有相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

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1、 ndNu PrRe023.0 8.0 當 流 體 被 加 熱 時 ， n=0.4； 流 體 被 冷 卻 時 ， n=0.3。410Re 120Pr7.0 50/ dL 物 性 參 數(shù) 的 定 性 溫 度 為 流 體 進 出 口 的 平均 溫 度 ， 特 性 尺 寸 取 管 內(nèi) 徑 。 主要內(nèi)容v一 蒸汽冷凝傳熱過程v 1. 冷凝傳熱過程簡介方式、分類v 2. 純蒸汽膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)v 機理、垂直管、水平管、影響因素v二 沸騰傳熱過程v 1. 沸騰傳熱過程簡介v 2. 沸騰傳熱機理v 機理、條件、沸騰曲線、影響因素v 3. 影響沸騰傳熱主要因素v 4. 沸騰傳熱過程強化 有 相 變 的

2、 對 流 傳 熱 兩 種 情 況 ： 蒸 汽 冷 凝 放 熱液 體 沸 騰 吸 熱共 同 特 點 ： 放 出 或 吸 收 大 量 的 潛 熱 ； 溫 度 恒 定 。一 .蒸汽冷凝傳熱過程 主 要 特 點 ： 冷 凝 傳 熱 過 程 的 熱 阻 幾 乎 全 部 集 中 在 冷 凝 液 膜 內(nèi) 。 1. 冷 凝 傳 熱 過 程 簡 介 兩 者 接 觸 蒸 汽 冷 凝 放 熱 壁 面 上 凝 結(jié) 為 液 體 。加 熱 介 質(zhì) 飽 和 蒸 汽 T S 壁 面 溫 度 TW 膜 相 差 幾 倍 到 幾 十 倍 ，但 滴 狀 冷 凝 難 于 持 久 。工業(yè)冷凝器的設(shè)計均按膜狀冷凝考慮。 水 平 圓 管 外

3、 膜 狀 冷 凝 （ 2） 冷 凝 情 況 的 分 類 純 蒸 汽 、 混 合 蒸 汽 、 含 不 凝 氣 的 蒸 汽 純 蒸 汽 (單 一 組 分 )冷 凝 ： 蒸 汽 冷 凝 時 Tg定 常 ， 且 ； 是 工業(yè) 上 廣 泛 應(yīng) 用 的 一 種 加 熱 方 法 。 混 合 蒸 汽 (兩 種 以 上 可 凝 組 分 )冷 凝 ： g冷 凝 時 Tg非 定 常 ， 隨組 分 的 冷 凝 而 變 化 ， 純 蒸 汽 。 含 不 凝 性 氣 體 的 蒸 汽 冷 凝 ： 不 凝 氣 含 量 冷 凝 冷 卻 過 程 純 蒸 汽 。 冷 凝 傳 熱 熱 阻 幾 乎 全 部 集 中 在 冷 凝 液 膜 內(nèi)

4、 T也 只 在 液 膜 內(nèi) 存 在 。 2. 純 蒸 汽 膜 狀 冷 凝 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù)（ 1） 冷 凝 過 程 機 理 純 蒸 汽 冷 凝 Tg定 常 ， 蒸 汽 在 冷 凝 同 時 從 氣相 主 體 流 至 壁 面 ； 汽 相 中 無 熱 阻 (汽 相 主 體 與 壁 面 間 壓 差 極 小 ) 汽 相 T=0。 膜 狀 冷 凝 （ 2） 垂 直 壁 面 (豎 板 或 豎 管 )上 的 冷 凝壁 上 部 層 流 ；壁 下 部 湍 流 。 液 膜 不 同 不 同 冷 凝 液 因 重 力 作 用 或 新 冷 凝液 補 充 沿 壁 向 下 形 成 液 膜 流 ；使 液 流 量 ，

5、 液 膜 厚 Q層流 湍流 L(液 膜 流 動 ) (給 熱 系 數(shù) ) 簡 化 假 設(shè) ： 豎 壁 面 TW定 常 . 壁 面 上 液 體 溫 度 =TW； 汽 、 液 界 面 處 溫 度 為 TS； 冷 凝 過 程 中 ， 冷 凝 液 物 性 、 、 定 常 .；特 點 ： 層 流 熱 量 主 要 以 熱 傳 導(dǎo) 方 式 穿 過 液 膜 。 簡 化 解 析 方 法 關(guān) 聯(lián) 式 實 驗 修 正 。 蒸 汽 處 于 靜 止 狀 態(tài) 蒸 汽 對 液 膜 沒 有 摩 擦 力 ； 液 膜 流 動 呈 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 液 膜 作 等 速 向 下 流 動 (液 體 加 速 度 被 忽 略 )； 蒸 汽

