传热学第7章

第七章凝结与沸腾换热凝结换热——冰箱和空调中冷凝器使制冷工质冷凝沸腾换热——锅炉中管束使水沸腾冷凝器锅炉第一节凝结换热树叶上的珠状凝结玻璃窗上的膜状凝结膜状凝结珠状凝结形式成因附着力表面张力附着力表面张力稳定性好不好换热性能不好好层流膜状凝结换热速度变化规律：00yu0yyu层流膜状凝结换热温度变化规律：wytt0sytt蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用ts为蒸气饱和温度可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究一、垂直壁和水平管膜状凝结换热将：代入，得：0yyugdxdpv为蒸汽密度v假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：022gdyudv一般情况下：vv从而：积分两次，得到液膜内速度分布：221yygu2.液膜能量方程：22ytaytvxtu假定液膜流动缓慢，则对流换热项可忽略，能量方程可简化为：022dytd积分两次，并将边界条件代入，得到液膜内温度分布：yttttwsw1.X方向液膜动量方程：22yudxdpgyuvxuu3.液膜微元段热平衡：HM——凝液带入热量HdxdxdMM——凝液带出热量dMHdxytw——墙壁导热出热量——蒸气带入热量H——凝液焓（饱和液体）H——蒸气焓（饱和气体）M——凝液质流量32132020gdyyygdyuM其中：液膜微元段热平衡方程：HdxdxdMMdxytHMdMHwdgddgddddMdxdxdddMdxdxdM22323质流量在dx距离内的增量：近似认为膜内温度分布为线性，则有：wswttyt将以上关系式代入液膜微元段热平衡方程，得到：蒸气潜热：HHrdxttdgrws22分离变量，得：grdxttdws23上式在0～δ内积分，得到x处的液膜厚度：4124grttxws由于dx微元段的凝结换热量应该等于该段的导热量，故：dxttdxtthwswsx垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：4132410430410943.0343434111wslxlllxttlrghclcxldxcxldxhlh注意点：以上两式并非最后的正确结果，计算中不得直接使用！41324wsxttxrgh将δ代入，得到垂直壁层流膜状凝结换热局部表面传热系数：水平圆管层流膜状凝结换热平均表面传热系数：4132725.0wsttdrgh定性温度：2wstt定型尺寸：x(l)定性温度：2wstt定型尺寸：d将平均表面传热系数表达式写为准则方程：31Re47.1cCo垂直壁：水平管：31Re51.1cCo31223ghCo凝结准则rtthlwsc4Re凝结液膜雷诺准则31Re76.1cCo由于未考虑液膜波动因素，垂直壁理论解较实验结果偏低约20％，因而应将其修正为：垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：进行修正后，得到：413213.1wsttlrgh垂直壁与水平管凝结换热强度的比较——由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。适用范围：1800Rec适用范围：3600Rec（由于管径不会很大，一般不会到达紊流）垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：2.5Re08.1Re22.1ccCo适用范围：1800Rec垂直壁紊流段膜状凝结换热准则方程：253RePr588750Re75.05.0ccCo适用范围：1800Rec存在紊流时整个垂直壁平均凝结对流表面传热系数：lxhlxhhctcl1xc——Rec＝1800时的临界高度hl——层流段平均凝结对流表面传热系数ht——紊流段平均凝结对流表面传热系数l——垂直壁高度二、水平管内凝结换热蒸气流速较低时，凝液主要在管子底部，蒸气位于管子上部，上部换热较好蒸气流速较高时，形成环状流动，凝液均匀分布在管子四周，中间为蒸气核三、水平管束管外凝结换热上一层管子的凝液流到下一层管子上，使下一层管面的膜层增厚下层管上的h比上层管的h低计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式4132725.0wsttndrgh四、影响膜状凝结换热的因素及增强换热的措施影响因素蒸气速度高速→液膜吹脱壁面→h增大低速蒸气向下吹→液膜变薄→h增大蒸气向上吹→液膜变厚→h减小蒸气含不凝气体不凝气体聚集在表面，蒸气扩散阻力增加膜层表面蒸气分压降低，ts降低，ts-tw降低h减小表面粗糙度低Rec→凝液积聚，液膜增厚→h减小高Rec→凸出点对凝液产生扰动→h增大蒸气含油→壁上形成油垢→h减小过热蒸气→蒸气与凝液焓差增大→h增大（计算时潜热修正为实际焓差）增强凝结换热的措施：1.改变表面几何特征：采用各种带有尖峰的表面，使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉2.采用抽气装置排除不凝气体3.采用机械方法加速凝液排泄4.促进珠状凝结的形成（1）壁面涂镀材料减小附着力（2）蒸气加促进剂增大表面张力（c）沟槽管（d）微肋管第二节沸腾换热沸腾换热大空间沸腾换热（蒸气泡能自由浮升，穿过自由表面进入容器空间）有限空间沸腾换热（蒸气和液体混合在一起，形成两相流）一、大空间沸腾换热饱和沸腾：过冷沸腾：swsftttt，swsftttt，定义——工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式沸腾换热小实验气泡的变化规律产生长大浮升逸出大空间饱和沸腾过程的四个阶段：（控制壁温加热）对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜态沸腾曲线A-BB-CC-DD-E名称对流沸腾泡态沸腾过渡态沸腾膜态沸腾tw-ts5℃5℃～30℃30℃～120℃120℃现象气泡微小，附着于壁面不能浮升气泡不断产生、长大、浮升、逸出气泡太多形成气膜，阻碍传热形成稳定气膜，与壁面辐射换热量显著增加热流密度很小急剧增大下降回升大空间饱和沸腾过程的四个阶段（控制壁温加热）控制热流密度加热时大空间饱和沸腾换热的烧毁点：——热流密度不断增加到qc（106W/m2）附近时,沸腾状态将由C点沿红线跳跃至E点，壁温突然升至1000℃以上，设备将在瞬间烧毁。实例：在高压锅炉水冷壁设计中，务必使热流密度小于106W/m2水的大空间沸腾换热计算式：已知热流密度：已知壁温：15.07.0533.0pqh5.033.2122.0pph二、管内沸腾换热特征：由于流体温度随流向逐渐升高，沸腾状态随流向不断改变液相单相流泡状流块状流环状流气相单相流h较低h升高h高h高h急剧降低垂直管内沸腾水平管内沸腾液相单相流泡状流块状流波浪流环状流气相单相流汽水分层，管上半部局部换热较差第三节热管热管的工作原理：——沸腾换热和凝结换热两种相变换热过程的巧妙结合。热管的特点：1.靠蒸气流动传输热量，传热能力大。2.加热区和散热区趋于等温，温差损失小。3.采用不同工作液，可适应各种温度范围。4.加热区和散热区热管表面的热流密度可以不相同。5.结构简单，无运动部件，工作可靠。第七章重点：1.膜状凝结换热特征和计算方法2.沸腾换热的四个阶段3.热管的工作原理