1、2022-12-211第五章第五章 管道中强制对流沸腾换热强制传热技术管道中强制对流沸腾换热强制传热技术5.1 概述概述管式蒸发器管式蒸发器蒸馏器蒸馏器核反应堆核反应堆2022-12-212 1.特点特点（1）沸腾换热和对流换热一起发生，换热机理复杂；沸腾换热和对流换热一起发生，换热机理复杂；（2）气泡脱离直径减小，气泡的脱离频率增高，气泡气泡脱离直径减小，气泡的脱离频率增高，气泡 表面变形；表面变形；（3）沸腾流体沿着受热管道流动时，液体吸热不断蒸沸腾流体沿着受热管道流动时，液体吸热不断蒸 发，汽液混合物中的含汽率、流速和流动结构都发，汽液混合物中的含汽率、流速和流动结构都 沿流程不断发生变
2、化，将影响气泡的生成、成长沿流程不断发生变化，将影响气泡的生成、成长 和脱离；和脱离；（4）局部换热系数沿管道长度不断变化。局部换热系数沿管道长度不断变化。2022-12-2132.垂直圆管垂直圆管A区：单相液体强制对流换热区：单相液体强制对流换热 液体温度低于饱和温度，管壁温度液体温度低于饱和温度，管壁温度也低于汽化所需温度。也低于汽化所需温度。B区：过冷沸腾区：过冷沸腾 液体主流温度仍低于饱和温度，管壁温度高于饱和温度，足液体主流温度仍低于饱和温度，管壁温度高于饱和温度，足以产生气泡。但气泡脱离壁面后进入过冷液体时即凝结消失。以产生气泡。但气泡脱离壁面后进入过冷液体时即凝结消失。气泡的产生
3、和消失对液体起到扰动作用，是换热系数增高。气泡的产生和消失对液体起到扰动作用，是换热系数增高。2022-12-214C区和区和D区：气泡状沸腾换热区：气泡状沸腾换热 管中液体平均温度等于相应压力下管中液体平均温度等于相应压力下的饱和温度，而管壁温度具有足够的过的饱和温度，而管壁温度具有足够的过热度。此时生成的气泡沿管长增多，流热度。此时生成的气泡沿管长增多，流动结构由细胞状流动、气弹状流动发展动结构由细胞状流动、气弹状流动发展到环状流动的初期阶段。在此区域中换到环状流动的初期阶段。在此区域中换热主要靠气泡自壁面吸收蒸发热和一部热主要靠气泡自壁面吸收蒸发热和一部分过热液体被气泡带入主流的方式进行
4、。分过热液体被气泡带入主流的方式进行。E区：流动液膜蒸发换热区：流动液膜蒸发换热 随着蒸汽量进一步增加，蒸汽在管子中心形成一个气柱，随着蒸汽量进一步增加，蒸汽在管子中心形成一个气柱，而大部分水以环状液膜形式沿管壁流动。此时管壁热量通过水而大部分水以环状液膜形式沿管壁流动。此时管壁热量通过水膜的导热传到汽水分界面上。管壁上无气泡产生，汽化在液膜膜的导热传到汽水分界面上。管壁上无气泡产生，汽化在液膜和蒸汽分界面上进行。和蒸汽分界面上进行。2022-12-215F区：蒸干现象区：蒸干现象 由于液膜不断蒸发被管子核心部分由于液膜不断蒸发被管子核心部分气流卷走的结果，沿管长上液膜越来越气流卷走的结果，沿
5、管长上液膜越来越薄，最后管壁上液膜完全消失。薄，最后管壁上液膜完全消失。G区：湿蒸汽强制对流换热区：湿蒸汽强制对流换热 在管壁刚蒸干时，由于管壁与蒸汽直接接触，换热系数迅速在管壁刚蒸干时，由于管壁与蒸汽直接接触，换热系数迅速下降，管壁温度急剧增高。此时蒸汽中尚含液滴，流体温度仍下降，管壁温度急剧增高。此时蒸汽中尚含液滴，流体温度仍处于饱和温度，换热系数的数值主要由蒸汽流速确定。随着工处于饱和温度，换热系数的数值主要由蒸汽流速确定。随着工质继续受热，蒸汽量沿管长进一步增大，蒸汽流速也将增加。质继续受热，蒸汽量沿管长进一步增大，蒸汽流速也将增加。因而换热系数沿管长略增，且管壁温也稍有下降。在此区中
6、流因而换热系数沿管长略增，且管壁温也稍有下降。在此区中流体呈雾状流动。体呈雾状流动。2022-12-216H区：无相变过热蒸汽强制对流换热区：无相变过热蒸汽强制对流换热 湿蒸汽中的液滴已全部蒸发完毕，蒸汽被加热成过热蒸汽。湿蒸汽中的液滴已全部蒸发完毕，蒸汽被加热成过热蒸汽。随着工质继续受热，沿管长上汽温及壁温均逐渐增大，而换热随着工质继续受热，沿管长上汽温及壁温均逐渐增大，而换热系数也因汽速增大而略增。系数也因汽速增大而略增。2022-12-2173.水平圆管水平圆管 液体进口温度略低于饱和温度，所以进口处为单相液体。液体进口温度略低于饱和温度，所以进口处为单相液体。由于工质受蒸发，沿着流动方
