1、1第六章第六章 相變對流傳熱相變對流傳熱 6 6.1 .1 凝結傳熱的模式；凝結傳熱的模式； 6.2 6.2 膜狀凝結分析解及計算關聯(lián)式；膜狀凝結分析解及計算關聯(lián)式； 6.3 6.3 膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化；膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化； 6.4 6.4 沸騰傳熱的模式；沸騰傳熱的模式； 6.5 6.5 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式；大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式； 6.6 6.6 沸騰傳熱的影響因素及其強化；沸騰傳熱的影響因素及其強化； 6.7 6.7 熱管簡介；熱管簡介；2 主要內容主要內容：（1 1）相變（沸騰與凝結）換熱的特點及影響因素；）相變（沸騰與凝結）換熱的特點及影響因素；（

2、2 2）相變換熱的研究與計算方法；）相變換熱的研究與計算方法；（3 3）相變換熱的強化技術。）相變換熱的強化技術。 相變換熱屬于對流換熱，基本計算公式仍為牛頓冷相變換熱屬于對流換熱，基本計算公式仍為牛頓冷卻公式：卻公式：= A= A h h tt凝結換熱：凝結換熱：沸騰換熱：沸騰換熱：t=ts-twt=tw-ts36.1 6.1 凝結傳熱的模式凝結傳熱的模式膜狀凝結膜狀凝結：凝結液體能：凝結液體能很好地潤濕壁面，就會很好地潤濕壁面，就會在壁面上鋪展成膜。在壁面上鋪展成膜。珠狀凝結珠狀凝結：凝結液體不：凝結液體不能很好地潤濕壁面時，能很好地潤濕壁面時，凝結液體在壁面上形成凝結液體在壁面上形成一個

3、個的小液珠。一個個的小液珠。1. 1. 珠狀凝結與膜狀凝結珠狀凝結與膜狀凝結4膜狀凝結的熱阻比珠狀凝結大一個數(shù)量級以上。膜狀凝結的熱阻比珠狀凝結大一個數(shù)量級以上。56.2 6.2 膜狀凝結分析解及計算關聯(lián)式膜狀凝結分析解及計算關聯(lián)式1. 1. 層流膜狀凝結分析解層流膜狀凝結分析解 努塞爾（努塞爾（19161916）首先建立了層流膜狀凝結換熱的簡化熱物）首先建立了層流膜狀凝結換熱的簡化熱物理模型和數(shù)學模型，他作了以下幾點假設：理模型和數(shù)學模型，他作了以下幾點假設：（1 1）蒸氣為純飽和蒸氣，不含雜質或不可凝氣體；）蒸氣為純飽和蒸氣，不含雜質或不可凝氣體；（2 2）汽、液物性均為常數(shù)；）汽、液物性

4、均為常數(shù)；（3 3）蒸氣靜止，對液膜表面無粘性力作用；）蒸氣靜止，對液膜表面無粘性力作用；（4 4）液膜極薄，流速很低，忽略其慣性力；）液膜極薄，流速很低，忽略其慣性力；（5 5）相變發(fā)生在汽）相變發(fā)生在汽- -液界面上，界面處于飽和溫度；液界面上，界面處于飽和溫度；（6 6）液膜內僅有導熱作用，忽略對流傳熱方式；）液膜內僅有導熱作用，忽略對流傳熱方式；（7 7）液膜的過冷度可以忽略不計；）液膜的過冷度可以忽略不計；（8 8）膜表面沒有波動。）膜表面沒有波動。 根據(jù)上述假設，可使豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)層流膜狀凝結換熱問根據(jù)上述假設，可使豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)層流膜狀凝結換熱問題的數(shù)學模型大為簡化。題的數(shù)學

5、模型大為簡化。6 類似于外掠平板強迫對流層流換熱，對于豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)類似于外掠平板強迫對流層流換熱，對于豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)層流膜狀凝結換熱，選取坐標系如圖。層流膜狀凝結換熱，選取坐標系如圖。微分方程組：微分方程組：7vdpgdx液膜在液膜在x x方向的壓力梯度：方向的壓力梯度：微分方程組可簡化為：微分方程組可簡化為：邊界條件：邊界條件：8將動量方程與能量方程做兩次積分：將動量方程與能量方程做兩次積分： 下一步的下一步的關鍵關鍵需要求解需要求解液膜厚度隨液膜厚度隨x x的變化規(guī)律的變化規(guī)律9 對對dxdx的微元段做質量平衡，通過的微元段做質量平衡，通過L L截面處寬為截面處寬為1m1m的壁面凝結

