传热学第七章 相变对流传热

1、河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 基本要求基本要求1 1 、重点内容：、重点内容： 凝结与沸腾换热机理及其特点；凝结与沸腾换热机理及其特点； 影响凝结与沸腾换热的因素。影响凝结与沸腾换热的因素。 2 2 、掌握内容：、掌握内容： 会应用凝结与沸腾理论分析一些现象，分析其会应用凝结与沸腾理论分析一些现象，分析其在工程实际中的应用。在工程实际中的应用。第七章 相变对流传热河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5

2、 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花7-1 凝结传热的模式凝结传热的模式 7-2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化7-4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式7-5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式7-6 沸腾传热的影响因素及强化沸腾传热的影响因素及强化河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花主要特点主要特点:(1) 流体温度基本保持不变，在相对较小温流体温度基本保持不变，

3、在相对较小温差下达到较高放热和吸热目的的传热过程差下达到较高放热和吸热目的的传热过程;(2) 换热量主要是潜热换热量主要是潜热r。r 比较大，故比较大，故h 大。大。如：如：1个大气压下个大气压下r= 2257 kg/kJ；随着温度和压力的升高随着温度和压力的升高r降低。降低。 (3) 影响相变换热的物性除了单相流体的影影响相变换热的物性除了单相流体的影响因素外，还有响因素外，还有r、（表面张力（表面张力)、（、（l-v）（浮升力）（浮升力）河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花

4、日常生活中的表面凝结日常生活中的表面凝结7-1 凝结传热的模式凝结传热的模式河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花压缩制冷装置河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花电厂凝汽器、热管换热器电厂凝汽器、热管换热器河海大

5、学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花一、凝结换热条件一、凝结换热条件wsttst蒸气的饱和温度（蒸气压力下）蒸气的饱和温度（蒸气压力下） 二、凝结换热的类型二、凝结换热的类型凝结换热凝结换热表面凝结存在冷表面表面凝结存在冷表面均相凝结因扩压流动引起均相凝结因扩压流动引起直接接触凝结把蒸气注入液体或反之直接接触凝结把蒸气注入液体或反之多组分凝结不相溶多组分凝结多组分凝结不相溶多组分凝结河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7

6、月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花表面凝结表面凝结均相凝结均相凝结接触凝结接触凝结多组分凝结多组分凝结河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 表面凝结：表面凝结：按浸润能力分（气液分界面按浸润能力分（气液分界面对壁面形成的接触角）：对壁面形成的接触角）： 膜状凝结膜状凝结珠状凝结珠状凝结表面张力与附着力的相对大小表面张力与附着力的相对大小河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时

7、时5555分分 杨祥花杨祥花表面凝结表面凝结河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花1、膜状凝结、膜状凝结 （film condensation） 条件：条件： a) wsttb) 液体表面张力小，润湿能力强液体表面张力小，润湿能力强 换热特点：换热特点：a）沿整个壁面形成一层薄膜，并且沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。膜厚度直接影响了热量传递

8、。热阻热阻大，换热量小大，换热量小 gswttb）冷凝传热系数各点不等（因液）冷凝传热系数各点不等（因液膜在重力作用下向下流动）。膜在重力作用下向下流动）。 工业中工业中98%99%冷凝器是膜状凝结（壁冷凝器是膜状凝结（壁面洁净）面洁净）河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花gswtt2、珠状凝结（、珠状凝结（dropwise condensation ） 条件条件 b) 液体表面张力大，润湿能力差液体表面张力大，润湿能力差 a) wstt 换热特点：换热特点：a）除液珠外，墙壁

9、与气体间无液膜，热阻小，换）除液珠外，墙壁与气体间无液膜，热阻小，换热量大，液珠下滑扫球，不稳定热量大，液珠下滑扫球，不稳定 b) 传热系数处处不等传热系数处处不等 珠状凝结比膜状凝结的表面传热系珠状凝结比膜状凝结的表面传热系数大数大1015倍倍实验测量：实验测量：1个大气压下，水蒸气个大气压下，水蒸气凝结，表面传热系数凝结，表面传热系数珠状凝结：珠状凝结：4104105；膜状凝；膜状凝结：结： 6103104 W/(m2K)珠状凝结是研究方向，较难以维持珠状凝结是研究方向，较难以维持 途径：途径：水中加油；水中加油；壁面处理壁面处理 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力

