芽，即在相同的下產(chǎn)生更高的熱流密度，強(qiáng)化了換熱。但對處于穩(wěn)生更高的熱流密度，強(qiáng)化了換熱。但對處于穩(wěn)定運(yùn)行下的沸騰換熱設(shè)備來說，除非不斷地向定運(yùn)行下的沸騰換熱設(shè)備來說，除非不斷地向工作液體注入不凝結(jié)氣體，否則

35、它們一經(jīng)逸出，工作液體注入不凝結(jié)氣體，否則它們一經(jīng)逸出，也就起不到強(qiáng)化作用了。也就起不到強(qiáng)化作用了。2022-1-1049過冷度：過冷度：如果在大容器沸騰中流體主要部如果在大容器沸騰中流體主要部分的溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，則分的溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，則這種沸騰稱為過冷沸騰這種沸騰稱為過冷沸騰(subcooling boiling)。對于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰起始點(diǎn)對于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰起始點(diǎn)附近區(qū)域外，過冷度對沸騰換熱的強(qiáng)度并附近區(qū)域外，過冷度對沸騰換熱的強(qiáng)度并無影響。無影響。在核態(tài)沸騰起始段，自然對流的機(jī)理還占在核態(tài)沸騰起始段，自然對流的機(jī)理還占相當(dāng)大的比例，過冷會

36、使該區(qū)域的換熱有相當(dāng)大的比例，過冷會使該區(qū)域的換熱有所增強(qiáng)。所增強(qiáng)。2022-1-1050液位高度：液位高度：在大容器沸騰中，當(dāng)傳熱表面在大容器沸騰中，當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰傳熱表面?zhèn)鳠嵯瞪系囊何蛔銐蚋邥r，沸騰傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)，本章以前介紹的計算數(shù)與液位高度無關(guān)，本章以前介紹的計算式都屬于這種形式。式都屬于這種形式。但當(dāng)液位降低到一定值時，沸騰傳熱的表但當(dāng)液位降低到一定值時，沸騰傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液位的降低而升高，面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液位的降低而升高，這一特定的液位值稱為臨界液位。這一特定的液位值稱為臨界液位。對于常壓下的水，其值約為對于常壓下的水，其值約為5

37、mm。低液位。低液位沸騰在熱管及電子器件冷卻中有所應(yīng)用。沸騰在熱管及電子器件冷卻中有所應(yīng)用。2022-1-1051重力加速度：重力加速度：隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，超重力及微重力情況下的傳熱規(guī)律的研究超重力及微重力情況下的傳熱規(guī)律的研究近幾十年中得到很大的發(fā)展。近幾十年中得到很大的發(fā)展。現(xiàn)有的研究成果表明，在重力加速度很大現(xiàn)有的研究成果表明，在重力加速度很大的變化范圍內(nèi)重力場幾乎對核態(tài)沸騰的換的變化范圍內(nèi)重力場幾乎對核態(tài)沸騰的換熱規(guī)律沒有影響熱規(guī)律沒有影響(從重力加速度為從重力加速度為0.10m/s一一直到直到1009.8m/s。但重力加速度對液體自。但重力加速度對液體自

38、然對流則有顯著的影響然對流則有顯著的影響自然對流隨加速自然對流隨加速度的增加而強(qiáng)化度的增加而強(qiáng)化。在零重力場。在零重力場(或接近于或接近于零重力場零重力場)的情況下，沸騰換熱的規(guī)律還研的情況下，沸騰換熱的規(guī)律還研究得不夠。究得不夠。2022-1-10525.2強(qiáng)化沸騰換熱的原則和技術(shù)強(qiáng)化沸騰換熱的原則和技術(shù)無論大容器沸騰還是管內(nèi)沸騰，在加熱面無論大容器沸騰還是管內(nèi)沸騰，在加熱面上產(chǎn)生氣泡是其共同的特點(diǎn)，也是使對流上產(chǎn)生氣泡是其共同的特點(diǎn)，也是使對流換熱比無相變的換熱強(qiáng)烈的最基本原因。換熱比無相變的換熱強(qiáng)烈的最基本原因。因此強(qiáng)化沸騰換熱的基本原則是盡量增加因此強(qiáng)化沸騰換熱的基本原則是盡量增加加熱

