传热学教案 第六章 凝结与沸腾换热.docx
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1、第六章凝结与沸腾换热1、重点内容:凝结与沸腾换热机理及其特点;膜状凝结换热分析解及实验关联式;大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2、掌握内容:掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3、了解内容:了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。蒸汽遇冷凝结,液体受热沸腾属对流换热。其特点是:伴随有相变的对流换 热。工程中广泛应用的是:冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。6-1凝结换热现象一、基本概念1 .凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时,将汽化潜热释放给固体壁面,并在 壁面上形成凝结液的过程,称凝结换热现象。2 .凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种:(1)膜状凝结:定义:凝结液体能很
2、好地湿润壁面,并能在壁面上均匀铺展成膜的凝 结形式,称膜状凝结。特点:壁面上有一层液膜,凝结放出的相变热(潜热)须穿过液膜才 能传到冷却壁面上,此时液膜成为主要的换热热阻。(2)珠状凝结定义:凝结液体不能很好地湿润壁面,凝结液体在壁面上形成一个个小液 珠的凝结形式,称珠状凝结。产生珠状凝结时,所形成的液珠不断发展长大,在非水平的壁面上,因受重 力作用,液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚下。在滚下的过程中,一方面会合相 遇的液珠,合并成更大的液滴,另一方面也扫治了沿途的液珠,使壁面重复液珠 的形成和成长过程。图6 3是珠状凝结的照片,从中可清楚地看出珠状凝结时 壁面上不同大小液滴的存在情况。小则液体
3、湿润能力强,就会铺展开来。一般情况下,工业冷凝器,形成膜 状凝结,但珠状凝结的形成比较困难且不持久。特点:凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。所 以,在其它条件相同时丁 珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。3,产生的条件:固体壁面温度却必须低于蒸气的饱和温度4,即却实验查明,几乎所有的常用蒸气,包括水蒸气在内,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。在大多数工业冷凝器中,例如动力与 制冷装置的冷凝器上,实际上都得到膜状凝结。6-2膜状凝结分析解及关联式一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解1.努塞尔微分方程组根据:液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻。
4、1916年,努塞尔在理论分析中作了若干合理假设,从而揭示了有关物理参 数对凝结换热的影响。在核态沸腾区,汽泡的扰动对换热起支配作用,而汽泡一般产生在汽化 核心处。所以分析汽化核心起作用的条件以及汽化核心的数目与壁面过热度的关 系,有助于对核态沸腾现象及其换热规律的理解。1 .汽化核心的形成目前普遍认为,壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心。这些凹穴中残留的 气体(包括蒸气),由于液体表面张力的原因,很难彻底逐出,它们就成为孕育 新生气泡的有利场所。下面分析汽化核心。假设在流体中存在一个球形气泡,如 图6-13所示,流体中形成的汽泡,它必须与周围液体处于力平衡和热平衡。由 于汽泡表面张力的作用,使
5、其内压P,大于外压0,根据力平衡条件,气泡内外 压差应被作用于汽液界面上的表面张力所平衡,即:兀叱(P、,_pj = 2兀Ry式中产为汽液界面的表面张力。若忽略液柱静压的影响,则0认为近似等于沸腾系统的环境压力,即P/*Ps(饱和温度下的液体压力)。而热平衡则要求气泡内图6T3蒸气泡的力平衡图6T3蒸气泡的力平衡蒸气的温度为压力几下的饱和温度。,界面内外温度相等,则乙=小因 此,汽泡外的液体是过热 的,其过热度为:tv - ts o 而贴壁处液体具有最大 过热度4-4。加上凹穴2y2y处有残存气体,则壁面凹处最先能满足汽泡生成的条件:(6 14)故气泡都在壁面上产生。可以指出,平衡状态的汽泡是
6、很不稳定的。汽泡半径稍微小于式(614)所 示半径,表面张力大于压差,则汽泡内蒸气凝结,汽泡瓦解。只有半径大干式(6 14)所示半径时,界面上液体不断蒸发,汽泡才能成长。综上所述可知,在一定壁面过热度条件下,壁面上只有满足式(614)条件 的那些地点,才能成为工作的汽化核心。随着壁面过热度的提高,压差心-p,值越来越高。按式(6 14),汽泡的平衡态半径R将递减。因此,壁温却提高时,壁面上越来越小的存气凹穴处将成为 工作的汽化核心,从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中的长大与运动规律的 研究,无论对于掌握沸腾换热的基本机理以及开发强化沸腾换热的
7、表面都具有十 分重要的意义。现有的预测沸腾换热的各种物理模型都是基于对成核理论及汽泡 动力学的某种理解而建立起来的。正是20世纪50年代末关于汽化核心首先是在 表面上的一些微小凹坑上形成的这一基本观点的确立,才导致了 20世纪70年代 关于沸腾换热强化表面开发工作的开展。6-5沸腾换热计算式一.大容器饱和核态沸腾前面的分析表明,影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数,而 汽化核心数又受到壁面材料及其表面状况、压力、物性的支配。由于因素比较复 杂,如壁面的表面状况需视表面污染、氧化程度而有不同等情况,文献中提出的 计算式分歧较大。在此仅介绍二种类型的计算式:一种类型是针对一种液体的; 另
