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1、第六章 凝結與沸騰換熱凝結與沸騰換熱 蒸汽遇冷凝結、液體受熱沸騰也屬于對流換熱的范圍。不過，與前面討論的單項流體的對流換熱相比，它們有一個新的特點，即他們都是伴隨有相變的對流換熱。凝結與沸騰換熱廣泛應用于各種冷凝器和蒸發(fā)器中，如電站汽輪機裝置中的冷凝器、鍋爐爐膛中的水冷壁，冰箱與空調器制冷劑的冷卻器與蒸發(fā)器，化工裝置中的再沸器等都是實例。本章先討論凝結換熱、然后再討論沸騰換熱。最近20年中，在凝結與沸騰換熱的強化表面的研究方面取得了長足的進步，本章對此也將作些介紹。第一節(jié) 凝結換熱 定義：當蒸汽與低于其壓力所對應的飽和溫度的壁面接觸時，蒸汽會在壁面上產生凝結，這時蒸汽與壁面之間的換熱稱為凝結換
2、熱凝結換熱。分類：根據蒸汽在壁面上形成的情形，凝結換熱可分為 膜狀凝結和珠狀凝結膜狀凝結和珠狀凝結 膜狀凝結：當凝結液體能很好地潤濕壁面時，它就會在壁面上鋪展成膜。這種凝結成為膜狀凝結膜狀凝結。珠狀凝結：當液體不能很好地潤濕壁面時，凝結液體在壁面上會形成一個個小液珠，這時的凝結稱為珠狀珠狀凝結。凝結。實驗查明，幾乎所有的常用蒸汽，包括水蒸氣在內，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結。膜狀凝結與珠狀凝結的換熱特點 膜狀凝結時，蒸汽與壁面之間的傳熱，要經過凝結液膜層，相當于有一附加熱阻，因此，蒸汽與壁面不能直接接觸，所以，換熱情況較差；珠狀凝結時，蒸汽能與壁面較好接觸，換熱情況
3、較好；珠狀凝結換熱情況較膜狀凝結要好。第二節(jié)膜狀凝結分析及相關實驗關聯式 物理模型 數學模型 數學求解 解的分析物理模型一個豎壁其溫度低于蒸汽壓力所對應的飽和溫度，所以當蒸汽與該壁面接觸時，便發(fā)生凝結換熱，并在該壁面上形成如圖所示的邊界層。從邊界層內取微元體，可建立其能量方程、動量方程和換熱方程，并可寫出其定解條件。數學模型 微分方程組 邊界條件022220yllllytthytytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxusttdyduyvuy,00,00時，時，分析求解 1916年，努塞爾首先提出了純凈蒸汽層流膜狀凝結的分析解。他抓住了液體膜層的導熱熱阻是凝結過程主要熱阻這一特點，忽略次要
4、因素，從理論上揭示了有關物理參數對凝結換熱的影響，長期以來被公認為是運用理論分析求解換熱問題的一個典范。在分析中，努塞爾作了若干個合理的假設，以簡化實際問題的復雜性。這些基本假設有努塞爾的基本假設常物性；蒸汽是靜止的，汽液界面上沒有對液膜的粘滯應力；液膜的慣性力可以忽略；汽液界面上無溫差，界面上液膜溫度等于飽和溫度，；液膜內溫度分布是線性的，即認為液膜內的熱量轉移只有導熱，而無對流作用；液膜的過冷度可以忽略；，即 相對于 可以忽略不計；液膜表面平整無波動。lvvlstt微分方程組簡化過程 根據假設（3）液膜的慣性力可以忽略，所以動量方程中的慣性力可以忽略，即 由于液膜很薄，所以液膜內x方向的壓
5、力梯度可取液膜邊界上，即 處液膜表面的壓力梯度。根據假設（2）蒸汽是靜止的，汽液界面上沒有對液膜的粘滯力。所以液膜表面上的流體可視為理想流體，遵從理想流體的伯努力方程，所以有0yuvxuuygdxdpv微分方程組簡化過程 此時動量方程可簡化為 根據假設（7），所以 所以動量方程可簡化為 根據假設（5），液膜內的溫度分布是線性的，即認為液膜內的熱量傳遞只有導熱，而沒有對流，所以能量方程可簡化為022yuggllvlvgglv022yugll022dytd簡化后的換熱方程組 由于只有兩個未知數，因此只需要兩個方程即可求解，所以簡化后的方程組為 相應的邊界條件為sywttdyduyttuy,0,00
