资源描述
第六章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热 蒸汽遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。不过，与前面讨论的单项流体的对流换热相比，它们有一个新的特点，即他们都是伴随有相变的对流换热。凝结与沸腾换热广泛应用于各种冷凝器和蒸发器中，如电站汽轮机装置中的冷凝器、锅炉炉膛中的水冷壁，冰箱与空调器制冷剂的冷却器与蒸发器，化工装置中的再沸器等都是实例。本章先讨论凝结换热、然后再讨论沸腾换热。最近20年中，在凝结与沸腾换热的强化表面的研究方面取得了长足的进步，本章对此也将作些介绍。第一节 凝结换热 定义：当蒸汽与低于其压力所对应的饱和温度的壁面接触时，蒸汽会在壁面上产生凝结，这时蒸汽与壁面之间的换热称为凝结换热凝结换热。分类：根据蒸汽在壁面上形成的情形，凝结换热可分为 膜状凝结和珠状凝结膜状凝结和珠状凝结 膜状凝结：当凝结液体能很好地润湿壁面时，它就会在壁面上铺展成膜。这种凝结成为膜状凝结膜状凝结。珠状凝结：当液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上会形成一个个小液珠，这时的凝结称为珠状珠状凝结。凝结。实验查明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸气在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。膜状凝结与珠状凝结的换热特点 膜状凝结时，蒸汽与壁面之间的传热，要经过凝结液膜层，相当于有一附加热阻，因此，蒸汽与壁面不能直接接触，所以，换热情况较差；珠状凝结时，蒸汽能与壁面较好接触，换热情况较好；珠状凝结换热情况较膜状凝结要好。第二节膜状凝结分析及相关实验关联式 物理模型 数学模型 数学求解 解的分析物理模型一个竖壁其温度低于蒸汽压力所对应的饱和温度，所以当蒸汽与该壁面接触时，便发生凝结换热，并在该壁面上形成如图所示的边界层。从边界层内取微元体，可建立其能量方程、动量方程和换热方程，并可写出其定解条件。数学模型 微分方程组 边界条件022220yllllytthytytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxusttdyduyvuy,00,00时，时，分析求解 1916年，努塞尔首先提出了纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解。他抓住了液体膜层的导热热阻是凝结过程主要热阻这一特点，忽略次要因素，从理论上揭示了有关物理参数对凝结换热的影响，长期以来被公认为是运用理论分析求解换热问题的一个典范。在分析中，努塞尔作了若干个合理的假设，以简化实际问题的复杂性。这些基本假设有努塞尔的基本假设常物性；蒸汽是静止的，汽液界面上没有对液膜的粘滞应力；液膜的惯性力可以忽略；汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，；液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；液膜的过冷度可以忽略；，即 相对于 可以忽略不计；液膜表面平整无波动。lvvlstt微分方程组简化过程 根据假设（3）液膜的惯性力可以忽略，所以动量方程中的惯性力可以忽略，即 由于液膜很薄，所以液膜内x方向的压力梯度可取液膜边界上，即 处液膜表面的压力梯度。根据假设（2）蒸汽是静止的，汽液界面上没有对液膜的粘滞力。所以液膜表面上的流体可视为理想流体，遵从理想流体的伯努力方程，所以有0yuvxuuygdxdpv微分方程组简化过程 此时动量方程可简化为 根据假设（7），所以 所以动量方程可简化为 根据假设（5），液膜内的温度分布是线性的，即认为液膜内的热量传递只有导热，而没有对流，所以能量方程可简化为022yuggllvlvgglv022yugll022dytd简化后的换热方程组 由于只有两个未知数，因此只需要两个方程即可求解，所以简化后的方程组为 相应的边界条件为sywttdyduyttuy,0,00时：时：022yugll022yt0yytth方程组的求解 求解的思路是：先从简化的方程组获得包括液膜厚度在内的速度 u 分布及温度 t 分布的表达式；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；最后利用换热方程解出表面传热系数 h 的表达式。求解结果 液膜厚度计算式 局部表面传热系数计算式 平均表面传热系数计算式4/124rgxttlwsll4/1324xttrghwslllx4/1320943.0341wsllllxlxVttlgrhdxhlh对解的说明 上面的式子中，除了相变潜热按饱和温度 确定外，其他物性均取膜层平均温度为定性温度，膜层平均温度为 上述分析解就是按照努赛尔基本假设导出的，所以适用于满足上述条件的竖壁凝结换热竖壁凝结换热,即层流膜状凝结换热。上述计算式称为竖壁凝结换热的分析解。stwsmttt21水平圆管与球的凝结换热分析解 水平圆管外膜状凝结换热时平均表面传热系数的计算式 球壁外膜状凝结换热时平均表面传热系数的计算式 计算式中的定性温度与竖壁相同。4/132729.0wslllHttdgrh4/132826.0wslllSttdgrh横管与竖壁平均表面传热系数计算式的比较 公式形式相同公式形式相同；计算式的系数不同；特征尺寸不同，横管与球用直径，竖壁用高度；所以，在其他条件相同时，横管的平均表面传热系数 与竖壁平均表面传热系数 的比值为 在 时，横管的平均表面传热系数是竖壁的2倍，所以冷凝器通常都采用横管的布置。