有相变时对流传热系数的经验关联式

ndNu PrRe023.0 8.0 当 流 体 被 加 热 时 ， n=0.4； 流 体 被 冷 却 时 ， n=0.3。410Re 120Pr7.0 50/ dL 物 性 参 数 的 定 性 温 度 为 流 体 进 出 口 的 平均 温 度 ， 特 性 尺 寸 取 管 内 径 。 主要内容v一 蒸汽冷凝传热过程v 1. 冷凝传热过程简介方式、分类v 2. 纯蒸汽膜状冷凝时的对流传热系数v 机理、垂直管、水平管、影响因素v二 沸腾传热过程v 1. 沸腾传热过程简介v 2. 沸腾传热机理v 机理、条件、沸腾曲线、影响因素v 3. 影响沸腾传热主要因素v 4. 沸腾传热过程强化 有 相 变 的 对 流 传 热 两 种 情 况 ： 蒸 汽 冷 凝 放 热液 体 沸 腾 吸 热共 同 特 点 ： 放 出 或 吸 收 大 量 的 潜 热 ； 温 度 恒 定 。一 .蒸汽冷凝传热过程 主 要 特 点 ： 冷 凝 传 热 过 程 的 热 阻 几 乎 全 部 集 中 在 冷 凝 液 膜 内 。 1. 冷 凝 传 热 过 程 简 介 两 者 接 触 蒸 汽 冷 凝 放 热 壁 面 上 凝 结 为 液 体 。加 热 介 质 饱 和 蒸 汽 T S 壁 面 温 度 TW 膜 相 差 几 倍 到 几 十 倍 ，但 滴 状 冷 凝 难 于 持 久 。工业冷凝器的设计均按膜状冷凝考虑。 水 平 圆 管 外 膜 状 冷 凝 （ 2） 冷 凝 情 况 的 分 类 纯 蒸 汽 、 混 合 蒸 汽 、 含 不 凝 气 的 蒸 汽 纯 蒸 汽 (单 一 组 分 )冷 凝 ： 蒸 汽 冷 凝 时 Tg定 常 ， 且 ； 是 工业 上 广 泛 应 用 的 一 种 加 热 方 法 。 混 合 蒸 汽 (两 种 以 上 可 凝 组 分 )冷 凝 ： g冷 凝 时 Tg非 定 常 ， 随组 分 的 冷 凝 而 变 化 ， 纯 蒸 汽 。 含 不 凝 性 气 体 的 蒸 汽 冷 凝 ： 不 凝 气 含 量 冷 凝 冷 却 过 程 纯 蒸 汽 。 冷 凝 传 热 热 阻 几 乎 全 部 集 中 在 冷 凝 液 膜 内 T也 只 在 液 膜 内 存 在 。 2. 纯 蒸 汽 膜 状 冷 凝 时 的 对 流 传 热 系 数（ 1） 冷 凝 过 程 机 理 纯 蒸 汽 冷 凝 Tg定 常 ， 蒸 汽 在 冷 凝 同 时 从 气相 主 体 流 至 壁 面 ； 汽 相 中 无 热 阻 (汽 相 主 体 与 壁 面 间 压 差 极 小 ) 汽 相 T=0。 膜 状 冷 凝 （ 2） 垂 直 壁 面 (竖 板 或 竖 管 )上 的 冷 凝壁 上 部 层 流 ；壁 下 部 湍 流 。 液 膜 不 同 不 同 冷 凝 液 因 重 力 作 用 或 新 冷 凝液 补 充 沿 壁 向 下 形 成 液 膜 流 ；使 液 流 量 ， 液 膜 厚 Q层流 湍流 L(液 膜 流 动 ) (给 热 系 数 ) 简 化 假 设 ： 竖 壁 面 TW定 常 . 壁 面 上 液 体 温 度 =TW； 汽 、 液 界 面 处 温 度 为 TS； 冷 凝 过 程 中 ， 冷 凝 液 物 性 、 、 定 常 .；特 点 ： 层 流 热 量 主 要 以 热 传 导 方 式 穿 过 液 膜 。 