《传热学》第7章-相变对流传热.ppt
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1、2024-05-211第7章 相变对流传热7.1 凝结传热的模式凝结传热的模式7.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式7.3 膜状凝结的影响因素及其传热膜状凝结的影响因素及其传热 强化强化7.4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式7.5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式7.6 沸腾传热的影响因素及强化沸腾传热的影响因素及强化7.7 热管简介热管简介2024-05-212第7章 相变对流传热引入:引入:对流传热对流传热强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热凝结传热凝结传热沸腾传热沸腾传热无相变无相变有相变有相变传热原理本质上不同传热原理本质上不同内容:
2、内容:重点:重点:1.凝结传热的模式、分析解、影响因素及强化策略2.沸腾传热的模式、影响因素及强化策略3.相变传热在热管中的应用1.凝结与沸腾过程的基本特点2.凝结传热的分析解及其应用3.强化凝结与沸腾传热过程的基本思想和主要的实现技术。2024-05-213第7章 相变对流传热7.1 凝结传热的模式凝结传热的模式7.1.1 珠状凝结与膜状凝结珠状凝结与膜状凝结凝结传热凝结传热:蒸气与低于饱和温度的壁面接触时的凝结方式。膜状凝结膜状凝结:凝结液体能很好地润湿壁面,在壁面上铺展成液膜。凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上,液膜层 是传热的主要热阻珠状凝结珠状凝结:当凝结液体不能很好地润湿
3、壁面时,凝结液体就在壁面上 形成小液珠。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润湿能力润湿能力比较强比较强润湿能力润湿能力比较差比较差2024-05-214第7章 相变对流传热7.1.2 凝结液构成了蒸气与壁面间的主要热阻凝结液构成了蒸气与壁面间的主要热阻gg无论是膜状凝结还是珠状凝结,凝结液体凝结液体都是构成蒸气与壁面交换热量的热阻载体热阻载体。在减小凝结热阻方面,珠状凝结珠状凝结相比与膜状凝结具有很大的优越性优越性:1.液珠的直径很小直径很小,空出大量壁面与蒸气直接接触;2.液珠不断增大,会在重力作用下滚下滚下;3.在滚动过程中扫除了沿途的液珠扫除了沿途的液珠。4.膜状凝结会产
4、生连续的液膜连续的液膜,且厚度厚度随着重力不断增大不断增大膜状凝结的热阻通常比珠状凝结大一个数量级大一个数量级以上,膜状凝结的表面传热系数的数量级为“成千上万成千上万”,而珠状凝结的表面传热系数可以高达几十万!2024-05-215第7章 相变对流传热珠状和膜状凝结的异同:珠状和膜状凝结的异同:1.产生原因不同(液体与壁面浸润程度)2.换热强度不同 3.珠状凝结不持久,工程中主要采用膜状凝结作为设计依据。珠状凝结的关键问题是在常规金属表面上难以产生与维持!7.1.3 膜状凝结是工程设计的依据膜状凝结是工程设计的依据常用蒸气在洁净的条件下都能得到膜状凝结。实现起来较容易且计算简单,因此,采用膜状
5、凝结的计算式作为设计的依据。强化传热的主要途径是减薄液膜的厚度!2024-05-216第7章 相变对流传热7.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式7.2.1 努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解(温度、传热系数及动量分布温度、传热系数及动量分布)1.对实际问题的简化假设对实际问题的简化假设 努塞尔的分析是对纯净的饱和蒸气在均匀壁温的竖直表面上的层流膜状凝结给出的.作出以下8个假设:(1)常物性;(2)蒸气是静止的;(3)液膜的惯性力可以忽略;(4)气液界面上无温度差;(5)膜内温度分布是线性的;(6)液膜的过冷度可以忽略;(7)v明显小于l;(8)液
