西安交通大学传热学课件7

1/76传热学HeatTransferPhaseChangeHeatTransferGas-liquid第七章相变对流传热2/76传热学HeatTransfer工程应用背景锅炉炉膛中的水冷壁热电厂冷凝器空调、冰箱中的冷凝器和蒸发器蒸汽发生器相变传热的特点有潜热释放影响因素太多热点难点3/76传热学HeatTransfer主要内容凝结传热沸腾传热凝结传热的模式层流膜状凝结分析解沸腾传热的模式大容器饱和沸腾实验关联式影响因素及强化热管影响因素及强化4/76传热学HeatTransfer§7-13凝结传热Condensationheattransfer5/76传热学HeatTransfer§7-1凝结传热的模式一、凝结的定义二、两种存在形态蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时形成液体的过程。浸润性液体；非浸润性液体。6/76传热学HeatTransfer1、膜状凝结(filmcondensation)沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动。2、珠状凝结(dropwisecondensation)当凝结液体不能很好地浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠。gswttgswtt三、凝结传热的两种模式7/76传热学HeatTransfer8/76传热学HeatTransfer9/76传热学HeatTransfer（4）凝结传热设备的设计依据：膜状凝结3、说明（1）h珠h膜（2）珠状凝结很难保持，工程中遇到的凝结传热大多属于膜状凝结（3）主要热阻10/76传热学HeatTransfer3、电子元器件冷却1、蒸汽压缩制冷循环2、电厂的凝汽器四、膜状凝结传热的应用11/76传热学HeatTransfer12/76传热学HeatTransfer§7-2层流膜状凝结传热凝结传热是一个非常复杂的现象蒸汽流速蒸汽过热度不凝结气体几何因素Nusselt于1916年成功地用理论分析法求解了层流膜状凝结问题热物性工质与固体壁面液膜过冷度物理问题：饱和蒸汽在冷壁面凝结，形成液膜，蒸汽凝结将热量传给冷壁面，求传热系数。13/76传热学HeatTransfer1、对实际问题的简化一、Nusselt的分析解（1）常物性（2）饱和蒸汽总体静止忽略相界面粘性力（3）液膜流动缓慢（4）汽液界面上无温差（5）膜内温度线性分布（6）液膜的过冷度忽略（7）忽略蒸汽密度（8）液膜表面光滑平整无波动14/76传热学HeatTransfer边界层微分方程组：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll15/76传热学HeatTransfer考虑（3）液膜的惯性力忽略0)(yuvxuul考虑（5）膜内温度线性分布，即热量传递方式只有导热考虑（7）忽略蒸汽密度0dxdp0ytvxtu？16/76传热学HeatTransfer2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll002222dytdadyudglll↘边界条件：swttyuyttuy,0dd0,0时，时，17/76传热学HeatTransfer2、求解结果（1）速度、温度分布yttttyygusllww221？18/76传热学HeatTransfer（2）液膜厚度质量守恒能量守恒lllmgdyuq31320dgdqllm221wrsmlttdqdx1/44llsw2l(tt)xgr19/76传热学HeatTransfer（3）局部对流传热系数1/4423llxlswgrh(tt)xww11ttdxttdxhslsxlxh20/76传热学HeatTransfer（4）整个竖壁的平均表面传热系数定性温度：2wsmttt注意：r按ts确定0143lxxlhhdxhl12340.943wlllsgrltt21/76传热学HeatTransfer3、几点说明努塞尔的理论分析可推广到水平圆管外的层流膜状凝结1/40.72923llHlswgrhd(tt)（1）倾斜平板（2）水平圆管外22/76传热学HeatTransfer（3）假设8似乎没用到？（4）定性温度2wsmttt注意：r按ts确定23/76传热学HeatTransfer1、比较二、垂直管与水平管的比较和实验验证水平管与垂直管的对流换热系数之比：414177.0943.0729.0dldlhhVH0.250VHhhdl24/76传热学HeatTransfer2、实验验证（1）水平单管（2）竖表面41w3213.1ttlgrhslll25/76传热学HeatTransfer1、液膜的流态20Re1600Rec无波动层流有波动层流湍流um为x=l处液膜的平均流速；de为该截面处液膜层的当量直径。三、湍流膜状凝结lemlduRe26/76传热学HeatTransfer4ecdA/P由热量守恒：lmlmlqu44Reltthqsmmwrrttlhlwsm4Re44b/b27/76传热学HeatTransfer2、层流向湍流的转捩20Re1600Rec无波动层流有波动层流湍流1600Rec（1）（2）表面传热系数的计算ccltxxhhh1ll（3）水平管一般为层流式（7－12）注意关联式的定性温度28/76传热学HeatTransfer1、思路层流核算Re四、例题Re≤1600结果Re1600层流+湍流xc2、要用的公式1/423llHlswgrh0.729d(tt)水平管外竖直表面41w3213.1ttlgrhslll29/76传热学HeatTransfer3、例7-1压力为1.013×105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98℃。