6、液體的質的壁面凝結液體的質量流量為量流量為: :在在dxdx微元段上質量流量的增量為：微元段上質量流量的增量為：10從通過厚為從通過厚為的液膜的的液膜的導熱導熱與與dqdqm m的凝結液體釋放出來的的凝結液體釋放出來的潛熱相等潛熱相等。凝結液體釋放的凝結液體釋放的汽化潛熱汽化潛熱通過液膜的通過液膜的導熱導熱11積分積分局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：常數(shù)常數(shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)液膜層流時豎液膜層流時豎壁膜狀凝結的壁膜狀凝結的努塞爾理論解努塞爾理論解122. 2. 豎直管與水平管的比較及實驗驗證豎直管與水平管的比較及實驗驗證（1 1）水平圓管及球表面的凝結傳熱

7、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）水平圓管及球表面的凝結傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)水平管水平管球球d-d-水平管或者球的直徑。水平管或者球的直徑。定性溫度定性溫度：除汽化潛熱：除汽化潛熱r r按飽和溫度按飽和溫度t ts s取值以外，其它參數(shù)都取值以外，其它參數(shù)都按液膜的算術平均溫度按液膜的算術平均溫度 取值。取值。()/ 2mswttt13（2 2）水平管外凝結與豎直管外凝結的比較）水平管外凝結與豎直管外凝結的比較橫管橫管豎管豎管 當當l/dl/d=50=50，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎管的，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎管的2 2倍，故倍，故冷凝器通常都采用橫管的布置方案。冷凝器通常都采用橫管的布置方案。 橫管和豎管的平均

8、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式區(qū)別：橫管和豎管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式區(qū)別：a a 橫管橫管特征長度為特征長度為d d，豎管特征長度為，豎管特征長度為l l；系數(shù)不同。；系數(shù)不同。14（3 3）分析解的實驗驗證和假設條件的影響）分析解的實驗驗證和假設條件的影響因素：因素：液膜波動液膜波動153. 3. 湍流膜狀凝結湍流膜狀凝結為判斷凝結液膜的流態(tài)，引進為判斷凝結液膜的流態(tài)，引進膜層雷諾數(shù)膜層雷諾數(shù)Re。膜層雷諾數(shù)膜層雷諾數(shù)：根據(jù)液膜的特點取當量直徑為特征長度的：根據(jù)液膜的特點取當量直徑為特征長度的ReRe數(shù)。數(shù)。Reeldl- -壁底部壁底部x=lx=l處液膜層的平均流速。處液膜層的平均流速。ed- -該

9、截面處液膜層的當量直徑。該截面處液膜層的當量直徑。4/4ecdAPmllq16mlq-x=l-x=l處寬為處寬為1m1m的截面上凝結液的質量流量。的截面上凝結液的質量流量。()mlswq rh ttl整個豎壁整個豎壁的傳熱量的傳熱量 當當ReRe160016001600時，凝結液膜時，凝結液膜變?yōu)樽優(yōu)橥牧魍牧?，用下式計算整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。，用下式計算整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。17例例6-1：壓力為：壓力為1.013105Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結，壁的的水蒸氣在方形豎壁上凝結，壁的尺寸為尺寸為30cm30cm，壁溫保持，壁溫保持98.試計算每小時的傳熱量及凝試計算每小時的傳熱量及

10、凝結蒸氣量。結蒸氣量。解：根據(jù)壓力，查表知解：根據(jù)壓力，查表知ts =100 ，r=2257 kJ/kg。物性參數(shù)按。物性參數(shù)按液膜平均溫度液膜平均溫度tm=（100 +98 ）/2=99 ,查附錄得：查附錄得：采用層流液膜平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（采用層流液膜平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（7-7）來計算：）來計算：18根據(jù)式（根據(jù)式（7-10）驗證）驗證Re準則：準則：說明原假設液膜為說明原假設液膜為層流成立層流成立。1600傳熱量為：傳熱量為：凝結蒸氣量為：凝結蒸氣量為：196.3 6.3 膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化1. 1. 膜狀凝結的影響因素膜狀凝結的影響因素（1 1）蒸