6、膜表面平整无波动。2.边界层方程组的简化边界层方程组的简化 凝结液膜的流动和传热符合边界层边界层的薄层性质薄层性质。以竖壁的膜状凝结为例,把坐标x取为重力方向。在稳态情况下,控制方程控制方程为:假设3舍去5-16左方假设2得dp/dx=vg假设7舍去vg假设5舍去5-17的左方有了两个未知量u、t,舍去公式(5-15)。2024-05-217第7章 相变对流传热边界条件:边界条件:以上简化采用了15,7六个假设,假设8也隐含在其中:上述分析只对液膜表面无波纹时才适用;假设6将在下面的分析中使用。3.主要求解过程与结果主要求解过程与结果将动量方程和能量方程做二次积分,可得未知的液膜厚度,首先要得
7、到随x的变化情况。对dx段进行质量平衡分析,通过l界面处宽度为1m的壁面凝结液体的质量流量为:2024-05-218第7章 相变对流传热对质量流量进行求导,得到dx微元段上的质量流量的增量为通过厚度为的液膜的导热=dqm的凝结液体释放出来的潜热凝结液体释放的汽化潜热通过液膜的导热包含假设包含假设(6)上面公式关于液膜厚度的常微分方程,积分可得:局部表面传热系数为整个竖壁上的温差ts-tw为常数,因此,整个竖壁的平均表面传热系数为:液膜层流时竖壁膜状凝结的努塞尔理论解,如果有倾角的话,直接改为gsin 即可。2024-05-219第7章 相变对流传热7.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证竖直
8、管与水平管的比较及实验验证1.水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数 努塞尔理论推广到水平圆管水平圆管及球表面球表面上的层流膜状凝结,平均表面传热系数分别为:除相变热按蒸气饱和温度ts确定外,其它物性均取膜层平均温度tw=(ts+tw)/2为定性温度2.水平管外凝结与竖直管外凝结的比较水平管外凝结与竖直管外凝结的比较两点不同横管的特征长度为d,而竖管的特征长度为l两者表面传热系数不同横管表面传热系数横管表面传热系数一般比竖管的值大一般比竖管的值大2024-05-2110第7章 相变对流传热3.分析解的实验验证和假设条件的影响分析解的实验验证和假设条件的影响
9、对于竖壁的水蒸气实验可以看出:1.当Re20时,实验3.值越来越高于理论值(表面波动表面波动)4.工程应用中要比理论值增加理论值增加20%。5.2.水平单管外纯净蒸气凝结的努6.塞尔分析解与多种流体(包括水及多种制冷剂)的实测值偏差一般在10%7.以内,最多达到以内,最多达到15%,因此,实验结果是否与公式(7-4)一致作为考核测8.试系统准确性的一种方式。9.3.对于Pr数数接近于1或大于1的流体,只要无量纲参数无量纲参数 ,10.惯性力项及液膜过冷度的影响可以忽略不计惯性力项及液膜过冷度的影响可以忽略不计。2024-05-2111第7章 相变对流传热7.2.3 湍流膜状凝结湍流膜状凝结膜层
10、中的凝结液流态层流湍流根据液膜的特点取当量直径当量直径为特征长度的Re数膜状Re数:离开液膜开始处x=l处的膜层Re数为:ul为壁底部x=l处液膜层的平均流速;de为该截面处液膜层的当量直径,如图7-5,当液膜宽为b,润湿周长P=b,截面积Ac=b,于是de=4Ac/P=4。代入公式(7-8)得qml是x=l处宽为1m的界面上凝结液的质量流量质量流量qml乘以乘以气化潜热潜热r等于高l、宽1m的整个竖壁的传热量传热量以上公式中的物性参数都是指液膜的,水平管采用d代替上始终的lr即可。临界雷诺数为临界雷诺数为Rec=16002024-05-2112第7章 相变对流传热对于Re1600的湍流液膜,
