凝结与沸腾换热学习教案

1、会计学1凝结凝结(nngji)与沸腾换热与沸腾换热第一页，共38页。2第五章我们分析了无相变的对流换热，包括第五章我们分析了无相变的对流换热，包括(boku)强制对流强制对流换热和自然对流换热换热和自然对流换热下面下面(xi mian)我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相我们即将遇到的是有相变的对流换热，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。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，工程上也只能助于经验单相对流换热更复杂，因此，目前，

2、工程上也只能助于经验公式和实验公式和实验(shyn)关联式。关联式。第1页/共37页第二页，共38页。36-1 6-1 凝结凝结(nngji)(nngji)换热换热凝结换热的关键点凝结换热的关键点凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的因素会分析会分析(fnx)(fnx)竖壁和横管的换热过程，及竖壁和横管的换热过程，及NusseltNusselt膜状凝结理论膜状凝结

3、理论凝结换热实例凝结换热实例 锅炉中的水冷壁锅炉中的水冷壁 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花 许多许多(xdu)其他的工业应用过程其他的工业应用过程第2页/共37页第三页，共38页。4凝结换热中的重要参数凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和蒸汽的饱和(boh)(boh)温度与壁面温度之差（温度与壁面温度之差（ts - twts - tw） 汽化潜热汽化潜热 r r 特征尺度特征尺度 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 数、比热容等数、比热容等第3页/共37页第四页，共38页。51 凝结凝结(nngji)过过程程 膜状凝结膜状凝结沿整个壁面形成一

4、层薄膜，并且在重沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响接影响(yngxing)了热量传递。了热量传递。珠状凝结珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率因此，换热速率(sl)远大于膜状凝结（可能大几倍远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级），甚至一个数量级）gswttgswtt第4页/共37页第五页，共

5、38页。6虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持(boch)，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，因，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结此，教材中只简单介绍了膜状凝结2 2 纯净纯净(chnjng)(chnjng)饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年，年，Nusselt提出的简单提出的简单(jindn)膜状凝结换热分析是近代膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自膜状凝结理论和传热分析的基础。自1916年

6、以来，各种修正或发年以来，各种修正或发展都是针对展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成了各种分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解实用的计算方法。所以，我们首先得了解Nusselt对纯净饱和蒸对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。汽膜状凝结换热的分析。假定假定：1）常物性；）常物性；2）蒸气静止；）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略；）液膜的惯性力忽略；4）气）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度线性分布，）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略；）液

7、膜的过冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度；）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动）液膜表面平整无波动第5页/共37页第六页，共38页。7g)(xm t(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layersswtt 微元控制体边界层微分方程边界层微分方程(wi fn fn chn)组：组：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下脚下脚(xi jio)标标 l 表示表示液相液相x第6页/共37页第七页，共38页。8考虑考虑(kol)（3）液膜的惯性力）液膜的惯性力忽略忽略 2222)(0ytaytvxtuyugdx

8、dpyuvxuuyvxullll0)(yuvxuul考虑考虑(kol)(kol)（5 5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热膜内温度线性分布，即热量转移只有导热 考虑（考虑（7 7）忽）忽略蒸汽密度略蒸汽密度0dxdp0ytvxtu002222ytayuglll只有只有(zhyu)u (zhyu)u 和和 t t 两个未知两个未知量，于是，上面得方程组化简量，于是，上面得方程组化简为：为：第7页/共37页第八页，共38页。9边界条件：边界条件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0时，时，1/ 4llsw2l4(tt )xgr 求解求解(qi ji)上面方程可上面方程可得：得：(1)

9、(1) 液膜厚度液膜厚度(hud)(hud)定性定性(dng xng)温温度：度：2wsmttt注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定第8页/共37页第九页，共38页。10(2) (2) 局部对流局部对流(duli)(duli)换换热系数热系数1 / 423llxlswgrh4( tt)x sw( tttC )整个整个(zhngg)竖壁的平均表面传热系数竖壁的平均表面传热系数1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) (3) (3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结(nngji)(nngji)换热得到强换热得到

10、强 化，因此，实验值比上述得理论值高化，因此，实验值比上述得理论值高2020左右左右1/ 423llVlswgrh1.13l(tt ) 修正后：修正后：定性温度：定性温度：2wsmttt注意：注意：r 按按 ts 确定确定第9页/共37页第十页，共38页。111)(wspttcrJa时，惯性力项和液膜过冷度时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。的影响均可忽略。对于倾斜壁，则用对于倾斜壁，则用 gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g g 即可即可另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的研究，如当研究，如当 并且，并且，

