第7章-凝结与沸腾换热课件

第七章第七章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热Condensation and Boiling2n7-1 凝结换热凝结换热n7-2 沸腾换热沸腾换热n7-3 热管热管主要内容主要内容掌握凝结换热、沸腾换热、热管的概念、原理掌握凝结换热、沸腾换热、热管的概念、原理和计算。和计算。核心知识点33）相变换热的相变换热的特点特点：由于有：由于有潜热释放潜热释放、相变过程相变过程的的 复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上 只能借助于经验公式和实验关联式；换热强度大大增加只能借助于经验公式和实验关联式；换热强度大大增加 （膜状（膜状h=600060000，珠状，珠状h=400004105）。）。1）凝结）凝结：气态工质在：气态工质在饱和温度饱和温度ts下，由气态下，由气态液态的液态的 过程，过程，又称为又称为冷凝冷凝。2）沸腾）沸腾：液态工质在：液态工质在饱和温度饱和温度ts下，以产生气泡的形式下，以产生气泡的形式 由液相由液相气态的过程。气态的过程。saturation（上海交通大学上海交通大学2001年考研题年考研题）试比较自认对流传热、）试比较自认对流传热、强制对流传热及沸腾传热三种传热系数的大小。（仅给强制对流传热及沸腾传热三种传热系数的大小。（仅给出大小关系）出大小关系）47-1 凝结换热凝结换热 本节本节关键点关键点(需重点掌握的内容需重点掌握的内容)凝结可以不同的形式发生：膜状凝结、珠状凝结凝结可以不同的形式发生：膜状凝结、珠状凝结会分析会分析竖壁竖壁、横管横管的换热过程，及的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论膜状凝结理论层流、紊流膜状凝结换热的实验关联式层流、紊流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的因素 凝结换热实例凝结换热实例 结露结露 开水壶盖开水壶盖内内表面的液膜表面的液膜 寒冷冬天，窗户寒冷冬天，窗户 表面上的表面上的冰花冰花一、概述一、概述 当壁温当壁温tw ts 蒸气的蒸气的饱和温度饱和温度时，蒸气在壁面上发生冷凝过程时，蒸气在壁面上发生冷凝过程内内l 许多其他工业应用过程许多其他工业应用过程(制冷系统四大件之一制冷系统四大件之一冷凝器冷凝器)condenser结露结露结霜结霜6 凝结换热中的重要参数凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）汽化潜热汽化潜热 r（干饱和蒸气焓（干饱和蒸气焓H”-饱和液体焓饱和液体焓H）特征尺度（寸）特征尺度（寸）其他标准的热物理性质，如其他标准的热物理性质，如、Cp等等7 膜状膜状凝结凝结 film当凝结液体能很好地浸润壁面时，沿整个壁当凝结液体能很好地浸润壁面时，沿整个壁面形成面形成一层薄膜一层薄膜，并且在重力作用下流动，并且在重力作用下流动，凝结放出的凝结放出的凝结潜热凝结潜热（=汽化潜热汽化潜热）必须通过）必须通过液膜才能传至冷却壁面，因此，液膜厚度液膜才能传至冷却壁面，因此，液膜厚度直直接影响了热量传递。接影响了热量传递。珠状珠状凝结凝结 dropwise 当凝结液体不能很好地浸润壁面时，则在壁面上形当凝结液体不能很好地浸润壁面时，则在壁面上形成许多个大小不一的成许多个大小不一的小液珠小液珠，此时壁面的部分表面，此时壁面的部分表面与蒸气直接接触，因此，换热速率膜状凝结与蒸气直接接触，因此，换热速率膜状凝结（大（大几倍几倍，甚至一个数量级，甚至一个数量级（10倍左右倍左右）gg（上海交通大学上海交通大学2001年考研题年考研题）试说明珠状凝结比膜）试说明珠状凝结比膜状凝结的传热系数高的原因。状凝结的传热系数高的原因。An：珠状凝结比膜状凝结的传热系数高，这是因为对：珠状凝结比膜状凝结的传热系数高，这是因为对于珠状凝结，蒸汽与壁面直接接触。而对于膜状凝结，于珠状凝结，蒸汽与壁面直接接触。而对于膜状凝结，蒸汽需要经过液膜与壁面传热，所以珠状凝结比膜状凝蒸汽需要经过液膜与壁面传热，所以珠状凝结比膜状凝结的换热系数高。结的换热系数高。（浙江大学浙江大学2006年考研题年考研题）凝结传热的两种形式是）凝结传热的两种形式是 和和 。（上海九校联考上海九校联考2002年考研题年考研题）蒸汽与温度低于饱和）蒸汽与温度低于饱和温度的壁面接触时，有哪两种不同的凝结形式？