第7章 相变对流传热-1

传热学（HeatTransfer）授课教师：邓元望第7章相变对流传热本章内容：在饱和温度下由气态转变为液态的过程为凝结；在饱和温度下，由液态转变为气态的过程为沸腾；二者均为伴随相变的对流换热。讨论相变换热机理、基本的换热准则关联式，及相变对流传热的特点、影响因素和强化措施。7.1凝结传热7.1.1膜状凝结和珠状凝结1.蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触，两种凝结现象：图7-1不同润湿条件下的凝结形式膜状凝结：形成一层液膜珠状凝结：形成液珠2.影响凝结形态的因素：取决于凝结液和壁面的物理性质，如凝结液的表面张力、壁面的光洁度等如果凝结液与壁面之间的附着力大于凝结液的表面张力，则形成膜状凝结；如果表面张力大于附着力，则形成珠状凝结。3.膜状凝结时：凝结液膜阻碍蒸汽与壁面直接接触，液膜成为膜状凝结传热的主要热阻液膜面积越大、越厚，热阻越大。强化膜状凝结传热时要考虑：排除凝结液、减小液膜厚度。4.珠状凝结时：大部分的蒸汽可以与壁面直接接触凝结，其热阻与膜状凝结相比已经很小但珠状凝结在常规金属表面上难以产生和长久维持。故很难在工业上推广应用。实际工业应用上只能实现膜状凝结，所以设计上总是用膜状凝结的计算式作为依据。7.1.2膜状凝结分析解及计算关联式1916年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行的，并形成了各种实用的计算方法。所以，我们首先要了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。对实际问题的简化假设（在均匀壁温的竖直表面上）（1）物性为常数；（2）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力；（3）液膜的惯性力可以忽略；（4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，；（5）膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用；（6）液膜的过冷度可以忽略；（7），相对于可以忽略不计；（8）液膜表面平整无波动。vlsttvl1努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解边界层方程组的简化以竖壁的膜状凝结为例边界层微分方程组：0uvxy22()uudpuuvgxydxy22tttuvaxyy图7-2努塞尔理论分析的坐标系与边界条件考虑（3）液膜的惯性力忽略()0uuuvxy考虑（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热考虑（7）忽略蒸汽密度0dxdp0ytvxtu只有u和t两个未知量，于是，上面的方程组化简为：考虑（2）若以ρs蒸汽密度sdpgdx220dtdy220dugdy边界条件：主要求解过程与结果将动量方程与能量方程做两次积分，可得：00,wyutt时，d0,dsuytty时，求解的思路是：先从简化的微分方程组获得包括液膜厚度δ在内的流速u及温度t的分布表达式，再利用dx一段距离上凝结液体的质量平衡关系获得液膜厚度的表达式，最后利用导热公式与牛顿冷却公式的联系解出表面传热系数h的表达式。21(),()2lwswlgyuyytttt（1）液膜厚度计算式1424()swttxgr定性温度：2wsmttt通过l截面处宽为1m的壁面凝结液体的质量流量为：2232001()23mggqudyyydy在dx微元段上质量流量的增量为：22mgddqdx微元段所传递的热量：22swttgdrdx图7-3确定凝结液截面流量的图示sw(tttC)整个竖壁的平均表面传热系数：定性温度：2wsmttt（2）局部表面传热系数14234()llxlswgrhttx14230140.9433()lllVxxllswgrhhdxhlltt水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数14230.729()llHlswgrhdtt14230.826()llSlswgrhdtt横管与竖管的平均表面传热系数之比：140.77HVhlhd分析解的实验验证和假设条件的影响式中：下标“H”表示水平管，“S”表示球;d为水平管或球的直径。