10、工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花珠状凝结可视化照片珠状凝结可视化照片河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花凝结换热中的重要参数凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（t ts s - t- tw w） 汽化潜热汽化潜热 r r 特征尺度特征尺度dede 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等系数、比热容等7-2 膜状凝结分析

11、解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花一、纯净饱和蒸气层流膜状凝结的分析解一、纯净饱和蒸气层流膜状凝结的分析解1、1916年，努塞尔分析出蒸气凝结分析解年，努塞尔分析出蒸气凝结分析解（换热问题理论解的典范）（换热问题理论解的典范）2、方法：、方法： 假设条件假设条件 简化边界层微分方程组简化边界层微分方程组 解出解出 ( )x ( )h x， h河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年

12、7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花3、假设条件、假设条件（1）常物性）常物性 （ mt ， ， ， uPr） （2）蒸气静止（）蒸气静止（0su ），）， ,0s气液界面上无对液膜的粘滞应力；气液界面上无对液膜的粘滞应力； （3）液膜受粘性力作用，惯性力忽略；）液膜受粘性力作用，惯性力忽略； （4） , l ystt（膜表面温度为（膜表面温度为 st）；）； （5）膜内只有导热，温度分布为线性；）膜内只有导热，温度分布为线性； （6）忽略液膜过冷度（即）忽略液膜过冷度（即 stvp对应的饱和温度对应的饱和温度,凝液的焓为饱和液体的焓）；凝液的焓为饱和液体的焓）； （7）

13、 lv，不计，不计 v； （8）液膜表面光滑无波动。）液膜表面光滑无波动。 为饱和蒸气压力为饱和蒸气压力 P304dudy 0； 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 液膜（边界层）液膜（边界层）微分方程组微分方程组0uvxy2222()()xuuupuuuvFxyxxy2222()()yvvvpvvuvFxyyxy2222()ptttttuvxycxy0 xytht y （5-4） （5-11） （5-10） （5-9） （5-8） （5-15） （5-16） （5-17）

14、河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 边界层内任一截面压力与边界层内任一截面压力与 y 无关而无关而等于主流压力等于主流压力dxdpxp 2 (pconst) 2 sVVsVsVugxdudpugdxdx由 伯 努 利 方 程 得 ：00sVdpugdx因，则)(0yp) 1 (0 xp假设（假设（2）和假设（）和假设（7）河

15、海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花在方程组中所需求解的在方程组中所需求解的未知量为未知量为u u、t t，只需两，只需两个方程就可以求出个方程就可以求出002222dytddyudgll方程组化简为：方程组化简为：河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花方程组的求解方程组的求解222200lld ugdyd tdy2lg1()2()lwswuyyytttt对对方方程

16、程进进行行两两次次积积分分求解关键：求解关键：( )f x河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花0mlqudy22lmlgddq 2lg1()2luyy微元段质量守恒微元段质量守恒河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花从通过厚为从通过厚为的液膜的导热的液膜的导热dqm的凝结液释放出的潜热的凝结液释放出的潜热22lswllgdttrdx 积分解得：积分解得：1424(

17、)(7 1)llslttw xrg 微元段热平衡微元段热平衡6) 忽略液膜的过冷度，即凝液的焓为忽略液膜的过冷度，即凝液的焓为饱和液体的焓，忽略膜在饱和液体的焓，忽略膜在dx段放出的段放出的显热显热河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花5、分析解、分析解 （1）膜层厚度）膜层厚度 1 424()llswlttxgr （2）局部表面传热系数）局部表面传热系数 1 423()()4()lswllxswlswttgrhttttx （3）平均表面传热系数）平均表面传热系数竖壁竖壁（竖直壁

18、、竖圆柱壁）：（竖直壁、竖圆柱壁）： 1 4230140.9433()lllVxx llswgrhh dxhll tt 横管：横管： 1 4230.729()llHlswgrhd tt 相变潜热相变潜热（7-1） （7-2） （7-3） （7-4） hx（ts-tw）=l(ts-tw) /河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花圆球：圆球： 1 4230.826()llslswgrhd tt 比较：比较： 1 40.77HVhlhd定性温度定性温度 2swmttt（ ） 横管和竖管