11、热量的传递除了靠近壁面的极薄的层流底部层流底部仍依靠导热导热方式外,层流底部以外以湍流传递湍流传递为主,传热比层流时大为增强.竖壁凝结传热壁面的平均表面传热系数平均表面传热系数可以表示为:hl,ht分别是层流和湍流层的平均表面传热系数平均表面传热系数,xc是流态转折点的高度流态转折点的高度,l为壁面的总高度整个壁面的平均表面传热系数平均表面传热系数可以通过以下实验关联式实验关联式计算:其中,称为伽利略数,除了Prw用壁温tw计算外,其余物理量的定性温度均为ts,且物性参数均是指凝结液的。2024-05-2113第7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的影响因素及其传热
12、强化 以上计算全部基于理想状况理想状况得到的,实际应用中影响因素众多,需要将其引入并进行修正。7.3.1 膜状凝结的影响因素膜状凝结的影响因素1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力,同时使饱和温度下降,减小了凝结的驱动力t,也使凝结过程削弱。(1%的不凝结气体降低60%的表面传热系数)2.管子排数管子排数 前面推导得出的公式仅适用于单根横管,对于多层横管组成的管束而言,落下来的凝结液会产生飞溅并对液膜产生冲击扰动,影响程度主要取决于管束几何位置及流体物性。2024-05-2114第7章 相变对流传热3.管内凝结管内凝结 管内凝结传热情况与蒸气流速有很大关系:当蒸气流速较低时,
13、凝结液主要聚集在管子底部,蒸气在管子上半部;当蒸气流速比较高时,形成环状流动,中间蒸气四周凝结液,随着流动进行,凝结液占据整个截面。4.蒸气流速蒸气流速 努塞尔理论分析忽略了流速的影响,只适于流速较低的场合。当蒸气流速高时(水蒸气10m/s),蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。其影响程度与蒸汽流向与重力场方向及流速大小是否撕破液膜有关。若流动方向与液膜重力场一致,使液膜拉薄,h增加;方向相反效果相反.2024-05-2115第7章 相变对流传热5.蒸气过热度蒸气过热度 前面仅针对饱和蒸气的凝结而言,对于过热蒸气,只需把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差即可。6.液膜过冷度及温度分布的非
14、线性液膜过冷度及温度分布的非线性 努塞尔理论分析忽略了液膜过冷度的影响,并假设液膜中的温度呈线性分布,利用r代替公式中的潜热r即可兼顾以上两个因素。上式也可以表示为:其中,Ja是雅各布数,定义为 ,是衡量液膜过冷度相对大小的一个无量纲数。以上各影响因素应综合考虑!以上各影响因素应综合考虑!2024-05-2116第7章 相变对流传热7.3.2 膜状凝结的强化原则与技术膜状凝结的强化原则与技术1.膜状凝结的强化基本原则膜状凝结的强化基本原则蒸气膜状凝结时,热阻取决于通过液膜层的导热。减薄液膜层的厚度是强化膜状凝结的基本手段,主要从以下两方面着手:第一:减薄蒸气凝结时直接粘滞在固体表面上的液膜;第
15、二:及时将传热表面上产生的凝结液体排走。2.强化技术简介强化技术简介减薄液膜厚度的技术:最简单的方法:对于竖壁或竖管,尽量降低传热面高度或将竖管改为横管。最主要的方法:利用表面张力减薄液膜厚度的方法。如右图所示,液膜的表面张力可以使尖峰处的液膜厚度大大减薄。2024-05-2117第7章 相变对流传热家用空调的冷凝器中已成功应用了二维和三维的微肋管。低肋管凝结传热的表面传热系数比光管提高2-4倍,锯齿管可以提高一个数量级,微肋管可以提高2-3倍。及时排液的技术:及时排液的技术:两种加快及时排液的方法:第一:在凝液下流的过程中分段排泄分段排泄,有效地控制了液膜的厚度,管表面的沟槽又可以起到减薄液
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