第7章凝结与沸腾换热课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 凝结与沸腾换热,Condensation and Boiling,第七章 凝结与沸腾换热,2,7-1,凝结换热,7-2,沸腾换热,7-3,热管,主要内容,掌握凝结换热、沸腾换热、热管的概念、原理和计算。,核心知识点,27-1 凝结换热主要内容掌握凝结换热、沸腾换热、热管的,3,3,）,相变换热的,特点,：由于有,潜热释放,、,相变过程,的,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,（膜状,h,=600060000,，珠状,h,=40000410,5,）。,1,）凝结,：气态工质在,饱和温度,t,s,下，由气态,液态的,过程， 又称为,冷凝,。,2,）沸腾,：液态工质在,饱和温度,t,s,下，以产生气泡的形式,由液相,气态的过程。,saturation,（,上海交通大学,2001,年考研题,）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。（仅给出大小关系）,33）相变换热的特点：由于有潜热释放、相变过程的1）凝结：气,4,7-1,凝结换热,本节,关键点,(,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,会分析,竖壁,、,横管,的换热过程，及,Nusselt,膜状凝结理论,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,凝结换热实例,结露,开水壶盖,内,表面的液膜,寒冷冬天，窗户 表面上的,冰花,一、概述,当壁温,t,w,t,s,蒸气的,饱和温度,时，蒸气在壁面上发生冷凝过程,内,许多其他工业应用过程,(,制冷系统四大件之一,冷凝器,),condenser,47-1 凝结换热 本节关键点 (需重点掌握的内容),结露,结霜,结露结霜,6,凝结换热中的重要参数,蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（,t,s,-,t,w,）,汽化潜热,r,（干饱和蒸气焓,H,”,-,饱和液体焓,H,）,特征尺度（寸）,其他标准的热物理性质，如,、,、,C,p,等,6 凝结换热中的重要参数,7,膜状,凝结,film,当凝结液体能很好地浸润壁面时，沿整个壁面形成,一层薄膜,，并且在重力作用下流动，凝结放出的,凝结潜热,（,=,汽化潜热,）必须通过液膜才能传至冷却壁面，因此，液膜厚度,直接影响了热量传递。,珠状,凝结,dropwise,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,小液珠,，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（大,几倍,，甚至一个数量级,（,10,倍左右,）,）,g,g,（,上海交通大学,2001,年考研题,）试说明珠状凝结比膜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结的换热系数高。,（,浙江大学,2006,年考研题,）凝结传热的两种形式是,和,。,（,上海九校联考,2002,年考研题,）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？产生不同凝结形式的原因是什么？,7 膜状凝结 film珠状凝结 dropwi,8,虽然珠状凝结换热,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，故，教材中只简单介绍,膜状凝结,。,二、膜状凝结换热,1916,年，德国物理学家威廉,-,努塞尔,Wilhelm Nusselt,提出的,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础。自,1916,年以来，各种修正或发展都是针对,Nusselt,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。,故，首先需了解,Nusselt,对,纯净,饱和蒸汽,膜状凝结换热的分析,(,以竖壁为例,),。,8虽然珠状凝结换热膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持,9,1,）层流，常物性；,2,）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；,3,）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；,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,y,方向 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）；,7,）忽略蒸汽密度；,8,）液膜表面平整无波动。,1. Nusselt,假定,：,91）层流，常物性；1. Nusselt假定：,10,在液膜中取微小单元，垂直于纸面方向为单位长度：,下脚标,l,表示液相,x,.,分析求解,单元左表面向上粘滞力：,单元右表面向下,粘滞,力：,单元所受重力,:,单元所受浮力：,由假设,4,）忽略液膜的惯性力，,单元各力平衡,：,10在液膜中取微小单元，垂直于纸面方向为单位长度：下脚标 l,第七章 凝结与沸腾换热,11,假设,5,）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热,假设,7,）忽略蒸汽密度：,层流时，牛顿切应力：,单元受力平衡方程：,边界条件：,单元受力方程化简：,求解上面动量方程可得：,（,2,）,P,188,第七章 凝结与沸腾换热11假设5）膜内温度线性分布，即热量转,12,在壁面沿水平方向取,1m,的宽度，在,x,处,厚度为,的液膜断面流过的液体流量,M,可由速度积分得出：,在沿壁面向下,d x,，液体流量相应有一个增量,dM,：,求解上面能量方程可得：,边界条件：,速度,u,、温度,t,的计算都用到,，怎么求？