第10章-相变换热.ppt

* * * 第 10 章 相 变 换 热 10.1 沸腾换热 10.2 凝结换热 10.3 相变传热的强化机理与措施 * 沸腾和凝结换热占有极其重要的地位。 常规火力发电或核电，沸腾和凝结换热器都属于关键设备。 在化工、制冷、空调和热泵机组中沸腾和凝结也是最主要的工艺过程。 在一些高新技术中，相变换热已成为特殊场合的首选冷却手段，如针对超小型电子元器件的微通道冷却及微型热管等。 沸腾与凝结属于高传热速率换热方式。如水在沸腾和凝结时表面传热系数可达104 ~ 105 W/(m2?K)以上，相应的热流密度接近106 W/m2。但有机介质和制冷剂相变时的传热远比水低得多。 * 大空间沸腾 或称 池沸腾 10.1.1 沸腾换热曲线 水在1 atm压力下的典型沸腾曲线 核态沸腾：壁面温差 5 ~ 30℃（AC段） 核化点 热流密度的极值点C ，称 临界热流密度 点C以后称为过渡沸腾区 10.1 沸腾换热 点D以后称为膜态沸腾区 * 多数沸腾加热设备以改变加热面的热流密度qw作为基本调节手段，如电加热、燃烧器或核反应堆均如此。须特别注意热流密度绝不可越过qmax 。一旦越过，实际运行工况将瞬间跳到E点，使加热壁面迅速达到1 000 ℃以上。 10.1.2 沸腾换热的计算关联式 米海耶夫（Михеев М А）计算式 * Cwl 为按照加热面材质与液体种类的组合选取的经验常数，Pr 数的幂指数n 分为两种情况，可从表10–1中查取 罗森诺公式只能用于清洁表面 用该式估算热流密度时，最大的不确定度可能达到 ?100％ 罗森诺（W.M. Rohsenow）计算式 * 10.1.3 影响沸腾换热的主要因素 1．液体的热物性 2．加热表面的状况 (1) 壁面材料的种类、热物理性质以及壁面厚度； (2) 表面粗糙度对沸腾换热具有重要影响 ； (3) 壁面的氧化、老化和污垢沉积状况 。 3．液体的压力 4．其它因素: 包括不凝气体含量，加热表面的大小与空间方位以及液体的液位等 * 10.2 凝结换热 表面凝结 膜状凝结 珠状凝结 凝结形态取决于凝结液的表面张力和它对表面附着力的相对大小 * 10.2.1 竖壁层流膜状凝结理论解简介 努塞尔（W. Nusselt）理论解的基本假设： 单组分饱和纯净蒸汽 ; 常物性且温度均匀 ; 汽相宏观静止，忽略液相与汽相之间的粘性切应力; 忽略液膜惯性力，相变在汽?液交界面上; 忽略液膜内因对流引起的热量传递，即认为液膜内仅有导热作用; 液膜表面没有波动，忽略过冷度。 * 层流膜状凝结理论解的结果 除汽化潜热和汽相密度按饱和温度取值，其他都按液膜的算术平均温度 tm＝ ( tsat + tw ) / 2 取值。 液膜必定过冷，罗森诺（W M Rohsenow）提议把汽化潜热改为 r ? = r + 0.68cp l ( tsat －tw )。 若蒸汽少量过热，把过热热量加入到汽化潜热中 可以推广到水平圆管，甚至球体外表面 常数C 对水平管等于0.729，对球体等于0.826 * 10.2.2 凝结雷诺数和湍流膜状凝结换热 凝结液膜的雷诺数Rec * 在 Rec 30条件下，采用教材中式（10-4）计算 * 竖壁湍流膜状凝结的拉奔索夫（Labuntsov） 关联式，用于Rec ≥1 800 对于层流＋湍流凝结，须按两段分别计算，然后作加权平均得出整个壁面的平均表面传热系数 。 30 ≤ Rec ≤ 1 800 水平管束外表面的膜状凝结换热 仍采用教材中式(10-5)，只需将其中的特征尺寸d 用nd 代替即可。 * 10.2.3 影响膜状凝结换热的其他因素 (1) 蒸汽中含不可凝气体：蒸汽中的不凝气体在液膜表面聚集，分压力升高；蒸汽分子必须以质扩散方式穿越不可凝气体层才能到达液膜表面 。 (2) 蒸汽流速导致的剪切力可能促进液膜加快排泄 。 (3) 凝结表面的状况，包括形状、表面粗糙度和氧化、腐蚀、污染等。 * 10.3 相变传热的强化机理与措施 强化沸腾换热的主要着眼点是设法提高单位传热面上活核化点的数目，增强汽泡在沸腾表面上形成及脱离的可能性以及加热面上薄液膜的蒸发能力。 措施包括：整体粗糙表面、多孔表面、腐蚀表面、覆盖穿孔箔或网状物、不润湿涂层以及采用复合材料等。 10.3.1 沸腾传热强化 * (a) High-flux管剖面 (b) ECR? 40管 (c) Thermoexcel－E管 E管的纵剖面 一种机加工沸腾多孔表面的剖面 * 10.3.2 凝结传热强化 提高凝结传热的关键在于： 设法