1、第七章 相变对流传热第13讲 相变对流传热教学过程：自学、提问教学目的及要求 了解相变传热模式、影响传热因素、强化方法；了解实验关联式。教学内容：膜状凝结相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法；大容器沸腾传热相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法。第七章 相变对流传热提纲：一、凝结传热1.现象与特点基本概念，产生条件是壁面温度h膜状，但不能持久。2.竖壁膜状凝结分析解Nusselt分析解基于9条假设，视液膜内只有纯导热。因此要获得局部表面传热系数，只需获得该处液膜厚度。竖管与横管，h横h竖。3.膜状凝结的工程计算流态判别(Re迭代法)；关联式；注意特征长度和定性温度4.影响因素掌握
2、膜状凝结诸影响因素，尤其是不凝性气体和蒸气流速的影响机理。第七章 相变对流传热5.凝结换热的强化 当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则是破坏或减薄液膜层，强化技术是减薄液膜厚度、加速液膜的排泄。二、沸腾换热1.特点 基本概念：蒸发与沸腾，大容器沸腾与管内沸腾，饱和沸腾，过热度。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。2.大容器饱和沸腾曲线 曲线形式，随着t，四个不同区域的换热规律和特点。核态沸腾是工业中理想的工作区域，其温差小，换热强。3.沸腾换热的两种加热方式 控制壁温(改变壁温tw与液体饱和温度ts之差t=tw-ts，q的大小受沸腾侧影响很大。)控制热流(改变壁面处的热流
3、密度q，q取决于外部施加的条件，而与h无关)第七章 相变对流传热4.临界热流密度qmax 的意义 对热流可控：使q qmax，保证设备安全运行不致烧毁 对壁温可控：使t 膜状凝结，但是一般无法长久保持。2.55105 5000250007-1 凝结传热的模式第七章 相变对流传热7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解：液体膜层的热阻为主要因素。基本假设：1.二维、稳态、常物性、层流；2.蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力；3.忽略惯性力，液膜的运动仅取决于重力和粘滞力；4.壁温twconst，汽液界面无温差 tts5.液膜内部无对流而只有导热，温
4、度分布为线性；6.忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热；7.蒸汽密度液体密度；8.液膜表面平整无波动。第七章 相变对流传热努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll稳态边界层微分方程002222ytyugllswttyuyttuy ,0dd 0,0时，时，简化后的常微分方程yttttyyguwswll)()21(2简化后的速度和温度分布7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结抛物线线性第七章 相变对流传热努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解微元体热平衡)()(0udyrdrdMdxxttdlwsxytttty
5、yguwswll)()21(21/4llsw2l4(tt)xgr 导热公式+牛顿冷却公式dxtthdxxttdwsxwsx)()()(xhx1/423llxlswgrh4(tt)x 简化后的速度和温度分布7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结第七章 相变对流传热努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解1/423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll(tt)竖壁倾斜竖壁4/132)(sin943.0wslllVttlrgh水平圆管壁1/423llHlswgrh0.729d(tt)1/423llSlswgrh0.826d(tt)球壁2wsmttt特征长度分别为 l 和 d；r
6、由ts 确定。其它物性由平均温度确定：为何冷凝器一般多采用水平横管布置？7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结第七章 相变对流传热膜状凝结实验关联式：竖壁（层流）理论分析解在一定的假设条件下获得实验结果修正实验关联式竖壁（湍流）N uhl/;32Gagl/伽利略数Rec1600lwsrtthl)(4Re竖壁雷诺数竖壁临界雷诺数16007-2 膜状凝结分析解及实验关联式第七章 相变对流传热膜状凝结实验关联式：理论分析解在一定的假设条件下获得实验结果修正实验关联式水平圆管壁1/423llHlswgrh0.729d(tt)与分析解一致lwsrttdh)(2Re水平圆管壁雷诺数横管一般处于层
7、流范围上述实验关联式仅适用低流速情况：水蒸气10m/s,氟利昂0.5m/s7-2 膜状凝结分析解及实验关联式第七章 相变对流传热膜状凝结换热的工程计算步骤：1.膜状凝结换热的形式（竖壁、侧壁、水平单圆管、多圆管、球壁）；2.判别流态（层流、湍流）；3.利用对应形式的实验关联式计算平均表面传热系数；4.利用牛顿冷却公式计算换热量，并计算凝结速率（单位时间内凝结的液膜质量）。)(wstthArqm注意事项：1.由于Re中包含未知量 h，先假定流态进行计算，之后再校核流态；2.一定压力下的饱和水蒸气 r 和ts 由附录10确定，其它物性由平均温度tm查附录9确定。7-2 膜状凝结分析解及实验关联式第
8、七章 相变对流传热7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结换热的影响因素：1.不凝结气体：2.蒸汽流速：3.过热蒸汽：4.液膜的过冷度及温度分布的非线性5.管子排数6.管内凝结7.凝结表面的几何形状 第七章 相变对流传热膜状凝结换热的强化措施：减薄液膜的厚度 基于表面张力减薄液膜厚度（低肋管、锯齿管、微肋管）增加顺液膜流动方向的蒸汽流速 水平放置单管或管束加速液膜的排出 分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等减少不凝结气体 抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速凝结表面实现珠状凝结 7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化第七章 相变对流传热7-4 沸腾传热的模式沸腾：工质内部形成大量气泡并由液
