6 相變對(duì)流傳熱

第六章

相變對(duì)流傳熱.1

凝結(jié)傳熱的模式；膜狀凝結(jié)分析解及計(jì)算關(guān)聯(lián)式；膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化；沸騰傳熱的模式；大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化；熱管簡(jiǎn)介；1主要內(nèi)容：相變（沸騰與凝結(jié)）換熱的特點(diǎn)及影響因素；相變換熱的研究與計(jì)算方法；相變換熱的強(qiáng)化技術(shù)。相變換熱屬于對(duì)流換熱，基本計(jì)算公式仍為牛頓冷卻公式：Φ=

A?h?Δt凝結(jié)換熱：沸騰換熱：Δt=ts-twΔt=tw-ts26.1

凝結(jié)傳熱的模式1.

珠狀凝結(jié)與膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)：凝結(jié)液體能很好地潤(rùn)濕壁面，就會(huì)在壁面上鋪展成膜。珠狀凝結(jié)：凝結(jié)液體不能很好地潤(rùn)濕壁面時(shí)，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)的小液珠。3膜狀凝結(jié)的熱阻比珠狀凝結(jié)大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。46.2

膜狀凝結(jié)分析解及計(jì)算關(guān)聯(lián)式1.

層流膜狀凝結(jié)分析解努塞爾（1916）首先建立了層流膜狀凝結(jié)換熱的簡(jiǎn)化熱物理模型和數(shù)學(xué)模型，他作了以下幾點(diǎn)假設(shè)：蒸氣為純飽和蒸氣，不含雜質(zhì)或不可凝氣體；汽、液物性均為常數(shù)；蒸氣靜止，對(duì)液膜表面無(wú)粘性力作用；液膜極薄，流速很低，忽略其慣性力；相變發(fā)生在汽-液界面上，界面處于飽和溫度；液膜內(nèi)僅有導(dǎo)熱作用，忽略對(duì)流傳熱方式；液膜的過(guò)冷度可以忽略不計(jì)；膜表面沒(méi)有波動(dòng)。根據(jù)上述假設(shè)，可使豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)層流膜狀凝結(jié)換熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型大為簡(jiǎn)化。5類(lèi)似于外掠平板強(qiáng)迫對(duì)流層流換熱，對(duì)于豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)層流膜狀凝結(jié)換熱，選取坐標(biāo)系如圖。微分方程組：6液膜在x方向的壓力梯度：微分方程組可簡(jiǎn)化為：邊界條件：7將動(dòng)量方程與能量方程做兩次積分：下一步的關(guān)鍵需要求解液膜厚度隨x的變化規(guī)律8對(duì)dx的微元段做質(zhì)量平衡，通過(guò)L截面處寬為1m的壁面凝結(jié)液體的質(zhì)量流量為:在dx微元段上質(zhì)量流量的增量為：9從通過(guò)厚為δ的液膜的導(dǎo)熱與dqm的凝結(jié)液體釋放出來(lái)的潛熱相等凝結(jié)液體釋放的汽化潛熱10通過(guò)液膜的導(dǎo)熱積分局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：常數(shù)整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)液膜層流時(shí)豎壁膜狀凝結(jié)的努塞爾理論解112.

豎直管與水平管的比較及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1）水平圓管及球表面的凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)水平管球d-水平管或者球的直徑。定性溫度：除汽化潛熱r按飽和溫度ts取值以外，其它參數(shù)都按液膜的算術(shù)平均溫度

取值。12（2）水平管外凝結(jié)與豎直管外凝結(jié)的比較橫管豎管橫管和豎管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式區(qū)別：a橫管特征長(zhǎng)度為d，豎管特征長(zhǎng)度為l；系數(shù)不同。當(dāng)l/d=50，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎管的2倍，故冷凝器通常都采用橫管的布置方案。13（3）分析解的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和假設(shè)條件的影響因素：液膜波動(dòng)143.