19、凝结换热能力的相对大小是与横管和竖管凝结换热能力的相对大小是与管子长度与直径的比值有关的管子长度与直径的比值有关的 。str（7-5） （7-6） 1 4230140.9433()lllVxx llswgrhh dxhll tt 1 4230.729()llHlswgrhd tt （7-3） （7-4） 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花水平管外凝结与竖直管外凝结的比较水平管外凝结与竖直管外凝结的比较在其他条件相同时（直径为在其他条件相同时（直径为d d和高为和高为的圆管都是

20、层流），横的圆管都是层流），横管与竖管的对流换热系数之比：管与竖管的对流换热系数之比：4177. 0 dlhhVH1 / 423llVlswgrh( t)9l0. 43t 1/ 423llHlswgrh(t)7d0. 29t 不同：特征长度不同；系数不同不同：特征长度不同；系数不同当当l/d=50l/d=50时，横管的平均表面时，横管的平均表面传热系数是竖管的的传热系数是竖管的的2 2倍。倍。河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花同条件时横管换热强，同条件时横管换热强， 冷凝器常

21、用横管布置。冷凝器常用横管布置。 说明：说明：1）卧式凝汽器的横管均为层流；）卧式凝汽器的横管均为层流； 2）较长竖壁才出现湍流。）较长竖壁才出现湍流。 3）当壁面与水平方向成）当壁面与水平方向成角时，角时，将各式中将各式中g换成换成gsin即可即可 4）如果液膜的过冷度无法忽略，）如果液膜的过冷度无法忽略，罗森诺提出对相变潜热修正：罗森诺提出对相变潜热修正：0.68()pswrrctt（7-13a） 5）如果液膜的表面出现波动，工）如果液膜的表面出现波动，工程上将增加程上将增加20%的修正：的修正：1 4231.13swgrhttl （7-7）（）（Re20）20Re 1600Re c无波动

22、层流无波动层流有波动层有波动层流流湍流湍流河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 膜状凝结换热膜状凝结换热局部表面传热系数的大小与液膜流态和厚度直接相关局部表面传热系数的大小与液膜流态和厚度直接相关层流状态：层流状态：上部上部、流速低流速低、换热依靠膜层、换热依靠膜层导热导热、膜层愈厚、膜层愈厚、局部表面传热系数愈小局部表面传热系数愈小湍流状态：湍流状态：膜层膜层增厚增厚、流速、流速增大增大、对流换热主要通过膜层、对流换热主要通过膜层内的内的热对流热对流、膜层愈厚、局部表面传热系

23、数愈大膜层愈厚、局部表面传热系数愈大二、湍流膜状凝结的准则方程二、湍流膜状凝结的准则方程河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花1 1、边界层内的流态、边界层内的流态20Re 1600Rec无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时其判断依据仍然时ReRe，7-8leelu dduRe式中：式中： u u 为为 x = x = 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de de 为该截面处液膜层的

24、当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花2、膜层雷诺数、膜层雷诺数 Re定义：定义： Releu ded当量直径当量直径 其中其中 444ceAbdPbP湿长湿长 则则 44Relluu 应用热平衡：应用热平衡： 4()Reswhl ttr其中其中 l l竖壁（管）竖壁（管）d横管横管 （7-9） （7-10） u4mlqml()rqswhl tt 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年

25、7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花竖直圆管的竖直圆管的ReRe河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花水平圆管的水平圆管的ReRe444RelellmlllllLuduuLLqLLLswmlh ttdLrLq4()Reswlh d ttr河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花3、临界凝结雷诺数、临界凝结雷诺数 RecRe1600c竖壁需考虑竖壁

26、需考虑 Rec横管因特性尺度横管因特性尺度 ld很小，均为层流很小，均为层流 4、湍流液膜换热特征、湍流液膜换热特征 :对于紊流液膜，热量的传递：（对于紊流液膜，热量的传递：（ 1 ）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；方式传递热量；（ 2 ）层流底层以外的紊流层以紊）层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。流传递的热量为主。 因此，紊流液膜换热远大于层因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。流液膜换热。 4()Reswhl ttr河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时

