07 第七章 相变对流传热.pptx

第1页：第七章 相变对流传热

第七章相变对流传热本章主要是介绍有相变的对流换热，即：凝结和沸腾。在这两种相变换热过程中，流体都是在饱和温度下放出或者吸收汽化潜热，所以换热过程的性质以及换热强度都与单相流体的对流换热有明显的区别。一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。其工业应用也很广泛，如发电厂中的凝汽器、制冷装置中的冷凝器和蒸发器、热管等。

第2页：冰箱的蒸发器空调冷凝器（室外机）

冰箱的蒸发器空调冷凝器（室外机）

第3页：凝结换热的模式

§7-1凝结换热的模式

• 一、凝结换热过程当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面接触时，将发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出汽化潜热并传递给固体壁。
• 二、分类根据凝结液在表面上的润湿情况，凝结换热可分为膜状凝结和珠状凝结两种形式。

第4页：凝结换热的模式（续）

• 1、膜状凝结当液体能润湿壁面时，凝结液在壁面上形成一层完整的液膜，这种凝结形式叫膜状凝结。
• 2、珠状凝结当液体不能润湿壁面时，凝结液在壁面上形成许多液滴，这种凝结形式称为珠状凝结。

第5页：三、两种凝结换热方式的比较膜状凝结时

三、两种凝结换热方式的比较膜状凝结时，在壁面形成的凝结液膜阻碍蒸汽与壁面直接接触，蒸汽只能在液膜表面凝结，所放出的汽化潜热必须通过液膜才能传到壁面，液膜成为膜状凝结换热的主要阻力，因此如何排除凝结液、减小液膜厚度就是强化膜状凝结换热时考虑的核心问题。当发生珠状凝结时，大部分的蒸汽可以与壁面直接接触凝结，所放出的汽化潜热直接传给壁面，因此珠状凝结换热与相同条件下的膜状凝结换热相比，表面传热系数要大几倍甚至一个数量级。

第6页：膜状凝结分析解及计算关联式

§7-2膜状凝结分析解及计算关联式

• 一、膜状凝结分析解努塞尔在1916年对层流膜状凝结换热进行了理论分析，得出了著名的努塞尔理论解。他根据层流膜状凝结换热的特点，做了以下合理假定：

第7页：膜状凝结分析解及计算关联式（续）

1、分析解的简化假定1常物性；2蒸汽是静止的，对液膜表面无粘性力作用；3液膜流速缓慢，忽略液膜的惯性力；4汽液界面上无温差；5液膜内部的热量传递只靠导热；6忽略液膜的过冷度；7ρv<<ρl；8液膜表面无波动。

第8页：膜状凝结分析解及计算关联式（续）

m·(x)t(y)u(y)layerslayerstw<tsg微元控制体边界层微分方程组：|Velocityboundary|(|(l∂y22∂y∂2t+v=a|uu∂u∂x∂y|∂x∂y|∂(∂u∂vThermalboundary+=02∂udxdpll+ρg+ηlρ(u+v)=-∂t∂t∂x∂y下脚标l表示液相

第9页：（3）液膜的惯性力忽略

• 考虑（3）液膜的惯性力忽略∂x∂ylρ(u∂u+v∂u)=0考虑
• （5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热在边界层外应用伯努里方程dp=0dx|(|(=0∂2t∂2u=0∂y22∂y|alll(ρg+ηu∂t+v∂t=0∂x∂y只有u和t两个未知量，于是，上面得方程组化简为：考虑
• （7）忽略蒸汽密度122lρu=0lp+ρgx+

第10页：（3）液膜的惯性力忽略（续）

|(|(|al=0∂2t∂2u=0∂y22∂yll(ρg+η边界条件：y=0时，y=δ时，st=tw=0,t=tdudyδu=0,

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第12页：（3）液膜的惯性力忽略（续）

}1/

• 42、分析解的结果整个竖壁的平均表面传热系数为23))(){llllts-twhV=0.943(μ(grρλ推广应用到水平圆管外的膜状凝结，平均表面传热系数为1/423}))(){ll(-twldtshH=0.729(μgrρλ注意：竖壁的计算公式同样适用于竖圆管，比较圆管竖放和水平放置的效果，为什么？)=0.77((d)(l)1/4hhVH

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第14页：（3）液膜的惯性力忽略（续）

}1/

• 43、分析解与实验结果的比较实验表明，在低雷诺数时，分析解结果与实验结果很好的相符，但当Re&gt;20后，由于液膜表面波动，传热强化，实验值比理论值高20%。将上式进行修正得：23)))({llllts-twhV=1.13(μ(grρλ

