V4-第七章-相變對(duì)流傳熱-2014

1、第七章相變對(duì)流傳熱傳熱學(xué) Heat Transfer相變對(duì)流傳熱凝結(jié)傳熱 （氣相變液相）沸騰傳熱 （液相變氣相）7-1 凝結(jié)傳熱的模式相變：物質(zhì)系統(tǒng)不同相（氣液固）之間的轉(zhuǎn)變。相變過(guò)程伴隨吸熱、放熱的相變潛熱相變傳熱的特點(diǎn)： 由于有潛熱釋放和相變過(guò)程的復(fù)雜性，比單相對(duì)流換熱更復(fù)雜。相變對(duì)流傳熱的重點(diǎn)在于確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后由牛頓冷卻公式計(jì)算熱流量凝結(jié)傳熱： 夏天出空調(diào)房間后的眼鏡表面膜狀凝結(jié)沸騰傳熱： 燒開水傳熱學(xué) Heat Transfer7-1 凝結(jié)傳熱的模式凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給壁面的過(guò)程。凝結(jié)傳熱產(chǎn)生的必要條件：swttgswttgswtt膜狀凝

2、結(jié)珠狀凝結(jié)凝結(jié)模式源于氣液界面的接觸角（圖7-1）傳熱學(xué) Heat Transfer凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給壁面的過(guò)程。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)的表面換熱系數(shù) 膜狀凝結(jié)，但是一般無(wú)法長(zhǎng)久保持。 2.55105 5000250007-1 凝結(jié)傳熱的模式傳熱學(xué) Heat Transfer7-2 膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 層流膜狀凝結(jié)努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解： 液體膜層的熱阻為主要因素?；炯僭O(shè)： 二維、穩(wěn)態(tài)、常物性、層流；蒸汽靜止，汽液界面無(wú)對(duì)液膜的粘滯力；忽略慣性力，液膜的運(yùn)動(dòng)僅取決于重力和粘滯力；壁溫twconst，汽液界面無(wú)溫差 tts液膜內(nèi)部無(wú)

3、對(duì)流而只有導(dǎo)熱，溫度分布為線性；忽略液膜的過(guò)冷度，即認(rèn)為液膜僅存在潛熱；蒸汽密度液體密度；1.液膜表面平整無(wú)波動(dòng)。努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll穩(wěn)態(tài)邊界層微分方程002222ytyugllswttyuyttuy ,0dd 0, 0時(shí)，時(shí)，簡(jiǎn)化后的常微分方程yttttyyguwswll)()21(2簡(jiǎn)化后的速度和溫度分布拋物線線性基本假設(shè)： 1)二維、穩(wěn)態(tài)、常物性、層流； 2)蒸汽靜止，汽液界面無(wú)對(duì)液膜的粘滯力； 3)忽略慣性力，液膜的運(yùn)動(dòng)僅取決于重力和粘滯力； 4)壁溫twconst，汽液界面無(wú)溫差 tts ；

4、 5)液膜內(nèi)部無(wú)對(duì)流而只有導(dǎo)熱，溫度分布為線性； 6)忽略液膜的過(guò)冷度，即認(rèn)為液膜僅存在潛熱；7）蒸汽密度液體密度；8）液膜表面平整無(wú)波動(dòng)。傳熱學(xué) Heat Transfer努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解微元體熱平衡)()(0udyrdrdMdxxttdlwsxyttttyyguwswll)()21(21/ 4llsw2l4(tt )xgr 導(dǎo)熱公式+牛頓冷卻公式dxtthdxxttdwsxwsx)()()(xhx1 / 423llxlswgrh4( tt)x 簡(jiǎn)化后的速度和溫度分布7-2 膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 層流膜狀凝結(jié)傳熱學(xué) Heat Transfer努塞爾純凈飽和蒸汽層

5、流膜狀凝結(jié)理論分析解1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) 豎壁傾斜豎壁4/132)(sin943. 0wslllVttlrgh水平圓管壁1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 球壁2wsmttt特征長(zhǎng)度分別為 l 和 d；r 由ts 確定。其它物性由平均溫度確定：為何冷凝器一般多采用水平橫管布置？7-2 膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 層流膜狀凝結(jié)傳熱學(xué) Heat Transfer膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式： 豎壁（層流）理論分析解在一定的假設(shè)條件下獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式豎壁（湍流）N uhl /;

6、32Gagl/伽利略數(shù)Rec1600lwsrtthl)(4Re豎壁雷諾數(shù)豎壁臨界雷諾數(shù)16007-2 膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式傳熱學(xué) Heat Transfer膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式： 理論分析解在一定的假設(shè)條件下獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式水平圓管壁1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 與分析解一致lwsrttdh)(2Re水平圓管壁雷諾數(shù)橫管一般處于層流范圍上述實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式僅適用低流速情況：水蒸氣10m/s, 氟利昂0.5m/s7-2 膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式傳熱學(xué) Heat Transfer膜狀凝結(jié)換熱的工程計(jì)算步驟： 膜狀凝結(jié)換熱的形式（豎壁、側(cè)壁、水平單圓管、多圓管、球壁

