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Chapter 7 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling)

Chapter 7 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling). §1 凝结换热 (Condensation heat transfer) 1.1 概述 (Introduction)

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Chapter 7 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling)

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Presentation Transcript

  1. Chapter 7 凝结与沸腾换热 (Condensation and Boiling)

  2. §1 凝结换热(Condensation heat transfer) • 1.1 概述(Introduction) • Definition：Condensation occurs when the temperature of a vapor is reduced below its saturation temperature. In industrial equipment, the process commonly results from contact between the vapor and a cool surface. The latent energy of the vapor is released, heat is transferred to the surface, and the condensate is formed. • Condition： • surface temperature<saturation temperature of the vapor

  3. 膜状凝结(Film condensation) • 当凝结液能很好地润湿壁面时，凝结液和壁面的润湿角(液体与壁面交界处的切面经液体到壁面的交角)<900，凝结液将在壁面上形成连续的液膜向下流动，称为膜状凝结。 • 珠状凝结(Dropwise condensation) • 若凝结液不能很好地润湿壁面(>900)，则凝结液将聚成一个个的液珠，称为珠状凝结。

  4. Fig 10.10 Modes of condensation. (a) Film condensation; (b) Dropwise condensation

  5. (a) (b) Condensation on a vertical surface.(a) Dropwise. (b) Film

  6. 换热能力(Heat transfer capacity) • 膜状凝结：凝结换热发生在液膜表面 • 珠状凝结：蒸汽与液珠表面+蒸汽与裸露壁面。具有较高的换热系数，但不稳定。 • 6. 说明： • 凝结液润湿壁面的能力取决于它的表面张力和它对壁面附着力的关系。 • 附着力>表面张力膜状凝结 • 附着力<表面张力珠状凝结

  7. 1.2 膜状凝结换热 • (Film condensation heat transfer) • 一、层流膜状凝结理论解(Theoretical solution for laminar film condensation on a vertical plate) • 1916年Nusselt最先导出 • 连续液膜层流运动及导热机理 • 液膜运动微分方程和能量方程 • 求解速度场和温度场 • 换热系数

  8. 假定(Assumptions)： • 纯蒸汽在壁上凝结成层流液膜，物性为常量； • 液膜表面温度tδ=ts（饱和温度）； • 蒸汽是静止的，所以 • 液膜薄且流速缓慢，可忽略惯性力； • 凝结热以导热方式通过液膜，膜内温度为线性； • 忽略液膜的过冷度，即凝结液的焓为饱和液体的焓；(实际凝结液的温度总低于饱和温度)

  9. 速度分布(Velocity profile) Momentum equations for liquid film and vapor respectively 忽略惯性力 ρl>>ρV 边界条件 积分解得 速度分布

  10. 2. 温度分布(Temperature distribution) Energy equation 当对流项为零时 边界条件 凝结液膜内温度分布

  11. 3. 单位宽度上凝结液流量 Mass flow rate of condensate per unit width 在单位宽度壁面上，液体流量为 流量M在dx范围内的增量

  12. 4. 液膜厚度与x的关系 Relationship between film thickness and x Energy balance where, H” is the enthalpy of saturated vapor； H’ is the enthalpy of saturated liquid. =H”-H’ is the latent heat of vaporization

  13. 5. 换热系数(Convection coefficient) dx微段内的凝结换热量等于该段膜层向壁面的导热量 Hence, local convection coefficient （7-1a）

  14. Average convection coefficient (液膜的平均换热系数) 理论解(Theoretical solution)： 设壁高为H，则液膜的平均换热系数为 （7-1b）

  15. 液膜的平均换热系数（续） (Average convection coefficient) 实验解：由于液膜表面波动，实验值比理论值高20% • 适用于垂直壁 • 直径远大于液膜厚度的圆管 • 对于与水平面夹角的斜壁，g=gsin  • 定性温度：tm=(ts+ tw)/2

  16. 6. 水平圆管外壁的层流膜状凝结(Laminar film condensation on the outer surface of a horizontal tube) A single horizontal tube （7-2a） A bank of tubes • 定性温度：tm=(ts+ tw)/2 • 液膜逐层增厚：h逐层下降 • nm垂直方向平均管排数：以nmdo为定型尺寸 • 卧式冷凝器：多排管子（顺排、差排）

  17. 7. 水平圆管内的膜状凝结 (Film condensation in a horizontal tube) Reynolds number of the vapor at inlet Average convection coefficient where Note that the liquid close to the surface is subcooled.

