第7章 相变对流换热,Phase Transformation Convection Heat Transfer,换热特点以小温差获得大的传热速率；存在潜热和浮力驱动双重作用。,第7章 相变对流换热,换热影响因素,7.1 （表面）凝结,蒸气与低于其饱和温度的冷（固体）表面接触时，将汽化潜热释放给表面并形成凝结液的过程。,7.1 （表面）凝结,根据表面浸润状况,膜状凝结,珠状凝结*,根据膜层发展,外部凝结,内部凝结*,7.2 膜状凝结换热分析,速度边界层由温度边界层引起，=t。,未采用Nusselt假定示意图,换热公式,边界层特点,控制方程,l液相,v气相,忽略蒸气流动，边界层外,7.2.1 竖壁膜状凝结换热准数关联式形式,无量纲化,动量方程,引申思考：膜状凝结与何种现象动量方程相似？可以引申出什么结论？,无量纲化控制方程组,膜状凝结换热特征关联式函数形式,参考速度,准则形式,准则意义,Ga数,【1】重力与粘性力的相对大小的一种量度；,【2】膜状凝结流动状态的判据；,Ja数,【1】表征液膜显热降与汽化潜热相对大小。,存在争议,本书沿用膜层Re数作为判据,常物性参数；静止纯饱和蒸汽；忽略液膜的惯性力；界面液膜温度等于饱和温度Tsat；液膜内热量转移只有导热；忽略液膜的过冷度；忽略蒸汽密度；层流，液膜表面平整无波动,Nusselt假定,7.2.2 基于Nusselt假定竖壁层流膜状凝结数学表述（等壁温）,假设 忽略惯性力 ；假设 只考虑导热；假设，蒸气静止假设 忽略蒸气密度；,控制方程,边界条件,假设交界面切应力忽略不计,假设液膜界面温度=tsat,结果与分析,流速u（y）,温度t（y）,未知,x处单位宽度质量流量qm,x,液膜厚度,假设,忽略蒸气过热度和液膜过冷度,假设只考虑导热，且温度呈线性分布,局部表面传热系数,竖壁平均表面传热系数,竖壁,总凝结速率,方法一,方法二,7.2.3 膜状凝结分析扩展,倾斜壁表面层流膜状凝结,动量方程,水平圆管表面层流膜状凝结,竖直圆管表面层流膜状凝结,引申思考【1】:采用与竖壁相同的公式，需满足何种条件？,引申思考【2】：试定性分析工程应用中冷凝管常采用横管布置的原因。,故冷凝管通常采用横管布置。,水平管与竖直管外层流膜状凝结的比较,球表面层流膜状凝结*,竖壁表面凝结传热理论公式的修正,考虑液膜表面波动,定性温度 膜温tfilm=(tw+ts)/2，(按tsat确定，r 除外),7.2.4 湍流膜状凝结换热,膜层Re数,能量守恒,待定准则,流态判据,引申思考：横管膜状凝结膜层Re数如何计算，其一般处于什么流动状态？,换热计算,实验关联式,定性温度：Prw 采用tw ，其余采用tsat时凝结液的物性参数,【例1】 压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,分析：,由于Re为待定准则，故可先假设液膜为层流。,（2）凝结蒸汽量,（1）换热量,【例1】 压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,解：【1】确定定性温度与物性参数 根据 ts=100，查得r=2257kJ/kg； 其余物性参数按膜温tfilm=(100+98)/2=99 查取，得： =958.4kg/m3,=2.825 10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K),【例1】 压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,【2】确定表面传热系数,竖壁层流膜状凝结,【3】核算Re准则,液膜为层流假定成立。,【例1】 压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,【例1】 压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,【4】换热量,【5】凝汽量,【例2】 一根长1m，外径80mm的垂直管，其外表面暴露在常压的饱和蒸汽中，管内有冷水通过，表面维持在50。试求：【1】对冷却液的传热速率；【2】蒸汽在表面上的凝结速率。,分析关键：【1】竖管凝结换热如何处理？【2】采用同例【1】相同的换热公式暗含了什么假设？,7.3 膜状凝结传热强化,换热影响因素剖析,凝结换热驱动力,【1】液膜导热热阻是膜状凝结的主要热阻,强化膜状凝结基本原则,尽量减薄液膜厚度,强化措施,减薄或破坏凝结液膜；加速液膜排泄；尽可能减少不凝结气体质量分数。尽可能实现珠状凝结。,图例参见P313-314,定义 twtsat, 工质内部固液界面上形成大量汽泡的汽化过程。,7.4 沸腾换热,分类 按流动动力 大容器沸腾（池沸腾） 受迫对流沸腾* 按流体主体温度 过冷沸腾 饱和沸腾,换热驱动力 过热度,换热公式,7.4.1 大容器沸腾,饱和池沸腾,t,饱和池沸腾温度分布,工业应用设计范围,沸腾曲线（控制壁温）,自然对流,核态沸腾,过渡沸腾,膜态沸腾,Leidenfrost点,ONB,沸腾曲线(控制热流),自然对流,核态沸腾,过渡沸腾,膜态沸腾,临界热流密度,加热曲线,冷却曲线,烧损点,引申思考：试从热流可控和壁温可控角度阐释qmax的工程意义。,7.4.2 大容器核态沸腾换热关系式,决定因素,pl psat,pv,R2(pv-pl),2R,汽泡受力,psat,tsat,pl,tl,pv,tv,汽泡热力平衡,汽泡生成、长大与脱离,【1】汽泡得以存在与长大，汽泡外液体必须过热。【2】壁面凹穴是形成汽化核心最佳位置。,汽泡存在条件,Rohsenow 换热公式,无量纲关联形式,系数，与表面流体组合有关。,定性温度：tsat。,7.4.3 沸腾换热强化,强化沸腾换热基本原则,强化表面，尽量增加汽化核心,强化措施,【1】通过物化方法在表面形成多孔涂层；【2】采用机械加工方法造成多孔结构。,图例参见330-331,作业P339,复习题 5,6,8,10；习题：7-4*，7-11，7-18，7-37,