山西能源学院：《传热学》课程教学资源（PPT课件）第七章 相变对流传热

山莎修源学院 SHANXI INSTITUTE OF ENERGY Chap7相变对流换热 第七章相变对流换热 蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。但 它们都是伴随有相变的对流换热，例如：空调器中的冷凝器 和蒸发器。 本章主要介绍有相变的对流换热，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 也只借助于经验公式和实验关联式

Chap7 相变对流换热 第七章 相变对流换热 本章主要介绍有相变的对流换热，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 也只借助于经验公式和实验关联式。 蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。但 它们都是伴随有相变的对流换热，例如：空调器中的冷凝器 和蒸发器

山多够源宇花 SHANXI INSTITUTE OF ENEROY Chap7相变对流换热 7.1凝结传热的模式 一、凝结换热 ·蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。 二、凝结换热的模式 1.膜状凝结(film condensation): 在壁面形成完整的液膜的凝结。 2.珠状凝结(dropwise condensation): 凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热

Chap7 相变对流换热 一、凝结换热 • 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。 二、凝结换热的模式 1. 膜状凝结(film condensation): 在壁面形成完整的液膜的凝结。 2. 珠状凝结(dropwise condensation)： 凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。 7.1 凝结传热的模式

山五减源宇院 SHANXI INSTITUTE OF ENERGY chap7相变对流换热 tv<t i<t 蒸气空间 蒸气空间 (a)润湿能力强 (b)润湿能力差 (a)膜状凝结 (b)珠状凝结 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 又取决于表面张力和附着力。表面张力小于附着力的润湿能力 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

Chap7 相变对流换热 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 又取决于表面张力和附着力。表面张力小于附着力的润湿能力 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

山西佛源亲花 SHANXI INSTITUTE OF ENERGY Chap7相变对流换热 在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面 上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。 膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿 过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。 珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清 扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。 在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大 的加强，一般 ha=5~10h 珠状凝结传热效果好 难于获得（现在有对紫铜管进行表面改性处理，可连 续运行3800小时)

Chap7 相变对流换热 • 珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清 扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。 • 在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大 的加强，一般 • 在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面 上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。 • 膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿 过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。 • 珠状凝结传热效果好 • 难于获得（现在有对紫铜管进行表面改性处理，可连 续运行3800小时） hd = 5 ~10hf

山五减源宇院 SHANXI INSTITUTE OF ENERGY Chap7相变对流换热 7.2膜状凝结分析解及实验关联式 一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解 凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法 进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化，忽略次要因素，突 出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt1916年成功地用 理论分析法求解了膜状凝结问题，他抓住了液体膜层的导热热阻 是凝结过程的主要热阻。下面即为此理论 1.物理问题：纯蒸气在均匀壁温的竖直冷壁面凝结，形成液膜 蒸气凝结将热量传给冷壁面，求换热系数

Chap7 相变对流换热 一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解 凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法 进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化，忽略次要因素，突 出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt 1916年成功地用 理论分析法求解了膜状凝结问题，他抓住了液体膜层的导热热阻 是凝结过程的主要热阻。下面即为此理论： 1. 物理问题：纯蒸气在均匀壁温的竖直冷壁面凝结，形成液膜， 蒸气凝结将热量传给冷壁面，求换热系数。 7.2 膜状凝结分析解及实验关联式

山莎佛源李花 SHANXI INSTITUTE OF ENERGY Chap7相变对流换热 2基本假设：凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。 1)二维、稳态、常物性、层流； 2)蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3)液膜很薄且流动缓慢，惯性力可忽略，液膜流动只取决于 重力和粘滞力； 4)汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，忽略 汽液界面热阻； 5)膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导 热，而无对流作用： 6)液膜的过冷度可以忽略，认为液膜与蒸汽只有潜热交换无 显热换热； 7)pv<<pIi 8)液膜表面平整无波动