6、的 密 度 遠 小 于 液 體 密 度 v 即 液 膜 運 動 主 要 取 決 于 重 力 與 粘 性 力 浮 力 的 影 響 則 可 忽 略 ； 通 過 冷 凝 液 膜 的 傳 熱 是 垂 直 于 壁 面 方 向 的 純 導(dǎo) 熱 ， 溫 度 分 布 呈 線 性 變 化 。 a. 液 膜 呈 層 流 (Re2000)時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù) 目 前 ， 還 完 全 依 靠 實 驗 測 得 ， 其 關(guān) 系 式 為 ：4.0* Re0077.0 湍 流 時 ， Re,則 。實 驗 對 理 論 推 導(dǎo) 公 式 的 修 正 ： 因 實 驗 不 可 能 完 全 實 現(xiàn) 理 論 推 導(dǎo) 時 所 作

7、的 簡 化 假 定 ， 如 蒸汽 速 度 0 需 用 實 驗 結(jié) 果 對 理 論 公 式 進 行 修 正 。 修 正 后 當 冷 凝液 膜 呈 層 流 流 動 時 ， 有 ： 4/13213.1 TLg 平 均 3/1* Re88.1 層 流 時 ， Re,則 。 （ 3） 水 平 管 外 的 冷 凝 因 管 徑 通 常 較 小 蒸 汽 在 水 平 管 外 冷 凝 時 ， 液 膜 一 般 呈 層流 狀 態(tài) 。 a. 單 根 水 平 管 外 層 流 膜 狀 冷 凝 3/1* Re51.1 4/1064.0 dL垂 直水 平 d0： 管 外 徑4/10 32725.0 Tdg 平 均 4/1032

8、 32725.0 Tdn g 平 均 b. 水 平 管 束 外 對 流 傳 熱 系 數(shù) 管 束 間 影 響 復(fù) 雜 特 點 ： 第 一 排 管 其 冷 凝 情 況 與 水 平 放 置 的 單 根 圓 管 相 同 ； 其 它 各 排 其 冷 凝 情 況 要 受 到 它 上 面 各 排 管 子 流 下的 冷 凝 液 影 響 。 目 前 ， 對 管 束 間 的 影 響 還 未 總 結(jié) 出 普 遍 適 用 的 規(guī) 律 。n： 垂 直 方 向 的 根 數(shù) 。 水 平 管 束 的 排 列 通 常 有 直 排 和 錯 排 兩 種 ：123 42 123第 一 排 管 子 ： 冷 凝 情 況 與 單 根 水

9、平 管 相 同 。其 他 各 排 管 子 ： 冷 凝 情 況 必 受 到 其 上 排 管 流 下 冷 凝 液 的 影 響 ， 表 面 傳 熱 系 數(shù) 依 次 下 降 。 水 平 管 束 的 排 列 及 其 對 冷 凝 液 膜 厚 度 的 影 響 對 純 蒸 汽 冷 凝 熱 阻 集 中 在 液 膜 內(nèi) 流 體 物 性 和 冷 凝冷 凝 物 性 、 T；ug、 流 向 、 過 熱 ；不 凝 氣 ；傳 熱 面 的 形 狀 與 布 置 。 設(shè) 法 獲 得 滴 狀 冷 凝 ；高 速 蒸 汽 噴 射 壁 ；吹 成 霧 狀 冷 凝 液 等 。（ 4） 影 響 冷 凝 傳 熱 的 主 要 因 素 及 冷 凝

