《傳熱學》第7章-相變對流傳熱

第7章相變對流傳熱7.1凝結(jié)傳熱的模式7.2膜狀凝結(jié)分析解及計算關(guān)聯(lián)式7.3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強化7.4沸騰傳熱的模式7.5大容器沸騰傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式7.6沸騰傳熱的影響因素及強化7.7熱管簡介第7章相變對流傳熱引入：對流傳熱強制對流傳熱自然對流傳熱凝結(jié)傳熱沸騰傳熱無相變有相變傳熱原理本質(zhì)上不同內(nèi)容：重點：1.凝結(jié)傳熱的模式、分析解、影響因素及強化策略2.沸騰傳熱的模式、影響因素及強化策略3.相變傳熱在熱管中的應用1.凝結(jié)與沸騰過程的基本特點2.凝結(jié)傳熱的分析解及其應用3.強化凝結(jié)與沸騰傳熱過程的基本思想和主要的實現(xiàn)技術(shù)。第7章相變對流傳熱7.1凝結(jié)傳熱的模式7.1.1珠狀凝結(jié)與膜狀凝結(jié)凝結(jié)傳熱：蒸氣與低于飽和溫度的壁面接觸時的凝結(jié)方式。膜狀凝結(jié)：凝結(jié)液體能很好地潤濕壁面，在壁面上鋪展成液膜。凝結(jié)放出的潛熱必須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，液膜層是傳熱的主要熱阻珠狀凝結(jié)：當凝結(jié)液體不能很好地潤濕壁面時，凝結(jié)液體就在壁面上形成小液珠。凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上潤濕能力比較強潤濕能力比較差第7章相變對流傳熱7.1.2凝結(jié)液構(gòu)成了蒸氣與壁面間的主要熱阻gg無論是膜狀凝結(jié)還是珠狀凝結(jié)，凝結(jié)液體都是構(gòu)成蒸氣與壁面交換熱量的熱阻載體。在減小凝結(jié)熱阻方面，珠狀凝結(jié)相比與膜狀凝結(jié)具有很大的優(yōu)越性：液珠的直徑很小，空出大量壁面與蒸氣直接接觸；液珠不斷增大，會在重力作用下滾下；在滾動過程中掃除了沿途的液珠。膜狀凝結(jié)會產(chǎn)生連續(xù)的液膜，且厚度隨著重力不斷增大膜狀凝結(jié)的熱阻通常比珠狀凝結(jié)大一個數(shù)量級以上，膜狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)量級為“成千上萬”，而珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以高達幾十萬！第7章相變對流傳熱珠狀和膜狀凝結(jié)的異同：

1.產(chǎn)生原因不同（液體與壁面浸潤程度）

2.換熱強度不同

3.珠狀凝結(jié)不持久，工程中主要采用膜狀凝結(jié)作為設計依據(jù)。

珠狀凝結(jié)的關(guān)鍵問題是在常規(guī)金屬表面上難以產(chǎn)生與維持??！7.1.3膜狀凝結(jié)是工程設計的依據(jù)常用蒸氣在潔凈的條件下都能得到膜狀凝結(jié)。實現(xiàn)起來較容易且計算簡單，因此，采用膜狀凝結(jié)的計算式作為設計的依據(jù)。強化傳熱的主要途徑是減薄液膜的厚度?。?！第7章相變對流傳熱7.2膜狀凝結(jié)分析解及計算關(guān)聯(lián)式7.2.1努塞爾的蒸氣層流膜狀凝結(jié)分析解(溫度、傳熱系數(shù)及動量分布)1.對實際問題的簡化假設

努塞爾的分析是對純凈的飽和蒸氣在均勻壁溫的豎直表面上的層流膜狀凝結(jié)給出的.作出以下8個假設:(1)常物性;(2)蒸氣是靜止的;(3)液膜的慣性力可以忽略;(4)氣液界面上無溫度差;(5)膜內(nèi)溫度分布是線性的;(6)液膜的過冷度可以忽略;(7)ρv明顯小于ρl;(8)液膜表面平整無波動。2.邊界層方程組的簡化

