第10章 相变换热

1、1相相 变变 换换 热热 10.1 沸腾换热沸腾换热10.2 凝结换热凝结换热10.3 相变传热的强化机理与措施相变传热的强化机理与措施2 沸腾和凝结换热占有极其重要的地位。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。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。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。段

2、，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表面传热系数可达104 105 W/(m2 K)以上，相应的热流密度以上，相应的热流密度接近接近106 W/m2。但有机介质和制冷剂相变时的传热远比水低。但有机介质和制冷剂相变时的传热远比水低得多。得多。 3 大空间沸腾大空间沸腾 或称或称 池沸腾池沸腾 10.1.1 沸腾换热曲线沸腾换热曲线 水在水在1 atm压力下的典型压力下的典型沸腾曲线沸腾曲线 核态沸腾核态沸腾：壁面温差：壁面温差 5 30（AC段）段） 核化点核化

3、点 热流密度的极值点热流密度的极值点C ，称，称 临界热流密度临界热流密度 点点C以后称为以后称为过渡沸腾区过渡沸腾区 点点D以后称为以后称为膜态沸腾膜态沸腾区区 4 多数沸腾加热设备以改变加热面多数沸腾加热设备以改变加热面的热流密度的热流密度qw作为基本调节手段，作为基本调节手段，如电加热、燃烧器或核反应堆均如电加热、燃烧器或核反应堆均如此。须特别注意热流密度绝不如此。须特别注意热流密度绝不可越过可越过qmax 。一旦越过，实际运。一旦越过，实际运行工况将瞬间跳到行工况将瞬间跳到E点，使加热点，使加热壁面迅速达到壁面迅速达到1 000 以上。以上。10.1.2 沸腾换热的计算关联式沸腾换热的

4、计算关联式 米海耶夫米海耶夫（ ）计算式）计算式 5 . 033. 24122. 0pth15. 07 . 05533. 0pqh 5 Cwl 为按照加热面材质与液体种类的组合选取的经验常数，为按照加热面材质与液体种类的组合选取的经验常数，Pr 数的幂指数数的幂指数n 分为两种情况，可从表分为两种情况，可从表101中查取中查取 罗森诺公式只能用于清洁表面罗森诺公式只能用于清洁表面 用该式估算热流密度时，最大的用该式估算热流密度时，最大的不确定度不确定度可能达到可能达到 100 罗森诺罗森诺（W.M. Rohsenow）计算式）计算式3w,2/1vw)(nlllpllrPrCtcgrq610.1

5、.3 影响沸腾换热的主要因素影响沸腾换热的主要因素 1液体的热物性液体的热物性 2加热表面的状况加热表面的状况 (1) 壁面材料的种类、热物理性质以及壁面厚度；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壁面的氧化、老化和污垢沉积状况 。 3液体的压力液体的压力 4其它因素其它因素: 包括不凝气体含量，加热表面的大小与空间包括不凝气体含量，加热表面的大小与空间方位以及液体的液位等方位以及液体的液位等 7 表面凝结表面凝结 膜状凝结膜状凝结 珠状凝结珠状凝结 凝结形态取决于凝结液的凝

6、结形态取决于凝结液的表面张力表面张力和它对和它对表面附着表面附着力力的相对大小的相对大小 810.2.1 竖壁层流膜状凝结理论解简介竖壁层流膜状凝结理论解简介 努塞尔努塞尔（W. Nusselt）理论解的基本假设：）理论解的基本假设： 单组分饱和纯净蒸汽单组分饱和纯净蒸汽 ; 常物性且温度均匀常物性且温度均匀 ; 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; 忽略液膜惯性力忽略液膜惯性力，相变在汽相变在汽 液交界面上液交界面上; 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热作用; 液膜

7、表面没有波动，忽略过冷度。液膜表面没有波动，忽略过冷度。 9层流膜状凝结理论解的结果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算术平均温度 tm ( tsat + tw ) / 2 取值。取值。 液膜必定过冷，罗森诺（液膜必定过冷，罗森诺（W M Rohsenow）提议把汽化潜）提议把汽化潜热改为热改为 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若蒸汽少量过热，把过热热量加入到汽化潜热中1/43v0satw()1d0.943()LlllLx

8、lgrhh xLttL 可以推广到可以推广到水平圆管水平圆管，甚至，甚至球体球体外表面外表面 常数常数C 对水平管等于对水平管等于0.729，对球体等于，对球体等于0.826 4/1wsatv3)()(dttrgChllll1010.2.2 凝结雷诺数和湍流膜状凝结换热凝结雷诺数和湍流膜状凝结换热 凝结液膜的雷诺数凝结液膜的雷诺数Rec lLmllllquduRe,memc44LmrqLtth.wsat)(lrLtthRe)(4wsatc11在在 Rec 30条件下，采用教材中式（条件下，采用教材中式（10-4）计算）计算12 竖壁湍流膜状凝结的竖壁湍流膜状凝结的拉奔索夫拉奔索夫（Labunt

9、sov） 关联式，用于关联式，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平均得出整个壁面的平均表面传热系数 。21/3c1.22c(/ )1.085.2llhgReRe30 Rec 1 800 )253(588750)/(75. 0c5 . 0c3/12RePrReghll 水平管束外表面的膜状凝结换热水平管束外表面的膜状凝结换热 仍采用教材中式仍采用教材中式(10-5)，只需将其中的特征尺寸，只需将其中的特征尺寸d 用用nd 代代替即可。替即可。1310.2.3 影响膜状凝结换热的其他

10、因素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、腐凝结表面的状况，包括形状、表面粗糙度和氧化、腐蚀、污染等蚀、污染等。14 强化沸腾换热的主要着眼点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。以及加热面上薄液膜的蒸发能力。 措施包括措施包括：整体粗糙表面、多孔表面、腐蚀表面、覆盖穿：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。孔箔或网状物、不润湿涂层以及采用复合材料等。 10.3.1 沸腾传热强化沸腾传热强化15(a) High-flux管剖面管剖面 (b) ECR 40管管 (c) ThermoexcelE管管 E管的纵剖面管的纵剖面一种机加工沸腾多孔表面的剖面一种机加工沸腾多孔表面的剖面1610.