10、傳 熱 過 程 的 強 化 a. 流 體 物 性 與 液 膜 兩 側(cè) 傳 熱 溫 差 的 影 響 ： 冷 凝 液 ， 單 位 體 積 受 力 ， 流 動 快 膜 厚 ， 冷 凝 ； ： 冷 凝 液 膜 厚 ， 冷 凝 ； ： 冷 凝 ； ： 傳 熱 量 Q一 定 ， ， 冷 凝 液 量 ms ， 冷 凝 ； T： 冷 凝 液 膜 兩 側(cè) T ， 傳 熱 推 動 力 ， Q， m s ， 冷 凝 。 b. 蒸 汽 流 速 與 流 向 的 影 響 （ 小 于 10m/s可 忽 略 影 響 ） 蒸 汽 u， 蒸 汽 與 液 膜 間 摩 擦 力 作 用 不 能 忽 略 ， 且 u的 影 響隨 蒸 汽

11、壓 強 加 劇 。 向 下 流 ， 蒸 汽 與 液 膜 流 動 方 向 相 同 冷 凝 ； 向 上 流 ， u不 大 時 ， 阻 礙 液 膜 流 動 ， ， 冷 凝 ； u， 液 膜 被 吹 離 壁 面 ， 冷 凝 。 c. 不 凝 氣 的 影 響 不 凝 氣 在 液 膜 與 蒸 汽 之 間 形 成 一 層 氣 膜 (冷 卻 過 程 )附 加熱 阻 ， 冷 凝 。 通 常 在 靜 止 的 蒸 汽 中 ， 當 不 凝 氣 含 量 僅 為 1%時 冷 凝 傳 熱系 數(shù) 降 低 60%左 右 。 在 冷 凝 器 的 設(shè) 計 中 ， 蒸 汽 冷 凝 側(cè) 設(shè) 排 氣 孔 定 期 排 放 不 凝 氣 。

12、蒸 汽 凝 液不 凝 氣 d. 蒸 汽 過 熱 (TVTS)的 影 響 過 熱 蒸 汽 冷 卻 (TV-TS)；飽 和 蒸 汽 的 冷 凝 TS； ws svvTTT TTc 但 液 膜 內(nèi) 傳 熱 溫 差 仍 為 TS-TW； 通 常 過 熱 蒸 汽 冷 凝 按 飽 和 蒸 汽 冷 凝 處 理 計 算 誤 差在 實 際 工 程 計 算 中 忽 略 。過 熱 蒸 汽 的 冷 凝 強化冷凝傳熱過程冷 凝 的主要途徑液膜厚度。 水 平 管 傾 斜 排 列 冷 凝 液 盡 可 能 沿 各 排 管 切 向 流 過 ；減 少 垂 直 方 向 上 管 排 數(shù) ； 垂 直 管 縱 向 凹 槽 凝 液 借 重

13、 力 順 槽 下 降 ；沿 縱 向 裝 金 屬 絲 or直 翅 片 ； e. 傳 熱 面 的 形 狀 與 布 置 強 化 冷 凝 傳 熱 二 .沸騰傳熱過程蒸 發(fā) 器 、 再 沸 器 、 蒸 汽 鍋 爐特 點 ：1. 沸 騰 傳 熱 過 程 簡 介 傳 熱 、 相 變 同 時 相 伴 發(fā) 生 ； 加 熱 面 不 斷 經(jīng) 歷 汽 泡 形 成 、 長 大 、 脫 離 壁 面 附 近 流體 擾 動 ， 。工 業(yè) 上 液 體 沸 騰 的 兩 種 情 況 據(jù) 液 體 在 加 熱 表 面 沸 騰 時 所 處 的 空 間 劃 分 兩 類 ， 即大 容 積 沸 騰 和 管 內(nèi) 沸 騰 。 大 容 積 (池 內(nèi)

14、 )沸 騰 ： 加 熱 面 浸 于 大 容 器 液 體 (u=0)中 液 體 被 壁 面 加 熱 。 液 體 內(nèi) T自 然 對 流 ； 液 體 受 到 氣 泡 (長 大 、 脫 離 加 熱 表 面 、 能 自 由 浮 升 )擾 動 ； 無 強 制 對 流 的 沸 騰 現(xiàn) 象 。管 內(nèi) 沸 騰 ： 強 制 對 流 沸 騰 u ， 流 體 以 一 定 流 速 在 加 熱 管 內(nèi) 流 動 的 沸 騰 傳 熱 。 流 體 u 對 沸 騰 傳 熱 影 響 大 ； 加 熱 面 上 汽 泡 不 能 自 由 浮 升 ， 與 流 體 一 起 流 動 汽 、 液 兩 相 流 。 本 節(jié) 只 討 論 大 容 器 內(nèi)

