传热学-第六章凝结与沸腾换热课件.pptx
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- 传热学 第六 凝结 沸腾 课件
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1、传热学传热学-第六章凝结与沸腾第六章凝结与沸腾换热换热第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热,包第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热,包括强制对流换热和自然对流换热括强制对流换热和自然对流换热下面我们即将遇到的是有相变的对流换热,也称之为下面我们即将遇到的是有相变的对流换热,也称之为相变换热相变换热,目前涉及的是,目前涉及的是凝结凝结换热和换热和沸腾沸腾换热两种。换热两种。相变换热的相变换热的特点特点:由于有潜热释放和相变过程的复:由于有潜热释放和相变过程的复杂性,比单相对流换热更复杂,因此,目前,工程杂性,比单相对流换热更复杂,因此,目前,工程上也只能助于经验公式和实验关联式。上也只能
2、助于经验公式和实验关联式。第七章 相变对流传热7-1 7-1 凝结凝结传热传热的模式的模式凝结换热的凝结换热的关键点关键点凝结可能以不同的形式发生,膜状凝结和珠状凝结凝结可能以不同的形式发生,膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式层流和湍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会分析竖壁和横管的换热过程,及会分析竖壁和横管的换热过程,及NusseltNusselt膜状凝结理论膜状凝结理论凝结换热实例凝结换热实例 汽轮机中的凝汽器汽轮机中的凝汽器 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗
3、户上的冰花 许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程第七章 相变对流传热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(t ts s-t-tw w)汽化潜热汽化潜热 r r 特征尺度特征尺度 其他标准的热物理性质,如动力粘度、导热系其他标准的热物理性质,如动力粘度、导热系 数、比热容等数、比热容等第七章 相变对流传热1 凝结过程凝结过程 膜状凝结膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜,并且在重力沿整个壁面形成一层薄膜,并且在重力的作用下流动,凝结放出的汽化潜热必的作用下流动,凝结放出的汽化潜热必须通过液膜,因此,液膜厚度直接影响须通过液膜,因此
4、,液膜厚度直接影响了热量传递。了热量传递。珠状凝结珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时,则在壁面当凝结液体不能很好的浸润壁面时,则在壁面上形成许多小液珠,此时壁面的部分表面与蒸上形成许多小液珠,此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触,因此,换热速率远大于膜状凝结汽直接接触,因此,换热速率远大于膜状凝结(可能大几倍,甚至一个数量级)(可能大几倍,甚至一个数量级)gg第七章 相变对流传热接触角小则液体润湿能力强,液体会铺展在壁面上接触角小则液体润湿能力强,液体会铺展在壁面上第七章 相变对流传热虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结,但可惜的是,珠状凝虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结,但可惜的是,珠状凝结很难保持
5、,因此,大多数工程中遇到的凝结换热大多属结很难保持,因此,大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结,因此,教材中只简单介绍了膜状凝结于膜状凝结,因此,教材中只简单介绍了膜状凝结第七章 相变对流传热膜状凝结是工程设计的依据v几乎所有的常用蒸气,在纯净的条件下均能几乎所有的常用蒸气,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在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结v在大多数工业冷凝器中,特别是动力冷凝器在大多数工业冷凝器中,特别是动力冷凝器上,实际上都得到膜状凝结上,实际上都得到膜状凝结v从设计的观点出发,为了保证凝结效果,只从设计的观点出发,为了保证凝结效果,只能用膜状凝结的计算式
6、作为设计的依据能用膜状凝结的计算式作为设计的依据第七章 相变对流传热7-7-2 2 膜状凝结膜状凝结分析解及计算关联式分析解及计算关联式1 1 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年,年,Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜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。自状凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来,各种修正年以来,各种修正或发展都是针对或发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了,并形分析的限制性假设而进行了,并形成了各种实用的计算方法。所以,我们首先得了解成了各种实用的计算方法。所以,我们首先得了解
7、Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。假定假定:1)常物性;)常物性;2)蒸气静止;)蒸气静止;3)液膜的惯性力忽略;)液膜的惯性力忽略;4)气液界面上无温差,即液膜温度等于饱和温度;)气液界面上无温差,即液膜温度等于饱和温度;5)膜)膜内温度线性分布,即热量转移只有导热;内温度线性分布,即热量转移只有导热;6)液膜的过冷度)液膜的过冷度忽略;忽略;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第七章 相变对流传热gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary laye
8、rs微元控制体边界层微分方程组:边界层微分方程组:对应于对应于p.211页页(5-15),(5-16),(5-17)下脚标下脚标 l 表示液表示液相相x第七章 相变对流传热考虑(考虑(3)液膜的惯性力忽略)液膜的惯性力忽略 考虑(考虑(5 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 考虑(考虑(7 7)忽)忽略蒸汽密度略蒸汽密度只有只有u u 和和 t t 两个未知量,于两个未知量,于是,上面得方程组化简为:是,上面得方程组化简为:第七章 相变对流传热边界条件:边界条件:求解上面方程可得:求解上面方程可得:(1)(1)液膜厚度液膜厚度定性温度:定性温度:注意:
9、注意:r r 按按 t ts s 确定确定第七章 相变对流传热(2)(2)局部对流换热系局部对流换热系数数整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁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 确定确定第七章 相变对流传热(3)(3)修正:实验表明,由于液膜表面波动,凝结换热得到强修正:实验表明,由于液膜表面波动,凝结换热得到强 化,因此,实验值比上述得理论值高化,因此,实验值比上述得理论值高2020左右左右修正后:修正后:第七章 相变对流传热时,惯性力项和液膜过冷度时,惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。的影响均可忽略。对于对于倾斜壁倾斜壁,则用,则用 gsingsin 代替以上
10、各式中的代替以上各式中的 g g 即可即可另外,除了对波动的修正外,其他假设也有人做了相关另外,除了对波动的修正外,其他假设也有人做了相关的的研究,如当研究,如当 并且,并且,(4)(4)水平圆管水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结膜状凝结式中: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 平管或球的直径。平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同定性温度与前面的公式相同第七章 相变对流传热横管与竖管的对流换热系数之比:横管与竖管的对流换热系数之比:3 3 边界层内的流态边界