11、氣中含有不凝結氣體；）蒸氣中含有不凝結氣體；（2 2）管子排數(shù)；）管子排數(shù)；（3 3）管內冷凝）管內冷凝（4 4）蒸氣流速；）蒸氣流速；（5 5）蒸氣過熱度；）蒸氣過熱度；（6 6）液膜過冷度及溫度分布的非線性。）液膜過冷度及溫度分布的非線性。20（1 1）不凝結氣體不凝結氣體 如果水蒸氣中質量含量占如果水蒸氣中質量含量占1%1%的空氣的空氣可使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低可使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%60%。 不凝結氣體層不凝結氣體層增加增加蒸氣傳遞過程的阻力，降低蒸氣分壓力，蒸氣傳遞過程的阻力，降低蒸氣分壓力，減弱凝結的動力，使得凝結過程減弱凝結的動力，使得凝結過程削弱削弱。（2 2）管子排數(shù)管子排數(shù) 排

12、管上的凝結液在下落時產生排管上的凝結液在下落時產生飛濺飛濺及對液膜產生及對液膜產生沖擊擾沖擊擾動動，對傳熱過程造成影響。飛濺和擾動的程度取決于管束的，對傳熱過程造成影響。飛濺和擾動的程度取決于管束的幾何布置、流體物性等，情況較為復雜。幾何布置、流體物性等，情況較為復雜。21（3 3）管內冷凝管內冷凝 當蒸氣流速低時，凝結液主要積聚在管子的底部，蒸氣位當蒸氣流速低時，凝結液主要積聚在管子的底部，蒸氣位于管子上半部。于管子上半部。 當蒸氣流速高時，形成環(huán)狀流動，凝結液均勻地展布于管當蒸氣流速高時，形成環(huán)狀流動，凝結液均勻地展布于管子四周，蒸氣位于中間。子四周，蒸氣位于中間。22（4 4）蒸氣流速蒸

13、氣流速 蒸氣流速蒸氣流速較高較高時，蒸氣流速對液膜表面會產生明顯的時，蒸氣流速對液膜表面會產生明顯的粘滯粘滯應力應力。其影響又隨蒸氣流向與重力場同向或異向、流速大小以。其影響又隨蒸氣流向與重力場同向或異向、流速大小以及是否撕破液膜等有關。及是否撕破液膜等有關。 當蒸氣流動方向與液膜向下的流動當蒸氣流動方向與液膜向下的流動同向同向時，液膜被時，液膜被拉薄拉薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大增大；反方向反方向時會阻滯液膜的流動使其時會阻滯液膜的流動使其增厚增厚，則，則表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小減小。（5 5）蒸氣過熱度蒸氣過熱度 把計算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液的焓差，也可用把計算式中的潛熱改

14、為過熱蒸氣與飽和液的焓差，也可用前述飽和蒸氣的實驗關聯(lián)式來計算過熱蒸氣的凝結傳熱系數(shù)。前述飽和蒸氣的實驗關聯(lián)式來計算過熱蒸氣的凝結傳熱系數(shù)。23（6 6）液膜過冷度及溫度分布的非線性液膜過冷度及溫度分布的非線性 努塞爾的理論分析忽略了液膜的過冷度，并假定液膜中的努塞爾的理論分析忽略了液膜的過冷度，并假定液膜中的溫度呈線性分布。在實際工程中，要在原來的基礎上加上一個溫度呈線性分布。在實際工程中，要在原來的基礎上加上一個修正系數(shù)。修正系數(shù)。0.68()(10.68)()pswpswrrcttrrJacttJar 雅各布（雅各布（Jakob）數(shù)，是衡量液膜過冷度相對大小的無量綱數(shù)。）數(shù)，是衡量液膜過

