文档介绍：第七章凝结与沸腾换热
Boiling and Condensation
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第七章凝结与沸腾换热
第五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
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,目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种。
相变换热的特点: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,工程上也只能助于经验公式和实验关联式。
蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。但它们都是伴随有相变的对流换热,例如:空调器中的冷凝器和蒸发器。
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第七章凝结与沸腾换热
§7-1 凝结换热
凝结换热的关键点
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
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
会分析竖壁和横管的换热过程,及Nusselt膜状凝结理论
凝结换热实例
锅炉中的水冷壁
寒冷冬天窗户上的冰花
许多其他的工业应用过程
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凝结换热中的重要参数
蒸汽的饱和温度与壁面温度之差(ts - tw)
汽化潜热 r
特征尺度
其他标准的热物理性质,如动力粘度、导热系
数、密度等
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1 凝结过程
膜状凝结
凝结液体能很好的润湿壁面,它就在壁面上铺展成膜,这种凝结方式称为膜状凝结。凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去,液膜层就成为换热的主要热阻
珠状凝结当凝结液体不能很好地润湿壁面时,凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠。称为珠状凝结。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,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,另一方面也扫除了沿途的液珠,使壁面重复液珠的形成和成长过程。
g
g
蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结方式。
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润湿情况见图(7-1),润湿角θ小时润湿能力强。
珠状凝结时,由于蒸气与壁面之间没有液膜的阻隔,热阻大为减少,换热系数是膜状凝结的5~10倍。
一般对纯净蒸气在洁净表面上易得到膜状凝结。器具表面上能形成一层液膜被认为是洁净的标志。
2 设计依据
珠状凝结不能持久的保持(现在有对紫铜管进行表面改性处理,可连续运行3800小时),在工业冷凝器中不能广泛使用。在工程中从设计的观点出发,为保持凝结效果,只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。
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7-2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析
1916年,Nusselt首先提出了纯净蒸气层流膜状凝结的分析解,他抓住了液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻。作出了若干合理的假设以忽略次要因素。除了纯净蒸气层流膜状凝结的假设外,还有:
假定:1)常物性;2)蒸气静止,气液界面上无对液膜的粘滞应力。 3)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;5)膜内温度分布是线性的,即认为液膜内的热量传递只有导热,而无对流作用。6)液膜的过冷度忽略; 7)ρv<<ρL,ρv 相对于ρL可忽略不计;8)液膜表面平整无波动
1 纯净蒸气层流膜状凝结分析解
下面将介绍从边界层微分方程组到努塞尔所用的简化方程组的导出过程,以保持对流换热理论的统一体系。凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。
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g
t(y)
u(y)
Thermal boundary layers
Velocity boundary layers
微元控制体
边界层微分方程组:
(5-14),(5-15),(5-16)
下脚标 l 表示液相
x
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考虑(3)液膜的惯性力忽略
考虑(5) 膜内温度线性分布,即热量转移只有导热
只有u 和 t 两个未知量,于是,上面得方程组化简为:
考虑(2)(7)忽略蒸汽密度
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边界条件:
求解上面方程(参考附录4)可得:
(1) 液膜厚度
定性温度:
注意:r 按 ts 确定
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