Chap7 相变对流换热 1）二维、稳态、常物性、层流； 2）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜很薄且流动缓慢，惯性力可忽略，液膜流动只取决于 重力和粘滞力； 4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，忽略 汽液界面热阻； 5）膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导 热，而无对流作用； 6）液膜的过冷度可以忽略，认为液膜与蒸汽只有潜热交换无 显热换热； 7）v<<l； 8）液膜表面平整无波动。 2.基本假设：凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质

山西城源李院 图7-4膜状凝结换热 SHANXI INSTITUTE OF ENEROY han7 相变对流换热 1 MH g d H'dM dM M+ dx dx t,=18 du =0 X (a) (b) (c)

Chap7 相变对流换热 (a) w t y x g  t s t 图7-4 膜状凝结换热 (b) y x  t t s = = 0 dy du " H dM ' MH ( ) w t dx y    dM M dx i dx   +      y dy  （c） x dx

山多能源宇院 参HANXI INSTITUT老OF ENEROY Chap7相变对流换热 3.数学描述： 取如右图所示的坐标系，因 微元体 为液膜具有边界层的特性 IM+M 故满足边界层微分方程组， )微无体的质量守恒 但要加上重力项。 Ou Ov rdM ax ay dy ls u Ou u +V 8x 迎+pg+niy2 a)液摸的速度，度分布 c)微元体的热平衡 8u at at =0 +V ax =a1 pig 82t op =0 =0 Bernoulliz方程边界层外 @2 oy y=0, u=0,t=t p-gpx=0 dp dx =P,8 y=6, du=0,t=1, dy

Chap7 相变对流换热 取如右图所示的坐标系，因 为液膜具有边界层的特性， 故满足边界层微分方程组， 但要加上重力项。 = 0   +   y v x u 2 2 y t a y t v x t u l   =   +   2 2 y u g dx dp y u v x u l u l l   = − + +           +      = 0   y p Bernoulli方程 边界层外 p − gv x = 0 g dx dp = v 0 2 2 =   + y u l g l 2 0 2 =   y t s w t t dy du y y u t t = = = = = = , 0, 0, 0, ,  3.数学描述：

山多能源宇院 SHANXI INSTITUTE OF ENEROY Chap7相变对流换热 4.求解 du 8P1 y+c dy gPLy2+cy+c2 71 211 y=0,u=0→c2=0 du W=- dy\s 8P16+G=0 n 2n1 Ot ay =c1 t=cy+C2 +5- O,t=tw,C2=tw y=δ，t=t,t,=c6+tm(

Chap7 相变对流换热 1 y c g dy du l l = − +  1 2 2 2 y c y c g u ll = − + +  y = 0, u = 0  c 2 = 0 = − + c 1 = 0 g dy du l l    ) 21 ( 2 2 y y g u ll = −  −  c 1 yt =  1 2 t = c y + c w w y = t = t c = t 2 0, , s s w y =  t = t t = c  + t 1 , ,  s w t t c − 1 = ( ) w s w t t y t = t + −  4. 求解

山多能源宇院 参HANXI INSTITUT老OF ENEROY chap7相变对流换热 通过x=截面处宽为1m的壁面凝结液体的质量流量为 M-a1-p=e-护内 传-r 371 X+dx处质量流量的增加 dM 8p,282d6 M+M 71 )微无体的质量牛恒 对微元体应用热力学第一定律 rdM=dΦ rdM 即 r8d6-, ,ts一twdx c)微元体的热平衡 71

Chap7 相变对流换热 y y dy g M dM udy l l l       = = = −    2 0 0 2 0 2 1        l l l l g y y g        6 3 1 2 1 2 3 0 2 3 2  =            = − X+dx 处质量流量的增加 l g l d dM     2 2 = 对微元体应用热力学第一定律 d x rdM =  dx g d t t r s w l l l       − = 即 2 2 通过x=l截面处宽为1m的壁面凝结液体的质量流量为