简 化 解 析 方 法 关 联 式 实 验 修 正 。 蒸 汽 处 于 静 止 状 态 蒸 汽 对 液 膜 没 有 摩 擦 力 ； 液 膜 流 动 呈 稳 定 状 态 液 膜 作 等 速 向 下 流 动 (液 体 加 速 度 被 忽 略 )； 蒸 汽 的 密 度 远 小 于 液 体 密 度 v 即 液 膜 运 动 主 要 取 决 于 重 力 与 粘 性 力 浮 力 的 影 响 则 可 忽 略 ； 通 过 冷 凝 液 膜 的 传 热 是 垂 直 于 壁 面 方 向 的 纯 导 热 ， 温 度 分 布 呈 线 性 变 化 。 a. 液 膜 呈 层 流 (Re2000)时 的 对 流 传 热 系 数 目 前 ， 还 完 全 依 靠 实 验 测 得 ， 其 关 系 式 为 ：4.0* Re0077.0 湍 流 时 ， Re,则 。实 验 对 理 论 推 导 公 式 的 修 正 ： 因 实 验 不 可 能 完 全 实 现 理 论 推 导 时 所 作 的 简 化 假 定 ， 如 蒸汽 速 度 0 需 用 实 验 结 果 对 理 论 公 式 进 行 修 正 。 修 正 后 当 冷 凝液 膜 呈 层 流 流 动 时 ， 有 ： 4/13213.1 TLg 平 均 3/1* Re88.1 层 流 时 ， Re,则 。 （ 3） 水 平 管 外 的 冷 凝 因 管 径 通 常 较 小 蒸 汽 在 水 平 管 外 冷 凝 时 ， 液 膜 一 般 呈 层流 状 态 。 a. 单 根 水 平 管 外 层 流 膜 状 冷 凝 3/1* Re51.1 4/1064.0 dL垂 直水 平 d0： 管 外 径4/10 32725.0 Tdg 平 均 4/1032 32725.0 Tdn g 平 均 b. 水 平 管 束 外 对 流 传 热 系 数 管 束 间 影 响 复 杂 特 点 ： 第 一 排 管 其 冷 凝 情 况 与 水 平 放 置 的 单 根 圆 管 相 同 ； 其 它 各 排 其 冷 凝 情 况 要 受 到 它 上 面 各 排 管 子 流 下的 冷 凝 液 影 响 。 目 前 ， 对 管 束 间 的 影 响 还 未 总 结 出 普 遍 适 用 的 规 律 。n： 垂 直 方 向 的 根 数 。 水 平 管 束 的 排 列 通 常 有 直 排 和 错 排 两 种 ：123 42 123第 一 排 管 子 ： 冷 凝 情 况 与 单 根 水 平 管 相 同 。其 他 各 排 管 子 ： 冷 凝 情 况 必 受 到 其 上 排 管 流 下 冷 凝 液 的 影 响 ， 表 面 传 热 系 数 依 次 下 降 。 水 平 管 束 的 排 列 及 其 对 冷 凝 液 膜 厚 度 的 影 响 对 纯 蒸 汽 冷 凝 热 阻 集 中 在 液 膜 内 流 体 物 性 和 冷 凝冷 凝 物 性 、 T；ug、 流 向 、 过 热 ；不 凝 气 ；传 热 面 的 形 状 与 布 置 。 设 法 获 得 滴 状 冷 凝 ；高 速 蒸 汽 喷 射 壁 ；吹 成 雾 状 冷 凝 液 等 。（ 4） 影 响 冷 凝 传 热 的 主 要 因 素 及 冷 凝 传 热 过 程 的 强 化 a. 