6-相变对流传热解析

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,*,第六章 相变对流传热,6.1 分散传热的模式；,6.2 膜状分散分析解及计算关联式；,6.3 膜状分散的影响因素及其传热强化；,6.4 沸腾传热的模式；,6.5 大容器沸腾传热的试验关联式；,6.6 沸腾传热的影响因素及其强化；,6.7 热管简介；,1,主要内容：,1相变沸腾与分散换热的特点及影响因素；,2相变换热的争论与计算方法；,3相变换热的强化技术。,相变换热属于对流换热，根本计算公式仍为牛顿冷却公式：,=Aht,分散换热：,沸腾换热：,t=t,s,-t,w,t=t,w,-t,s,2,6.1 分散传热的模式,膜状分散：分散液体能很好地润湿壁面，就会在壁面上铺展成膜。,珠状分散：分散液体不能很好地润湿壁面时，分散液体在壁面上形成一个个的小液珠。,1.珠状分散与膜状分散,3,膜状分散的热阻比珠状分散大一个数量级以上。,4,6.2 膜状分散分析解及计算关联式,1.层流膜状分散分析解,努塞尔1916首先建立了层流膜状分散换热的简化热物理模型和数学模型，他作了以下几点假设：,1蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不行凝气体；,2汽、液物性均为常数；,3蒸气静止，对液膜外表无粘性力作用；,4液膜极薄，流速很低，无视其惯性力；,5相变发生在汽-液界面上，界面处于饱和温度；,6液膜内仅有导热作用，无视对流传热方式；,7液膜的过冷度可以无视不计；,8膜外表没有波动。,依据上述假设，可使竖直平壁外表稳态层流膜状分散换热问题的数学模型大为简化。,5,类似于外掠平板强迫对流层流换热，对于竖直平壁外表稳态层流膜状分散换热，选取坐标系如图。,微分方程组：,6,液膜在x方向的压力梯度：,微分方程组可简化为：,边界条件：,7,将动量方程与能量方程做两次积分：,下一步的,关键,需要求解,液膜厚度随x的变化规律,8,对dx的微元段做质量平衡，通过L截面处宽为1m的壁面分散液体的质量流量为:,在dx微元段上质量流量的增量为：,9,从通过厚为的液膜的导热与dqm的分散液体释放出来的潜热相等。,分散液体释放的汽化潜热,通过液膜的导热,10,积分,局部外表传热系数：,常数,整个竖壁的平均外表传热系数,液膜层流时竖壁膜状分散的努塞尔理论解,11,2.竖直管与水平管的比较及试验验证,1水平圆管及球外表的分散传热外表传热系数,水平管,球,d-水平管或者球的直径。,定性温度,：除汽化潜热,r,按饱和温度t,s,取值以外，其它参数都按液膜的算术平均温度 取值。,12,2水平管外分散与竖直管外分散的比较,横管,竖管,当l/d=50，横管的平均外表传热系数是竖管的2倍，故冷凝器通常都承受横管的布置方案。,横管和竖管的平均外表传热系数计算式区分：a 横管特征长度为d，竖管特征长度为l；系数不同。,13,3分析解的试验验证和假设条件的影响,因素：,液膜波动,14,3.湍流膜状分散,为推断分散液膜的流态，引进膜层雷诺数Re。,膜层雷诺数：依据液膜的特点取当量直径为特征长度的Re数。,-壁底部x=l处液膜层的平均流速。,-该截面处液膜层的当量直径。,15,-x=l处宽为1m的截面上分散液的质量流量。,整个竖壁的传热量,当Re1600时，分散液膜变为湍流，用下式计算整个壁面的平均外表传热系数。,16,例6-1：压力为1.013105Pa的水蒸气在方形竖壁上分散，壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98.试计算每小时的传热量及分散蒸气量。,解：依据压力，查表知ts=100，r=2257 kJ/kg。物性参数按液膜平均温度tm=100 +98 /2=99,查附录得：,承受层流液膜平均外表传热系数7-7来计算：,17,依据式7-10验证Re准则：,说明原假设液膜为,层流成立,。,1600,传热量为：,分散蒸气量为：,18,6.3 膜状分散的影响因素及其传热强化,1.膜状分散的影响因素,1蒸气中含有不分散气体；,2管子排数；,3管内冷凝,4蒸气流速；,5蒸气过热度；,6液膜过冷度及温度分布的非线性。,19,1不分散气体,假设水蒸气中质量含量占1%的空气可使外表传热系数降低60%。,不分散气体层增加蒸气传递过程的阻力，降低蒸气分压力，减弱分散的动力，使得分散过程减弱。,2管子排数,排管上的分散液在下落时产生飞溅及对液膜产生冲击扰动，对传热过程造成影响。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布置、流体物性等，状况较为简单。,20,3管内冷凝,当蒸气流速低时，分散液主要积聚在管子的底部，蒸气位于管子上半部。,当蒸气流速高时，形成环状流淌，分散液均匀地展布于管子四周，蒸气位于中间。,21,4蒸气流速,蒸气流速较高时，蒸气流速对液膜外表会产生明显的粘滞应力。其影响又随蒸气流向与重力场同向或异向、流速大小以及是否撕破液膜等有关。,当蒸气流淌方向与液膜向下的流淌同向时，液膜被拉薄，外表传热系数增大；反方向时会阻滞液膜的流淌使其增厚，则外表传热系数减小。