39、面上的汽化核心，即產(chǎn)生氣泡的地點(diǎn)。加熱面上的汽化核心，即產(chǎn)生氣泡的地點(diǎn)。根據(jù)前面的分析，加熱面上的微小凹坑最根據(jù)前面的分析，加熱面上的微小凹坑最容易稱為氣化核心，近幾十年來強(qiáng)化沸騰容易稱為氣化核心，近幾十年來強(qiáng)化沸騰換熱表面的開發(fā)主要是按照這一思想進(jìn)行換熱表面的開發(fā)主要是按照這一思想進(jìn)行的。的。2022-1-1053強(qiáng)化大容器沸騰的表面強(qiáng)化大容器沸騰的表面工業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出兩類增加表面凹坑的方工業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出兩類增加表面凹坑的方法：法：(1)用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)的方法在換熱表面上造成積等物理與化學(xué)的方法在換熱表面上造成一層多孔結(jié)構(gòu)；一層多孔結(jié)

40、構(gòu)；(2)采用機(jī)械加工方法在換采用機(jī)械加工方法在換熱管表面上造成多孔結(jié)構(gòu)，圖中示出了幾熱管表面上造成多孔結(jié)構(gòu)，圖中示出了幾種典型的結(jié)構(gòu)與一根沸騰傳熱雙側(cè)強(qiáng)化管種典型的結(jié)構(gòu)與一根沸騰傳熱雙側(cè)強(qiáng)化管的縱截面照片。這種強(qiáng)化表面的換熱強(qiáng)度的縱截面照片。這種強(qiáng)化表面的換熱強(qiáng)度與光滑管相比，常常要高一個數(shù)量級，已與光滑管相比，常常要高一個數(shù)量級，已經(jīng)在制冷、化工等部門得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)在制冷、化工等部門得到廣泛應(yīng)用。2022-1-1054沸騰傳熱強(qiáng)化表面結(jié)構(gòu)示意圖與照片沸騰傳熱強(qiáng)化表面結(jié)構(gòu)示意圖與照片 2022-1-1055強(qiáng)化管內(nèi)沸騰的表面結(jié)構(gòu)強(qiáng)化管內(nèi)沸騰的表面結(jié)構(gòu)為了防止管內(nèi)沸騰蒸干區(qū)域管壁溫度的飛為了

41、防止管內(nèi)沸騰蒸干區(qū)域管壁溫度的飛升，電站鍋爐中廣泛采用圖升，電站鍋爐中廣泛采用圖 (a)所示的內(nèi)螺所示的內(nèi)螺紋鋼管，肋片的高度在紋鋼管，肋片的高度在1mm左右。圖左右。圖(b) 所所示的二、三維微肋管也廣泛應(yīng)用于制冷劑示的二、三維微肋管也廣泛應(yīng)用于制冷劑的管內(nèi)沸騰換熱。圖的管內(nèi)沸騰換熱。圖 (b)中示意性地表示了中示意性地表示了展成平面的三維微肋結(jié)構(gòu)。注意其中每一展成平面的三維微肋結(jié)構(gòu)。注意其中每一個微小的幾何凸體各個方向的幾何尺度只個微小的幾何凸體各個方向的幾何尺度只有有0.10.3mm 左右。左右。2022-1-1056（a）內(nèi)螺紋管 (b)三維微肋管肋柱展開圖內(nèi)螺紋管與三維內(nèi)肋管示意圖2

42、022-1-10575-5 蒸汽凝結(jié)換熱計算蒸汽凝結(jié)換熱計算應(yīng)用背景應(yīng)用背景冰箱：冷凝器，蒸發(fā)器冰箱：冷凝器，蒸發(fā)器汽輪機(jī)：蒸汽冷凝汽輪機(jī)：蒸汽冷凝寒冷冬天窗戶上的冰花寒冷冬天窗戶上的冰花產(chǎn)生條件：產(chǎn)生條件：蒸汽與溫度低于其飽和溫度的固體蒸汽與溫度低于其飽和溫度的固體壁面接觸時，就會放出汽化潛熱而凝結(jié)成壁面接觸時，就會放出汽化潛熱而凝結(jié)成液體液體依附于壁面上。依附于壁面上。2022-1-10581 蒸汽凝結(jié)過程及其換熱性能蒸汽凝結(jié)過程及其換熱性能蒸汽與低于其飽和溫度的壁面蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時有接觸時有兩種不同的凝結(jié)形式兩種不同的凝結(jié)形式:膜狀凝結(jié)：膜狀凝結(jié)：凝結(jié)液體能很好地潤濕壁面