27、时5555分分 杨祥花杨祥花3、引入准则数、引入准则数 32glGa ，伽利略准则数，伽利略准则数 4、竖壁紊流膜状换热准则方程、竖壁紊流膜状换热准则方程1 31 41 23 4RePr58PrRe2539200PrwssNuGa定性温度定性温度： 特征长度特征长度： stl对于对于竖壁湍流膜状换热竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的平均表面传，沿整个壁面上的平均表面传热系数热系数 （7-117-11）ccltxxhhh1ll式中：式中：h hl l为层流段的传热系数；为层流段的传热系数；h ht t为湍流段的传热系数；为湍流段的传热系数； x xc c为层流转变为湍流时转折点的高度为层流转变为湍

28、流时转折点的高度 为竖壁的总高度为竖壁的总高度（7-12） 20Re 1600Rec无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花四、膜状凝结换热的计算步骤四、膜状凝结换热的计算步骤1 1、已知、已知 蒸气蒸气 p， wt，几何尺寸，几何尺寸， 求求 h， ， mq（凝结液体流量）（凝结液体流量） 计算步骤：（计算步骤：（1）由）由 pstr（2） 2swmttt， （物理性质）（物理性质） （3）设为层流由）设为层流由 、h 得得（4）用

29、（）用（7-10）校核是否）校核是否 Re1600，否用，否用式式（7-12） （5） nhA t （亦称为热负荷）（亦称为热负荷） n管数，管数， A单管面积单管面积 /mqsr附录附录10或或11附录附录10或或11附录附录9或或11式（式（7-7）（7-3）7-4,7-5见例题见例题7-1 , p309河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 2、如果已知的是：、如果已知的是： mq、 st（或（或 p）、）、 wt、 d（或（或 b），求），求 l（或面积）（或面积） mq

30、r 计算步骤：（计算步骤：（1）ts定定r 由由7-9求求Re， 2swmttt， ， ， （2） hA th dl thl 竖壁竖壁 Ab l 横管可由式横管可由式(7-4)先求出先求出 h再由（再由（2）求出）求出 l（3）据）据Re选选 求出求出 l（两边（两边同乘上同乘上l）竖管竖管 1 4231.13swgrhttl 式式(7-3、7-7、7-12） 1 4230.729()llHlswgrhd tt 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花1）不凝结气体）不凝结气体 质

31、量含量的质量含量的1% h下降下降60% 体积含量达到千分之二，体积含量达到千分之二，h就会下降就会下降 20 %30 %，若达到，若达到 0.5%，h将减半将减半. 引起这种现象的原因引起这种现象的原因: : 不凝气体在凝结液膜表面附近聚集不凝气体在凝结液膜表面附近聚集 蒸气分子须以扩散方式穿越不凝气层蒸气分子须以扩散方式穿越不凝气层 P tP ts s t t一、影响因素一、影响因素7-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分

32、杨祥花杨祥花2）蒸汽流速）蒸汽流速 u与液膜流向相同与液膜流向相同 h 相反相反 h 3）过热蒸气）过热蒸气用（用（h过热气过热气h饱和液饱和液）替代）替代r4）液膜过冷度及温度分布的非线性）液膜过冷度及温度分布的非线性shrrh0.68()(10.68)()pswpswrrcttrJacttJar 雅各布数（7-13） 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 沿凝结液流动方向有沿凝结液流动方向有n排管子的管束，近似的方法是以排管子的管束，近似的方法是以nd作为特征长度，利用水平

33、管管外凝结换热的计算式来计作为特征长度，利用水平管管外凝结换热的计算式来计算全管束的平均表面传热系数算全管束的平均表面传热系数:)25(41nnhh5）管子排数）管子排数 上一层管子的凝结液流到下一层上一层管子的凝结液流到下一层管子上，使下一层管面的液膜增厚，管子上，使下一层管面的液膜增厚，使下一层管子的使下一层管子的h下降；下降； 此算法的依据：管间距较小时，凝液平静地自上往下此算法的依据：管间距较小时，凝液平静地自上往下流动、并保持与高度流动、并保持与高度l=nd 的垂直壁相当的层流状态；管间距的垂直壁相当的层流状态；管间距较大时，计算值可能偏小（凝液落下来扰动）。较大时，计算值可能偏小（