凝結(jié)液膜的流動和傳熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。以豎壁的膜狀凝結(jié)為例，把坐標x取為重力方向。在穩(wěn)態(tài)情況下，控制方程為：假設3舍去5-16左方假設2得dp/dx=ρvg假設7舍去ρvg假設5舍去5-17的左方有了兩個未知量u、t,舍去公式(5-15)。第7章相變對流傳熱邊界條件：以上簡化采用了1~5，7六個假設，假設8也隱含在其中：上述分析只對液膜表面無波紋時才適用；假設6將在下面的分析中使用。3.主要求解過程與結(jié)果將動量方程和能量方程做二次積分，可得未知的液膜厚度，首先要得到δ隨x的變化情況。對dx段進行質(zhì)量平衡分析，通過l界面處寬度為1m的壁面凝結(jié)液體的質(zhì)量流量為：第7章相變對流傳熱對質(zhì)量流量進行求導，得到dx微元段上的質(zhì)量流量的增量為通過厚度為δ的液膜的導熱=dqm的凝結(jié)液體釋放出來的潛熱凝結(jié)液體釋放的汽化潛熱通過液膜的導熱包含假設(6)上面公式關(guān)于液膜厚度的常微分方程，積分可得：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為整個豎壁上的溫差ts-tw為常數(shù)，因此，整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：液膜層流時豎壁膜狀凝結(jié)的努塞爾理論解，如果有傾角φ的話，直接改為gsin

φ即可。第7章相變對流傳熱7.2.2豎直管與水平管的比較及實驗驗證1.水平圓管及球表面的凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)努塞爾理論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)分別為：除相變熱按蒸氣飽和溫度ts確定外，其它物性均取膜層平均溫度tw=(ts+tw)/2為定性溫度2.水平管外凝結(jié)與豎直管外凝結(jié)的比較兩點不同橫管的特征長度為d，而豎管的特征長度為l兩者表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不同橫管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般比豎管的值大第7章相變對流傳熱3.分析解的實驗驗證和假設條件的影響對于豎壁的水蒸氣實驗可以看出：當Re<20時,實驗結(jié)果與理論值比較相符；當Re>20時,實驗值越來越高于理論值(表面波動)工程應用中要比理論值增加20%。2.水平單管外純凈蒸氣凝結(jié)的努塞爾分析解與多種流體(包括水及多種制冷劑)的實測值偏差一般在±10%以內(nèi)，最多達到15%，因此，實驗結(jié)果是否與公式(7-4)一致作為考核測試系統(tǒng)準確性的一種方式。3.對于Pr數(shù)接近于1或大于1的流體，只要無量綱參數(shù)，慣性力項及液膜過冷度的影響可以忽略不計。第7章相變對流傳熱7.2.3湍流膜狀凝結(jié)膜層中的凝結(jié)液流態(tài)層流湍流根據(jù)液膜的特點取當量直徑為特征長度的Re數(shù)膜狀Re數(shù)：離開液膜開始處x=l處的膜層Re數(shù)為：ul為壁底部x=l處液膜層的平均流速；de為該截面處液膜層的當量直徑，如圖7-5，當液膜寬為b，潤濕周長P=b，截面積Ac=bδ，于是de=4Ac/P=4δ。代入公式(7-8)得qml是x=l處寬為1m的界面上凝結(jié)液的質(zhì)量流量qml乘以氣化潛熱r等于高l、寬1m的整個豎壁的傳熱量以上公式中的物性參數(shù)都是指液膜的，水平管采用πd代替上始終的lr即可。臨界雷諾數(shù)為Rec=1600第7章相變對流傳熱對于Re>1600的湍流液膜,熱量的傳遞除了靠近壁面的極薄的層流底部仍依靠導熱方式外,層流底部以外以湍流傳遞為主,傳熱比層流時大為增強.豎壁凝結(jié)傳熱壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示為：hl，ht分別是層流和湍流層的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，xc是流態(tài)轉(zhuǎn)折點的高度，l為壁面的總高度整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以通過以下實驗關(guān)聯(lián)式計算：其中，稱為伽利略數(shù)，除了Prw用壁溫tw計算外，其余物理量的定性溫度均為ts，且物性參數(shù)均是指凝結(jié)液的。第7章相變對流傳熱7.3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強化以上計算全部基于理想狀況得到的，實際應用中影響因素眾多，需要將其引入并進行修正。7.3.1膜狀凝結(jié)的影響因素1.

不凝結(jié)氣體

不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力△t，也使凝結(jié)過程削弱。(1%的不凝結(jié)氣體降低60%的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))2.