产生不温度的壁面接触时，有哪两种不同的凝结形式？产生不同凝结形式的原因是什么？同凝结形式的原因是什么？8虽然珠状凝结换热虽然珠状凝结换热膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持。故，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，保持。故，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，故，教材中只简单介绍故，教材中只简单介绍膜状凝结膜状凝结。二、膜状凝结换热二、膜状凝结换热1916年，德国物理学家威廉年，德国物理学家威廉-努塞尔努塞尔 Wilhelm Nusselt提出提出的的简单膜状凝结换热分析简单膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自础。自1916年以来，各种修正或发展都是针对年以来，各种修正或发展都是针对Nusselt分析分析的限制性假设而进行的，并形成了各种实用的计算方法。的限制性假设而进行的，并形成了各种实用的计算方法。故，首先需了解故，首先需了解Nusselt对对纯净纯净 饱和蒸汽饱和蒸汽 膜状凝结换热的分膜状凝结换热的分析析(以竖壁为例以竖壁为例)。91）层流，常物性；）层流，常物性；2）液膜表面温度）液膜表面温度=饱和温度，即气液界面上无温差，无辐射、对流换热；饱和温度，即气液界面上无温差，无辐射、对流换热；3）蒸气静止，蒸气对液膜表面无粘滞力作用；）蒸气静止，蒸气对液膜表面无粘滞力作用；4）液膜的惯性力忽略；）液膜的惯性力忽略；5）凝结液以导热方式通过液膜，液膜薄，膜内温度视为线性分布，即凝结液以导热方式通过液膜，液膜薄，膜内温度视为线性分布，即y方向方向 热量转移只有导热；热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略（取凝液的焓为饱和液体的焓）；）液膜的过冷度忽略（取凝液的焓为饱和液体的焓）；7）忽略蒸汽密度；）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动。）液膜表面平整无波动。1.Nusselt假定假定：10在液膜中取微小单元，垂直于纸面方在液膜中取微小单元，垂直于纸面方向为单位长度：向为单位长度：下脚标下脚标 l 表示液相表示液相x.分析求解分析求解单元左表面向上粘滞力：单元左表面向上粘滞力：单元右表面向下单元右表面向下粘滞粘滞力：力：单元所受重力单元所受重力:单元所受浮力：单元所受浮力：由假设由假设4）忽略液膜的惯性力，）忽略液膜的惯性力，单元各力平衡单元各力平衡：第七章 凝结与沸腾换热11假设假设5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热假设假设7）忽略蒸汽密度：）忽略蒸汽密度：层流时，牛顿切应力：层流时，牛顿切应力：单元受力平衡方程：单元受力平衡方程：边界条件：边界条件：单元受力方程化简：单元受力方程化简：求解上面动量方程可得：求解上面动量方程可得：（2）P18812在壁面沿水平方向取在壁面沿水平方向取1m的宽度，在的宽度，在x处处厚度为厚度为的液膜断面流过的液体流量的液膜断面流过的液体流量M,可由速度积分得出：可由速度积分得出：在沿壁面向下在沿壁面向下d x，液体流量相应有一个增量，液体流量相应有一个增量dM：求解上面能量方程可得：求解上面能量方程可得：边界条件：边界条件：速度速度u、温度、温度t的计算都用到的计算都用到，怎么求？，怎么求？13对位于对位于x和和x+dx两面之间的两面之间的液膜段列热量平衡方程：液膜段列热量平衡方程：上式化简上式化简14(1)液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：注意：注意：r 按按 ts 确定确定上式整理（分离变量，并积分）上式整理（分离变量，并积分）液膜厚度的常微分方程液膜厚度的常微分方程（8）15(2)局部表面传热系数局部表面传热系数微元段内凝结换热量微元段内凝结换热量等于等于膜层的导热量膜层的导热量(3)整个整个竖壁竖壁的平均表面传热系数的平均表面传热系数定性温度：定性温度：注意：注意：r 按按 ts 确定确定将液膜厚度将液膜厚度带入上式，得：带入上式，得：n(4)修正：修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，到强化，因此，实验值实验值比上述的比上述的理论值理论值高高20左右左右修正后：修正后：(5)倾斜壁：倾斜壁：则用则用 gsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g 即可。