,12在壁面沿水平方向取1m的宽度，在x处在沿壁面向下d x，,13,对位于,x,和,x+dx,两面之间的,液膜段列热量平衡方程：,上式化简,13对位于x和x+dx两面之间的上式化简,14,(1),液膜厚度,定性温度：,注意：,r,按,t,s,确定,上式整理（分离变量，并积分）,液膜厚度的常微分方程,（,8,）,14(1) 液膜厚度定性温度：注意：r 按 ts 确定上式,15,(2),局部表面传热系数,微元段内凝结换热量,等于,膜层的导热量,(3),整个,竖壁,的平均表面传热系数,定性温度：,注意：,r,按,t,s,确定,将液膜厚度,带入上式，得：,15(2) 局部表面传热系数微元段内凝结换热量等于膜层的导,(4),修正：,实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，,实验值,比上述的,理论值,高,20,左右,修正后：,(5),倾斜壁：,则用,gsin,代替以上各式中的,g,即可。,(6),水平圆管,式中：下标“,H,”,表示水平管，“,S,”,表示球,;,d,为水,平管或球的,外直径,。,定性温度与前面公式相同,Vertical,Horizontal,Spherical,(4) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，,17,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,无波动层流,有波动层流,紊流,1,） 凝结液膜雷诺数,Re,凝结液体流动也分层流和紊流，其判断依据仍为,Re,：,式中：,u,m,x,处液膜层的平均流速；,d,e,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？,雷诺数的临界值,:,液膜为层流时, Re,c,1800,17横管与竖管的对流表面传热系数之比：3. 层流膜状凝结准,18,1m,宽度上，横断面的凝液量：,M=,1,u,m,横管一般都处于层流状态,如图,对水平管，用,d,代替,l,即可。,18横管一般都处于层流状态如图对水平管，用d 代替 l 即,19,2,） 凝结准则,Co:,凝结准则,C,o,是无因次数群，反映了换热的强弱。,A,、垂直壁、管径,d,的竖圆管,: Co =1.47Re,c,-1/3,C1,、,凝结换热表面传热系数,:,C2,、,垂直壁、管径,d,的竖圆管的准则方程修正后,:,Co =1.76Re,c,-1/3,（,30,R,ec,1800,）,B,、,水平圆管,Co =1.51Re,c,-1/3,D,、,下式也可用来计算垂直壁、管径,d,的竖圆管（,Kutateladze:,192） 凝结准则Co:凝结准则Co是无因次数群，反映了换热,20,4.,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,1800,。横管因直径较小，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,实验关联式,：,式中： 定性温度均为,204. 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,21,对,竖壁的紊流凝结换热,，其沿整个壁面的,平均表面传热系数,计算式为：,式中：,h,l,层流段的平均表面传热系数；,h,t,紊流段的平均表面传热系数；,x,c,层流转变为紊流时临界高度；,l,竖壁的总高度。,说明：,凝结换热准则关联式是,表面传热系数,h,的,隐函数，,计算时均采用,试算,的方法,21对竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算,22,管内蒸汽雷诺数,:,G,v,质量平均流速，,kg/m,2,s,v,t,s,下蒸汽密度，,kg / m,3,、,、,按定性温度,t,m,=,（,t,s,+ t,w,）,/2,查的凝液物性,修正后汽化潜热。,5.,水平管内凝结换热,22管内蒸汽雷诺数:G v质量平均流速， kg/m2s5,6.,水平管束管外凝结平均换热系数,6. 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,(2),不凝结气体,空气、氢、氮、润滑油蒸气等,不凝结气体聚集在换热表面增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力。不凝性气体含量到,1%,时，表面传热系数将只达纯蒸气的,1/3,。,冷凝器中有抽真空装置。,(1),蒸气流速,流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞应力；如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，,h,；反之,h,；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。,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。,1.,五个影响因素,（,西安交通大学,2005,年考研题,）一台氟利昂冷凝器试验台，在充灌氟利昂前没有抽真空，试问这对冷凝器运行的传热性能有什么影响？为什么？,（,重庆大学,2006,年考研题,）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。