34、凝液落下来扰动）。 其中其中h1用式（用式（7-4）计算的单根管子的平均表面传）计算的单根管子的平均表面传热系数。热系数。1 4230.729()llHlswgrhd tt 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 6 6） 管内冷凝（冰箱中的冷凝器）管内冷凝（冰箱中的冷凝器） 此时换热与蒸气的流速关系很大。此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。则位于管子上半部。 流速较高流速较高时，形成环

35、状流动，凝结液均匀分布时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。在管子四周，中心为蒸气核。河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花7）凝结表面的几何形状、尺寸、粗糙度）凝结表面的几何形状、尺寸、粗糙度A、表面粗糙度：、表面粗糙度： 当凝结液膜流速低时，粗糙表面换热减弱；当凝结液膜流速低时，粗糙表面换热减弱； 当当Re140后，粗糙表面换热增强。后，粗糙表面换热增强。B、竖壁的高度、竖壁的高度l： L小时层流换热较弱；小时层流换热较弱； 当当l增高到使增高到使Re16

36、00后，换热增强后，换热增强C、几何形状：、几何形状： 表面光滑，换热能力相对低些；表面光滑，换热能力相对低些； 表面带尖锐锯齿，减薄液膜，换热增强表面带尖锐锯齿，减薄液膜，换热增强河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花二、强化冷凝传热的措施二、强化冷凝传热的措施1、设法减小液膜厚度、设法减小液膜厚度 垂直壁面：采用低肋管或锯齿管，垂直壁面：采用低肋管或锯齿管，形成尖峰减薄壁上液膜厚度。形成尖峰减薄壁上液膜厚度。 垂直管内采用适当的内插物，可分垂直管内采用适当的内插物，可分散冷凝

37、液，减薄液膜厚度；散冷凝液，减薄液膜厚度； 或壁面装上若干条金属丝，起强化冷凝传热或壁面装上若干条金属丝，起强化冷凝传热的作用，在表面张力作用下，凝液有向金属丝附的作用，在表面张力作用下，凝液有向金属丝附近集中并沿丝流下的趋势。近集中并沿丝流下的趋势。2、及时排走冷凝液、及时排走冷凝液 大型电站的卧式冷凝器加装泄流板大型电站的卧式冷凝器加装泄流板 立式冷凝器加立式冷凝器加装排液圈装排液圈3、排走不凝结气体、排走不凝结气体河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花河海大学常州校区热能与

38、动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 1、当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时、当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时,分析竖分析竖壁高度壁高度l l对放热系数的影响。对放热系数的影响。 答：当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时答：当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时,随着竖壁高度的不随着竖壁高度的不同可能发生层流凝结放热和紊流凝结放热。同可能发生层流凝结放热和紊流凝结放热。 (A)对层流来说对层流来说:可见可见,当当l增加时增加时,放热系数放热系数h减小减小,h1/l1/4.从理论上分析从理论上分析,层流凝结放热总以导热方式为主层

39、流凝结放热总以导热方式为主.当当l=0时时,膜层厚度为膜层厚度为0,这这时的放热达到最大值时的放热达到最大值,随着随着l的增加的增加,膜层厚度膜层厚度也加厚也加厚,也即也即增加了导热热阻增加了导热热阻,所以放热系数随所以放热系数随l增加而减小。增加而减小。 (B)对紊流而言对紊流而言:平均换热系数平均换热系数 而而Re与与l也成正比也成正比,可见随着可见随着l增加增加,放热加强放热加强,从理论上分析从理论上分析,在紊流中在紊流中紊流传递方式成为重要因素紊流传递方式成为重要因素,因此因此,随随l增加紊流换热得到加强。增加紊流换热得到加强。 1 31 41 23 4RePr58PrRe253920