流 体 物 性 与 液 膜 两 侧 传 热 温 差 的 影 响 ： 冷 凝 液 ， 单 位 体 积 受 力 ， 流 动 快 膜 厚 ， 冷 凝 ； ： 冷 凝 液 膜 厚 ， 冷 凝 ； ： 冷 凝 ； ： 传 热 量 Q一 定 ， ， 冷 凝 液 量 ms ， 冷 凝 ； T： 冷 凝 液 膜 两 侧 T ， 传 热 推 动 力 ， Q， m s ， 冷 凝 。 b. 蒸 汽 流 速 与 流 向 的 影 响 （ 小 于 10m/s可 忽 略 影 响 ） 蒸 汽 u， 蒸 汽 与 液 膜 间 摩 擦 力 作 用 不 能 忽 略 ， 且 u的 影 响随 蒸 汽 压 强 加 剧 。 向 下 流 ， 蒸 汽 与 液 膜 流 动 方 向 相 同 冷 凝 ； 向 上 流 ， u不 大 时 ， 阻 碍 液 膜 流 动 ， ， 冷 凝 ； u， 液 膜 被 吹 离 壁 面 ， 冷 凝 。 c. 不 凝 气 的 影 响 不 凝 气 在 液 膜 与 蒸 汽 之 间 形 成 一 层 气 膜 (冷 却 过 程 )附 加热 阻 ， 冷 凝 。 通 常 在 静 止 的 蒸 汽 中 ， 当 不 凝 气 含 量 仅 为 1%时 冷 凝 传 热系 数 降 低 60%左 右 。 在 冷 凝 器 的 设 计 中 ， 蒸 汽 冷 凝 侧 设 排 气 孔 定 期 排 放 不 凝 气 。 蒸 汽 凝 液不 凝 气 d. 蒸 汽 过 热 (TVTS)的 影 响 过 热 蒸 汽 冷 却 (TV-TS)；饱 和 蒸 汽 的 冷 凝 TS； ws svvTTT TTc 但 液 膜 内 传 热 温 差 仍 为 TS-TW； 通 常 过 热 蒸 汽 冷 凝 按 饱 和 蒸 汽 冷 凝 处 理 计 算 误 差在 实 际 工 程 计 算 中 忽 略 。过 热 蒸 汽 的 冷 凝 强化冷凝传热过程冷 凝 的主要途径液膜厚度。 水 平 管 倾 斜 排 列 冷 凝 液 尽 可 能 沿 各 排 管 切 向 流 过 ；减 少 垂 直 方 向 上 管 排 数 ； 垂 直 管 纵 向 凹 槽 凝 液 借 重 力 顺 槽 下 降 ；沿 纵 向 装 金 属 丝 or直 翅 片 ； e. 传 热 面 的 形 状 与 布 置 强 化 冷 凝 传 热 二 .沸腾传热过程蒸 发 器 、 再 沸 器 、 蒸 汽 锅 炉特 点 ：1. 沸 腾 传 热 过 程 简 介 传 热 、 相 变 同 时 相 伴 发 生 ； 加 热 面 不 断 经 历 汽 泡 形 成 、 长 大 、 脱 离 壁 面 附 近 流体 扰 动 ， 。工 业 上 液 体 沸 腾 的 两 种 情 况 据 液 体 在 加 热 表 面 沸 腾 时 所 处 的 空 间 划 分 两 类 ， 即大 容 积 沸 腾 和 管 内 沸 腾 。 大 容 积 (池 内 )沸 腾 ： 加 热 面 浸 于 大 容 器 液 体 (u=0)中 液 体 被 壁 面 加 热 。 液 体 内 T自 然 对 流 ； 液 体 受 到 气 泡 (长 大 、 脱 离 加 热 表 面 、 能 自 由 浮 升 )扰 动 ； 无 强 制 对 流 的 沸 腾 现 象 。管 内 沸 腾 ： 强 制 对 流 沸 腾 u ， 流 体 以 一 定 流 速 在 加 热 管 内 流 动 的 沸 腾 传 热 。 流 体 u 对 沸 腾 传 热 影 响 大 ； 加 热 面 上 汽 泡 不 能 自 由 浮 升 ， 与 流 体 一 起 流 动 汽 、 液 两 相 流 。 