9、态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。沸腾换热：液体内部固液界面形成气泡而使热量由固壁传给液体的过程。沸腾换热产生的必要条件：swtt 沸腾液体是否整体流动管内强制对流沸腾大容器沸腾沸腾液体主体温度是否达到饱和温度饱和沸腾过冷沸腾YNYN第七章 相变对流传热7-4 沸腾传热的模式 大容器饱和沸腾曲线0 t 4:单相自然对流区，无汽泡。4 t 25:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25 t 200:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200ts）是必要条件；3.沸腾换热时气泡在汽化核心处产生，成长并逸出；
10、之后流体补充，重新形成气泡，周而复始；气泡的形成、成长和脱离对加热表面的流体产生剧烈的扰动，因此换热的强度远大于无相变对流换热；4.汽化核心数目的增加有利于强化沸腾换热。第七章 相变对流传热大容器饱和核态沸腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数通用液体的大容器饱和核态沸腾：罗森诺Rohsenow公式1tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPrslwlCStPrRe33.01符号意义参见教材（7-17）式，Cwl查表7-1确定。水：s1，其它液体：s1.77-5 大容器沸腾传热的实验关联式slvllwlplgrqCrtcPr)(33.0第七章 相变对流传热大容器饱和核态沸
11、腾：主要影响因素是壁面的过热度和汽化核心数制冷介质的大容器饱和核态沸腾：库铂Cooper公式2式中：q 热流密度，W/m2；Mr 制冷介质分子量；pr 介质压力与临界压力比；Rp 表面平均粗糙度，um。7-5 大容器沸腾传热的实验关联式第七章 相变对流传热大容器饱和核态沸腾临界热流密度4121max)(149.0vlvgrq7-5 大容器沸腾传热的实验关联式式中：物性参数根据饱和温度查取。第七章 相变对流传热大容器膜态沸腾：注意事项：横管 a0.62，球壁 a0.67 汽化潜热r 和饱和液体密度l 由饱和温度ts确定，其它物性参数由平均温度确定 Tt+273343434rchhhswswrTT
12、TTh)(44413)()(swvvvlvcttdgrah对流换热辐射换热200 t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。7-5 大容器沸腾传热的实验关联式第七章 相变对流传热7-6 沸腾传热的影响因素及其强化不凝结气体（与膜状凝结传热不同）溶解于液体中的不凝结气体在汽化核心处逸出强化沸腾换热过冷度 在核态沸腾起始段自然对流区域，过冷度强化沸腾换热液位高度 低于临界液位，表面传热系数随液位降低而增加，从而强化沸腾换热重力加速度 仅在微重力环境下，重力加速度才会影响核态沸腾换热管内强制对流沸腾（图7-20）蒸汽-流体的掺混两相
13、流。第七章 相变对流传热7-6 沸腾传热的影响因素及其强化原则 通过传热表面的处理增加加热面汽化核心数目。大容器饱和沸腾 传热表面多孔结构管内强制对流沸腾 内螺纹管、微肋管 沸腾传热的强化措施：第七章 相变对流传热7-7 热管 1963年美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明 利用工作流体（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸发与冷凝来传递热量。真空的金属管+工作流体+内壁吸液芯结构 1.热量由热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-气分界面；2.液体在蒸发段内的液-气分界面上蒸发；3.蒸气的温度和压力高于热管的其它部分，压差作用促使蒸汽流向热管内冷凝端；4.蒸汽在冷凝段内的
14、气-液分界面上凝结：5.热量从气-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；6.在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。第七章 相变对流传热7-7 热管 1963年美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明 利用工作流体（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸发与冷凝来传递热量。真空的金属管+工作流体+内壁吸液芯结构 热管相对于一种基于相变传热的等温导热体，较多用于卫星表面的等温化和内部电子设备的温度控制。用于地面芯片散热还需要在冷凝段加翅片和风扇。第七章 相变对流传热常用下标的含义一般均对应表达对象英文首字母 下标含义l液体 liquidv蒸汽 vaporw固壁 walls饱
15、和 saturationc临界 criticalc对流 convectionr辐射 radiationp压力 pressureV竖向 verticalH水平 horizontalS球 sphere第七章 相变对流传热本章重点：凝结换热1.凝结换热的产生条件及两种凝结换热的形式；2.竖壁膜状凝结的分析解（最主要的两点假设），为何多水平横置；3.膜状凝结的实验关联式（凝结换热量+凝结速率），注意Re需校核；4.膜状凝结的影响因素和强化措施（减薄液膜厚度、加速凝结液膜的排出）。沸腾换热1.沸腾换热的产生条件、分类，以及与蒸发的区别；2.沸腾换热的特点；3.大容器饱和沸腾曲线（四区，核态沸腾区为理想工作区域）；4.临界热流密度的意义（沸腾曲线中虚线的含义）；5.实验关联式的应用；6.沸腾换热的影响因素及其强化措施（增加壁面汽化核心的数目）。第七章 相变对流传热作业7-37-77-117-237-327-367-37（需先假设一个壁面温度，最终应确保管内外对流换热量相等）