7、）；判別流態(tài)（層流、湍流）；利用對(duì)應(yīng)形式的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；利用牛頓冷卻公式計(jì)算換熱量，并計(jì)算凝結(jié)速率（單位時(shí)間內(nèi)凝結(jié)的液膜質(zhì)量）。 )(wstthArqm注意事項(xiàng)：1. ；2. 一定壓力下的飽和水蒸氣 r 和ts 由附錄10確定，其它物性由平均溫度tm查附錄9確定。7-2 膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式例例7-1. 7-1. 大氣壓下的飽和水蒸氣在寬大氣壓下的飽和水蒸氣在寬30、高、高1.2m的豎壁上凝結(jié)。若壁溫為的豎壁上凝結(jié)。若壁溫為70，求，求每小時(shí)的傳熱量及凝結(jié)水量。每小時(shí)的傳熱量及凝結(jié)水量。解：本題屬于膜狀凝結(jié)換熱問題。假設(shè)液膜為層流。sw3612342sw1)100 ,2

8、257.1/1/2tt )1/2 10070)85968.55/,0.677/,335 102)1.13,5433.12/tt )smlllllltcrkJ kgtckg mWm KPa SgrhhWmH 查物性值大氣壓下飽和水蒸氣的溫度 汽化潛熱膜平均溫度（，據(jù)此查得水的物性值：豎壁的凝結(jié)傳熱系數(shù)代入數(shù)據(jù)，得：（555433.12 1.2 0.3 302.11 10/2.11 10 /2257.193.5/43)Re10351600,mlKhA tkJ hqrkg hHh tr 校核：以上計(jì)算有效。傳熱學(xué) Heat Transfer7-3 膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化膜狀凝結(jié)換熱的影響因素

9、： 不凝結(jié)氣體：蒸汽流速：過(guò)熱蒸汽：液膜的過(guò)冷度及溫度分布的非線性管子排數(shù)管內(nèi)凝結(jié)凝結(jié)表面的幾何形狀 傳熱學(xué) Heat Transfer膜狀凝結(jié)換熱的強(qiáng)化措施： 減薄液膜的厚度 基于表面張力減薄液膜厚度（低肋管、鋸齒管、微肋管） 增加順液膜流動(dòng)方向的蒸汽流速 水平放置單管或管束加速液膜的排出 分段排泄管、溝槽管、離心力、靜電引力等減少不凝結(jié)氣體 抽吸、引射等，或者增加蒸氣的流速凝結(jié)表面實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié) 7-3 膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化傳熱學(xué) Heat Transfer7-4 沸騰傳熱的模式沸騰：工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過(guò)程。沸騰換熱：液體內(nèi)部固液界面形成氣泡而使

10、熱量由固壁傳給液體的過(guò)程。沸騰換熱產(chǎn)生的必要條件：swtt 沸騰液體是否整體流動(dòng)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰大容器沸騰沸騰液體主體溫度是否達(dá)到飽和溫度飽和沸騰過(guò)冷沸騰YNYN傳熱學(xué) Heat Transfer7-4 沸騰傳熱的模式 大容器飽和沸騰曲線0 t 4 : 單相自然對(duì)流區(qū)，無(wú)汽泡。4 t 25 : 核態(tài)沸騰區(qū)。產(chǎn)生汽泡，汽泡間的劇烈擾動(dòng)使表面換熱系數(shù)和熱流密度急劇增加，強(qiáng)化換熱。25 t 200 : 過(guò)渡沸騰區(qū)。汽泡的產(chǎn)生速度大于脫離速度，汽泡附著形成汽膜，汽膜的熱阻減弱換熱效果。200ts）是必要條件；沸騰換熱時(shí)氣泡在汽化核心處產(chǎn)生，成長(zhǎng)并逸出；之后流體補(bǔ)充，重新形成氣泡，周而復(fù)始；氣泡的形成、

11、成長(zhǎng)和脫離對(duì)加熱表面的流體產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)，因此換熱的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)相變對(duì)流換熱；汽化核心數(shù)目的增加有利于強(qiáng)化沸騰換熱。傳熱學(xué) Heat Transfer大容器飽和核態(tài)沸騰： 主要影響因素是壁面的過(guò)熱度和汽化核心數(shù)通用液體的大容器飽和核態(tài)沸騰：羅森諾Rohsenow公式1tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPrslwlCStPrRe33. 01符號(hào)意義參見教材（7-17）式，Cwl查表7-1確定。水：s1，其它液體：s1.77-5 大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式slvllwlplgrqCrtcPr)(33. 0傳熱學(xué) Heat Transfer大容器飽和核態(tài)沸騰： 主要影響因素是

12、壁面的過(guò)熱度和汽化核心數(shù)制冷介質(zhì)的大容器飽和核態(tài)沸騰：庫(kù)鉑Cooper公式2式中：q 熱流密度，W/m2；Mr 制冷介質(zhì)分子量； pr 介質(zhì)壓力與臨界壓力比；Rp 表面平均粗糙度，um。7-5 大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式傳熱學(xué) Heat Transfer大容器飽和核態(tài)沸騰臨界熱流密度4121max)(149. 0vlvgrq7-5 大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式式中：物性參數(shù)根據(jù)飽和溫度查取。傳熱學(xué) Heat Transfer大容器膜態(tài)沸騰：注意事項(xiàng)： 橫管 a0.62，球壁 a0.67 汽化潛熱r 和飽和液體密度l 由飽和溫度ts確定，其它物性參數(shù)由平均溫度確定 Tt+273343434rchh

