19.有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

1、有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式重要內(nèi)容復(fù)習(xí)當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4； 流體被冷卻時(shí)， n=0.3。 物性參數(shù)的定性溫度為流體進(jìn)出口的平均溫度，特性尺寸取管內(nèi)徑。主要內(nèi)容一 蒸汽冷凝傳熱過程 1. 冷凝傳熱過程簡介方式、分類 2. 純蒸汽膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 機(jī)理、垂直管、水平管、影響因素二 沸騰傳熱過程 1. 沸騰傳熱過程簡介 2. 沸騰傳熱機(jī)理 機(jī)理、條件、沸騰曲線、影響因素 3. 影響沸騰傳熱主要因素 4. 沸騰傳熱過程強(qiáng)化有相變的對(duì)流傳熱兩種情況 ：蒸汽冷凝放熱液體沸騰吸熱共同特點(diǎn)：放出或吸收大量的潛熱；溫度恒定。一 .蒸汽冷凝傳熱過程 主要特點(diǎn)：冷凝傳熱過程的熱阻幾乎全部集中在

2、冷凝液膜內(nèi)。 1. 冷凝傳熱過程簡介 兩者接觸蒸汽冷凝放熱壁面上凝結(jié)為液體。加熱介質(zhì)飽和蒸汽TS 壁面溫度TW 膜相差幾倍到幾十倍，但滴狀冷凝難于持久。工業(yè)冷凝器的設(shè)計(jì)均按膜狀冷凝考慮。 水平圓管外膜狀冷凝（2） 冷凝情況的分類純蒸汽、混合蒸汽、含不凝氣的蒸汽 純蒸汽(單一組分)冷凝：蒸汽冷凝時(shí)Tg定常， 且 ；是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的 一種加熱方法。 混合蒸汽(兩種以上可凝組分)冷凝： g冷凝時(shí)Tg非定常，隨組分的冷凝而變化， 純蒸汽。 含不凝性氣體的蒸汽冷凝：不凝氣含量 冷凝冷卻過程 純蒸汽。 本節(jié)討論純飽和蒸汽膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。 冷凝傳熱熱阻幾乎全部集中在冷凝液膜內(nèi) T也只在液膜

3、內(nèi)存在。 2. 純蒸汽膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（1） 冷凝過程機(jī)理 純蒸汽冷凝 Tg定常 ，蒸汽在冷凝同時(shí)從氣相主體流至壁面； 汽相中無熱阻(汽相主體與壁面間壓差極小) 汽相T=0。膜狀冷凝（2）垂直壁面(豎板或豎管)上的冷凝壁上部 層流 ；壁下部 湍流 。 液膜不同 不同 冷凝液因重力作用或新冷凝液補(bǔ)充沿壁向下形成 液膜流；使液流量，液膜厚Q層流湍流L(液膜流動(dòng))(給熱系數(shù))簡化假設(shè)： 豎壁面TW定常. 壁面上液體溫度=TW； 汽、液界面處溫度為TS； 冷凝過程中，冷凝液物性、定常.；特點(diǎn)：層流熱量主要以熱傳導(dǎo)方式穿過液膜。 簡化解析方法關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)修正。 蒸汽處于靜止?fàn)顟B(tài)蒸汽對(duì)液膜沒有摩擦力

4、； 液膜流動(dòng)呈穩(wěn)定狀態(tài)液膜作等速向下流動(dòng)(液體加速度被忽略)； 蒸汽的密度遠(yuǎn)小于液體密度v 即液膜運(yùn)動(dòng)主要取決于重力與 粘性力浮力的影響則可忽略； 通過冷凝液膜的傳熱是垂直于壁面方向的純導(dǎo)熱，溫度分布呈線性變化。a. 液膜呈層流(Re2000)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 目前，還完全依靠實(shí)驗(yàn)測得，其關(guān)系式為：湍流時(shí)，Re,則。實(shí)驗(yàn)對(duì)理論推導(dǎo)公式的修正： 因?qū)嶒?yàn)不可能完全實(shí)現(xiàn)理論推導(dǎo)時(shí)所作的簡化假定，如蒸汽速度0 需用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論公式進(jìn)行修正。修正后當(dāng)冷凝液膜呈層流流動(dòng)時(shí)，有：層流時(shí)，Re,則。（3） 水平管外的冷凝 因管徑通常較小蒸汽在水平管外冷凝時(shí)，液膜一般呈層流狀態(tài)。 a. 單根水平管外層流膜狀冷