,5蒸气过热度,把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差，也可用前述饱和蒸气的试验关联式来计算过热蒸气的分散传热系数。,22,6液膜过冷度及温度分布的非线性,努塞尔的理论分析无视了液膜的过冷度，并假定液膜中的温度呈线性分布。在实际工程中，要在原来的根底上加上一个修正系数。,雅各布Jakob数，是衡量液膜过冷度相对大小的无量纲数。,23,2.膜状分散的强化原则和技术,1尽量减薄液膜厚度是强化膜状分散的根本原则。,a.减薄蒸气分散时直接粘滞在固体外表上的液膜。,b.准时地将传热外表上产生的分散液体排走，不使其积存在传热外表上而进一步使液膜加厚。,24,2强化技术简介,减薄液膜厚度技术,整体式低肋片,锯齿管,25,准时排液的技术,26,6.4 沸腾传热的模式,沸腾：液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的汽化现象，伴随大量汽泡产生。,均相沸腾：因压力突降发生的沸腾现象闪蒸，不存在加热面。,非均相沸腾：因外表加热产生的沸腾现象。,大容器沸腾池沸腾：由温差和气泡的扰动引起。,强迫流淌沸腾管内沸腾:在外加的压差下才能维持。,主要争论大容器饱和沸腾,27,大容器饱和沸腾的特点：加热外表上有汽泡生成，随着汽泡长大和脱离壁面，容器内的液体受到猛烈扰动，换热强度很高。,1.大容器饱和沸腾曲线,q,w,-t=t,w,-t,s,过热度,1自然对流,2核态沸腾A-C传热强,3过渡沸腾C-D,4膜态沸腾DE,偏离核沸腾点，安全警界点,28,2.气泡动力学分析简介,汽化,核心,：,汽泡产生点,。,易于成为汽化核心的位置：,壁面上的凹坑,、,细缝,、,裂穴,等。,29,加热外表上要产生气泡液体必需过热,汽泡的力平衡：,汽泡的生成条件：,当tl ts时，液体是过热的。过热度越大，能够生存的汽泡半径越小。加热壁面处的过热度最大，所以该处的汽泡最简洁生存。,30,6.5 大容器沸腾传热的试验关联式,1.大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式,罗森诺公式,：,31,l为饱和液体的动力粘度Pas；,r 为沸腾液体的汽化潜热kJ/kg；,为液体与饱和蒸气界面上的外表张力N/m；,l、v分别为饱和液与饱和蒸气的密度kg/m3；,cpl 为饱和液体的比定压热容J/kgK；,t 为壁面的过热度，即沸腾温差；,s 为阅历指数，对水s=1，对其它液体，s=1.7；,Cwl 为依据加热面与液体种类选取的阅历常数。,32,33,34,2.大容器饱和沸腾临界热流密度计算式,适用条件：大空间核态饱和沸腾，加热外表的特征尺寸远大于汽泡平均直径。,临界热流密度的数值与压力亲密相关，在比压力液体的压力与其临界压力之比大约等于0.3处，临界热流密度具有极大值。,35,3.大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式,膜态沸腾中气膜的流淌和换热类似于膜状分散中液膜的流淌与换热，可用类似的分析方法分析，得到的解的函数形式也很相像：,定性温度：l和r承受饱和温度ts，其余物性参数用tm=(tw+ts)/2。对于球面，系数0.62改为0.67。,36,6.6 沸腾传热的影响因素及其强化,1液体的物性(从罗森诺公式可以看出,2加热外表状况：打算汽化核心数目的多少。,(a)壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的厚度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸热系数对沸腾换热都有影响；,(b)加热壁面的粗糙度；,(c)加热壁面的氧化、老化和污垢沉积状况等。,1.影响沸腾传热的因素,37,3液体的压力,液体核态沸腾的外表传热系数随系统压力的增加而增加。,4不凝气体的含量、加热外表的大小与方向以及液体自由外表的高度即液位、重力加速度等因素的影响。,5管内沸腾,竖管管内沸腾示意图,38,2.强化沸腾传热的原则和技术,强化沸腾换热的措施,1提高壁面过热度t;,2承受强迫对流沸腾;,3转变加热壁面状况等;,39,40,6.7 热管简介,41,热管的工作特点：,1传热力量强：一根钢水,热管的传热力量大致相当于同样尺寸紫铜棒导热力量的1500倍；,2传热温差小；,3构造简洁、工作牢靠、传输距离长；,4热流密度可调通过转变加热段和放热段的长度或加装肋片；,5承受不同的工质可适用不同的温度范围；,重力热管示意图,42,热管应用中存在的主要问题：,密封性,、,热管管材与工质间的相容性,。,43,热管的,工程应用：,1温度掌握如：航天器；,2热量传递；,空气预热器,大功率晶体管冷却,44,第六章 小结,重点把握以下内容：,1外表分散的两种根本形态：膜状分散和珠状分散的特点和形成条件；,2努塞尔关于竖壁膜状分散换热的理论分析方法；,3影响膜状分散换热的主要因素；,4强化分散换热的主要方法；,5大空间饱和沸腾4个阶段的根本特征、饱和沸腾曲线、临界热流密度；,6影响大空间饱和核态沸腾换热的主要因素；,7强化核态沸腾换热的方法；,8热管的工作原理。,45,