43、，從凝結(jié)液體能很好地潤濕壁面，從而在壁面上鋪展成膜。壁面總是被一層液膜而在壁面上鋪展成膜。壁面總是被一層液膜覆蓋著，凝結(jié)放出的潛熱必須穿過液膜才能覆蓋著，凝結(jié)放出的潛熱必須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上去。傳到冷卻壁面上去。 液膜層是換熱的主要熱阻液膜層是換熱的主要熱阻2022-1-1059 珠狀凝結(jié)：珠狀凝結(jié)：凝結(jié)液體不能很好地潤濕凝結(jié)液體不能很好地潤濕壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個小液珠。小液珠。兩種凝結(jié)具有不同的潤濕角，即汽液分界面兩種凝結(jié)具有不同的潤濕角，即汽液分界面對壁面形成的角對壁面形成的角 。 小則潤濕能力強(qiáng)，液體小則潤濕能力強(qiáng)，液體會形成膜。會形成

44、膜。在珠狀凝結(jié)時，由于冷凝液不能完全覆蓋冷在珠狀凝結(jié)時，由于冷凝液不能完全覆蓋冷凝壁面，蒸汽有機(jī)會直接與冷凝壁面直接接凝壁面，蒸汽有機(jī)會直接與冷凝壁面直接接觸，放出的潛熱而凝結(jié)成液體。因此，觸，放出的潛熱而凝結(jié)成液體。因此，珠狀珠狀凝結(jié)的換熱性能遠(yuǎn)比膜狀凝結(jié)為好凝結(jié)的換熱性能遠(yuǎn)比膜狀凝結(jié)為好。 2022-1-1060珠狀凝結(jié)時，所形成的液珠不斷長大，在非珠狀凝結(jié)時，所形成的液珠不斷長大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠長大到水平的壁面上，因受重力作用，液珠長大到一定尺寸后就沿壁面滾下。一定尺寸后就沿壁面滾下。在滾下的過程中，一方面會合相遇的液珠，在滾下的過程中，一方面會合相遇的液珠，合并成

45、更大的液滴，另一方面也掃清了沿途合并成更大的液滴，另一方面也掃清了沿途的液珠，更利于蒸汽的凝結(jié)。的液珠，更利于蒸汽的凝結(jié)。珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)要比膜狀凝結(jié)大數(shù)倍乃珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)要比膜狀凝結(jié)大數(shù)倍乃至一個數(shù)量級。至一個數(shù)量級。2022-1-10612022-1-10622 凝結(jié)換熱的分析與計算凝結(jié)換熱的分析與計算 實(shí)驗查明，幾乎所有的常用蒸氣，包括水蒸實(shí)驗查明，幾乎所有的常用蒸氣，包括水蒸氣在內(nèi)，在純凈的條件下均能在常用工程材氣在內(nèi)，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結(jié)。料的潔凈表面上得到膜狀凝結(jié)。這種情況與我們清洗實(shí)驗器皿的日常經(jīng)驗相這種情況與我們清洗實(shí)驗器皿的日常經(jīng)驗相

46、符合：器皿表面上能形成一層液膜被認(rèn)為是符合：器皿表面上能形成一層液膜被認(rèn)為是洗凈的標(biāo)志。洗凈的標(biāo)志。在大多數(shù)工業(yè)冷凝器中，特別是動力冷凝器在大多數(shù)工業(yè)冷凝器中，特別是動力冷凝器上，實(shí)際上都得到膜狀凝結(jié)。上，實(shí)際上都得到膜狀凝結(jié)。2022-1-1063鑒于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用上都只能實(shí)現(xiàn)膜狀凝結(jié)，所鑒于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用上都只能實(shí)現(xiàn)膜狀凝結(jié)，所以從設(shè)計的觀點(diǎn)出發(fā)，為保證凝結(jié)效果，只能以從設(shè)計的觀點(diǎn)出發(fā)，為保證凝結(jié)效果，只能用膜狀凝結(jié)的計算式作為設(shè)計的依據(jù)。用膜狀凝結(jié)的計算式作為設(shè)計的依據(jù)。以下的討論亦限于膜狀凝結(jié)的分析和計算。同以下的討論亦限于膜狀凝結(jié)的分析和計算。同時我們從前面的介紹中知道，對于膜狀凝結(jié)，時