15、 飽 和 沸 騰。 RRpp lv 22 svlvlv TTppRpp ,2T=Tl -TS 沸 騰 傳 熱 過 程 的 推 動力由 力 平 衡 ， 得 ：2. 沸 騰 傳 熱 機 理 ：汽 泡 生 成 、 脫 離 對 壁 面 薄 層 液 體 擾 動 ， R 無 相（ 1） 汽 泡 產(chǎn) 生 (液 體 沸 騰 )的 必 要 條 件 過 熱 度 、 汽 化 核 心 、 汽 泡 生 成 頻 率 大 汽 泡 存 在 條 件 ： 力 平 衡 和 熱 平 衡 由 熱 平 衡 ： lv TT sl TT 液體沸騰必要條件：液體要過熱T=Tl-TS0 加 熱 表 面 過 熱 度 最 大 集 中 于 近 壁 處

16、 薄 層 液 體 內(nèi) 加 熱面 是 產(chǎn) 生 汽 泡 場 所 ； 離 開 加 熱 表 面 其 余 部 分 過 熱 度T 。 b. 沸 騰 強 度 加 熱 表 面 并 非 任 何 地 點 都 具 有 產(chǎn) 生 汽 泡 的 條 件 汽 化 核心 (R=0, p=)。 汽 泡 如 何 從 汽 化 核 心 形 成 不 同 學(xué) 派 有 不 同 看 法 。 c. 汽 化 核 心 上 加 熱 表 面 過 熱 生 成 汽 泡 汽 泡 長 大 向 上 浮 升 (浮 升 力 附著 力 脫 離 直 徑 d b) 遠 處 液 體 向 加 熱 面 流 動 補 充 過 熱 (周 期 性 ) 0.1 1.0 10 102 10

17、3 A B C D E F自 然 對 流 核 狀 沸 騰 膜 狀 沸 騰 穩(wěn)定區(qū)不 穩(wěn)定 膜狀沸 騰 溫 度 差 和 表 面 傳 熱 系 數(shù) 關(guān) 系 t = (tw-ts)/實 驗 條 件 : 大 容 積 、 飽 和 沸 騰 。 2) 大 容 積 飽 和 沸 騰 曲 線 曲 線 獲 得 ： t 實 驗 ， 并 以 作 圖 ， 即 過 熱 度 ）（ sw ttt 沸 騰 曲 線 t=tW-tS不 同 液 體 沸 騰 狀 態(tài) 不 同 。 (AB)： t5 液 體 內(nèi) 產(chǎn) 生 自 然 對 流 無 汽 泡 從 液 體 逸 出 液 面 氣 化 僅 在 液 體 表 面 發(fā) 生 t， 略 升 。 (BC)：

18、 ttC 汽 泡 脫 離 加 熱 面 前 連 串 成 汽 膜 加 熱 面 與 液 體 隔 開 v， ； 但 當 t ， 穩(wěn) 定 氣 膜 且 壁 溫 T W ， 輻 射 ， 。 tC臨 界 溫 差 ， 由 核 膜 臨 界 點水 : tC 25一 般 維 持 在 略 低 tC于 下 操 作 。 A B 臨 界 點表 面 汽 化 （ 1） 物 性 ， ； ， 。（ 2） 溫 差t=tW - tS控 制 沸 騰 傳 熱 過 程 的 重 要 參 數(shù) 核 狀 沸 騰 的 經(jīng) 驗 關(guān) 聯(lián) 式 ： =c tm t ， （ 3） 操 作 壓 強 p p液 體 飽 和 溫 度 tS液 體 ， 有 利 于 汽 泡生

19、 成 、 脫 離 ， 。 3. 影 響 沸 騰 傳 熱 主 要 因 素 （ 4） 加 熱 壁 面 粗 糙 、 新 管 、 清 潔 表 面 ； 光 滑 管 。 注 意 ： 表 面 粗 糙 度 存 在 一 定 的 極 限 超 過 該 極 限 反 而對 傳 熱 不 利 ， 如 大 的 凹 進 部 分 易 被 液 體 注 滿 失 去 充 當汽 化 核 心 的 能 力 。（ 5） 加 熱 面 的 布 置 如 ： 水 平 管 束 下 排 管 表 面 上 產(chǎn) 生 的 汽 泡 向 上 浮 升 ，引 起 對 上 排 管 的 附 加 擾 動 水 平 管 束 單 管 。 擾 動 程 度 ： 液 體 沸 騰 壓 強

