第六章凝结与沸腾换热 Boiling and Condensation 第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 1 第六章 凝结与沸腾换热 Boiling and Condensation
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 第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 2 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
§6-1凝结换热 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 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 第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 3 §6-1 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
凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差(t-t) 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、比热容等 第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 4 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、比热容等
1凝结过程 膜状凝结 沿整个壁面形成一层薄膜,并且在重力 的作用下流动,凝结放出的汽化潜热必 须通过液膜,因此,液膜厚度直接影响 g 了热量传递 珠状凝结 当凝结液体不能很好的浸润壁面时,则在壁面 上形成许多小液珠,此时壁面的部分表面与蒸 汽直接接触,因此,换热速率远大于膜状凝结 (可能大几倍,甚至一个数量级) g 第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 5 1 凝结过程 膜状凝结 沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力 的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必 须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响 了热量传递。 珠状凝结 当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面 上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸 汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结 （可能大几倍，甚至一个数量级） g w s t t g w s t t
虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结,但可惜的是,珠状凝 结很难保持,因此,大多数工程中遇到的凝结换热大多属 于膜状凝结,因此,教材中只简单介绍了膜状凝结 2纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析 1916年, Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状 凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来,各种修正或 发展都是针对 Nusselt分析的限制性假设而进行了,并形成 了各种实用的计算方法。所以,我们首先得了解 Russel对 纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。 假定:1)常物性;2)蒸气静止;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 内温度线性分布,即热量转移只有导热;6)液膜的过冷度 忽略;7)忽略蒸汽密度;8)液膜表面平整无波动 第六章凝结与沸腾换热 6
第六章 凝结与沸腾换热 6 虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝 结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属 于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结 2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析 1916年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状 凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或 发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成 了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解Nusselt对 纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。 假定：1）常物性；2）蒸气静止；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 内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度 忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动
δ(x) m(x 微元控制体 Vapor 边界层微分方程组 X 0 Thermal boundary Ox Oy u p,(un+v P18+m x Ⅴ elocity boundary ayers 02t l+1 id. J: 下脚标l表示液相 对应于p141页(5-14),(5-15),(5-16) 第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 7 g m (x) t(y) u(y) Thermal boundary layers Velocity boundary layers w s t t 微元控制体 边界层微分方程组： = + = − + + + = + 2 2 2 2 ( ) 0 y t a y t v x t u y u g dx dp y u v x u u y v x u l l l l 下脚标 l 表示液相 对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16) x
考虑(3)液膜的惯性力忽略a+0=0 → P1(+v=)=0 P/(2+v=) 18+7 考虑(7)忽 dp 0 略蒸汽密度 考虑(5)膜内温度线性分布,即热量转移只有导热→ at L-+1 at =0 u 只有u和t两个未知量,于 是,上面得方程组化简为: a-t 第六章凝结与沸腾换热 8
第六章 凝结与沸腾换热 8 考虑（3）液膜的惯性力忽略 = + = − + + + = + 2 2 2 2 ( ) 0 y t a y t v x t u y u g dx dp y u v x u u y v x u l l l l ( ) = 0 + y u v x u l u 考虑（5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热 考虑（7）忽 略蒸汽密度 = 0 dx dp = 0 + y t v x t u = = + 0 0 2 2 2 2 y t a y u g l l l 只有u 和 t 两个未知量，于 是，上面得方程组化简为：
边界条件:y=0时,u=0,t=t1 y=时,dn 求解上面方程可得: 1/4 (1)液膜厚度 4712(1-tm)x gp r t +t 定性温度:tm 2 注意:r按t。确定 第六章凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 9 边界条件： s w t t y u y y u t t = = = = = = 0, d d 0 0, 时， 时， 1/ 4 l l s w 2 l 4 (t t )x g r − = 求解上面方程可得： (1) 液膜厚度 定性温度： 2 s w m t t t + = 注意：r 按 ts 确定
S2371 (2)局部对流换热系数ML4(4-1)x (a=t-t1=C) 整个竖壁的平均表面传热系数 1之ax=0.943822371y 71 t 定性温度: 2 注意:r按t确定 (3)修正:实验表明,由于液膜表面波动,凝结换热得到强 化,因此,实验值比上述得理论值高20%左右 修正后: h=1.13822元74 71-tm) 第六章凝结与沸腾换热 10
第六章 凝结与沸腾换热 10 (2) 局部对流换热系数 1/ 4 2 3 l l x l s w gr h 4 (t t )x = − s w ( t t t C ) = − = 整个竖壁的平均表面传热系数 1/ 4 2 3 l l l V x 0 l s w 1 gr h h dx 0.943 l l(t t ) = = − (3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右 1/ 4 2 3 l l V l s w gr h 1.13 l(t t ) = − 修正后： 定性温度： 2 s w m t t t + = 注意：r 按 ts 确定