本 节 只 讨 论 大 容 器 内 饱 和 沸 腾。 RRpp lv 22 svlvlv TTppRpp ,2T=Tl -TS 沸 腾 传 热 过 程 的 推 动力由 力 平 衡 ， 得 ：2. 沸 腾 传 热 机 理 ：汽 泡 生 成 、 脱 离 对 壁 面 薄 层 液 体 扰 动 ， R 无 相（ 1） 汽 泡 产 生 (液 体 沸 腾 )的 必 要 条 件 过 热 度 、 汽 化 核 心 、 汽 泡 生 成 频 率 大 汽 泡 存 在 条 件 ： 力 平 衡 和 热 平 衡 由 热 平 衡 ： lv TT sl TT 液体沸腾必要条件：液体要过热T=Tl-TS0 加 热 表 面 过 热 度 最 大 集 中 于 近 壁 处 薄 层 液 体 内 加 热面 是 产 生 汽 泡 场 所 ； 离 开 加 热 表 面 其 余 部 分 过 热 度T 。 b. 沸 腾 强 度 加 热 表 面 并 非 任 何 地 点 都 具 有 产 生 汽 泡 的 条 件 汽 化 核心 (R=0, p=)。 汽 泡 如 何 从 汽 化 核 心 形 成 不 同 学 派 有 不 同 看 法 。 c. 汽 化 核 心 上 加 热 表 面 过 热 生 成 汽 泡 汽 泡 长 大 向 上 浮 升 (浮 升 力 附着 力 脱 离 直 径 d b) 远 处 液 体 向 加 热 面 流 动 补 充 过 热 (周 期 性 ) 0.1 1.0 10 102 103 A B C D E F自 然 对 流 核 状 沸 腾 膜 状 沸 腾 稳定区不 稳定 膜状沸 腾 温 度 差 和 表 面 传 热 系 数 关 系 t = (tw-ts)/实 验 条 件 : 大 容 积 、 饱 和 沸 腾 。 2) 大 容 积 饱 和 沸 腾 曲 线 曲 线 获 得 ： t 实 验 ， 并 以 作 图 ， 即 过 热 度 ）（ sw ttt 沸 腾 曲 线 t=tW-tS不 同 液 体 沸 腾 状 态 不 同 。 (AB)： t5 液 体 内 产 生 自 然 对 流 无 汽 泡 从 液 体 逸 出 液 面 气 化 仅 在 液 体 表 面 发 生 t， 略 升 。 (BC)： ttC 汽 泡 脱 离 加 热 面 前 连 串 成 汽 膜 加 热 面 与 液 体 隔 开 v， ； 但 当 t ， 稳 定 气 膜 且 壁 温 T W ， 辐 射 ， 。 tC临 界 温 差 ， 由 核 膜 临 界 点水 : tC 25一 般 维 持 在 略 低 tC于 下 操 作 。 A B 临 界 点表 面 汽 化 （ 1） 物 性 ， ； ， 。（ 2） 温 差t=tW - tS控 制 沸 腾 传 热 过 程 的 重 要 参 数 核 状 沸 腾 的 经 验 关 联 式 ： =c tm t ， （ 3） 操 作 压 强 p p液 体 饱 和 温 度 tS液 体 ， 有 利 于 汽 泡生 成 、 脱 离 ， 。 3. 影 响 沸 腾 传 热 主 要 因 素 （ 4） 加 热 壁 面 粗 糙 、 新 管 、 清 洁 表 面 ； 光 滑 管 。 注 意 ： 表 面 粗 糙 度 存 在 一 定 的 极 限 超 过 该 极 限 反 而对 传 热 不 利 ， 如 大 的 凹 进 部 分 易 被 液 体 注 满 失 去 充 当汽 化 核 心 的 能 力 。