第15页：二、湍流膜状凝结判别流态的准则数仍然是雷

二、湍流膜状凝结判别流态的准则数仍然是雷诺数，对竖壁膜状Re=4hl(ts-tw)rηl凝结Re：临界雷诺数取Rec=1600湍流情况下，可按（6-12）关联式计算。对于横管，因直径较小，实际上均在层流范围。

第16页：膜状凝结的影响因素及其传热强化

§7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化

• 一、影响膜状凝结的因素
• 1、不凝结气体不凝结气体不断在液膜附近积累，使凝结过程增加了蒸汽传递过程的阻力，并降低液膜表面蒸汽的分压力，导致液膜表面的饱和温度下降，减少了凝结的驱动力，传热系数大大减弱。电厂的凝汽器都有抽气装置，以便及时排除空气。
• 2、蒸汽的流速、过热度、表面的几何状况等也都有影响。

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第21页：二、凝结换热的强化通过上述分析可知

二、凝结换热的强化通过上述分析可知，液膜的导热热阻是膜状凝结换热的主要热阻。因此，强化膜状凝结换热的关键措施就是设法将凝结液从换热面排走、尽可能减小液膜厚度。例如，目前工业上由水平管束构成的冷凝器都采用低肋管或锯齿形肋片管，利用凝结液的表面张力将凝结液拉入肋间槽内，使肋端部表面直接和蒸气接触，达到强化凝结换热的目的。

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第23页：沸腾传热的模式

§7-4沸腾传热的模式

• 一、沸腾换热的分类大容器沸腾（或称为池内沸腾）强制对流沸腾（主要是管内沸腾）过冷沸腾：液体主体的温度低于饱和温度。饱和沸腾液体主体的温度达到饱和温度。

第24页：二、大容器饱和沸腾曲线通过对水在一个大气

二、大容器饱和沸腾曲线通过对水在一个大气压（1.013×105Pa）下的大容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出图6-11所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐标为加热面的过热度；纵坐标为热流密度。Δt=tw-ts

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第26页：处的热流密度被定为临界热流密度

处的热流密度被定为临界热流密度。临界热流密度qmax：由核态沸腾向过渡沸腾转折Δt=tw-ts确定临界热流密度的意义

第27页：三、汽化核心的分析由核态沸腾的特点可以看

三、汽化核心的分析由核态沸腾的特点可以看出，汽泡的生成、长大及脱离加热面的运动对核态沸腾换热起决定作用。实验观察和理论分析一致得出，汽泡是在加热面上所谓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）。汽化核心示意图

第28页：对单个汽泡在液体中存在的条件（满足力

对单个汽泡在液体中存在的条件（满足力的平衡和热平衡）分析可得，气泡的半径需满足2σTsrρv(tw-ts)R≥Rmin=式中：σ—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kgρv—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

第29页：大容器沸腾传热的实验关联式

§7-5大容器沸腾传热的实验关联式

• 一、大容器饱和核态沸腾影响核态沸腾的因素主要是壁面的过热度和汽化核心数，而汽化核心数则受到壁面材料、及其表面状况、压力、物性等的影响，因此实际情况比较复杂。下面给出两个公式。
• 1、米海耶夫计算式（用于水）h=CΔt2.33p0.51

第30页：大容器沸腾传热的实验关联式（续）

• 1h=CΔt2.33p0.51C=0.122W(m·N0.5·K3.33)按~q=hΔth=C2qp0.70.15C2=0.533W0.3(m0.3·N0.15·K)
• 2、罗森诺公式—广泛适用的强制对流换热公式）既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：NuSt=Re·Pr

第31页：大容器沸腾传热的实验关联式（续）

St-1=C·Re0.33·PrswllSt=Nu=rRe·PrCpl·Δtr—汽化潜热；σηlrg(ρl-ρv)Re=qλl=CplηllPrCpl—饱和液体的比定压热容g—重力加速度;ηl—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6-1)q—沸腾传热的热流密度;s—经验指数，水s=1,否则，s=1.7

第32页：二、大容器沸腾的临界热流密度书中

• 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：14maxπ24vl12vgrρ[σ(ρ-ρ)]q=
• 三、大容器膜态沸腾的关联式横管的膜态沸腾143)}(vlvv)h=0.62(ηvd(tw-ts){grρ(ρ-ρ)λ

第33页：考虑热辐射作用由于膜态换热时

考虑热辐射作用由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。h43=h43+h43crTw-Tshr=wsεσ(T4-T4)其中：

第34页：沸腾换热的影响因素及其强化影响核

• §6-6沸腾换热的影响因素及其强化影响核态沸腾的因素主要是壁面的过热度和汽化核心数，而汽化核心数则受到壁面材料、及其表面状况、压力、物性等的影响。沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：
• (1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。
• (2)机械加工方法。

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第36页：复习题1-

复习题1-10，7-4、7-5本章作业