,24三、影响膜状凝结的因素及增强换热的措施(2) 不凝结气体,(3),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，表面传热系数低于光滑管,30%,；当雷诺数,140,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流换热的影响。,(4),蒸气含油,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,计算时，将潜热改为过热蒸气与饱和液体的焓差。,(3) 表面粗糙度,26,(,1),改变表面几何特征,强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。,(,为什么要强化换热,?),可以开沟槽，可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄（表面张力），或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。,2.,四种增强凝结换热的措施,26 (1) 改变表面几何特征 2. 四种增强凝结,(2),有效地排除不凝性气体,加装抽气装置,(3),加速凝液的排除,加装中间导流装置，使用离 心力，低频振动，或静电吸引等方法,(4),珠状凝结,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）,(2) 有效地排除不凝性气体(3) 加速凝液的排除(4) 珠,28,7-2,沸 腾 换 热,蒸汽锅炉,做饭（蒸、煮、煎、炸，蒸是老大）,许多其它的工业过程,1,生活中的例子,定义,：,a,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。,b,沸腾换热：,指沸腾过程中，工质与壁面热量交换的过程。,3,分类,：,沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的,大空间沸腾,(,池沸腾,),和,有限空间沸腾（受迫对流沸腾）,，每种又分为,过冷沸腾,和,饱和沸腾,。,287-2 沸 腾 换 热 蒸汽锅炉1 生活中的例,29,a,大空间沸腾,(,池内沸腾,),：,液体静止地处于大容器中,液体和加热壁 面间进行自然对流换热达到沸腾。,Heated Surface,Liquidflow,Bubble flow,Slug flow,Annular flow,Mist flow,汽泡向前流动,复杂的两相流,b,受迫对流沸腾：受迫对流沸腾,加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中；,产生汽泡可自由浮升穿过自由表面聚集在液体上方。,加热表面,29a 大空间沸腾(池内沸腾)：液体静止地处于大容器中,液,30,c,过冷沸腾：,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，称之为过冷沸腾。,d,饱和沸腾：,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。,我们这里主要讨论,大空间饱和沸腾,30c 过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状,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：,沸腾曲线,表征了大空间饱和沸腾的全部过程，共包括,4,个换热规律不同的阶段：,自然对流、泡（核）态沸腾、过渡沸腾,和,稳定膜态沸腾,，如图所示：,壁面过热度,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,32,壁面过热度,沸腾临界点,32壁面过热度沸腾临界点,33,几点说明：,（,1,）上述热流密度的峰值,q,max,有重大意义，称为,临界热流密度，亦称烧毁点,。一般用核态沸腾转折点,DNB,作为监视接近,q,max,的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。,（,2,）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。,此时,t,大，,h,小。,33几点说明：,34,2,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，牛顿冷却公式仍然适用，即,1,） 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。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。,342 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,35,为此，书中分别推荐了两个计算式,（,1,）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：,10,5,4,10,6,Pa,按,热流密度与温度差的关系为,3.33,次幂,35为此，书中分别推荐了两个计算式按热流密度与温度差的关系为,36,（,2,）罗森瑙公式,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路下，在关联不同工质及壁面材料的实验数据基础上，提出,大空间泡态沸腾热流密度,计算式：,热流密度与温度差的关系为,3,次幂,36（2）罗森瑙公式广泛适用的强制对流换热公式,37,式中，,r ,汽化潜热,; C,pl,饱和液体的比定压热容,;,g ,重力加速度,;,表面张力,;,l,饱和液体的动力粘度,;,C,wl,取决于加热表面液体组合情况,的经验常数,(,表,7-1,);,q ,沸腾传热的热流密度,;,Pr,l,饱和液普朗特数,; s ,经验指数，水,s = 1,否则，,s=1.7,说明：该公式需要试算。,37式中， r 汽化潜热; Cpl 饱和液体,