管子排數(shù)前面推導得出的公式僅適用于單根橫管，對于多層橫管組成的管束而言，落下來的凝結(jié)液會產(chǎn)生飛濺并對液膜產(chǎn)生沖擊擾動，影響程度主要取決于管束幾何位置及流體物性。第7章相變對流傳熱3.管內(nèi)凝結(jié)管內(nèi)凝結(jié)傳熱情況與蒸氣流速有很大關(guān)系:當蒸氣流速較低時,凝結(jié)液主要聚集在管子底部,蒸氣在管子上半部；當蒸氣流速比較高時,形成環(huán)狀流動,中間蒸氣四周凝結(jié)液,隨著流動進行,凝結(jié)液占據(jù)整個截面。4.蒸氣流速

努塞爾理論分析忽略了流速的影響，只適于流速較低的場合。當蒸氣流速高時(水蒸氣>10m/s)，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生明顯的粘滯應力。其影響程度與蒸汽流向與重力場方向及流速大小是否撕破液膜有關(guān)。若流動方向與液膜重力場一致，使液膜拉薄，h增加；方向相反效果相反.第7章相變對流傳熱5.蒸氣過熱度前面僅針對飽和蒸氣的凝結(jié)而言，對于過熱蒸氣，只需把計算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液的焓差即可。6.液膜過冷度及溫度分布的非線性努塞爾理論分析忽略了液膜過冷度的影響，并假設液膜中的溫度呈線性分布，利用r`代替公式中的潛熱r即可兼顧以上兩個因素。上式也可以表示為：其中，Ja是雅各布數(shù)，定義為，是衡量液膜過冷度相對大小的一個無量綱數(shù)。以上各影響因素應綜合考慮！！第7章相變對流傳熱7.3.2膜狀凝結(jié)的強化原則與技術(shù)1.膜狀凝結(jié)的強化基本原則蒸氣膜狀凝結(jié)時，熱阻取決于通過液膜層的導熱。減薄液膜層的厚度是強化膜狀凝結(jié)的基本手段，主要從以下兩方面著手：第一：減薄蒸氣凝結(jié)時直接粘滯在固體表面上的液膜；第二：及時將傳熱表面上產(chǎn)生的凝結(jié)液體排走。2.強化技術(shù)簡介減薄液膜厚度的技術(shù)：最簡單的方法:對于豎壁或豎管，盡量降低傳熱面高度或?qū)⒇Q管改為橫管。最主要的方法：利用表面張力減薄液膜厚度的方法。如右圖所示，液膜的表面張力可以使尖峰處的液膜厚度大大減薄。第7章相變對流傳熱家用空調(diào)的冷凝器中已成功應用了二維和三維的微肋管。低肋管凝結(jié)傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比光管提高2-4倍，鋸齒管可以提高一個數(shù)量級，微肋管可以提高2-3倍。及時排液的技術(shù)：兩種加快及時排液的方法：第一：在凝液下流的過程中分段排泄，有效地控制了液膜的厚度，管表面的溝槽又可以起到減薄液膜厚度的作用。主要用于立式冷凝器。第二：右圖中的泄流板可以使布置在該板上不水平管束上的冷凝液體不會集聚到其下的其它管束上。主要用于臥式冷凝器。注意：空氣漏入使冷凝器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯下降，采用強化傳熱能夠取得實際收益。第7章相變對流傳熱7.4沸騰傳熱的模式液體的汽化蒸發(fā)：液體表面上的汽化過程沸騰：液體內(nèi)部以產(chǎn)生氣泡的形式進行汽化的過程沸騰分類大容器沸騰：運動由溫差和氣泡的擾動造成的管內(nèi)沸騰：該過程需要外加壓差作用才能維持7.4.1大容器飽和沸騰的三個區(qū)域