13、hswswrTTTTh)(44413)()(swvvvlvcttdgrah對(duì)流換熱輻射換熱200 t : 穩(wěn)定模態(tài)沸騰區(qū)。形成穩(wěn)定汽膜，雖然汽膜的熱阻減弱了換熱效果，但是t的增加進(jìn)一步增強(qiáng)了換熱效果。7-5 大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式例題 7-6傳熱學(xué) Heat Transfer7-6 沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化不凝結(jié)氣體（與膜狀凝結(jié)傳熱不同） 溶解于液體中的不凝結(jié)氣體在汽化核心處逸出強(qiáng)化沸騰換熱流體過(guò)冷度：流體主體溫度低于其飽和溫度。 在核態(tài)沸騰起始段自然對(duì)流區(qū)域，過(guò)冷度強(qiáng)化沸騰換熱液位高度 低于臨界液位，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨液位降低而增加，從而強(qiáng)化沸騰換熱重力加速度 僅在微重力環(huán)境下，重力加速度

14、才會(huì)影響核態(tài)沸騰換熱管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰（圖7-20） 蒸汽-流體的摻混兩相流。 傳熱學(xué) Heat Transfer7-6 沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化原則 通過(guò)傳熱表面的處理增加加熱面汽化核心數(shù)目。大容器飽和沸騰 傳熱表面多孔結(jié)構(gòu)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰 內(nèi)螺紋管、微肋管 沸騰傳熱的強(qiáng)化措施： 傳熱學(xué) Heat Transfer本章重點(diǎn)：凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱的產(chǎn)生條件及兩種凝結(jié)換熱的形式；豎壁膜狀凝結(jié)的分析解（八點(diǎn)假設(shè)），為何多水平橫置；膜狀凝結(jié)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（凝結(jié)換熱量+凝結(jié)速率），注意Re需校核；1.膜狀凝結(jié)的影響因素和強(qiáng)化措施（減薄液膜厚度、加速凝結(jié)液膜的排出）。 沸騰換熱沸騰換熱的產(chǎn)生條件、分類，以及與

15、蒸發(fā)的區(qū)別；沸騰換熱的特點(diǎn)；大容器飽和沸騰曲線（四區(qū)，核態(tài)沸騰區(qū)為理想工作區(qū)域）；臨界熱流密度的意義（沸騰曲線中虛線的含義）；實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用；1.沸騰換熱的影響因素及其強(qiáng)化措施（增加壁面汽化核心的數(shù)目）。傳熱學(xué) Heat Transfer常用下標(biāo)的含義一般均對(duì)應(yīng)表達(dá)對(duì)象英文首字母 下標(biāo)含義l液體 liquidv蒸汽 vaporw固壁 walls飽和 saturationc臨界 criticalc對(duì)流 convectionr輻射 radiationp壓力 pressureV豎向 verticalH水平 horizontalS球 sphere傳熱學(xué) Heat Transfer作業(yè)復(fù)習(xí)題：1，3,

16、 5, 6, 8 傳熱學(xué) Heat Transfer7-7 熱管 1963年美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G. M. Grover發(fā)明 利用工作流體（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸發(fā)與冷凝來(lái)傳遞熱量。真空的金屬管+工作流體+內(nèi)壁吸液芯結(jié)構(gòu) 1. 熱量由熱源通過(guò)熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-氣分界面；2. 液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-氣分界面上蒸發(fā)；3. 蒸氣的溫度和壓力高于熱管的其它部分，壓差作用促使蒸汽流向熱管內(nèi)冷凝端；4. 蒸汽在冷凝段內(nèi)的氣-液分界面上凝結(jié)：5. 熱量從氣-液分界面通過(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源；6. 在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。 傳熱學(xué) He

17、at Transfer7-7 熱管 1963年美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G. M. Grover發(fā)明 利用工作流體（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸發(fā)與冷凝來(lái)傳遞熱量。真空的金屬管+工作流體+內(nèi)壁吸液芯結(jié)構(gòu) 熱管相對(duì)于一種基于相變傳熱的等溫導(dǎo)熱體，較多用于衛(wèi)星表面的等溫化和內(nèi)部電子設(shè)備的溫度控制。用于地面芯片散熱還需要在冷凝段加翅片和風(fēng)扇。傳熱學(xué) Heat Transfer常用下標(biāo)的含義一般均對(duì)應(yīng)表達(dá)對(duì)象英文首字母 下標(biāo)含義l液體 liquidv蒸汽 vaporw固壁 walls飽和 saturationc臨界 criticalc對(duì)流 convectionr輻射 radiationp壓力 pressureV豎向 verticalH水平 horizontalS球 sphere傳熱學(xué) Heat Transfer本章重點(diǎn)：凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱的產(chǎn)生條件及兩種