HhVh4/177.0dlhhVH50/dl4/132943.0wslllVttlgrh竖壁的计算式4/132729.0wslllHttdgrh水平管的计算式4/132826.0wslllSttdgrh球的计算式倾斜壁面膜状凝结平均表面传热系数的计算式 对于与水平轴的倾斜角为 的斜壁，只需将竖壁计算公式中的g改写为 ，即 其他条件相同时，倾斜壁与竖壁平均表面传热系数的比值为 即在相同条件下，竖壁的凝结换热强度比倾斜壁要大。)0(sing4/132sin943.0wslllHttlrgh1sin4/1HHhh膜层内流动状态的判断 膜层中凝结液的流态也有层流与湍流之分。判别依据为膜层雷诺数。膜层雷诺数的定义为：根据液膜的特点取当量直径为特征长度的雷诺数。当Re1600时，上部为层流，下部为湍流。液膜雷诺数的计算 对于竖壁，在离开液膜起始处为 处的膜层雷诺数为 式中：为壁底部 处液膜层的平均流速；为该截面处液膜的当量直径。当液膜宽度为b时，湿周边 ，截面积 于是 带入液膜雷诺数的计算式，有leudRelx lx edbp bAclu44pAdcemllqu44Re液膜雷诺数的计算 上式中，是 处宽度为1m的截面上凝结液的质量流量，kg/(ms)。该质量流量乘以汽化潜热就等于高l、宽1m的整个竖壁的换热量，即 将此关系式带入液膜雷诺数的计算式，有 上式中的物性参数都是指液膜的，为书写方便略去了角标。对于水平管只要用 代替上式中的l即可。lmluqlx mlwsrqltthrtthlqwsml44Red膜状层流凝结换热实验关联式4/13213.1wslllVttlgrh竖壁的计算式4/132729.0wslllHttdgrh水平管的计算式4/132826.0wslllSttdgrh球的计算式膜状湍流凝结换热实验关联式 对于 湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外的湍流区，热量传递以对流为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿着整个壁面的平均表面换热系数可按下式计算：式中，为层流段的平均表面传热系数；为湍流段的平均表面传热系数；为层流转变为湍流时转折点的高度；为平板的总高度。1600Re lxhlxhhctcl1lhthcxl膜状湍流凝结换热实验准则关联式 方程式的形式 式中 定性温度：除 用壁温 外，其余均用流体的饱和温度，且物性参数均用凝结液的参数。上式可用来计算整个壁面的平均表面传热系数。9200253RePrPrPr58Re4/34/12/13/1swsGaNu)(;23伽利略数glGahlNuwPrwt第三节 影响膜状凝结的因素不凝气体的影响蒸汽流速过热蒸汽液膜过冷度及温度分布的非线形性 管子排数 管内冷凝 凝结表面的几何尺寸 不凝气体的影响 蒸汽中含有不凝结的气体，如空气，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分有害的影响。例如，水蒸气中空气的含量为1，此时凝结换热的表面传热系数要降低60，后果非常严重。对此现象可作如下解释。在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结，蒸汽分压力逐渐减小而不凝气体的分压力却逐渐增大。这样，蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散的方式穿越聚集在界面附近的不凝结气体层。因此，不凝气体层的存在增加了传热过程的阻力。同时蒸汽分压力的下降，使相应的饱和温度下降，减小了凝结的驱动力，也使凝结过程消弱。因此，在冷凝器的工作中，排除不凝结气体成为保证设计能力的重要关键。蒸汽速度的影响 努塞尔的理论分析忽略了蒸汽流速的影响，因此只适用于流速较低的场合，如电站的冷凝器等。蒸汽流速较高时（对于水蒸气，流速大于10m/s时），蒸汽流动对液膜表面将会产生明显的粘滞应力。其影响又随蒸汽流向与重力场同向或异向、流速大小以及是否撕破液膜等而不同。一般来说，当蒸汽流动方向与液膜向下的流动方向同方向时，使液膜拉薄，换热增强；反之，当蒸汽流动方向与液膜向下的流动方向相反时，蒸汽流动会使液膜厚度变厚，从而使换热减弱。液膜过冷度及温度分布非线性的影响 努塞尔的理论分析忽略了液膜的过冷度影响，并假定液膜中的温度呈线性分布。当蒸汽为过冷蒸汽时，分析表明，只要用 代替计算公式中的 ，就可以照顾到这两个因素的影响。此时 的计算公式为rrrwspttcrr68.0r过热蒸汽的影响 前面的讨论都是针对饱和蒸汽的凝结而言的。对于过热蒸汽，实验证实，只要把计算式中的潜热用过热蒸汽与饱和液体的焓差即可；此时 的计算可用 代替，并且 即可用前述饱和蒸汽的实验关联式计算过热蒸汽的凝结换热 rrhhr管子排数的影响 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。对于沿液流动方向由 n 排横管组成的管束的换热，理论上只要将相应公式中的特征长度 d 换成 nd 即可。实际上，这是过分保守的估计，因为上排凝结液并不是平静地落在下排管子上，而在落下时会产生飞溅以致对液膜产生冲击和扰动。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布置、流体的物性等，情况比较复杂。设计时最好参考适合设计条件的实验资料。管内凝结的影响 在不少工业冷凝器中，蒸汽在差压作用下流经管子内部，同时产生凝结，此时换热的情形与蒸汽流速有很大的关系。以水平管中的凝结为例，当蒸汽流速低时，凝结液主要集聚在管子的底部，蒸汽则位于管子上半部，其界面形状如图所示。如果蒸汽流速比较高，则形成所谓的环状流，凝结液较均匀地展布于管子四周，而中心则为蒸汽核。随着流动的进行，液膜厚度不断增厚以致凝结完时占据了整个截面。管内凝结换热的计算式比较复杂，在此不作介绍。(a)表示蒸汽流动速度较低时，管内凝结换热时液膜的分布情况；(b)表示蒸汽流动速度较高时，液膜在管内的分布情况。凝结表面的几何尺寸影响 凝结表面的几何尺寸形状等不同，凝结液在壁面形成的液膜形状不同，从而换热也就不同；下面是几种不同的凝结表面
展开阅读全文