沸騰傳熱現(xiàn)象實驗：在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細管，通電加熱以使其表面上產(chǎn)生氣泡，燒杯底下的電熱器用于將水加熱到飽和溫度，這樣在不銹鋼表面進行的沸騰即為飽和沸騰。第7章相變對流傳熱隨著電流密度的加大，表面溫度與飽和溫度之間的溫差△t=tw-ts(過熱度)的增加，熱交換會出現(xiàn)以下幾個區(qū)域(圖7-14)：自然對流區(qū)：壁面過熱度較小(△t<4oC)，沒有氣泡產(chǎn)生。核態(tài)沸騰區(qū)：當加熱壁面的過熱度(△t≥4oC)時，壁面上個別地方開始產(chǎn)生氣泡，氣泡互不干擾，稱為孤立氣泡區(qū)；隨著△t繼續(xù)增加，氣泡互相影響，形成氣塊或者氣柱。氣泡擾動劇烈，傳熱系數(shù)和熱流密度急劇增加，汽化核心對傳熱其關(guān)鍵作用。溫差小，傳熱強，工業(yè)中通常采用該范圍。3.過渡沸騰區(qū)：從峰值進一步提高△t,熱流密度隨著△t的升高而降低，因為汽泡匯聚覆蓋在加熱面上，使蒸汽排除過程越趨惡化，到最低熱流密度位置，為不穩(wěn)定過程。4.膜態(tài)沸騰區(qū)：熱流密度隨著過熱度△t的不斷升高而增加，形成穩(wěn)定的氣膜層，膜狀沸騰和凝結(jié)在物理上有共同點,但傳熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。第7章相變對流傳熱右圖所示的熱流密度-過熱度曲線稱為大容器飽和沸騰曲線。其中，核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰屬于沸騰傳熱范圍。過渡沸騰傳熱過程的動力是壁面的過熱度。第7章相變對流傳熱7.4.2臨界熱流密度及其工程意義過渡沸騰和穩(wěn)態(tài)膜狀沸騰之間的熱流密度最低值稱為萊登佛羅斯特點。而熱流密度的峰值稱之為臨界熱流密度，具有重大實踐意義。分別從熱流密度可控和加熱壁溫可控兩方面進行討論：對于控制熱流密度設備而言，如果熱流密度超過峰值，那么會快速沿著qmax點的虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，溫度會猛升至1000oC，會導致設備燒毀，因此稱qmax為燒毀點。因此，選擇比qmax熱流密度小、增長緩慢的核態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)折點DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒線。該監(jiān)視區(qū)對于蒸發(fā)冷凝器等壁溫可控設備同樣重要，因為膜狀沸騰在相同壁溫下的傳熱量大大減少。不同工質(zhì)在不同壓力和不同加熱面條件下的參數(shù)雖然數(shù)值不同，但是基本規(guī)律完全相同。第7章相變對流傳熱7.4.3氣泡動力學簡介1.為什么沸騰傳熱有較高的傳熱強度水在核態(tài)沸騰范圍內(nèi)的熱流密度高達105~106W/m2的數(shù)量級，比相同溫差變化范圍內(nèi)的強制對流傳熱的熱流密度至少高一個數(shù)量級。主要由于氣泡的形成、成長和脫離加熱壁而引起的各種擾動造成的，因此，強化傳熱就是增加加熱表面能產(chǎn)生氣泡的地點——汽化核心。2.加熱表面上什么地點最容易成為汽化核心歷史上認為加熱表面的微小突起時產(chǎn)生汽化核心的有利地點，但目前研究表明：壁面上的凹坑、細縫及裂穴等最有可能成為汽化核心。原因：處于加熱表面狹縫中的液體所受到的加熱影響比位于平直壁面上的相同數(shù)量的液體要超過很多。2.狹縫中易殘留氣體，這種殘留氣體自然成為產(chǎn)生氣泡的核心。第7章相變對流傳熱3.加熱表面上要產(chǎn)生氣泡，液體必須加熱1.汽泡穩(wěn)定存在條件：設有一個容器，底面加熱，上面壓力ps

對應ts，如中間有汽泡，其內(nèi)壓力pv，溫度tv，周圍流體對應pl,tl

。穩(wěn)定條件：熱平衡力平衡熱平衡

tl=tv

tl

<tv

汽泡向流體傳熱，汽泡中的汽要凝結(jié)縮小;