15、冷度相對大小的無量綱數(shù)。242. 2. 膜狀凝結的強化原則和技術膜狀凝結的強化原則和技術（1 1）盡量減薄液膜厚度是強化膜狀凝結的基本原則。盡量減薄液膜厚度是強化膜狀凝結的基本原則。a.a.減薄蒸氣凝結時直接粘滯在固體表面上的液膜。減薄蒸氣凝結時直接粘滯在固體表面上的液膜。b.b.及時地將傳熱表面上產生的凝結液體排走，不使及時地將傳熱表面上產生的凝結液體排走，不使其積存在傳熱表面上而進一步使液膜加厚。其積存在傳熱表面上而進一步使液膜加厚。25（2 2）強化技術簡介）強化技術簡介 減薄液膜厚度技術減薄液膜厚度技術整體式低肋片整體式低肋片鋸齒管鋸齒管26 及時排液的技術及時排液的技術276.4 6

16、.4 沸騰傳熱的模式沸騰傳熱的模式沸騰沸騰：液體溫度超過相應壓力下的飽和溫度時所發(fā)生的汽：液體溫度超過相應壓力下的飽和溫度時所發(fā)生的汽化現(xiàn)象，伴隨大量汽泡產生?；F(xiàn)象，伴隨大量汽泡產生。均相沸騰：因壓力突降發(fā)生的沸騰現(xiàn)象（閃蒸），不存在均相沸騰：因壓力突降發(fā)生的沸騰現(xiàn)象（閃蒸），不存在加熱面。加熱面。非均相沸騰：因表面加熱產生的沸騰現(xiàn)象。非均相沸騰：因表面加熱產生的沸騰現(xiàn)象。大容器沸騰（池沸騰）：由溫差和氣泡的擾動引起。大容器沸騰（池沸騰）：由溫差和氣泡的擾動引起。強迫流動沸騰（管內沸騰）強迫流動沸騰（管內沸騰）: :在外加的壓差下才能維持。在外加的壓差下才能維持。 主要討論主要討論大容器飽和

17、沸騰大容器飽和沸騰28大容器飽和沸騰的大容器飽和沸騰的特特點點：加熱表面上有汽：加熱表面上有汽泡生成，隨著汽泡長泡生成，隨著汽泡長大和脫離壁面，容器大和脫離壁面，容器內的液體受到劇烈擾內的液體受到劇烈擾動，換熱強度很高。動，換熱強度很高。1. 1. 大容器飽和沸騰曲線大容器飽和沸騰曲線q qw w-t = t-t = tw w-t-ts s 過熱度過熱度（1 1）自然對流自然對流（2 2）核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰A-CA-C（傳熱強）（傳熱強）（3 3）過渡沸騰過渡沸騰C-DC-D（4 4）膜態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰D DE E偏離核沸騰點，安全警界點偏離核沸騰點，安全警界點292. 2. 氣泡動力學分析簡介氣

18、泡動力學分析簡介汽化汽化核心核心：汽泡產生點汽泡產生點。易于成為汽化核心的位置：易于成為汽化核心的位置：壁面上的凹坑壁面上的凹坑、細縫細縫、裂穴裂穴等。等。30加熱表面上要產生氣泡液加熱表面上要產生氣泡液體必須過熱體必須過熱汽泡的力平衡：汽泡的力平衡：汽泡的生成條件：汽泡的生成條件：2vlsvspppRpp 當當t tl l t ts s時，液體是過熱的。過熱度越大，能夠生存的汽泡時，液體是過熱的。過熱度越大，能夠生存的汽泡半徑越小。加熱壁面處的過熱度最大，所以該處的汽泡最容易半徑越小。加熱壁面處的過熱度最大，所以該處的汽泡最容易生存。生存。316.5 6.5 大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式大容器

19、沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式1. 1. 大容器飽和核態(tài)沸騰的無量綱關聯(lián)式大容器飽和核態(tài)沸騰的無量綱關聯(lián)式羅森諾公式羅森諾公式：31/2()PrpllvlswllctgqrC r32l l為飽和液體的動力粘度（為飽和液體的動力粘度（PaPa s s）；）；r r 為沸騰液體的汽化潛熱（為沸騰液體的汽化潛熱（kJ/kgkJ/kg）；）； 為液體與飽和蒸氣界面上的表面張力（為液體與飽和蒸氣界面上的表面張力（N/mN/m）；）；l l、v v分別為飽和液與飽和蒸氣的密度（分別為飽和液與飽和蒸氣的密度（kg/mkg/m3 3）；）；c cplpl 為飽和液體的比定壓熱容（為飽和液體的比定壓熱容（J/kgJ/kg