40、0PrwssNuGa河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 2、在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介质是水蒸、在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介质是水蒸气，而在制冷剂（氟利昂）的冷凝器中，冷凝介气，而在制冷剂（氟利昂）的冷凝器中，冷凝介质是氟利昂蒸汽。在工程实际中，常常要强化制质是氟利昂蒸汽。在工程实际中，常常要强化制冷设备中的凝结换热，而对电厂动力设备一般无冷设备中的凝结换热，而对电厂动力设备一般无需强化。试从传热角度加以解释需强化。试从传热角度加以解释? 答案：相变对流换热主要依靠潜热

41、传递热量，而答案：相变对流换热主要依靠潜热传递热量，而氟里昂的汽化潜热只有水的约氟里昂的汽化潜热只有水的约1/10，因此电厂动，因此电厂动力冷凝器中水蒸汽的凝结表面传热系数很大，凝力冷凝器中水蒸汽的凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不占主导地位。而制冷设备中氟里昂蒸结侧热阻不占主导地位。而制冷设备中氟里昂蒸汽的凝结换热表面传热系数较小，主要热阻往往汽的凝结换热表面传热系数较小，主要热阻往往在凝结侧，因而其强化就有更大现实意义。在凝结侧，因而其强化就有更大现实意义。河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时555

42、5分分 杨祥花杨祥花作业作业 饱和水蒸汽在长饱和水蒸汽在长2m，外径，外径19mm的管外的管外冷凝，如果蒸汽压力为冷凝，如果蒸汽压力为0.074 bar（绝对），（绝对），管壁平均温度为管壁平均温度为25。求将管。求将管横放横放和和竖放竖放时时的的平均凝结换热系数平均凝结换热系数h。河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花7-4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式蒸发：液蒸发：液汽界面上液体汽化的相变过程汽界面上液体汽化的相变过程( Evaporation)沸腾：液体内部产生汽泡的剧烈汽

43、化过程沸腾：液体内部产生汽泡的剧烈汽化过程( Boiling)根据热力学理论：只要液体内部的温度根据热力学理论：只要液体内部的温度等于或高于对应压力下液体的饱和温度，等于或高于对应压力下液体的饱和温度，该处液体就会发生相变，并可能产生沸该处液体就会发生相变，并可能产生沸腾现象。腾现象。河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花液体沸腾可以分成两大类：容积沸腾、表面沸腾液体沸腾可以分成两大类：容积沸腾、表面沸腾容积沸腾容积沸腾（均相沸腾，（均相沸腾，homogeneous boilin

44、g）：沸腾）：沸腾直接发生在液体容积内部，且不存在固体加热壁面直接发生在液体容积内部，且不存在固体加热壁面表面沸腾表面沸腾（非均相沸腾，（非均相沸腾，heterogeneous boiling）：）：沸腾发生在与液体相接触的加热面上沸腾发生在与液体相接触的加热面上表面沸腾或非均相沸腾在工程上和日常生活中最常遇表面沸腾或非均相沸腾在工程上和日常生活中最常遇到，并具有实用价值。到，并具有实用价值。表面沸腾或非均相沸腾分类：表面沸腾或非均相沸腾分类：大空间沸腾大空间沸腾（或大容器沸腾、池沸腾）：（或大容器沸腾、池沸腾）：热壁面沉浸在具有自由表面的液体中热壁面沉浸在具有自由表面的液体中有限空间沸腾有限

45、空间沸腾（或称受迫对流沸腾、（或称受迫对流沸腾、 管内沸腾）管内沸腾） 蒸汽锅炉、蒸汽锅炉、 做饭、各种工艺过程的蒸发器做饭、各种工艺过程的蒸发器1 生活中的例子生活中的例子2、分类、分类河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 饱和沸腾：饱和沸腾： 液体主体温度为液体主体温度为t tf f = =t ts s， 而壁面温度而壁面温度 t tw w t tf f= =t ts s 过冷沸腾：过冷沸腾： 液体主体温度低于液体主体温度低于t tf f t ts s则则t tw w t

46、ts s t tf f液体主体温度是否达到饱和温度来分：液体主体温度是否达到饱和温度来分：河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花一、大容器饱和沸腾的规律曲线一、大容器饱和沸腾的规律曲线 qminqmax四个相关区域：随着壁面过热度四个相关区域：随着壁面过热度 的增高，会有四个换热的增高，会有四个换热规律全然不同的区域，一个为自然对流区，三个为饱和沸腾区。以规律全然不同的区域，一个为自然对流区，三个为饱和沸腾区。以水在水在1个大气压下的饱和沸腾为例：个大气压下的饱和沸腾为例： 自然