11、层内的流态无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流,并凝结液体流动也分层流和湍流,并且其判断依据仍然时且其判断依据仍然时ReRe,式中:式中:u ul l 为为 x=lx=l 处液膜层的平均流速;处液膜层的平均流速;de de 为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。第七章 相变对流传热如图如图由热平衡由热平衡所以所以对水平管,用对水平管,用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态第七章 相变对流传热4 4 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为液膜从层流转变为
12、湍流的临界雷诺数可定为1600。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。对湍流液膜,除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递对湍流液膜,除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外,层流底层之外以湍流传递为主,换热大为增强热量外,层流底层之外以湍流传递为主,换热大为增强对对竖壁的湍流凝结换热竖壁的湍流凝结换热,其沿整个壁面的,其沿整个壁面的平均表面传平均表面传热系数热系数计算式为:计算式为:式中:式中:hl 为层流段的传热系数;为层流段的传热系数;ht 为湍流段的传热系数;为湍流段的传热系数;xc 为层流转变为湍流时转折点的高度为层流转变为湍流时转折点的高度 l
13、 为竖壁的总高度为竖壁的总高度第七章 相变对流传热利用上面思想,整理的实验关联式:利用上面思想,整理的实验关联式:式中:式中:。除。除 用壁温用壁温 计算外,其余物理量的定性温度均为计算外,其余物理量的定性温度均为第七章 相变对流传热7-3 7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化 工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂,受各种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。因素的影响。1.1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力,同时使饱和温度下不凝结气体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降,减小了凝结
14、的驱动力2.2.蒸气流速蒸气流速 流速较高时,蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。流速较高时,蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时,使液膜拉薄,如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时,使液膜拉薄,增大;反之使增大;反之使 减小。减小。第七章 相变对流传热 4.4.液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况,要用下式代替如果考虑过冷度及温度分布的实际情况,要用下式代替 计算公式中的计算公式中的 ,5.5.管子排数管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横
15、管凝结换热的公式只适用于单根横管。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。3.3.过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。第七章 相变对流传热 6.6.管内冷凝管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低蒸气流速低时,凝结液主要在管子底部,蒸气则位于时,凝结液主要在管子底部,蒸气则位于 管子上半部。管子上半部。流速较高流速较高时,形成环状流动,凝结液均匀分布在管子时,形成环状流动,凝结液均匀分布在管子 四周,中心为蒸气核。四周,中心为蒸气核。第七章 相变对流传热 7.凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状v强化凝结换
16、热的原则是强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。面上的液膜的厚度。v可用各种带有尖峰可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄,或凝的液膜拉薄,或 者使已凝结的液体者使已凝结的液体 尽快从换热表面上尽快从换热表面上 排泄掉。排泄掉。第七章 相变对流传热7-4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式 蒸汽锅炉蒸汽锅炉 做饭做饭 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:工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态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的一种剧烈的汽化过程 b 沸腾换
17、热:沸腾换热:指工质通过气泡运动带走热量,并使其指工质通过气泡运动带走热量,并使其冷却的一种传热方式冷却的一种传热方式3 分类分类沸腾的分类很多,书中仅介绍了常见沸腾的分类很多,书中仅介绍了常见的的大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)和和强制对流沸腾强制对流沸腾,每每种又分为种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。第七章 相变对流传热a 大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾):加热壁面沉浸在具有自加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾;由表面的液体中所发生的沸腾;b 强制对流沸腾:强制对流沸腾强制对流沸腾:强制对流沸腾加热表面加热表面Heated SurfaceLiquid
18、flowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow第七章 相变对流传热4 汽泡动力学简介汽泡动力学简介 (1)汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明,通常情况下,沸腾时汽泡只发生在加热实验表明,通常情况下,沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点,而不是整个加热面上,这些产生气泡的点被面的某些点,而不是整个加热面上,这些产生气泡的点被称为称为汽化核心汽化核心,较普遍的看法认为,壁面上的凹穴和裂缝,较普遍的看法认为,壁面上的凹穴和裂缝易残留气体,是最好的汽化核心,如图所示。易残留气体,是最好的汽化核心,如图所示。c 过冷沸腾:过冷沸腾:指液体主流尚未达到饱和温度,
19、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,而壁面上开始产生气泡,称之为过冷沸腾态,而壁面上开始产生气泡,称之为过冷沸腾d 饱和沸腾:饱和沸腾:液体主体温度达到饱和温度,而壁面温度高于液体主体温度达到饱和温度,而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾,称之为饱和沸腾饱和温度所发生的沸腾,称之为饱和沸腾我们这本书仅介绍我们这本书仅介绍大容器大容器的的饱和沸腾饱和沸腾第七章 相变对流传热(2)汽泡的存在条件汽泡的存在条件上式给出了对于半径为上式给出了对于半径为R R的汽泡所必需的压力差,即液体的过热度的汽泡所必需的压力差,即液体的过热度第七章 相变对流传热汽泡半径汽泡半径R必须满足下列条件才
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