20、 K K）；）；t t 為壁面的過熱度，即沸騰溫差（為壁面的過熱度，即沸騰溫差（）；）；s s 為經驗指數(shù)，對水為經驗指數(shù)，對水s s=1=1，對其它液體，對其它液體，s s=1.7=1.7；C Cwlwl 為根據(jù)加熱面與液體種類選取的經驗常數(shù)。為根據(jù)加熱面與液體種類選取的經驗常數(shù)。31/2()PrpllvlswllctgqrC r333431/2()PrpllvlswllctgqrC r352. 2. 大容器飽和沸騰臨界熱流密度計算式大容器飽和沸騰臨界熱流密度計算式 適用條件適用條件：大空間核態(tài)飽和沸騰，加熱表面的特征尺寸：大空間核態(tài)飽和沸騰，加熱表面的特征尺寸遠大于汽泡平均直徑。遠大于汽泡

21、平均直徑。 臨界熱流密度的數(shù)值與壓力密切相關，在比壓力（液體臨界熱流密度的數(shù)值與壓力密切相關，在比壓力（液體的壓力與其臨界壓力之比）大約等于的壓力與其臨界壓力之比）大約等于0.30.3處，臨界熱流密度具處，臨界熱流密度具有極大值。有極大值。363. 3. 大容器飽和液體膜態(tài)沸騰傳熱計算式大容器飽和液體膜態(tài)沸騰傳熱計算式 膜態(tài)沸騰中氣膜的流動和換熱類似于膜狀凝結中液膜的流膜態(tài)沸騰中氣膜的流動和換熱類似于膜狀凝結中液膜的流動與換熱，可用類似的分析方法分析，得到的解的函數(shù)形式也動與換熱，可用類似的分析方法分析，得到的解的函數(shù)形式也很相似：很相似： 定性溫度：定性溫度：l l和和r r采用飽和溫度采用

22、飽和溫度t ts s，其余物性參數(shù)用，其余物性參數(shù)用t tm m=(=(t tw w+ +t ts s)/2)/2。對于球面，系數(shù)。對于球面，系數(shù)0.620.62改為改為0.670.67。376.6 6.6 沸騰傳熱的影響因素及其強化沸騰傳熱的影響因素及其強化（1 1）液體的物性液體的物性( (從羅森諾公式可以看出）從羅森諾公式可以看出）31/2()PrpllvlswllctgqrC r（2 2）加熱表面狀況加熱表面狀況：決定汽化核心數(shù)目的多少。：決定汽化核心數(shù)目的多少。 (a) (a) 壁面材料的種類、熱物理性質以及壁面的厚度等。如壁面材料的種類、熱物理性質以及壁面的厚度等。如壁面與沸騰液體

23、間的潤濕性、加熱壁面的吸熱系數(shù)對沸騰換壁面與沸騰液體間的潤濕性、加熱壁面的吸熱系數(shù)對沸騰換熱都有影響；熱都有影響； (b) (b) 加熱壁面的粗糙度；加熱壁面的粗糙度； (c) (c) 加熱壁面的氧化、老化和污垢沉積情況等。加熱壁面的氧化、老化和污垢沉積情況等。1. 1. 影響沸騰傳熱的因素影響沸騰傳熱的因素38（3 3）液體的壓力液體的壓力 液體核態(tài)沸騰的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨系統(tǒng)壓力的增加而增加。液體核態(tài)沸騰的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨系統(tǒng)壓力的增加而增加。（4 4）不凝氣體的含量不凝氣體的含量、加熱表面的大小加熱表面的大小與與方向方向以及以及液體自由液體自由表面的高度表面的高度（即液位）、（即液位）、重力加速度重力加速度等因素的影響。等因素的影響。（5 5）管內沸騰管內沸騰豎管管豎管管內沸騰內沸騰示意圖示意圖392. 2. 強化沸騰傳熱的原則和技術強化沸騰傳熱的原則和技術強化沸騰換熱的措施強化沸騰換熱的措施31/2()PrpllvlswllctgqrC r（1 1）提高壁面過熱度）提高壁面過熱度tt; ;（2 2）采用強迫對流沸騰）采用強迫對流沸騰; ;（3 3）改變加熱壁面狀況等）改變加熱壁面狀況等; ;40416.7 6.7 熱管簡介熱管簡介42熱管的熱管的工作