传热学V4-第七章-相变对流传热-1

第七章相变对流传热ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer相变对流传热凝结传热（气相变液相）沸腾传热（液相变气相）7-1凝结传热的模式相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热相变传热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂。相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量凝结传热：夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结沸腾传热：烧开水ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-1凝结传热的模式凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。凝结传热产生的必要条件：swttgg膜状凝结珠状凝结凝结模式源于气液界面的接触角θ（图7-1）swttswttsurfacetemperatureislessthanthesaturationtemperatureofanadjoiningvaporShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。珠状凝结珠状凝结的表面换热系数膜状凝结，要求憎水表面（Au，Teflon）2.55×1055000～250007-1凝结传热的模式ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解：液体膜层的热阻为主要因素。基本假设：1.二维、稳态、常物性、层流；2.蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力；3.忽略惯性力，液膜的运动仅取决于重力和粘滞力；4.壁温tw＝const，汽液界面无温差tδ＝ts5.液膜内部无对流而只有导热，温度分布为线性；6.忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热；7.蒸汽密度液体密度；8.液膜表面平整无波动。ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll稳态边界层微分方程002222ytyugllswttyuyttuy,0dd0,0时，时，简化后的常微分方程yttttyyguwswll)()21(2简化后的速度和温度分布7-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结抛物线线性ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解微元体热平衡)()(0udyrdrdMdxxttdlwsxyttttyyguwswll)()21(21/4llsw2l4(tt)xgr导热公式+牛顿冷却公式dxtthdxxttdwsxwsx)()()(xhx1/423llxlswgrh4(tt)x简化后的速度和温度分布7-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解1/423lllVx0lswgr1hhdx0.943ll(tt)竖壁倾斜竖壁4/132)(sin943.0wslllVttlrgh水平圆管壁1/423llHlswgrh0.729d(tt)1/423llSlswgrh0.826d(tt)球壁2wsmttt特征长度分别为l和d；r由ts确定。其它物性由平均温度确定：为何冷凝器一般多采用水平横管布置？7-2膜状凝结分析解及实验关联式层流膜状凝结ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer膜状凝结实验关联式：竖壁（层流）理论分析解在一定的假设条件下获得实验结果修正实验关联式竖壁（湍流）Nuhl/;32Gagl/伽利略数Rec1600Rec1600lwsrtthl)(4Re竖壁雷诺数竖壁临界雷诺数＝16007-2膜状凝结分析解及实验关联式ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer膜状凝结实验关联式：理论分析解在一定的假设条件下获得实验结果修正实验关联式水平圆管壁1/423llHlswgrh0.729d(tt)与分析解一致lwsrttdh)(2Re水平圆管壁雷诺数横管一般处于层流范围上述实验关联式仅适用低流速情况：水蒸气10m/s,氟利昂0.5m/s7-2膜状凝结分析解及实验关联式ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer膜状凝结换热的工程计算步骤：1.膜状凝结换热的形式（竖壁、侧壁、水平单圆管、多圆管、球壁）；2.判别流态（层流、湍流）；3.利用对应形式的实验关联式计算平均表面传热系数；4.利用牛顿冷却公式计算换热量，并计算凝结速率（单位时间内凝结的液膜质量）。)(wstthArqm注意事项：1.由于Re中包含未知量h，先假定流态进行计算，之后再校核流态；2.一定压力下的饱和水蒸气r和ts由附录10确定，其它物性由平均温度tm查附录9确定。7-2膜状凝结分析解及实验关联式ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结换热的影响因素：1.不凝结气体：2.蒸汽流速：3.过热蒸汽：4.液膜的过冷度及温度分布的非线性5.管子排数6.管内凝结7.凝结表面的几何形状ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer膜状凝结换热的强化措施：减薄液膜的厚度基于表面张力减薄液膜厚度（低肋管、锯齿管、微肋管）增加顺液膜流动方向的蒸汽流速水平放置单管或管束加速液膜的排出分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等减少不凝结气体抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速凝结表面实现珠状凝结7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-4沸腾传热的模式沸腾：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。沸腾换热：液体内部固液界面形成气泡而使热量由固壁传给液体的过程。沸腾换热产生的必要条件：swtt沸腾液体是否整体流动管内强制对流沸腾大容器沸腾沸腾液体主体温度是否达到饱和温度饱和沸腾过冷沸腾YNYNShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-4沸腾传热的模式大容器饱和沸腾曲线0℃∆t4℃:单相自然对流区，无汽泡。4℃∆t25℃:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25℃∆t200℃:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200℃∆t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。大容器饱和沸腾的四个区域莱登佛罗斯特点CHFShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能加入过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却下降，设备易烧毁。qmax临界热流密度CHF（烧毁点）设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点）沸腾换热：换热温差∆t越大≠热流密度大沸腾换热的两种加热方式：控制壁温控制热流（大于qmax时，工况沿虚线直接跳至稳定膜态沸腾，∆t猛增到1000℃，需要避免）7-4沸腾传热的模式大容器饱和沸腾曲线CHFShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-4沸腾传热的模式大容器饱和沸腾曲线ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-4沸腾传热的模式汽化核心汽化核心：实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心。气泡产生的源泉。壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心。汽泡半径R必须满足下列条件才能存活：克拉贝龙方程)(2minswvsttrTRR式中：—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面温度，Cts—对应压力下的饱和温度，C可见，(tw–ts),Rmin同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强壁面汽泡的产生、成长和脱离增强沸腾传热强度受热面积残存气体ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer7-4沸腾传热的特点1.沸腾换热属于有相变的对流换热。加热固体表面的热量通过导热和对流传递给沸腾流体，同时流体存在液相到气相的相变。牛顿冷却公式仍然适用；2.沸腾换热的推动力也是温差，壁面过热（twts）是必要条件；3.沸腾换热时气泡在汽化核心处产生，成长并逸出；之后流体补充，重新形成气泡，周而复始；气泡的形成、成长和脱离对加热表面的流体产生剧烈的扰动，因此换热的强度远大于无相变对流换热；4.汽化核心数目的增加有利于强化沸腾换热。ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer大容器饱和核态沸腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数通用液体的大容器饱和核态沸腾：罗森诺Rohsenow公式1tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPrslwlCStPrRe33.01符号意义参见教材（7-17）式，Cwl查表7-1确定。水：s＝1，其它液体：s＝1.77-5大容器沸腾传热的实验关联式slvllwlplgrqCrtcPr)(33.0ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer大容器饱和核态沸腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数制冷介质的大容器饱和核态沸腾：库铂Cooper公式2式中：q—热流密度，W/m2；Mr—制冷介质分子量；pr—介质压力与临界压力比；Rp—表面平均粗糙度，um。7-5大容器沸腾传热的实验关联式ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer大容器饱和核态沸腾临界热流密度4121max)(149.0vlvgrq7-5大容器沸腾传热的实验关联式式中：物性参数根据饱和温度查取。ShanghaiJiaoTongUniversitySJTU-OYH传热学HeatTransfer大容器膜态沸腾：注意事项：横管a＝0.62，球壁a＝0.67汽化潜热r和饱和液体密度ρl由饱和温度ts确定，其它物性参数由平均温度确定T＝t+273343434rchhhswswrTTTTh)(44413)()(swvvvlvcttdgrah对流换热辐射换热200℃∆t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。7-5大容器沸