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。30/76传热学HeatTransfer竖直表面41w3213.1ttlgrhslll（1）水蒸气ts=100Cr（2）定性温度液膜物性（3）选用层流公式（4）核算Re（5）换热量（6）蒸汽凝结量31/76传热学HeatTransfer二、蒸气流速一、不凝结气体§7-3膜状凝结的影响因素及其强化增加了传递过程的阻力减小了凝结的驱动力使液膜变厚使液膜变薄32/76传热学HeatTransfer三、过热蒸汽四、液膜过冷度及温度分布的非线性五、管子排数前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管六、管内冷凝33/76传热学HeatTransfer原则：减薄液膜的厚度7、凝结表面的几何形状（1）为什么？（2）强化的原则和措施措施：拉薄或排掉34/76传热学HeatTransfer35/76传热学HeatTransfer36/76传热学HeatTransfer37/76传热学HeatTransfer38/76传热学HeatTransfer39/76传热学HeatTransfer§7-4沸腾传热简介一、液体汽化的两种方式（1）定义1、蒸发（evaporation）2、沸腾（boiling）工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程40/76传热学HeatTransfer（2）分类过冷沸腾饱和沸腾大容器沸腾(池沸腾)强制对流沸腾加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾↗二、大容器饱和沸腾41/76传热学HeatTransfer1、曲线（Nukiyama，1934）（1）自然对流（2）核态沸腾（3）过渡沸腾（4）膜态沸腾孤立汽泡区汽块区42/76传热学HeatTransfer孤立汽泡区Theregionofisolatedbubbles43/76传热学HeatTransfer汽块区Theregionofslugsandcolumns44/76传热学HeatTransfer过渡沸腾Transitionalboilingregime45/76传热学HeatTransfer膜态沸腾filmboiling46/76传热学HeatTransferMEBonaheatedwireSubcooledPoolBoiling47/76传热学HeatTransfer对于热流密度可以控制的情况2、工程指导对于壁温可以控制的情况临界热流密度(CriticalHeatFlux)qmax及相对应的过热度t具有重要的意义48/76传热学HeatTransferBurnoutwilltakeplace49/76传热学HeatTransfer三、汽泡动力学简介1、必须维持一定的过热度汽泡的产生、成长、脱离过程汽泡动力学（BubbleDynamics）表面张力＝汽泡内外压力差浮升力＝重力2v2RppRllppRv250/76传热学HeatTransfer2、汽化核心加热表面上凹坑、裂穴最有可能成为汽化核心这些地方的过热度要保证lppRv251/76传热学HeatTransfer3汽泡的脱离直径和频率表面张力越大，越不容易脱离lppgDv~浮升力越大，越容易脱离2,1,5.0aCDfa52/76传热学HeatTransfer4、沸腾传热的数学模型目前传热学研究的热点之一！AggressiveCreativeSelf-motivated53/76传热学HeatTransfer四、管内沸腾简介54/76传热学HeatTransfer§7-5沸腾传热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即thtthqsw)(影响因素太多！55/76传热学HeatTransfer一、大容器饱和核态沸腾•壁面过热度和汽化核心数•计算公式分歧较大•目前存在两种计算式1、米海耶夫公式－水56/76传热学HeatTransferSt=f(Re,Pr)slwlCPrReSt33.01t＝tw－ts定性温度为tsr—汽化潜热Cpl—饱和液体的比定压热容g—重力加速度l—饱和液体的动力粘度Cwl—取决于加热表面－液体组合情况的经验常数(表7-1)q—沸腾传热的热流密度s—经验指数水s=1,否则s=1.7tCrNuplPrReSt)(RevllgrqllpllCPr2、Rohsenow公式－适用性广57/76传热学HeatTransfer上式可以改写为：321Pr)(slwlplvllrCtCgrq可见，，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算t时，则可以将偏差缩小到33％。3~tq58/76传热学HeatTransfer55.05.067.0lgrmrrppMCqhMr－液体的分子量C－常数pr－液体压力与该流体饱和压力之比Rp－加热表面粗糙度mK/W90C66.033.0m3、制冷介质饱和核态沸腾的Cooper公式μmplg2.012.0mR59/76传热学HeatTransfer三、大容器膜态沸腾的关联式二、大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：4121max)(24vlvgrq不要求！60/76传热学HeatTransfer四说明1研究最不彻底！2实验结果与关联式之间偏差很大！3研究热点！61/76传热学HeatTransfer§7-6影响沸腾传热的因素最复杂影响因素最多关联式之间、实验结果与关联式之间重点：沸腾换热的强化只针对大容器沸