47、对流区：自然对流区： 壁面过热度小时（壁面过热度小时（ t 4）沸腾尚未开始，）沸腾尚未开始，换热规律服从单相自换热规律服从单相自然对流规律；然对流规律；h1000w/m2k4t tq wsttt 常压下水的饱和沸腾的典型曲线常压下水的饱和沸腾的典型曲线 图图7-14（P315)河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花(2) 核态沸腾区：核态沸腾区：从起始沸腾点开始，在加热面的某些特定点上从起始沸腾点开始，在加热面的某些特定点上（汽化核心汽化核心）产生汽泡。开始阶段，汽化核心产）产

48、生汽泡。开始阶段，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区孤立汽泡区。4 10t tq 随着随着t进一步增加，汽化核进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并心增加，汽泡互相影响，并会合成汽块及汽柱。核态沸会合成汽块及汽柱。核态沸腾又称腾又称泡状沸腾泡状沸腾。特点是温。特点是温差小，换热强，一般工业应差小，换热强，一般工业应用都设计在这个范围。这个用都设计在这个范围。这个区域的终点是热流密度的峰区域的终点是热流密度的峰值点（值点（qmax）。）。10 40t maxtqq 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年

49、年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 (3) 过渡沸腾：从峰值点进一步提高过渡沸腾：从峰值点进一步提高t t， 热流密度不仅不升高，反而越来越降低。热流密度不仅不升高，反而越来越降低。 v这是因为汽泡产生的速度这是因为汽泡产生的速度大于它脱离加热面的速度，大于它脱离加热面的速度，汽泡汇聚覆盖在加热面上，汽泡汇聚覆盖在加热面上，传热过程只依靠蒸汽的导热传热过程只依靠蒸汽的导热和辐射，因而传热恶化。这和辐射，因而传热恶化。这种情况持续到最低热流密度种情况持续到最低热流密度qmin为止。过渡过程很不稳为止。过渡过程很不稳定。定。40 200t mintqq 河海大学常州校区热

50、能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花(4) 稳定膜态沸腾：从稳定膜态沸腾：从qmin起换热规律再次发生起换热规律再次发生转折。这时随着转折。这时随着tw的提高，辐射换热量占据的的提高，辐射换热量占据的比例越来越大，所以比例越来越大，所以q随随t的增加而增加。的增加而增加。200t maxtqq 加热面形成蒸气膜层，蒸气有规则的排离加热面形成蒸气膜层，蒸气有规则的排离河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时55

51、55分分 杨祥花杨祥花二、临界热流密度及其工程意义二、临界热流密度及其工程意义 实验上，上述热流密度的峰值有重大意义，称为实验上，上述热流密度的峰值有重大意义，称为临界热流密度临界热流密度（CHFCHF，Critical Heat FluxCritical Heat Flux之缩写）。之缩写）。 对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，一旦热流密度对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，一旦热流密度越过峰值，工况将沿越过峰值，工况将沿q qmaxmax虚线跳至稳态膜态沸腾线，虚线跳至稳态膜态沸腾线， t t猛升至猛升至10001000，可能导致设备烧毁。，可能导致设备烧毁。CHFCHF故又

52、称故又称烧毁点烧毁点。 在烧毁点附近比在烧毁点附近比q qmaxmax热流密度略小有个热流密度略小有个q q上升缓慢的核态沸腾的上升缓慢的核态沸腾的转折点转折点DNB(Departure from Nuclear Boiling)DNB(Departure from Nuclear Boiling)，它可以作为监，它可以作为监视接近视接近q qmaxmax的警戒。的警戒。水约为水约为 52max11.6 10qW m河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花沸腾换热沸腾换热河海大学常

53、州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 产生气泡的点被称为汽化核心，普遍认为壁面上的凹坑和产生气泡的点被称为汽化核心，普遍认为壁面上的凹坑和细缝裂穴易残留气体，是最好的汽化核心。细缝裂穴易残留气体，是最好的汽化核心。1 1、为什么沸腾传热有那样高的传热强度？、为什么沸腾传热有那样高的传热强度？ 主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引起的各种扰动所造成的。起的各种扰动所造成的。2 2、加热表面上什么地点最容易形成汽化核心？、加热表面上什么