47、我們從前面的介紹中知道，對于膜狀凝結(jié)，強(qiáng)化換熱的主要途徑是減薄液膜的厚度，強(qiáng)化換熱的主要途徑是減薄液膜的厚度， 2022-1-10641916年，努塞爾年，努塞爾首次提出簡單膜狀凝結(jié)換熱首次提出簡單膜狀凝結(jié)換熱分析是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。分析是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。他抓住他抓住液膜層的導(dǎo)熱熱阻是主要熱阻液膜層的導(dǎo)熱熱阻是主要熱阻這一特這一特點(diǎn)，忽略次要因素，是分析求解換熱問題的點(diǎn)，忽略次要因素，是分析求解換熱問題的一個典范。自一個典范。自1916年以來，各種修正或發(fā)展年以來，各種修正或發(fā)展都是針對都是針對Nusselt分析的限制性假設(shè)而進(jìn)行，分析的限制性假設(shè)而進(jìn)行，并形

48、成了各種實(shí)用的計算方法。并形成了各種實(shí)用的計算方法。所以，我們首先得了解所以，我們首先得了解Nusselt對純凈飽和蒸對純凈飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的分析。汽膜狀凝結(jié)換熱的分析。2022-1-1065基本假設(shè)：基本假設(shè)：(1)純凈的飽和蒸汽，且物性為常數(shù)；純凈的飽和蒸汽，且物性為常數(shù)；(2)蒸汽處于靜止?fàn)顟B(tài)，且忽略蒸汽與液膜之蒸汽處于靜止?fàn)顟B(tài)，且忽略蒸汽與液膜之間的摩擦力；間的摩擦力；(3)忽略液膜的慣性力；忽略液膜的慣性力；(4)液膜與蒸汽之間無溫度差，故液膜表面溫液膜與蒸汽之間無溫度差，故液膜表面溫度等于蒸汽的飽和溫度度等于蒸汽的飽和溫度t=ts；2022-1-1066(5)液膜內(nèi)溫度分布為線

49、性，使通過液膜的傳熱液膜內(nèi)溫度分布為線性，使通過液膜的傳熱只存在導(dǎo)熱方式而不存在對流方式；只存在導(dǎo)熱方式而不存在對流方式；(6)液膜表面平整無波動；液膜表面平整無波動；(7)忽略液膜過冷。忽略液膜過冷。 我們將根據(jù)以上假設(shè)，從邊界層方程組出發(fā)，我們將根據(jù)以上假設(shè)，從邊界層方程組出發(fā)，推導(dǎo)出推導(dǎo)出Nusselt分析時所建立的簡化方程，以作分析時所建立的簡化方程，以作為邊界層理論應(yīng)用的一個實(shí)例。為邊界層理論應(yīng)用的一個實(shí)例。凝結(jié)液膜的流動和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。凝結(jié)液膜的流動和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。2022-1-1067以豎壁的膜狀凝結(jié)為例，把坐標(biāo)以豎壁的膜狀凝結(jié)為例，把坐標(biāo)x取為重力方取為

50、重力方向。在穩(wěn)態(tài)情況下，邊界層微分方程組適用，向。在穩(wěn)態(tài)情況下，邊界層微分方程組適用，必須加上體積力：必須加上體積力：xyg微元體微元體xdxt0dyduu0yvxu22yugdxdpyuvxuulll22ytaytvxtul2022-1-1068下標(biāo)下標(biāo)l表示液相。由假定（表示液相。由假定（3），），液膜的慣性液膜的慣性力可以忽略，動量方程左邊可以舍去力可以忽略，動量方程左邊可以舍去。xyg微元體微元體xdxt0dyduu0yvxu22yugdxdpyuvxuulll22ytaytvxtul2022-1-1069dp/dx為液膜在為液膜在x方向的壓力梯度，可按方向的壓力梯度，可按y = 處液