（ 5） 加 热 面 的 布 置 如 ： 水 平 管 束 下 排 管 表 面 上 产 生 的 汽 泡 向 上 浮 升 ，引 起 对 上 排 管 的 附 加 扰 动 水 平 管 束 单 管 。 扰 动 程 度 ： 液 体 沸 腾 压 强 、 热 负 荷 、 液 体 性 质 、 管 排 间距 等 。 4. 沸 腾 传 热 过 程 强 化 加 热 面 、 沸 腾 液 体 汽 泡 长 大 、 生 成 、脱 离 近 年 来 的 研 究 成 果 ： 加 热 面 ： 机 械 加 工 或 腐 蚀 方 法 加 热 表 面 粗 糙 化 ， 如 铜 表 面提 高 80%； 多 孔 金 属 表 面 细 小 金 属 颗 粒 钎 焊 或 烧 结 于 金 属 壁 面 沸 腾 液 体 ： 加 少 量 添 加 剂 (如 乙 醇 、 丙 酮 、 甲 基 乙 基 酮 等 ) , ； 加 强 对 沸 腾 液 体 的 扰 动 ， 如 超 声 波 或 采 用 喷 淋 液 体 的 方 法 。 v一方面考虑保温材料厚度的增加带来的好处v一方面考虑外表面积与环境接触带来的对流热损失v二者的权衡即存在临界直径的问题了 本 节 小 结 1. 有 相 变 (蒸 汽 冷 凝 、 液 体 沸 腾 )传 热 过 程 其 共 同 特 点 ： 传 热 、 相 变 相 伴 发 生 有 相 变 无 相 变 ； 2. 膜 状 冷 凝 传 热 热 阻 几 乎 全 部 集 中 在 冷 凝 液 膜 内 T也 只在 液 膜 内 存 在 ； 3 .虽 然 滴 膜 ， 但 因 滴 状 冷 凝 难 以 保 持 工 业 冷 凝 器 的 设 计均 按 膜 状 冷 凝 考 虑 ； 4. 纯 蒸 汽 冷 凝 时 ， 液 膜 呈 层 流 流 动 的 平 均 对 流 传 热 系 数 可 在简 化 的 假 设 前 提 下 由 解 析 方 法 推 得 ； Mbmud se 4/4Re M： 冷 凝 负 荷 5 .冷 凝 液 膜 内 流 型 的 判 断 ： 6. 影 响 冷 凝 传 热 的 主 要 因 素 ： 物 性 、 T； ug、 流 向 、 过 热 ；不 凝 气 ； 传 热 面 ；7. 强 化 冷 凝 传 热 过 程 冷 凝 的 主 要 途 径 液 膜 厚 度 。8. 决 定 沸 腾 传 热 强 弱 的 关 键 汽 泡 的 生 成 、 长 大 、 脱 离 、浮 升 ； 即 汽 化 核 心 的 多 少 与 汽 泡 产 生 频 率 的 高 低 ；9. 汽 泡 产 生 必 须 具 备 两 个 条 件 ： 液 体 过 热 、 汽 化 核 心 ；10. 沸 腾 曲 线 自 然 对 流 区 、 核 状 沸 腾 、 膜 状 沸 腾 ； 临 界 温 差 、 临 界 热 通 量 (热 流 密 度 )在 工 程 设 计 上 有 重 大 意 义 。 v 1、在蒸气冷凝传热中，不凝气体的存在对的影响是 。v A)不凝气体的存在会使大大降低。 B)不凝气体的存在会使升高。 C)不凝气体的存在对无影响。v 2、判断下面各组传热系数的数值大小 v 空气， 水 B) 水蒸气冷凝， 水 v C) 湍流， 层流 D) 滴状冷凝， 膜状冷凝v沸腾传热时，当壁面温度和液体温度差增加时，沸腾传热系数v A) 总是增加 B)泡核沸腾区迅速增加，其他区域都下降 C)全沸腾区都增加 D)逐渐增加到临界点后，迅速下降然后趋于平稳。