即可。(6)水平圆管水平圆管式中：下标式中：下标“H H ”表示水平管，表示水平管，“S S ”表示球表示球;d d 为水为水 平管或球的平管或球的外直径外直径。定性温度与前面公式相同定性温度与前面公式相同VerticalHorizontalSpherical17横管与竖管的对流表面传热系数之比：横管与竖管的对流表面传热系数之比：3.层流膜状凝结准则关联式层流膜状凝结准则关联式无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流紊流紊流1）凝结液膜雷诺数凝结液膜雷诺数Re 凝结液体流动也分层流和紊流，凝结液体流动也分层流和紊流，其判断依据仍为其判断依据仍为Re：式中：式中：um x 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de 该截面处液膜层的当量直径。该截面处液膜层的当量直径。思考：冰箱中的饮料应该如何放？思考：冰箱中的饮料应该如何放？雷诺数的临界值雷诺数的临界值:液膜为层流时液膜为层流时,Rec1800181m宽度上，横断面的凝液量：宽度上，横断面的凝液量：M=1 um横管一般都处于层流状态横管一般都处于层流状态如图如图对水平管，用对水平管，用d 代替代替 l 即可。即可。192）凝结准则凝结准则Co:凝结准则凝结准则Co是无因次数群，反映了换热的强弱。是无因次数群，反映了换热的强弱。A、垂直壁、管径、垂直壁、管径d 的竖圆管的竖圆管:Co=1.47Rec-1/3C1、凝结换热表面传热系数凝结换热表面传热系数:C2、垂直壁、管径垂直壁、管径d的竖圆管的准则方程修正后的竖圆管的准则方程修正后:Co=1.76Rec-1/3 （30Rec1800）B、水平水平圆管圆管 Co=1.51Rec-1/3D、下式也可用来计算垂直壁、管径下式也可用来计算垂直壁、管径d的竖圆管的竖圆管（Kutateladze:204.紊流膜状凝结紊流膜状凝结液膜从层流转变为紊流的临界雷诺数可定为液膜从层流转变为紊流的临界雷诺数可定为1800。横管因。横管因直径较小，实践上均在层流范围。直径较小，实践上均在层流范围。对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强热量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强利用上面思想，整理的整个壁面内平均表面传热利用上面思想，整理的整个壁面内平均表面传热实验关联式实验关联式：式中：式中：定性温度均为定性温度均为 21对对竖壁的紊流凝结换热竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的，其沿整个壁面的平均表面传热平均表面传热系数系数计算式为：计算式为：式中：式中：hl 层流段的平均表面传热系数；层流段的平均表面传热系数；ht 紊流段的平均表面传热系数；紊流段的平均表面传热系数；xc 层流转变为紊流时临界高度；层流转变为紊流时临界高度；l 竖壁的总高度。竖壁的总高度。说明：说明：凝结换热准则关联式是凝结换热准则关联式是表面传热系数表面传热系数h的的隐函数，隐函数，计算时均采用计算时均采用试算试算的方法的方法22管内蒸汽雷诺数管内蒸汽雷诺数:G v质量平均流速，质量平均流速，kg/m2svt s下蒸汽密度，下蒸汽密度，kg/m3 、按定性温度按定性温度tm=（t s+t w）/2查的凝液物性查的凝液物性 修正后汽化潜热。修正后汽化潜热。5.水平管内凝结换热水平管内凝结换热6.水平管束管外凝结平均换热系数水平管束管外凝结平均换热系数24三、影响膜状凝结的因素及增强换热的措施三、影响膜状凝结的因素及增强换热的措施(2)不凝结气体不凝结气体空气、氢、氮、润滑油蒸气等空气、氢、氮、润滑油蒸气等 不不凝凝结结气气体体聚聚集集在在换换热热表表面面增增加加了了传传递递过过程程的的阻阻力力，同同时时使使饱饱和和温温度度下下降降，减减小小了了凝凝结结的的驱驱动动力力。不不凝凝性性气气体体含含量量到到1%1%时时，表表面面传传热热系系数数将将只只达达纯纯蒸蒸气气的的1/31/3。冷冷凝凝器器中中有有抽真空装置。抽真空装置。