5、凝d0：管外徑b. 水平管束外對(duì)流傳熱系數(shù)管束間影響復(fù)雜 特點(diǎn)： 第一排管其冷凝情況與水平放置的單根圓管相同； 其它各排其冷凝情況要受到它上面各排管子流下的冷凝液影響。 目前，對(duì)管束間的影響還未總結(jié)出普遍適用的規(guī)律。n：垂直方向的根數(shù)。水平管束的排列通常有直排和錯(cuò)排兩種 ：12342123第一排管子：冷凝情況與單根水平管相同。其他各排管子：冷凝情況必受到其上排管流下冷凝液的 影響，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)依次下降。 水平管束的排列及其對(duì)冷凝液膜厚度的影響 對(duì)純蒸汽冷凝熱阻集中在液膜內(nèi)流體物性和 冷凝冷凝物性、T；ug、流向、過熱；不凝氣；傳熱面的形狀與布置。設(shè)法獲得滴狀冷凝；高速蒸汽噴射壁；吹成霧狀冷凝液

6、等。（4） 影響冷凝傳熱的主要因素及冷凝傳熱過程的強(qiáng)化a. 流體物性與液膜兩側(cè)傳熱溫差的影響 ：冷凝液，單位體積受力，流動(dòng)快 膜厚，冷凝； ：冷凝液 膜厚， 冷凝； ： 冷凝； ：傳熱量Q一定， ，冷凝液量ms ，冷凝 ； T： 冷凝液膜兩側(cè)T ，傳熱推動(dòng)力，Q，ms ， 冷凝。b. 蒸汽流速與流向的影響（小于10m/s可忽略影響） 蒸汽u，蒸汽與液膜間摩擦力作用不能忽略，且u的影響隨蒸汽壓強(qiáng)加劇。向下流，蒸汽與液膜流動(dòng)方向相同 冷凝； 向上流，u不大時(shí)，阻礙液膜流動(dòng)， ，冷凝； u，液膜被吹離壁面， 冷凝。c. 不凝氣的影響 不凝氣在液膜與蒸汽之間形成一層氣膜(冷卻過程)附加熱阻， 冷凝。

7、通常在靜止的蒸汽中，當(dāng)不凝氣含量僅為1%時(shí)冷凝傳熱系數(shù)降低60%左右。 在冷凝器的設(shè)計(jì)中，蒸汽冷凝側(cè)設(shè)排氣孔定期排放不凝氣。蒸汽凝液不凝氣 d. 蒸汽過熱(TVTS)的影響 過熱蒸汽冷卻(TV-TS)；飽和蒸汽的冷凝TS；但液膜內(nèi)傳熱溫差仍為TS-TW； 通常過熱蒸汽冷凝按飽和蒸汽冷凝處理計(jì)算誤差在實(shí)際工程計(jì)算中忽略。過熱蒸汽的冷凝強(qiáng)化冷凝傳熱過程冷凝的主要途徑液膜厚度。 水平管傾斜排列冷凝液盡可能沿各排管切向流過；減少垂直方向上管排數(shù)； 垂直管縱向凹槽凝液借重力順槽下降；沿縱向裝金屬絲or直翅片；e. 傳熱面的形狀與布置強(qiáng)化冷凝傳熱二 .沸騰傳熱過程蒸發(fā)器、再沸器、蒸汽鍋爐特點(diǎn)：1. 沸騰傳

8、熱過程簡介 傳熱、相變同時(shí)相伴發(fā)生； 加熱面不斷經(jīng)歷汽泡形成、長大、脫離壁面附近流體擾動(dòng)，。工業(yè)上液體沸騰的兩種情況 據(jù)液體在加熱表面沸騰時(shí)所處的空間劃分兩類，即大容積沸騰和管內(nèi)沸騰。大容積(池內(nèi))沸騰：加熱面浸于大容器液體(u=0)中液體被壁 面加熱。 液體內(nèi)T自然對(duì)流； 液體受到氣泡(長大、脫離加熱表面、能自由浮升)擾動(dòng)； 無強(qiáng)制對(duì)流的沸騰現(xiàn)象。管內(nèi)沸騰：強(qiáng)制對(duì)流沸騰u ，流體以一定流速在加熱管內(nèi)流動(dòng)的 沸騰傳熱。 流體u 對(duì)沸騰傳熱影響大； 加熱面上汽泡不能自由浮升，與流體一起流動(dòng)汽、液兩相流。 本 節(jié) 只 討 論 大 容 器 內(nèi) 飽 和 沸 騰。 a.過熱度T=Tl -TS 沸騰傳熱過

9、程的推動(dòng)力由力平衡，得：2. 沸騰傳熱機(jī)理：汽泡生成、脫離對(duì)壁面薄層液體擾動(dòng)，R 無相（1） 汽泡產(chǎn)生(液體沸騰)的必要條件 過熱度、汽化核心、汽泡生成頻率大 汽泡存在條件： 力平衡和熱平衡由熱平衡：液體沸騰必要條件：液體要過熱T=Tl-TS0 加熱表面過熱度最大 集中于近壁處薄層液體內(nèi)加熱面是產(chǎn)生汽泡場所； 離開加熱表面其余部分過熱度T 。b. 汽化核心沸騰強(qiáng)度 加熱表面并非任何地點(diǎn)都具有產(chǎn)生汽泡的條件汽化核心(R=0, p=)。 汽泡如何從汽化核心形成不同學(xué)派有不同看法。 光滑表面汽化核心少需過熱度暴沸 應(yīng)避免c. 汽化核心上汽泡生成頻率 加熱表面過熱生成汽泡汽泡長大向上浮升(浮升力附著力