51、膜表面蒸汽的壓力梯度計算。處液膜表面蒸汽的壓力梯度計算?？紤]到假定考慮到假定(2)，蒸汽處于靜止?fàn)顟B(tài)，且忽略蒸汽處于靜止?fàn)顟B(tài)，且忽略蒸汽與液膜之間的摩擦力；蒸汽與液膜之間的摩擦力；ggdxdplV/xyg微元體微元體xdxt0dyduu220yugdxdpll代入動量方程代入動量方程得得220yugll2022-1-1070 xyg微元體微元體xdxt0dyduu220yugll按假定按假定(5)，液膜內(nèi)溫度分布為線液膜內(nèi)溫度分布為線性，使通過液膜的傳熱只存在導(dǎo)性，使通過液膜的傳熱只存在導(dǎo)熱方式而不存在對流方式；熱方式而不存在對流方式；能量能量方程化簡方程化簡22ytaytvxtul得得022

52、yt2022-1-1071于是動量方程和能量方程中只有于是動量方程和能量方程中只有兩個未知函數(shù)兩個未知函數(shù)u，t，不需連續(xù)性，不需連續(xù)性方程即可求解，它們?yōu)椋悍匠碳纯汕蠼?，它們?yōu)椋?xyg微元體微元體xdxt0dyduu022gdyudll022dytdy = 0時：時：wttu , 0sttdydu , 0邊界條件為：邊界條件為：y = 時：時： 2022-1-1072這一組簡化了的方程組是這一組簡化了的方程組是Nusselt理論分析的理論分析的出發(fā)點(diǎn)。出發(fā)點(diǎn)。Nusslet是對微元體直接做力平衡與熱平衡得是對微元體直接做力平衡與熱平衡得出上述簡化方程的。上述簡化過程中已經(jīng)直出上述簡化方程的

53、。上述簡化過程中已經(jīng)直接應(yīng)用了接應(yīng)用了16這六個假設(shè)。這六個假設(shè)。上述分析只對液膜表面平整無波紋時才適用，上述分析只對液膜表面平整無波紋時才適用，如果表面起波紋，則波紋處就會有垂至于壁如果表面起波紋，則波紋處就會有垂至于壁面方向的流速，形成局部的回流，動量方程面方向的流速，形成局部的回流，動量方程中的對流項就不能予以忽略。至于假設(shè)中的對流項就不能予以忽略。至于假設(shè)7 將在將在下面的分析中用到。下面的分析中用到。2022-1-1073對微分方程積分對微分方程積分,利用邊界條件得：利用邊界條件得：221yygullyttttwsw)(xyg微元體微元體xdxt0dyduu022gdyudll022

54、dytdy = 0時：時：wttu , 0sttdydu , 0邊界條件為：邊界條件為：y = 時：時： 2022-1-1074lllmgudyq3320以上兩式中引入了以上兩式中引入了未知的液膜厚度未知的液膜厚度，因此求，因此求解的關(guān)鍵在于獲得液膜厚度解的關(guān)鍵在于獲得液膜厚度隨隨x的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。為此需要對為此需要對dx微元段做質(zhì)量平衡。如圖所示，微元段做質(zhì)量平衡。如圖所示，通過截面處寬為通過截面處寬為1m的壁面凝結(jié)液體的質(zhì)量流的壁面凝結(jié)液體的質(zhì)量流量為：量為：xyg微元體微元體xdxt0dyduu2022-1-1075dqmqmqm+ dqmrdqmd x質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒熱平衡熱平

55、衡在在dx微元段上質(zhì)量流量的微元段上質(zhì)量流量的增量為：增量為：llmdgdq22于是可以從兩個角度寫出微元段上所傳遞的熱于是可以從兩個角度寫出微元段上所傳遞的熱量：從通過厚為的液膜的導(dǎo)熱以及凝結(jié)液體釋量：從通過厚為的液膜的導(dǎo)熱以及凝結(jié)液體釋放出來的潛熱，兩者應(yīng)該相等：放出來的潛熱，兩者應(yīng)該相等：xmdrdq dxttdgrwsll222022-1-1076分離變量后積分得：分離變量后積分得：4/12)(4rgxttlwsll由牛頓冷卻公式有：由牛頓冷卻公式有：wswsxtttth)(4/132)(4xttgrhwsllllxxyg微元體微元體xdxt0dyduudxttdgrwsll22此式左