tl

>tv

液體向汽泡傳熱，汽泡中的汽要膨脹長大。力平衡

取半個汽泡為控制體，受兩個力壓力差表面張力要產(chǎn)生汽泡，液體必須上升到飽和溫度，并達到一定的過熱度。第7章相變對流傳熱力平衡時：如略去液柱壓力，，則熱平衡要求汽泡內(nèi)的蒸汽溫度在Pv壓力下的飽和溫度tv，界面內(nèi)外溫度相同，即tl=tv，即汽泡外的液體必須是過熱的，過熱度為tl-ts，貼壁處液體具有最大過熱度tw-ts，加上凹穴處的殘留氣體，平面凹穴處最先能滿足產(chǎn)生汽泡的條件。上式給出了半徑為R的氣泡所必需的壓力差，即液體的過熱度，根據(jù)克勞修斯-克拉貝龍方程，得到產(chǎn)生半徑為R的汽泡所需的過熱度。討論：產(chǎn)生的氣泡很不穩(wěn)定，半徑稍小于計算半徑，表面張力大于壓差，汽泡內(nèi)蒸氣凝結(jié)，氣泡破裂；只有半徑大于上述計算半徑，界面上液體不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。第7章相變對流傳熱在一定壁面過熱度條件下，壁面上只有滿足公式(7-15)條件的那些地方，才能成為工作的汽化核心。隨著壁面過熱度的提高，壓差pv-ps越來越高，按照公式(7-15)，汽泡的平衡態(tài)半徑R將遞減，因此，壁溫tu提高時，壁面上越來越小的存氣凹穴處將成為工作的汽化核心，從而壁面的汽化核心數(shù)隨著壁面過熱度的提高而不斷增加。第7章相變對流傳熱7.6沸騰傳熱的影響因素及其強化熱科學分析法影響因素少且傳熱過程簡單——分析解法——穩(wěn)態(tài)傳熱影響因素少且結(jié)構(gòu)復雜——數(shù)值分析法——復雜結(jié)構(gòu)件傳熱影響因素多且傳熱過程復雜——實驗法——沸騰傳熱7.6.1影響沸騰傳熱的因素1.不凝結(jié)氣體與膜狀凝結(jié)不同，溶解于液體中的不凝結(jié)氣體會使沸騰傳熱得到某種強化。因為不凝結(jié)氣體有利于汽泡的產(chǎn)生，強化了傳熱。如果氣體逸出之后，不繼續(xù)給液體注入不凝結(jié)氣體，那么就沒有強化作用了。2.過冷度如果在大容器沸騰中流體主要部分的溫度低于相應壓力下的飽和溫度，則這種沸騰稱為過冷沸騰。對于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰起始點附近區(qū)域外，過冷度對沸騰傳熱的強度并無影響。第7章相變對流傳熱3.液位高度當液位足夠高時，大容器沸騰傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)，但是當液位降低到一定程度時，沸騰傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯的隨著液位的降低而升高。該液位值稱為臨界液位，常壓下的水約為5mm。4.重力加速度隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，需要對超重力和微重力情況下的傳熱規(guī)律進行研究。在很大的范圍內(nèi)重力加速度幾乎對核態(tài)沸騰的換熱規(guī)律沒有影響。但重力加速度對液體自然對流則有顯著的影響，自然對流隨加速度的增加而強化。第7章相變對流傳熱5.管內(nèi)沸騰液體在管內(nèi)發(fā)生強制對流沸騰時，由于蒸氣混入液流，出現(xiàn)不同形式的兩相流結(jié)構(gòu)，傳熱機理很復雜。均勻加熱的豎管內(nèi)液體沸騰的類型及區(qū)域：過冷沸騰區(qū)：未達到飽和溫度飽和核態(tài)沸騰區(qū)：泡狀流和塊狀流液膜對流沸騰區(qū)：中間空氣的環(huán)狀流濕蒸氣換熱區(qū)：濕蒸氣與壁面接觸過熱蒸汽換熱區(qū)：干蒸氣單項傳熱。管的位置是影響管內(nèi)沸騰的因素之一，影響參數(shù)有：含氣量、質(zhì)量流速和壓力。第7章相變對流傳熱7.6.2強化沸騰傳熱的原則與技術(shù)總原則：盡量增加加熱表面上的汽化核心；關(guān)鍵技術(shù)：在沸騰傳熱表面增加微小凹坑。1.強化大容器沸騰的表面結(jié)構(gòu)兩類增加表面凹坑的方法：(1).用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學的方法在換熱表面上造成一層多孔結(jié)構(gòu)；(2).采用機械加工的方法在換熱管表面上造成多孔結(jié)構(gòu)。2.強化管內(nèi)沸騰的表面結(jié)構(gòu)為防止管內(nèi)沸騰蒸干區(qū)域管壁溫度的飛升，采用螺紋或者三維微肋結(jié)構(gòu)的肋管。7.7熱管簡介(相變對流傳熱的應用)第7章相變對流傳熱7.7.1熱管的工作原理構(gòu)成:金屬管、絲網(wǎng)狀吸液芯