6、時：時：022yugll022yt0yytth方程組的求解 求解的思路是：先從簡化的方程組獲得包括液膜厚度在內的速度 u 分布及溫度 t 分布的表達式；再利用 dx 一段距離上凝結液體的質量平衡關系獲得液膜厚度的表達式；最后利用換熱方程解出表面?zhèn)鳠嵯禂?h 的表達式。求解結果 液膜厚度計算式 局部表面?zhèn)鳠嵯禂涤嬎闶?平均表面?zhèn)鳠嵯禂涤嬎闶?/124rgxttlwsll4/1324xttrghwslllx4/1320943.0341wsllllxlxVttlgrhdxhlh對解的說明 上面的式子中，除了相變潛熱按飽和溫度 確定外，其他物性均取膜層平均溫度為定性溫度，膜層平均溫度為 上述分析解就是
7、按照努賽爾基本假設導出的，所以適用于滿足上述條件的豎壁凝結換熱豎壁凝結換熱,即層流膜狀凝結換熱。上述計算式稱為豎壁凝結換熱的分析解。stwsmttt21水平圓管與球的凝結換熱分析解 水平圓管外膜狀凝結換熱時平均表面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎闶?球壁外膜狀凝結換熱時平均表面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎闶?計算式中的定性溫度與豎壁相同。4/132729.0wslllHttdgrh4/132826.0wslllSttdgrh橫管與豎壁平均表面?zhèn)鳠嵯禂涤嬎闶降谋容^ 公式形式相同公式形式相同；計算式的系數不同；特征尺寸不同，橫管與球用直徑，豎壁用高度；所以，在其他條件相同時，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?與豎壁平均表面?zhèn)鳠嵯禂?的比值
8、為 在 時，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂凳秦Q壁的2倍，所以冷凝器通常都采用橫管的布置。HhVh4/177.0dlhhVH50/dl4/132943.0wslllVttlgrh豎壁的計算式4/132729.0wslllHttdgrh水平管的計算式4/132826.0wslllSttdgrh球的計算式傾斜壁面膜狀凝結平均表面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎闶?對于與水平軸的傾斜角為 的斜壁，只需將豎壁計算公式中的g改寫為 ，即 其他條件相同時，傾斜壁與豎壁平均表面?zhèn)鳠嵯禂档谋戎禐?即在相同條件下，豎壁的凝結換熱強度比傾斜壁要大。)0(sing4/132sin943.0wslllHttlrgh1sin4/1HHhh膜層內流
9、動狀態(tài)的判斷 膜層中凝結液的流態(tài)也有層流與湍流之分。判別依據為膜層雷諾數。膜層雷諾數的定義為：根據液膜的特點取當量直徑為特征長度的雷諾數。當Re1600時，上部為層流，下部為湍流。液膜雷諾數的計算 對于豎壁，在離開液膜起始處為 處的膜層雷諾數為 式中：為壁底部 處液膜層的平均流速；為該截面處液膜的當量直徑。當液膜寬度為b時，濕周邊 ，截面積 于是 帶入液膜雷諾數的計算式，有l(wèi)eudRelx lx edbp bAclu44pAdcemllqu44Re液膜雷諾數的計算 上式中，是 處寬度為1m的截面上凝結液的質量流量，kg/(ms)。該質量流量乘以汽化潛熱就等于高l、寬1m的整個豎壁的換熱量，即
10、將此關系式帶入液膜雷諾數的計算式，有 上式中的物性參數都是指液膜的，為書寫方便略去了角標。對于水平管只要用 代替上式中的l即可。lmluqlx mlwsrqltthrtthlqwsml44Red膜狀層流凝結換熱實驗關聯式4/13213.1wslllVttlgrh豎壁的計算式4/132729.0wslllHttdgrh水平管的計算式4/132826.0wslllSttdgrh球的計算式膜狀湍流凝結換熱實驗關聯式 對于 湍流液膜，熱量的傳遞除了靠近壁面極薄的層流底層仍依靠導熱方式外，層流底層以外的湍流區(qū)，熱量傳遞以對流為主，換熱比層流時大為增強。對于底部已達到湍流狀態(tài)的豎壁凝結換熱，其沿著整個壁面