水平管外凝结与竖直管外凝结的比较竖壁上水蒸气膜状凝结的理论式和实验结果的比较14231.13()swgrhttl由于膜层表面的波动，工程上使用把理论式系数增加20％的实验公式：2湍流膜状凝结传热对于垂直壁面上的凝结传热，临界雷诺数Rec为1800。当Re1800时，液膜由层流变为湍流，凝结传热大为增强，努塞尔理论解不再适用。推荐采用特征数关联式计算整个垂直壁面的平均表面传热系数。7.1.3膜状凝结传热的影响因素主要影响因素：(1)流体的种类（关系到凝结液的物性、饱和温度ts）(2)传热面的几何形状、尺寸和位置(3)蒸汽的压力（决定饱和温度ts的大小）(4)温差ts-tw工程实际中除上述因素之外，还有：(5)不凝结气体(6)蒸汽流速(7)蒸汽过热7.1.4膜状凝结传热的强化液膜热阻是主要热阻。因此，强化传热的关键措施就是设法将凝结液从传热面排走、尽可能减小液膜厚度。工业上主要强化措施有：(1)减薄液膜厚度或破坏液膜。如：采用低肋管、锯齿形肋片管、增加顺液膜流动方向的蒸汽流速、单管或管束尽量放置成水平位置。(2)加速液膜排泄。如采用分段排泄管、沟槽管、泄出罩或应用离心力、静电吸引力等。(3)减少不凝结气体的含量。如采取抽吸、引射等方式。(4)对凝结表面采取措施，使其尽可能实现珠状凝结。图7-5整体式低肋管图7-6锯齿管示意图图7-7及时排液的措施8070902121)()(wsmttt8971.l6740.l6101355.l90st12283.例题7-1压力为0.7×105Pa的饱和水蒸气，在高为0.3m，壁温为70℃的竖直平板上发生膜状凝结，求平均表面传热系数及平板每米宽的凝液量。解：ps=0.7×105Pa的饱和水蒸气对应的饱和温度ts=90℃，液膜平均温度凝液（水）的物理参数kg/m3，W/(m.K)，Pa•s℃对应的汽化潜热KJ/kg℃先假定液膜流动处处于层流h41w32131/sttlgr.1323469.812283.110971.80.6471.13355.1100.39070=8390W/(m2•K)检验流态w644839090700.3Re2481600335.1102283.1shlttr所以，假设层流是正确的。每米宽度平板的凝液量0220101228370903083903...wsmtthlqkg/s例题7-2压力为1.013×105Pa的饱和水蒸气，用壁温为90℃的水平铜管来凝结。有两种方案可以考虑：用一根直径10cm的铜管；或用10根直径为1cm的铜管。若两种方案的其它条件均相同，要使产生的凝液量最多，应采取哪种方案？这一结论与蒸汽压力和铜管壁温是否有关？解：水平管的凝结换热公式两种方案的换热面积相同，温度相等，由牛顿冷却公式故凝液量因此，两种方案的凝液量之比故小管径系统的凝液量是大管径系统的1.778倍。只要保证蒸汽压力和管壁温度在两种情况下相同，上述结论与蒸汽压力和铜管壁温无关。1/423w0.729sgrhdttthArthArqm56201014141122121.ddhhqqmm7.2沸腾传热当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，液体被加热汽化而产生大量汽泡的现象称为沸腾。沸腾的形式有多种：过冷沸腾：如果液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体壁面上生成、长大，脱离壁面后又会在液体中凝结消失；饱和沸腾：若液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体表面。