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第七章 凝结与沸腾换热 第七章 相变对流传热 Boiling and Condensation §7－3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。 1.1 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 研究表明水蒸气质量含量占1％的空气能使表面传热系数降低60％ 1.4 液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替 计算公式中的 ， 1.5 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。对于管束，其特征长度取为nd，但过于保守。 具体关联式本书没有介绍，可参澄考文献： 张卓澄.大型电站凝汽器[M]. 机械工业出版社，1993，北京. 1.6 管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。 流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。 A B C D E （1）自然对流 （2）核态沸腾A~C （3）过渡沸腾C~D （4）膜态沸腾D～ 核态沸腾区（泡状沸腾） 随着 的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽泡，该产生气泡的特定点称为汽化核心。 ①开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区 ②随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，气泡扰动剧烈，传热系数核热流密度增加，称为汽柱汽块区。 核态沸腾 其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。 过渡沸腾区 从峰值点进一步提高 ，热流密度 q 减小；当 增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定过程,温差增大，传热热流密度却迅速降低。 原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，使蒸汽排除过程恶化，汽膜加厚，传热阻力加大。 A B C D E 过渡沸腾 膜态沸腾区 从 开始，随着 的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升时，热流密度 q 上升，此阶段称为稳定膜态沸腾。 A B C D E 膜态沸腾 特点：温差大，传热相对较弱，热流密度随温差的升高而升高 3. 临界热流密度及其工程意义 核态沸腾终点的热流密度峰值qmax 有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。 A B C D E 热流密度可控（烧毁加热设备） 加热壁温可控（避免落在过渡核膜态区） 两种加热方式 DNB点：在临界热流密度的附近，有一个比qmax略小的点，表现为热流密度上升缓慢的核态沸腾的转折点。作为监视接近qmax的警戒。 DNB: departure from nucleate boiling (1) 汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。 ? ? ? 我们这本书仅介绍大容器的饱和沸腾 4 汽泡动力学简介 (2) 汽泡的存在条件 汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程) 式中：? — 表面张力，N/m；r — 汽化潜热，J/kg ?v — 蒸汽密度，kg/m3；tw — 壁面温度，?C ts — 对应压力下的饱和温度， ?C 可见， (tw – ts ) ? , Rmin? ? 同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加 ? 汽化核心数增加 ? 换热增强 §7-5 大容器沸腾传热的实验关联式 沸腾传热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即 但对于沸腾传热的h却又许多不同的计算公式 1 大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾传热的情况比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，（旧）教材推荐使用米