(1)蒸气流速蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞应力；如果蒸流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞应力；如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，h h；反之；反之h h；反向时，换热恶化；但如果速度过大时，则不论是向上；反向时，换热恶化；但如果速度过大时，则不论是向上或向上液膜将脱离，均能增强凝结换热。或向上液膜将脱离，均能增强凝结换热。工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。受各种因素的影响。1.五个影响因素五个影响因素（西安交通大学西安交通大学2005年考研题年考研题）一台氟利昂冷凝器试）一台氟利昂冷凝器试验台，在充灌氟利昂前没有抽真空，试问这对冷凝器运验台，在充灌氟利昂前没有抽真空，试问这对冷凝器运行的传热性能有什么影响？为什么？行的传热性能有什么影响？为什么？（重庆大学重庆大学2006年考研题年考研题）蒸汽中含有不凝性气体将对）蒸汽中含有不凝性气体将对膜状凝结传热会产生什么影响？分析产生影响的原因。膜状凝结传热会产生什么影响？分析产生影响的原因。(3)表面粗糙度表面粗糙度 雷诺数较低时，凝液易于积聚在粗糙的壁上，液膜增厚，雷诺数较低时，凝液易于积聚在粗糙的壁上，液膜增厚，表面传热系数低于光滑管表面传热系数低于光滑管30%；当雷诺数；当雷诺数140后，表面后，表面传热系数又可以高于光滑壁，类似于粗糙壁对单相流体对传热系数又可以高于光滑壁，类似于粗糙壁对单相流体对流换热的影响。流换热的影响。(4)蒸气含油蒸气含油 油（润滑油）可能沉积在壁上形成油垢，增加了热阻。油（润滑油）可能沉积在壁上形成油垢，增加了热阻。(5)过热蒸气过热蒸气 计算时，将潜热改为过热蒸气与饱和液体的焓差。计算时，将潜热改为过热蒸气与饱和液体的焓差。26 (1)改变表面几何特征改变表面几何特征 强强化化凝凝结结换换热热的的原原则则是是尽尽量量减减薄薄粘粘滞滞在在换换热热表表面面上上的的液液膜膜的的厚厚度度。(为为什什么么要要强化换热强化换热?)可可以以开开沟沟槽槽，可可用用各各种种带带有有尖尖峰峰的的表表面面使使在在其其上上冷冷凝凝的的液液膜膜拉拉薄薄（表表面面张张力力），或或者者使使已已凝凝结结的的液液体体尽尽快快从从换热表面上排泄掉。换热表面上排泄掉。2.四种增强凝结换热的措施四种增强凝结换热的措施 (2)有效地排除不凝性气体有效地排除不凝性气体 加装抽气装置加装抽气装置(3)加速凝液的排除加速凝液的排除 加装中间导流装置，使用离加装中间导流装置，使用离 心力，低频振动，心力，低频振动，或静电吸引等方法或静电吸引等方法(4)珠状凝结珠状凝结 在凝结表面涂抹凝液附着力很小的材料（聚四在凝结表面涂抹凝液附着力很小的材料（聚四氟乙烯）或在蒸气中加入促进剂（油酸）氟乙烯）或在蒸气中加入促进剂（油酸）287-2 沸沸 腾腾 换换 热热 蒸汽锅炉蒸汽锅炉 做饭（蒸、煮、煎、炸，蒸是老大）做饭（蒸、煮、煎、炸，蒸是老大）许多其它的工业过程许多其它的工业过程1 生活中的例子生活中的例子2定义定义：a 沸腾：沸腾：工质与高温壁面接触被加热，温度达到一定数值后，工质工质与高温壁面接触被加热，温度达到一定数值后，工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。当壁温高于液体的饱和温度时，则发生沸腾过程。当壁温高于液体的饱和温度时，则发生沸腾过程。b 沸腾换热：沸腾换热：指沸腾过程中，工质与壁面热量交换的过程。指沸腾过程中，工质与壁面热量交换的过程。3 分类分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大空间沸大空间沸腾腾(池沸腾池沸腾)和和有限空间沸腾（受迫对流沸腾）有限空间沸腾（受迫对流沸腾），每种又分为每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。29a 大空间沸腾大空间沸腾(池内沸腾池内沸腾)：液体静止地处于大容器中液体静止地处于大容器中,液体和加热壁液体和加热壁 面间进行自然对流换热达到沸腾。面间进行自然对流换热达到沸腾。Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow汽泡向前流动汽泡向前流动复杂的两相流复杂的两相流b 受迫对流沸腾：受迫对流沸腾受迫对流沸腾：受迫对流沸腾加热壁面沉浸在具加热壁面沉浸在具有自由表面的液体有自由表面的液体中；中；产生汽泡可自产生汽泡可自由浮升穿过自由表由浮升穿过自由表面聚集在液体上方。面聚集在液体上方。加热表面加热表面30c 过冷沸腾：过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面温度高于饱和温度，壁面上开始产生气泡，称之为态，而壁面温度高于饱和温度，壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾。过冷沸腾。d 饱和沸腾：饱和沸腾：液体主体温度达到或超过饱和温度，而壁面温液体主体温度达到或超过饱和温度，而壁面温度高于饱和温度，称之为饱和沸腾。度高于饱和温度，称之为饱和沸腾。我们这里主要讨论我们这里主要讨论大空间饱和沸腾大空间饱和沸腾第七章 凝结与沸腾换热31 1、大空间饱和沸腾过程与沸腾曲线：、大空间饱和沸腾过程与沸腾曲线：沸沸腾腾曲曲线线表表征征了了大大空空间间饱饱和和沸沸腾腾的的全全部部过过程程，共共包包括括4个个换换热热规规律律不不同同的的阶阶段段：自自然然对对流流、泡泡（核核）态态沸沸腾腾、过过渡渡沸沸腾腾和和稳稳定膜态沸腾定膜态沸腾，如图所示：，如图所示：壁面过热度壁面过热度32壁面过热度壁面过热度沸腾临界点33几点说明：几点说明：（1）上上述述热热流流密密度度的的峰峰值值qmax 有有重重大大意意义义，称称为为临临界界热热流流密密度度，亦亦称称烧烧毁毁点点。一一般般用用核核态态沸沸腾腾转转折折点点DNB作作为为监监视视接接近近qmax的的警警戒戒。这这一一点点对对热热流流密密度度可可控控和和温温度度可控的两种情况都非常重要。可控的两种情况都非常重要。（2）对对稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾，因因为为热热量量必必须须穿穿过过的的是是热热阻阻较较大大的的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。汽膜，所以换热系数比凝结小得多。此时此时t t大，大，h h小。小。342 大空间泡态沸腾表面传热系数的计算大空间泡态沸腾表面传热系数的计算沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即然适用，即1）大空间饱和泡态沸腾大空间饱和泡态沸腾 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况比较复杂，导致了个别计算公式分歧较大。沸腾换热的情况比较复杂，导致了个别计算公式分歧较大。目前存在两种计算式，一种是针对某一种液体，另一种是广目前存在两种计算式，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。泛适用于各种液体的。35为此，书中分别推荐了两个计算式为此，书中分别推荐了两个计算式（1 1）对于水的大空间饱和泡态沸腾，教材推荐适用米海）对于水的大空间饱和泡态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：耶夫公式，压力范围：10105 54 4 10106 6 Pa Pa按按热流密度与温度差的关系为热流密度与温度差的关系为3.33次幂次幂36（2）罗森瑙公式）罗森瑙公式广泛适用的强制对流换热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，罗森诺正是在这种思既然沸腾换热也属于对流换热，罗森诺正是在这种思路下，在关联不同工质及壁面材料的实验数据基础上，路下，在关联不同工质及壁面材料的实验数据基础上，提出提出大空间泡态沸腾热流密度大空间泡态沸腾热流密度计算式：计算式：热流密度与温度差的关系为热流密度与温度差的关系为3次幂次幂37式中，式中，r 汽化潜热汽化潜热;Cpl 饱和液体的比定压热容饱和液体的比定压热容;g 重力加速度重力加速度;表面表面张力力;l 饱和液体的动力粘度饱和液体的动力粘度;Cwl 取决于加热表面液体组合情况取决于加热表面液体组合情况 的经验常数的经验常数(表表7-1);q 沸腾传热的热流密度沸腾传热的热流密度;Prl 饱和液普朗特数饱和液普朗特数;s 经验指数，水经验指数，水s=1,否则，否则，s=1.7说明：该公式需要试算。说明：该公式需要试算。