7.相变对流传热

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1、第7章相变对流换热PhaseTransformationConvectionHeatTransfer相变换热：凝结换热和沸腾换热相变换热的特点：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；目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。7.1凝结换热7.1.1概述定义蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面的过程。产生条件：壁面温度tw<蒸汽的饱和温度ts分类(凝结液与壁面浸润情况)膜状凝结(filmwisecondensation):珠状凝结(dropwisecondensation)实例发电厂凝汽器、制冷装置

2、中的冷凝器深秋玻璃上的水膜凝结换热研究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特征尺度其他热物理性质，如、λ、cp等。7.1.2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

3、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(hd=(5~10)hf)gg凝结形态的决定性因素是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力；而润湿能力又取决于表面张力；表面张力小的润湿能力强。实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。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，工程实践应用中只能实现膜状凝结。为保证凝结效果，应以膜状凝结计算作为设计的依据。7.2膜状凝结分析解及计算关联式7.2.1纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热（竖壁）的分析简化假设

4、常物性；蒸气静止，气液界面无对液膜的粘滞应力；液膜的惯性力忽略；气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；膜内温度线性分布，热量转移只有导热；液膜的过冷度、蒸汽的过热度忽略；忽略蒸汽密度（ρv<<ρl）；液膜表面平整无波动gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体凝结液膜的流动和传热符合边界层薄层性质。取重力方向为x方向，稳态情况下，边界层描述为边界层方程组的简化下脚标l表示液相考虑假设③忽略惯性力；液膜在x方向的压力梯度可按界面y=δ处压力梯度计算。考虑假设②考虑假

5、设⑦忽略蒸气密度；考虑假设⑤之考虑导热XX只有u和t两个未知量，故控制方程简化为：边界条件：求解与结果流速u温度x处的质量流量qm则，x+dx处质量流量的增量液膜厚度引入假设⑥不考虑液膜过冷所释放的显热，根据能量守恒定律，微元体液膜的导热凝结液体的潜热引入假设⑥温度线性分布，热量转移仅考虑导热局部表面传热系数整个竖壁平均表面传热系数表竖壁7.2.2膜状凝结分析扩展倾斜壁平均表面传热系数水平圆管表面凝结传热表面传热系数水平管外凝结与竖直管外凝结的比较Nusselt采用图解积分得特征尺度为l特征尺度为d∴冷凝管通常采用横管布置。竖壁表面凝结传

6、热表面传热系数理论公式的修正球表面凝结传热表面传热系数实验表明，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。故工程中采用无波动层流有波动层流湍流几点说明定性温度除r用ts外其余皆为(tw+ts)/2公式适用范围层流Re<1600Re横管：用d代替l横管一般都处于层流状态Why？Re取决于h，为待定准则7.2.3相关准则竖壁表面凝结传热表面传热系数修正公式GalileoNumberJacobNumber对于Pr数接近于1或大于1的流体，当Ja>>1时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。对于Re>1600的

7、湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：除Prw的定性温度用tw外，其余均用ts，物性均指凝结液的7.2.4湍流膜状凝结换热【例】压力为1.013×105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98℃。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。解：先假设液膜为层流。根据ts=100℃，查得r=2257kJ/kg；其他物性按液膜平均温度tm=(100+98)/2=99℃查

8、取，得：ρ=958.4kg/m3,η=2.825×10-4kg/(m.s),λ=0.68W/(m.K)核算Re准则：说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：【例】压力为1.01