  18. 二、层流膜状凝结换热准则关联式 Empirical correlations: Laminar film condensation • 凝结液膜雷诺数Rec （10） 对于垂直壁，设膜宽为b，则湿周P＝b，膜断面积Al＝bδ，则 （7-3） 式中M=um，是单位时间通过单位宽度的壁底部断面的凝液量，kg/s·m

  19. 凝液M释放的潜热，等于高H，宽1米壁上的换热量凝液M释放的潜热，等于高H，宽1米壁上的换热量 Then, an important form of Rec （7-4） • where, characteristic length • Film condensation on a vertical plate：height(H) • Film condensation on the outer surface of a horizontal tube：perimeter(do)

  20. 2. 凝结准则Co Galileo number • Co为无量纲数，也可称为修正的Nu。 • Co为反映凝结换热的强弱。

  21. 3. 用Rec及Co准则表达式(7-1b)、(7-2a) 垂直壁理论解 水平管理论解 （7-1b） （7-2a） 准则关联式 （7-1c） （7-2b） 垂直壁理论解 水平管理论解

  22. 讨论：Rec>30后，理论解低于实验数据。这主要是因为在液膜表面张力以及蒸汽与液膜间的粘滞应力作用下，层流液膜发生了波动，它促进了膜内热量的对流传递。讨论：Rec>30后，理论解低于实验数据。这主要是因为在液膜表面张力以及蒸汽与液膜间的粘滞应力作用下，层流液膜发生了波动，它促进了膜内热量的对流传递。 4. 垂直壁层流膜状凝结换热的实用计算式 （7-5b） （7-6） 5. 水平管直接用理论解

  23. 三、紊流膜状凝结(Turbulent film condensation) Rec>1600时，液膜为紊流， 传热方式：导热+紊流传递 Rec 换热 (层流时相反) 紊流段 （7-7） 则平均换热系数

  24. 1.3 影响膜状凝结的因素及增强换热的措施 一、影响因素 • 蒸汽速度(Vapor velocity ) • 蒸汽中含不凝气体 换热系数下降 • 表面粗糙度(Surface roughness) • 蒸汽含油 • 过热蒸汽(Superheated vapor)

  25. 二、增强凝结换热的措施 • 改变壁面几何特征(开沟槽、挂丝等)：a.肋的作用；b.液体易于排泄；c.液膜薄。 • 有效排除不凝气体：负压运行，货加抽气装置。 • 加速凝结液的排除：导流、离心力(内螺纹管)、振动、静电 • 造成珠状凝结：加涂层，减小凝结液附着力。 • 减薄凝液膜层厚度 • 加速液体排除 • 促成珠状凝结 关键！

  26. §2 沸腾换热(Boiling heat transfer) 当液体与温度高于其相应压力下饱和温度的壁面接触时可能发生沸腾传热。 根据液体沸腾时是否存在自由表面 大容器沸腾(Pool boiling) 管内强迫对流沸腾(Forced convection boiling) 根据发生沸腾时液体的温度 饱和沸腾(Saturated boiling) 过冷沸腾(Subcooled boiling)

  27. 2.1 池沸腾换热(Pool boiling heat transfer) • 一、基本概念(Fundamental concepts) • 定义：高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾。 • 特点：汽泡可以自由浮生，穿过液体表面进入容器空间。 • 过冷池沸腾(Subcooled pool boiling)：液体主体温度低于相应压力下液体的饱和温度(ts)时，换热面上也会产生汽泡，但该汽泡会在低于饱和温度的过冷液体中重新凝结成液体，这时发生的沸腾称为过冷池沸腾。(tw>ts>t)(LiquidVapor Liquid)