54、地点最容易形成汽化核心？ 处于狭缝中的液体所受到的加热影响要多；处于狭缝中的液体所受到的加热影响要多；狭缝中的气体易成为气泡核心狭缝中的气体易成为气泡核心三、汽泡动力学简介三、汽泡动力学简介河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花22lRPPR 3 3、加热表面上要产生气泡液体必须过热、加热表面上要产生气泡液体必须过热 流体中形成的汽泡，必须与液体处于力平衡和热平衡。流体中形成的汽泡，必须与液体处于力平衡和热平衡。由于汽泡表面张力的作用，使其内压大于外压由于汽泡表面张力的作用，使其

55、内压大于外压 ，根据力平，根据力平衡条件：衡条件：若忽略液柱静压力，若忽略液柱静压力，p pl l则等于沸腾系统的环境压力，即则等于沸腾系统的环境压力，即近似于近似于 （饱和温度下的液体压力）（饱和温度下的液体压力）N/N/。slpp 河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花2sRpplvtt汽泡外的液体是过热的，其过热度为：。贴壁处液体汽泡外的液体是过热的，其过热度为：。贴壁处液体具有最大过热度。则壁面凹处最先能满足具有最大过热度。则壁面凹处最先能满足汽泡生成的汽泡生成的条件：条

56、件：lsttwstt产生半径为产生半径为R R的气泡所需的气泡所需过热度过热度由热平衡可知：汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温度，界由热平衡可知：汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温度，界面内外温度相等，则。面内外温度相等，则。sss,VllVVpppppptt因为且 = =？（7-15）河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 克劳修斯克劳修斯克拉贝隆方程式：饱和曲线上压强随温度的克拉贝隆方程式：饱和曲线上压强随温度的变化率与饱和状态各参数间的关系式：变化率与饱和状态各参数间的关系式：

57、)( sTrdTdp)(vlslvTr当沸腾远离临界点时：当沸腾远离临界点时：vlsvTrdTdpsvsvsvlvsvttppttppTr据据7-15式：式：2sRpp得：得：SsvvsvTttrppR)(22河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花 所以：所以：RrTttTvSsl2SsvvsvTttrppR)(22lvtt(7-16)更正P319公式7-16河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日222

58、2时时5555分分 杨祥花杨祥花可见，可见， (t(tw w t ts s ) ) , R , Rminmin 同一加热面同一加热面上，成为汽化核心的凹穴数量增加上，成为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核汽化核心数增加心数增加 换热增强换热增强讨论：讨论：若汽泡半径若汽泡半径R 内外压差，则汽泡内蒸汽凝内外压差，则汽泡内蒸汽凝结，汽泡不能形成。结，汽泡不能形成。若汽泡半径若汽泡半径RR时，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。时，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。2sRppRrTttTvSsl2河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5

59、 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花一、大容器饱和一、大容器饱和核态沸腾核态沸腾条件：液体条件：液体 tsp ， wstt7-5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花1、大容器饱和核态沸腾、大容器饱和核态沸腾罗森诺公式（气泡高度扰动形成强制对流换热）罗森诺公式（气泡高度扰动形成强制对流换热）0.33Pr()plswllllvctqCrrg加热加热表面表面-液体液体组合情况的经验常数，组合情况的经验常数，表表7-1说明

60、：说明：1）适合各种液体）适合各种液体 ，定性温度：定性温度：ts2）实际上亦为准则方程，见）实际上亦为准则方程，见 有关叙述有关叙述3）沸腾换热的准则方程与实际偏差程度很大）沸腾换热的准则方程与实际偏差程度很大 计算误差计算误差 33%100%，误差比较见误差比较见Re特征速度特征速度特征长度特征长度Ja（7-17） p321图图7-18河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7月月5 5日日2222时时5555分分 杨祥花杨祥花7河海大学常州校区热能与动力工程系河海大学常州校区热能与动力工程系传热学传热学20212021年年7 7