56、端為凝結(jié)液體釋放的汽化潛熱，右端此式左端為凝結(jié)液體釋放的汽化潛熱，右端為通過液膜的導(dǎo)熱。列出此式時引入了假定為通過液膜的導(dǎo)熱。列出此式時引入了假定7沒有考慮液膜過冷所釋放的顯熱沒有考慮液膜過冷所釋放的顯熱。2022-1-1077高為高為l的整個豎壁上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：的整個豎壁上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：（下標(biāo)（下標(biāo)v表示豎壁）表示豎壁） lxlxVhdxhlh34104/132)(943. 0wslllVttlgrh這一分析解可推廣到水平圓管及球表面上的層這一分析解可推廣到水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：（下標(biāo)流膜狀凝結(jié)，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：（下標(biāo)H為水平管，為水平管，

57、S表示球）。表示球）。 4/132)(725. 0wslllHttdgrh4/132)(826. 0wslllSttdgrh式中潛熱式中潛熱r由蒸汽飽和溫度由蒸汽飽和溫度ts確定，其它物性取確定，其它物性取膜層平均溫度膜層平均溫度tm = (ts+tw)/2為定性溫度。為定性溫度。 2022-1-1078橫管和豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式有橫管和豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式有二點(diǎn)不同：特征長度橫管用二點(diǎn)不同：特征長度橫管用d，而豎壁用，而豎壁用l；兩式系數(shù)也不同。兩式系數(shù)也不同。在其他條件相同時，橫管平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在其他條件相同時，橫管平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與豎壁平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的比值為與豎壁

58、平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的比值為4/132)(725. 0wslllHttdgrh1/40.77/HVhl dh4/132)(943. 0wslllVttlgrh2022-1-1079在在l/d=50時，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎時，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎管的管的2倍，所以冷凝器通常都采用橫管的布倍，所以冷凝器通常都采用橫管的布置方案。置方案。 2022-1-1080如果凝結(jié)壁面是與水平方向成一定的傾斜角如果凝結(jié)壁面是與水平方向成一定的傾斜角度度時，只要將計算公式中的重力加速度用時，只要將計算公式中的重力加速度用修正數(shù)值修正數(shù)值g代替即可代替即可 singg 液膜的波動大約可使膜狀凝結(jié)的換熱能力提

59、高液膜的波動大約可使膜狀凝結(jié)的換熱能力提高20左右。因此，在工程上采用如下關(guān)系式來左右。因此，在工程上采用如下關(guān)系式來計算計算 413)()(13. 1wsllvllttLgh2022-1-1081如果在水平管的豎直平面上為多管如果在水平管的豎直平面上為多管布置，其數(shù)量為布置，其數(shù)量為n，那么水平管管，那么水平管管外膜狀凝結(jié)換熱的計算公式則為外膜狀凝結(jié)換熱的計算公式則為 由于管子之間冷凝液膜的滴落引起由于管子之間冷凝液膜的滴落引起液膜的波動和飛濺，使得實(shí)際的表液膜的波動和飛濺，使得實(shí)際的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比理論計算的數(shù)值大面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比理論計算的數(shù)值大 4/132)(725. 0wslllHttn

60、dgrh2022-1-10823 邊界層內(nèi)的流態(tài)邊界層內(nèi)的流態(tài)凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時并且其判斷依據(jù)仍然時Re式中式中ul為為x=l處液膜的平均流速；處液膜的平均流速；de為當(dāng)量直徑。為當(dāng)量直徑。4/4/4bbPAdcemllqu44Re由熱平衡由熱平衡 所以所以swmlh(tt )lrqrtthlws/ )(4ReleudReqml是是x=l處寬為處寬為1m的截面上凝結(jié)液的質(zhì)量流量。的截面上凝結(jié)液的質(zhì)量流量。2022-1-1083通常計算豎板膜狀凝結(jié)換熱時，首先按照層流通常計算豎板膜狀凝結(jié)換熱時，首先按照層流膜狀凝結(jié)換熱計算出整個豎板的平均