11、的平均表面換熱系數可按下式計算：式中，為層流段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?；為湍流段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂担粸閷恿鬓D變?yōu)橥牧鲿r轉折點的高度；為平板的總高度。1600Re lxhlxhhctcl1lhthcxl膜狀湍流凝結換熱實驗準則關聯式 方程式的形式 式中 定性溫度：除 用壁溫 外，其余均用流體的飽和溫度，且物性參數均用凝結液的參數。上式可用來計算整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂怠?200253RePrPrPr58Re4/34/12/13/1swsGaNu)(;23伽利略數glGahlNuwPrwt第三節(jié) 影響膜狀凝結的因素不凝氣體的影響蒸汽流速過熱蒸汽液膜過冷度及溫度分布的非線形性 管子排數 管內冷凝 凝結表
12、面的幾何尺寸 不凝氣體的影響 蒸汽中含有不凝結的氣體，如空氣，即使含量極微，也會對凝結換熱產生十分有害的影響。例如，水蒸氣中空氣的含量為1，此時凝結換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂狄档?0，后果非常嚴重。對此現象可作如下解釋。在靠近液膜表面的蒸汽側，隨著蒸汽的凝結，蒸汽分壓力逐漸減小而不凝氣體的分壓力卻逐漸增大。這樣，蒸汽在抵達液膜表面進行凝結前，必須以擴散的方式穿越聚集在界面附近的不凝結氣體層。因此，不凝氣體層的存在增加了傳熱過程的阻力。同時蒸汽分壓力的下降，使相應的飽和溫度下降，減小了凝結的驅動力，也使凝結過程消弱。因此，在冷凝器的工作中，排除不凝結氣體成為保證設計能力的重要關鍵。蒸汽速度的影響 努塞
13、爾的理論分析忽略了蒸汽流速的影響，因此只適用于流速較低的場合，如電站的冷凝器等。蒸汽流速較高時（對于水蒸氣，流速大于10m/s時），蒸汽流動對液膜表面將會產生明顯的粘滯應力。其影響又隨蒸汽流向與重力場同向或異向、流速大小以及是否撕破液膜等而不同。一般來說，當蒸汽流動方向與液膜向下的流動方向同方向時，使液膜拉薄，換熱增強；反之，當蒸汽流動方向與液膜向下的流動方向相反時，蒸汽流動會使液膜厚度變厚，從而使換熱減弱。液膜過冷度及溫度分布非線性的影響 努塞爾的理論分析忽略了液膜的過冷度影響，并假定液膜中的溫度呈線性分布。當蒸汽為過冷蒸汽時，分析表明，只要用 代替計算公式中的 ，就可以照顧到這兩個因素的影
14、響。此時 的計算公式為rrrwspttcrr68.0r過熱蒸汽的影響 前面的討論都是針對飽和蒸汽的凝結而言的。對于過熱蒸汽，實驗證實，只要把計算式中的潛熱用過熱蒸汽與飽和液體的焓差即可；此時 的計算可用 代替，并且 即可用前述飽和蒸汽的實驗關聯式計算過熱蒸汽的凝結換熱 rrhhr管子排數的影響 前面推導的橫管凝結換熱的公式只適用于單根橫管。對于沿液流動方向由 n 排橫管組成的管束的換熱，理論上只要將相應公式中的特征長度 d 換成 nd 即可。實際上，這是過分保守的估計，因為上排凝結液并不是平靜地落在下排管子上，而在落下時會產生飛濺以致對液膜產生沖擊和擾動。飛濺和擾動的程度取決于管束的幾何布置、
15、流體的物性等，情況比較復雜。設計時最好參考適合設計條件的實驗資料。管內凝結的影響 在不少工業(yè)冷凝器中，蒸汽在差壓作用下流經管子內部，同時產生凝結，此時換熱的情形與蒸汽流速有很大的關系。以水平管中的凝結為例，當蒸汽流速低時，凝結液主要集聚在管子的底部，蒸汽則位于管子上半部，其界面形狀如圖所示。如果蒸汽流速比較高，則形成所謂的環(huán)狀流，凝結液較均勻地展布于管子四周，而中心則為蒸汽核。隨著流動的進行，液膜厚度不斷增厚以致凝結完時占據了整個截面。管內凝結換熱的計算式比較復雜，在此不作介紹。(a)表示蒸汽流動速度較低時，管內凝結換熱時液膜的分布情況；(b)表示蒸汽流動速度較高時，液膜在管內的分布情況。凝結表面的幾何尺寸影響 凝結表面的幾何尺寸形狀等不同，凝結液在壁面形成的液膜形狀不同，從而換熱也就不同；下面是幾種不同的凝結表面
傳熱學教學課件第六章 第一、二、三節(jié)