20、、 熱 負 荷 、 液 體 性 質(zhì) 、 管 排 間距 等 。 4. 沸 騰 傳 熱 過 程 強 化 加 熱 面 、 沸 騰 液 體 汽 泡 長 大 、 生 成 、脫 離 近 年 來 的 研 究 成 果 ： 加 熱 面 ： 機 械 加 工 或 腐 蝕 方 法 加 熱 表 面 粗 糙 化 ， 如 銅 表 面提 高 80%； 多 孔 金 屬 表 面 細 小 金 屬 顆 粒 釬 焊 或 燒 結(jié) 于 金 屬 壁 面 沸 騰 液 體 ： 加 少 量 添 加 劑 (如 乙 醇 、 丙 酮 、 甲 基 乙 基 酮 等 ) , ； 加 強 對 沸 騰 液 體 的 擾 動 ， 如 超 聲 波 或 采 用 噴 淋

21、液 體 的 方 法 。 v一方面考慮保溫材料厚度的增加帶來的好處v一方面考慮外表面積與環(huán)境接觸帶來的對流熱損失v二者的權(quán)衡即存在臨界直徑的問題了 本 節(jié) 小 結(jié) 1. 有 相 變 (蒸 汽 冷 凝 、 液 體 沸 騰 )傳 熱 過 程 其 共 同 特 點 ： 傳 熱 、 相 變 相 伴 發(fā) 生 有 相 變 無 相 變 ； 2. 膜 狀 冷 凝 傳 熱 熱 阻 幾 乎 全 部 集 中 在 冷 凝 液 膜 內(nèi) T也 只在 液 膜 內(nèi) 存 在 ； 3 .雖 然 滴 膜 ， 但 因 滴 狀 冷 凝 難 以 保 持 工 業(yè) 冷 凝 器 的 設(shè) 計均 按 膜 狀 冷 凝 考 慮 ； 4. 純 蒸 汽 冷

22、凝 時 ， 液 膜 呈 層 流 流 動 的 平 均 對 流 傳 熱 系 數(shù) 可 在簡 化 的 假 設(shè) 前 提 下 由 解 析 方 法 推 得 ； Mbmud se 4/4Re M： 冷 凝 負 荷 5 .冷 凝 液 膜 內(nèi) 流 型 的 判 斷 ： 6. 影 響 冷 凝 傳 熱 的 主 要 因 素 ： 物 性 、 T； ug、 流 向 、 過 熱 ；不 凝 氣 ； 傳 熱 面 ；7. 強 化 冷 凝 傳 熱 過 程 冷 凝 的 主 要 途 徑 液 膜 厚 度 。8. 決 定 沸 騰 傳 熱 強 弱 的 關(guān) 鍵 汽 泡 的 生 成 、 長 大 、 脫 離 、浮 升 ； 即 汽 化 核 心 的 多

23、少 與 汽 泡 產(chǎn) 生 頻 率 的 高 低 ；9. 汽 泡 產(chǎn) 生 必 須 具 備 兩 個 條 件 ： 液 體 過 熱 、 汽 化 核 心 ；10. 沸 騰 曲 線 自 然 對 流 區(qū) 、 核 狀 沸 騰 、 膜 狀 沸 騰 ； 臨 界 溫 差 、 臨 界 熱 通 量 (熱 流 密 度 )在 工 程 設(shè) 計 上 有 重 大 意 義 。 v 1、在蒸氣冷凝傳熱中，不凝氣體的存在對的影響是 。v A)不凝氣體的存在會使大大降低。 B)不凝氣體的存在會使升高。 C)不凝氣體的存在對無影響。v 2、判斷下面各組傳熱系數(shù)的數(shù)值大小 v 空氣， 水 B) 水蒸氣冷凝， 水 v C) 湍流， 層流 D) 滴狀冷凝， 膜狀冷凝v沸騰傳熱時，當壁面溫度和液體溫度差增加時，沸騰傳熱系數(shù)v A) 總是增加 B)泡核沸騰區(qū)迅速增加，其他區(qū)域都下降 C)全沸騰區(qū)都增加 D)逐漸增加到臨界點后，迅速下降然后趨于平穩(wěn)。