湍流膜狀凝結(jié)為判斷凝結(jié)液膜的流態(tài)，引進(jìn)膜層雷諾數(shù)Re。膜層雷諾數(shù)：根據(jù)液膜的特點(diǎn)取當(dāng)量直徑為特征長(zhǎng)度的Re數(shù)。-壁底部x=l處液膜層的平均流速。-該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。15-x=l處寬為1m的截面上凝結(jié)液的質(zhì)量流量。整個(gè)豎壁的傳熱量當(dāng)Re<1600時(shí)，凝結(jié)液膜為層流；當(dāng)Re>1600時(shí)，凝結(jié)液膜變?yōu)橥牧?，用下式?jì)算整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。16例6-1：壓力為1.013×105Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)，壁的尺寸為30cm×30cm，壁溫保持98℃.試計(jì)算每小時(shí)的傳熱量及凝結(jié)蒸氣量。解：根據(jù)壓力，查表知ts

=100℃，r=2257

kJ/kg。物性參數(shù)按液膜平均溫度tm=（100℃+98℃）/2=99℃,查附錄得：采用層流液膜平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（7-7）來(lái)計(jì)算：17根據(jù)式（7-10）驗(yàn)證Re準(zhǔn)則：＜1600說(shuō)明原假設(shè)液膜為層流成立。傳熱量為：凝結(jié)蒸氣量為：186.3

膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化19膜狀凝結(jié)的影響因素蒸氣中含有不凝結(jié)氣體；管子排數(shù)；管內(nèi)冷凝蒸氣流速；蒸氣過(guò)熱度；液膜過(guò)冷度及溫度分布的非線性。（1）不凝結(jié)氣體20如果水蒸氣中質(zhì)量含量占1%的空氣可使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%。不凝結(jié)氣體層增加蒸氣傳遞過(guò)程的阻力，降低蒸氣分壓力，減弱凝結(jié)的動(dòng)力，使得凝結(jié)過(guò)程削弱。（2）管子排數(shù)排管上的凝結(jié)液在下落時(shí)產(chǎn)生飛濺及對(duì)液膜產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)，對(duì)傳熱過(guò)程造成影響。飛濺和擾動(dòng)的程度取決于管束的幾何布置、流體物性等，情況較為復(fù)雜。（3）管內(nèi)冷凝當(dāng)蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要積聚在管子的底部，蒸氣位于管子上半部。當(dāng)蒸氣流速高時(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻地展布于管子四周，蒸氣位于中間。21（4）蒸氣流速蒸氣流速較高時(shí)，蒸氣流速對(duì)液膜表面會(huì)產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。其影響又隨蒸氣流向與重力場(chǎng)同向或異向、流速大小以及是否撕破液膜等有關(guān)。當(dāng)蒸氣流動(dòng)方向與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，液膜被拉薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；反方向時(shí)會(huì)阻滯液膜的流動(dòng)使其增厚，則表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。（5）蒸氣過(guò)熱度把計(jì)算式中的潛熱改為過(guò)熱蒸氣與飽和液的焓差，也可用前述飽和蒸氣的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來(lái)計(jì)算過(guò)熱蒸氣的凝結(jié)傳熱系數(shù)。22（6）液膜過(guò)冷度及溫度分布的非線性努塞爾的理論分析忽略了液膜的過(guò)冷度，并假定液膜中的溫度呈線性分布。在實(shí)際工程中，要在原來(lái)的基礎(chǔ)上加上一個(gè)修正系數(shù)。雅各布（Jakob）數(shù)，是衡量液膜過(guò)冷度相對(duì)大小的無(wú)量綱23數(shù)。2.

膜狀凝結(jié)的強(qiáng)化原則和技術(shù)盡量減薄液膜厚度是強(qiáng)化膜狀凝結(jié)的基本原則。減薄蒸氣凝結(jié)時(shí)直接粘滯在固體表面上的液膜。b.及時(shí)地將傳熱表面上產(chǎn)生的凝結(jié)液體排走，不使其積存在傳熱表面上而進(jìn)一步使液膜加厚。24（2）強(qiáng)化技術(shù)簡(jiǎn)介①減薄液膜厚度技術(shù)整體式低肋片鋸齒管25②及時(shí)排液的技術(shù)266.4

沸騰傳熱的模式沸騰：液體溫度超過(guò)相應(yīng)壓力下的飽和溫度時(shí)所發(fā)生的汽化現(xiàn)象，伴隨大量汽泡產(chǎn)生。均相沸騰：因壓力突降發(fā)生的沸騰現(xiàn)象（閃蒸），不存在加熱面。非均相沸騰：因表面加熱產(chǎn)生的沸騰現(xiàn)象。大容器沸騰（池沸騰）：由溫差和氣泡的擾動(dòng)引起。強(qiáng)迫流動(dòng)沸騰（管內(nèi)沸騰）:在外加的壓差下才能維持。主要討論大容器飽和沸騰27大容器飽和沸騰的特點(diǎn)：加熱表面上有汽泡生成，隨著汽泡長(zhǎng)大和脫離壁面，容器內(nèi)的液體受到劇烈擾動(dòng)，換熱強(qiáng)度很高。1.