7、向随着蒸汽量逐渐增大。由于工质受蒸发，沿着流动方向随着蒸汽量逐渐增大。汽液两相流流动结构逐渐由细胞状流动结构、气塞状流动汽液两相流流动结构逐渐由细胞状流动结构、气塞状流动结构、气弹状流动结构、波状流动结构发展为环状流动结构。结构、气弹状流动结构、波状流动结构发展为环状流动结构。如果继续受热，壁上液膜将出现蒸干现象，而后汽液两相如果继续受热，壁上液膜将出现蒸干现象，而后汽液两相流动发展成为雾状流动，最后成为单相过热蒸汽流动。流动发展成为雾状流动，最后成为单相过热蒸汽流动。各种流动结构由于重力的影响都呈现出偏心现象，管子下各种流动结构由于重力的影响都呈现出偏心现象，管子下部液体较多，上部气体较多。
8、部液体较多，上部气体较多。2022-12-218 当流动结构为波状时，管子上部会周期性地发生时而和蒸当流动结构为波状时，管子上部会周期性地发生时而和蒸汽接触时而和水膜接触的现象。由于蒸汽换热性能比液体差得汽接触时而和水膜接触的现象。由于蒸汽换热性能比液体差得多，管壁在蒸气接触期间会引起管壁温度突然升高。多，管壁在蒸气接触期间会引起管壁温度突然升高。在环状流动结构中，当管子中流速不高时，管子上部将和在环状流动结构中，当管子中流速不高时，管子上部将和蒸汽直接接触，这种工况对管子金属同样不利。蒸汽直接接触，这种工况对管子金属同样不利。在进口流速较高时，水平管中汽液两相流动结构的不对称在进口流速较高时
9、，水平管中汽液两相流动结构的不对称性可以得到改善。流速越高，流动结构就越对称，越接近于垂性可以得到改善。流速越高，流动结构就越对称，越接近于垂直管中的流型。直管中的流型。2022-12-2194.管道内沸腾换热计算管道内沸腾换热计算4.1 单相流体强制对流换热计算单相流体强制对流换热计算按照液体强制对流换热计算按照液体强制对流换热计算4.2 过冷沸腾换热计算过冷沸腾换热计算2.625.025psweqtt Jens875.065.22psweqtt Thom水水 其他流体应用池沸腾换热公式计算其他流体应用池沸腾换热公式计算2022-12-21104.3 气泡状沸腾和流动液膜蒸发换热计算气泡状沸
10、腾和流动液膜蒸发换热计算NBCTPhhh FdcdxqhLLpLLLmC 4.08.01023.0系数，为系数，为Martinelli参数参数Xtt的函数的函数1.05.09.01 VLLVttxxX 2022-12-2111 SppttrchswswVLLpLLNB75.024.024.024.029.05.049.045.029.000122.0 系数，按两相雷诺数系数，按两相雷诺数25.1ReReFLTP 两相雷诺数两相雷诺数2022-12-21125.2 强化传热方法强化传热方法1.应用换热面表面粗糙法应用换热面表面粗糙法 粗糙的换热表面由于增多了汽化核心数目，比光滑壁面能粗糙的换热表
11、面由于增多了汽化核心数目，比光滑壁面能促进沸腾换热过程。此法对于强化池沸腾换热效果较好，但用促进沸腾换热过程。此法对于强化池沸腾换热效果较好，但用于强化管内强制对流沸腾换热效果较差，在一定流速下其强化于强化管内强制对流沸腾换热效果较差，在一定流速下其强化换热作用消失。换热作用消失。2022-12-21132.表面特殊处理法表面特殊处理法机械加工机械加工烧结法烧结法管子内壁形成一层多孔金属覆盖层管子内壁形成一层多孔金属覆盖层2022-12-21143.流体旋转法流体旋转法3.1 管内插入纽带法管内插入纽带法2022-12-21153.2 管内插入螺旋片或螺旋线管内插入螺旋片或螺旋线 强化传热方法效果取决于线圈和管子之间的几何尺寸的配强化传热方法效果取决于线圈和管子之间的几何尺寸的配合，此外还与工质性质有关合，此外还与工质性质有关2022-12-21163.3 应用内螺纹管、来复线管和螺纹槽管应用内螺纹管、来复线管和螺纹槽管2022-12-21173.4 应用螺旋管应用螺旋管2022-12-21184.扩展表面法扩展表面法4.1 内直肋管和内螺旋高肋管内直肋管和内螺旋高肋管2022-12-21194.2 内螺旋微肋管内螺旋微肋管2022-12-2120