大容器沸腾（或池沸腾）：液体具有自由表面，不存在外力作用下的整体运动；强迫对流沸腾：液体沸腾时处于强迫对流运动状态。如锅炉和制冷机蒸发器的管内沸腾。7.2.1大容器饱和沸腾曲线饱和沸腾时，壁温与饱和温度之差称为沸腾温差，它对沸腾状态有很大的影响，通过的热流通量q随沸腾温差∆t的变化而变化。二者的关系曲线称为沸腾曲线。四种不同的传热状态：(1)自然对流(2)核态沸腾(3)过渡沸腾(4)膜态沸腾图7-8水在压力Pa下的饱和沸腾曲线核态沸腾温差小、传热强，是工业中的理想工作区域。热流密度峰值qmax是非常危险的数值，也称为临界热流密度。为了保证设备安全不至烧毁，必须控制热流密度低于临界热流密度。两种加热方式：（1）控制壁温，即改变壁温tw与液体饱和温度ts之差Δt=tw-ts（2）控制热流，即改变壁面处的热流密度q。沸腾传热的推动力是Δt=tw-ts，因此壁面过热是产生沸腾传热的先决条件。7.2.2核态沸腾传热的主要影响因素核态沸腾的特点：汽泡的生成、长大及脱离加热面的运动对核态沸腾传热起决定作用，汽泡的数量越多，越容易脱离加热面，核态沸腾传热就越强烈。汽泡的生长理论分析：汽泡是在加热面上的汽化核心处生成的，而形成汽化核心的最佳位置是加热面上的凹缝、孔隙处，这里残留着微量气体，最容易生成汽泡核（即微小汽泡）。加热面的过热度越大，压力越高，能够长成汽泡的汽泡核越多，核态沸腾传热就越强烈。图7-9汽化核心示意图影响沸腾传热的因素：（1）不凝结气体。溶解于液体中的不凝结气体往往会使沸腾传热得到某种强化。（2）过冷度。在核态沸腾起始段，过冷度会使传热增强，表面传热系数增大。（3）液位高度。只有低液位沸腾会强化传热，表面传热系数增大。（4）重力加速度。只有在微重力状态下，重力加速度才会对核态沸腾传热产生影响。（5）沸腾表面结构。沸腾表面的微小凹坑最容易产生汽化核心，从而强化传热。管内强制对流沸腾的情况：如蒸汽锅炉中的传热管，水从管内流过，吸收管壁热量而蒸发。由于管内产生的蒸汽混入液流，会出现多种不同形式的两相流结构，传热机理很复杂。竖管内沸腾如图。为了防止管内沸腾蒸干区域管壁温度的飞升，锅炉中广泛采用内螺纹管，肋片的高度在1mm左右。图7-11竖管内沸腾示意图小结1.沸腾与凝结是一类复杂的对流传热，由于气-液两相间状态转变的存在使得这类传热有以下主要特点；（1）热交换的动力是流体的饱和温度与壁面温度之差，因此它是牛顿冷却公式中的计算温差；（2）影响对流传热的流体物理性质除了无相变时的ρ、cp、、以外，汽化潜热以及两相间的表面张力σ也是重要因素；（3）无论凝结还是沸腾，都存在两种传热强度有数量级差别的方式，前者是膜状凝结与珠状凝结，后者是核态沸腾与膜态沸腾；2.膜状凝结时传热阻力集中在液膜内，可以通过对液膜内流动与传热的控制方程的简化处理而得出分析解。尤其是竖壁与水平圆管外努塞尔理论的分析解是对复杂问题作适当简化而获得的有实际意义解的范例，也是应用数学工具求解工程问题的典型。在膜状凝结中，由于完整液膜的存在，表面张力的作用显现不出来，但在珠状凝结中它就是一个重要的影响因素。3.用q~t或者h~t表示的大容器沸腾曲线，表征了不同传热机制所造成的传热强度的差别。特别要掌握两个问题：在核态沸腾区域，汽泡的产生与脱离所引起的强烈扰动是沸腾传热比单相对流传热强烈的主要原因；确认临界热流的存在具有重要的工程实际意义，读者可以通过恒定热流密度与恒定壁温加热两种情形来理解其重要性。4.强化膜状凝结的核心是使凝结液体尽快离开冷却表面，而强化沸腾的关键是在加热表面上产生尽可能多的汽化核心。5.本章教学的计算要求是竖壁和水平管外的层流膜状凝结与大容器核态沸腾。管内凝结与沸腾是更为复杂的物理过程，传热强度与流动的形态，即气液两相在管子界面上的分布方式有密切关系，仅要求