大容器飽和沸騰曲線qw-Δt=tw-ts

過(guò)熱度自然對(duì)流核態(tài)沸騰A-C（傳熱強(qiáng)）過(guò)渡沸騰C-D膜態(tài)沸騰D～E偏離核沸騰點(diǎn)，安全警界點(diǎn)282.

氣泡動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)介汽化核心：汽泡產(chǎn)生點(diǎn)。易于成為汽化核心的位置：壁面上的凹坑、細(xì)縫、裂穴等。29加熱表面上要產(chǎn)生氣泡液體必須過(guò)熱汽泡的力平衡：汽泡的生成條件：當(dāng)tl

>ts時(shí)，液體是過(guò)熱的。過(guò)熱度越大，能夠生存的汽泡半徑越小。加熱壁面處的過(guò)熱度最大，所以該處的汽泡最容易生存。306.5

大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.

大容器飽和核態(tài)沸騰的無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式羅森諾公式：31ηl為飽和液體的動(dòng)力粘度（Pa?s）；r

為沸騰液體的汽化潛熱（kJ/kg）；γ

為液體與飽和蒸氣界面上的表面張力（N/m）；ρl、ρv分別為飽和液與飽和蒸氣的密度（kg/m3）；cpl為飽和液體的比定壓熱容（J/kg?K）；Δt

為壁面的過(guò)熱度，即沸騰溫差（℃）；s

為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，對(duì)水s=1，對(duì)其它液體，s=1.7；Cwl為根據(jù)加熱面與液體種類(lèi)選取的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。3233342.

大容器飽和沸騰臨界熱流密度計(jì)算式適用條件：大空間核態(tài)飽和沸騰，加熱表面的特征尺寸遠(yuǎn)大于汽泡平均直徑。臨界熱流密度的數(shù)值與壓力密切相關(guān)，在比壓力（液體的壓力與其臨界壓力之比）大約等于0.3處，臨界熱流密度具有極大值。353.

大容器飽和液體膜態(tài)沸騰傳熱計(jì)算式膜態(tài)沸騰中氣膜的流動(dòng)和換熱類(lèi)似于膜狀凝結(jié)中液膜的流動(dòng)與換熱，可用類(lèi)似的分析方法分析，得到的解的函數(shù)形式也很相似：定性溫度：ρl和r采用飽和溫度ts，其余物性參數(shù)用tm=(tw+ts)/2。對(duì)于球面，系數(shù)0.62改為0.67。366.6

沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化1.

影響沸騰傳熱的因素（1）液體的物性(從羅森諾公式可以看出）（2）加熱表面狀況：決定汽化核心數(shù)目的多少。壁面材料的種類(lèi)、熱物理性質(zhì)以及壁面的厚度等。如壁面與沸騰液體間的潤(rùn)濕性、加熱壁面的吸熱系數(shù)對(duì)沸騰換熱都有影響；加熱壁面的粗糙度；(c)加熱壁面的氧化、老化和污垢沉積情況等。37液體的壓力液體核態(tài)沸騰的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨系統(tǒng)壓力的增加而增加。不凝氣體的含量、加熱表面的大小與方向以及液體自由表面的高度（即液位）、重力加速度等因素的影響。管內(nèi)沸騰豎管管內(nèi)沸騰示意圖382.

強(qiáng)化沸騰傳熱的原則和技術(shù)強(qiáng)化沸騰換熱的措施提高壁面過(guò)熱度Δt;采用強(qiáng)迫對(duì)流沸騰;改變加熱壁面狀況等;39406.7

熱管簡(jiǎn)介41熱管的工作特點(diǎn)：傳熱能力強(qiáng)：一根鋼－水熱管的傳熱能力大致相當(dāng)于同樣尺寸紫銅棒導(dǎo)熱能力的1500倍；傳熱溫差??；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、傳輸距離長(zhǎng)；熱流密度可調(diào)（通過(guò)改變加熱段和放熱段的長(zhǎng)度或加裝肋片）；采用不同的工質(zhì)可適用不同的溫度范圍；重力熱管示意圖42熱管應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題：密封性、熱管管材與工質(zhì)間的相容性。43熱管的