10、脫離直徑db) 遠(yuǎn)處液體向加熱面流動(dòng)補(bǔ)充過熱(周期性)0.11.010102103ABCDEF自然對(duì)流核狀沸騰膜狀沸騰穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定膜狀沸騰溫度差和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系t = (tw-ts)/實(shí)驗(yàn)條件: 大容積、飽和沸騰。 2) 大容積飽和沸騰曲線 曲線獲得：31 沸騰曲線 t=tW-tS不同 液體沸騰狀態(tài)不同。 自然對(duì)流區(qū)(AB)： t5 液體內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流 無汽泡從液體逸出液面 氣化僅在液體表面發(fā)生 t， 略升。 核狀沸騰(BC)： ttC 汽泡脫離加熱面前連串成汽膜加熱面與液體隔開v， ； 但當(dāng)t ，穩(wěn)定氣膜且壁溫TW ，輻射，。 tC臨界溫差，由核膜臨界點(diǎn)水: tC25一般維持在略低tC于下

11、操作。AB臨界點(diǎn)表面汽化（1） 物性 ， ； ， 。（2）溫差t=tW - tS控制沸騰傳熱過程的重要參數(shù) 核狀沸騰的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式： =c tm t ， （3）操作壓強(qiáng)p p液體飽和溫度tS液體， 有利于汽泡生成、脫離， 。 3. 影響沸騰傳熱主要因素（4） 加熱壁面 粗糙、新管、清潔表面 ；光滑管。 注意：表面粗糙度存在一定的極限超過該極限反而對(duì)傳熱不利，如大的凹進(jìn)部分易被液體注滿 失去充當(dāng)汽化核心的能力。（5） 加熱面的布置 如：水平管束下排管表面上產(chǎn)生的汽泡向上浮升，引起對(duì)上排管的附加擾動(dòng) 水平管束 單管。 擾動(dòng)程度：液體沸騰壓強(qiáng)、熱負(fù)荷、液體性質(zhì)、管排間距等。4. 沸騰傳熱過程強(qiáng)化加熱面

12、、沸騰液體汽泡長大、生成、脫離 近年來的研究成果： 加熱面：機(jī)械加工或腐蝕方法加熱表面粗糙化，如銅表面提高80%； 多孔金屬表面細(xì)小金屬顆粒釬焊或燒結(jié)于金屬壁面 沸騰液體：加少量添加劑(如乙醇、丙酮、甲基乙基酮等) ,； 加強(qiáng)對(duì)沸騰液體的擾動(dòng)，如超聲波或采用噴淋液體的方法。 針對(duì)沸騰傳熱機(jī)理不同理論解釋的各種計(jì)算式不完善，誤差保溫層臨界直徑一方面考慮保溫材料厚度的增加帶來的好處一方面考慮外表面積與環(huán)境接觸帶來的對(duì)流熱損失二者的權(quán)衡即存在臨界直徑的問題了本 節(jié) 小 結(jié) 1. 有相變(蒸汽冷凝、液體沸騰)傳熱過程其共同特點(diǎn)： 傳熱、相變相伴發(fā)生 有相變 無相變； 2. 膜狀冷凝傳熱熱阻幾乎全部集中

13、在冷凝液膜內(nèi) T也只在液膜內(nèi)存在； 3 .雖然滴膜 ，但因滴狀冷凝難以保持工業(yè)冷凝器的設(shè)計(jì)均按膜狀冷凝考慮； 4. 純蒸汽冷凝時(shí)，液膜呈層流流動(dòng)的平均對(duì)流傳熱系數(shù)可在簡化的假設(shè)前提下由解析方法推得；M：冷凝負(fù)荷 5 .冷凝液膜內(nèi)流型的判斷：6. 影響冷凝傳熱的主要因素：物性、T；ug、流向、過熱；不凝氣；傳熱面；7. 強(qiáng)化冷凝傳熱過程冷凝的主要途徑 液膜厚度。8. 決定沸騰傳熱強(qiáng)弱的關(guān)鍵汽泡的生成、長大、脫離、浮升；即汽化核心的多少與汽泡產(chǎn)生頻率的高低；9. 汽泡產(chǎn)生必須具備兩個(gè)條件：液體過熱、汽化核心；10. 沸騰曲線自然對(duì)流區(qū)、核狀沸騰、膜狀沸騰； 臨界溫差、臨界熱通量(熱流密度)在工程設(shè)計(jì)上有重大意義。1、在蒸氣冷凝傳熱中，不凝氣