  28. 饱和池沸腾(Saturated pool boiling)：在一定压强下，当液体主体温度等于饱和温度(ts)时，产生的汽泡不会再被冷凝成液体，这时发生的沸腾称为饱和池沸腾。 • 说明：因为液体主体温度大于ts，所以汽泡浮升过程中从液体吸热并逐渐长大。 • 壁面过热度(Excess temperature)：发生沸腾时，壁温与饱和温度之差。沸腾换热的动力。 • 沸腾曲线(Boiling curve)：发生沸腾换热时，热流密度与壁面过热度的关系曲线称为沸腾曲线。直观反映了液体与壁面间的换热状态。

  29. 二、沸腾曲线(The boiling curve) Nikiyama was the first to identify different regimes of pool boiling using the following experimental system.

  30. Nikiyama’s boiling curve for saturated water at atmospheric pressure Power-controlled heatingConstant heat flux

  31. 典型沸腾曲线(The typical boiling curve) 恒温差条件下获得：以恒温流体为热源

  32. 池沸腾模式(Modes of pool boiling) • 自然对流区（AB）(Free convection boiling) • 泡态（核态）沸腾区(BC)(Nucleate boiling) • 沸腾临界点（C）(Critical heat flux) • 过渡区（部分膜态沸腾区）（CD）(Transition boiling or partial film boiling) • 膜态沸腾区（DE）(Film boiling) • 总结：恒壁温：ABCDE； • 恒热流：q ABCE • q EDBA

  33. Boiling of methanol on a horizontal (a) Nucleate boiling in the jets and columns regime

  34. Boiling of methanol on a horizontal (b) Transition boiling

  35. Boiling of methanol on a horizontal (c) Film boiling

  36. 三、核态沸腾机理(Nucleate boiling mechanism) 1. 产生汽泡的必要条件：壁面要有一定的过热度 • 汽泡生成条件 • 要使汽泡长大，泡内压力必须要克服表面张力对外做功。设dV为体积增加量，dA为表面积增加量，则做功量dW： 式中，PV—汽泡内压强；PL—汽泡外压强；—表面张力

  37. 平衡时，dW=0，即 汽泡稳定存在而不消失的条件(1) 汽泡可以继续长大的条件

  38. 分析： • 汽泡长大所需的压强差与它的半径成反比，所以汽泡半径越小，所需的压强差越大。 • 即当汽泡刚一出现时(R0)，压力差必须趋于无穷大才能使汽泡长大。这实际上达不到。 • 汽泡是如何产生的？

  39. 气泡动力学成核理论： 液体的大量分子团中，能量分布并不均匀。部分分子团具有较多的能量，这些高于平均值的能量称为活化能。 • 由于在沸腾表面材料的凹缝中形成汽泡所需的活化能量最少，所以借助一些分子团足够的活化能，汽泡能在凹缝上自发形成。 • 汽化核心：孕育汽泡核的这些点称为汽化核心。 • 气泡生成的条件就是壁面上要有汽化核心。

  40. 汽化核心 • 壁面过热度 气泡生成！

  41. 3. 汽泡稳定存在的条件 因为（PV-PL）是一个很小的量，可近似表达为 (3) 克拉修斯—克拉贝隆方程 (4) 当远离临界点时，ρV<<ρL (5)

  42. 将式（1）（5）代入（3），得 （6） ∵ (tV)max=tw ∴ 汽泡能稳定存在的最小半径 （7） 分析：tRmin，即壁面过热度越大， Rmin越小。这意味着初生的汽泡中将有更多的汽泡符合稳定存在与长大的条件。所以增大t，是强化沸腾传热的一个重要措施！

  43. 汽泡长大的动力条件 • 液体的过热度是汽泡长大的动力条件。即只有汽泡周围液体不断蒸发，汽泡才有可能长大。 • 汽泡脱离直径 式中，—接触角，rad —表面张力，N/m 脱离直径减小，表明汽泡易于脱离壁面，可强化传热。 • 液体润湿性能好  dd  • 压力，(L-V)  dd  强化传热！

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