8、一种类型是广泛适用于各种液体的。针对性强的计算式精确度往往较高。对于水,米海耶夫推荐的在IO,4xl()6pa压力下大容器饱和沸腾的计算式 为:(6-15)h = GA产G = 0.122 W/(m. N0-5. k)按q = 的关系,上式亦可转换成:(6-16)C2 =0.533W 7 (m0 3. N 2 k)以上两式中:h沸腾换热表面传热系数,W/ (m2. K); p沸腾绝对压力,Pa;AZ壁面过热度,;q热流密度,W/m2o基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下适 用性广的实验关联式:(6-17)-10.33rPr; W式中:c”饱和液体的比定压热容,J/(
9、kg.K);Gw 取决于加热表面一液体组合情况的经验常数;r汽化潜热,J/kg;g重力加速度,m/s2;Prz 饱和液体的普朗特数,P皿;4q沸腾热流密度,W/m2;M壁面过热度,;Q饱和液体的动力粘度,kg/ (m. s);prpv相应于饱和液体和饱和蒸气的密度,kg/m3;/液体一蒸汽界面的表面张力,N/m;S经验指数,对于水s = l,对于其他液体s = L7。 式(6-17)还可以改写成为以下便于计算的形式:注意两点:(1)式(6-17)实际上也是形如N = /(Re,Pr)或& = /(Re,Pr)的准则式。其中: L 7、是以单位面积上的蒸气质量流速幺为特征速度的Re;T为特征长度
10、,它正比于汽泡脱离加热面时的直径。不难证明,一则是夕数,其中M/数也以 下?一;为特征长度。(2)由于沸腾换热的复杂性,目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热 准则式与实验数据的偏差程度最大。以图6T5所示情形为例,当已知加计算夕 时,计算值与实验值的偏差可达100%;而由于A/,因而已知9计算加时, 则偏差可缩小到土 33%左右。对于制冷介质而言,以下的库珀公式目前得到较广泛的应用:(6-19)C = 9OW-37(m0-66. k)根= 0.12 0.121gR其中:M,为液体的相对分子质量;p,为对比压力(液体压力与该流体的临界压 力之比);(为表面平均粗糙度,jum (对一般工业用管材
11、表面,(为0.30.44加);乡为热流密度,W/m2o二.大容器沸腾的临界热流密度应用汽膜的不稳定性原理导得的大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式 可推荐作计算用,该式为:4max =53/2g/(q-A)r(6-20)24三.大容器膜态沸腾的关联式膜态沸腾中,汽膜的流动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和 换热,适宜用简化的边界层作分析。对于横管的膜态沸腾,仅需将凝结式中的X 和改为蒸气的物性,用R)代替区,并用实验系数0.62代替凝结式中 的0 729,即 =0.62 *(”2 %(6-21)此式除0及厂的值由饱和温度4决定外,其余物性均以平均温度鼠=&+a)/2为定性温度,特征长
12、度为管外径d (单位为m)。如果加热表面为球面,则式(621) 中的系数为0.67,其余同上。应该指出,由于汽膜热阻较大,而壁温在膜态沸腾时很高,壁面的净换热量 除了按沸腾计算的以外,还有辐射换热。辐射换热的作用会增加汽膜的厚度,因 此不能认为此时的总换热量是按对流换热与辐射换热方式各自计算所得之值的 简单叠加。勃洛姆来建议采用以下超越方程来计算考虑对流换热与辐射换热相互 影响在内的复合换热的表面传热系数:力4/3 =川/3 + 44/3(6-22)式中叫、儿分别为按对流换热及辐射换热计算所得的表面传热系数,其中叫按 式(6 21)计算,而儿则按下式确定:(6-23)回TY) hr 二TW-T
13、S 式中为沸腾换热表面的发射率。6-6影响沸腾换热的因素沸腾换热是我们所讨论过的换热现象中影响因素最多、最复杂的换热过程, 实验关联式与实验点之间的离散度、不同实验关联式之间的偏差也相当大。本节 中仅就影响大容器沸腾的主要因素展开讨沦,着重介绍如何从表面结构对沸腾换 热影响的角度来设计强化沸腾换热的表面。一、不凝结气体与膜状凝结不同,溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强 化。这是因为,随着工作液体温度的升高,不凝结气体会从液体中逸出,使壁面 附近的微小凹坑得以活化,成为汽泡的胚芽,从而使沸腾曲线向着加减小 的方向移动,即在相同加的下产生更高的热流密度,强化了换热。但对处于稳 定运行下
14、的沸腾换热设备来说,除非不断地向工作液体注入不凝结气体,否则它 们一经逸出,也就起不到强化作用了。二、过冷度(过冷沸腾)如果在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度, 则称这种沸腾为过冷沸腾。对于大容器沸腾,过冷沸腾只对核态沸腾的起始点的 区域有影响,而对其他区域无任何影响。原因:在起始段,自然对流占主要地位,而自然对流时/4/4,即所以过冷会使该区域的换热增强。三、液位高度在大容器沸腾中,当传热表面上的液位足够高时,沸腾换热的表面传热 系数与液位高度无关。但是,当液位降到一定程度时,其表面传热系数会明显地 随着液位的下降而升高。这一液位值称临界液位。四、重力加速度重力场对沸腾
15、换热的影响:(1)重力加速度对核态沸腾换热无影响;(2)重力加速 度对液体自然对流有影响。五.沸腾表面的结构由前可知,沸腾表面上的凹坑最容易产生汽化核心,因此增加表面凹坑 是强化沸腾换热的有效方法。现已开发出两类增加表面凹坑的方法:(1)用烧 结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学方法在换热表面上造成一层多孔结 构;(2)采用机械加工方法在换热管表面上造成多孔结构。这种强化表面的换 热强度与光滑管相比,常常要高一个数量级,已经在制冷、化工等部门得到广泛 应用。图6-4努塞尔理论分析的 坐标系与边界条件du du dpPi u-u=dxdxd2u+ gg +功歹(5-15a)其中角码T表示液相
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- 传热学教案 第六章 凝结与沸腾换热 传热学 教案 第六 凝结 沸腾
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