11、1Pr (4) (4) 水平水平(shupng)(shupng)圆管圆管努塞尔的理论分析可推广努塞尔的理论分析可推广(tugung)到水平圆管及球表面上到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结的层流膜状凝结1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 式中：下标式中：下标(xi bio)“ H ”(xi bio)“ H ”表示水平管，表示水平管，“ S ”“ S ”表示球表示球; d ; d 为水为水 平管或球的直径。平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同定性温度与前面的公式相同第10页/共37页第十一页，共38页。12横管与竖管的对流

12、横管与竖管的对流(duli)换热系数之比：换热系数之比：4177.0dlhhVgHg3 3 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凝结液体流动也分层流和湍流(tunli)(tunli)，并且其判断依据仍然时并且其判断依据仍然时ReRe，elduRe式中：式中： ul ul 为为 x = l x = l 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当量为该截面处液膜层的当量(dngling)(dngling)直径。直径。第11页/共37页第十二页，共38页。13ecd4A / P4b

13、/ b4lml4u4qReswmlh(tt )lrqsw4hl( tt)Rerrl并且横管一般都处于层流并且横管一般都处于层流(cn li)状状态态第12页/共37页第十三页，共38页。144 4 湍流湍流(tunli)(tunli)膜状凝结换热膜状凝结换热液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横管因直径较小，实。横管因直径较小，实践上均在层流范围。践上均在层流范围。对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层(d cn)仍依靠导热来传递热量仍依靠导热来传递热量外，层流底层外，层流底层(d cn)之外以湍流传递为主，换热大

14、为增强之外以湍流传递为主，换热大为增强对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面(biomin)传热传热系数计算式为：系数计算式为：ccltxxhhh1ll式中：式中：hl 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数；为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度第13页/共37页第十四页，共38页。151 / 31 / 41 / 23 / 4wssReNuGaPr58 Pr(Re253 )9200Pr利用上面利用上面(shng min)思想，整理的

15、实验关联式思想，整理的实验关联式：式中：式中： 。除。除 用壁温用壁温 计算外，其余物理量的定性温度均为计算外，其余物理量的定性温度均为N uhl /;32Gagl/wPrwtst。第14页/共37页第十五页，共38页。16ht 。2. 2. 蒸气流速蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面流速较高时，蒸气流对液膜表面(biomin)(biomin)产生模型的粘产生模型的粘滞应力。滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 减小。减小。h第15页/共37页第十六页，共38页。17rpswrr0.68c (

16、tt) 3. 3. 过热蒸气过热蒸气(zhn q)(zhn q) 要考虑过热蒸气要考虑过热蒸气(zhn q)(zhn q)与饱和液的焓与饱和液的焓差。差。第16页/共37页第十七页，共38页。18第17页/共37页第十八页，共38页。19第18页/共37页第十九页，共38页。206-4 沸腾沸腾(fitng)换热现象换热现象 蒸汽锅炉蒸汽锅炉 做饭做饭 许多其它的工业许多其它的工业(gngy)过程过程1 生活生活(shnghu)中的例子中的例子定义定义：a 沸腾：沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程化过程 b 沸腾

17、换热：沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式热方式3 分类分类沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器沸腾沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。和饱和沸腾。第19页/共37页第二十页，共38页。21a 大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；所发生的沸腾；b 强制强制(qingzh)对流沸腾：强制对流沸腾：强制(qingzh)对流沸腾对

18、流沸腾加热加热(ji r)表面表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow第20页/共37页第二十一页，共38页。224 汽泡动力学简介汽泡动力学简介 (1) 汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心汽化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如

19、图所示。残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。c 过冷沸腾：指液体主流尚未达到过冷沸腾：指液体主流尚未达到(d do)饱和温度，即处于过饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾d 饱和沸腾：液体主体温度达到饱和沸腾：液体主体温度达到(d do)饱和温度，而壁面温度饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾我们这本书仅介绍大容器的饱和我们这本书仅介绍大容器的饱和(boh)沸腾沸腾第21页/共37页第二十二页，共38页。23(2) 汽泡的存在条件汽泡的存在条件 汽泡半径汽泡半

20、径R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活(cn hu)(克拉贝龙方程克拉贝龙方程)(2minswvsttrTRR式中：式中： 表面张力，表面张力，N/m；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度，C ts 对应压力下的饱和对应压力下的饱和(boh)温度，温度， C可见，可见， (tw ts ) , Rmin 同一加热面上，称为汽化核同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强第22页/共37页第二十三页，共38页。245 大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过

21、程，共包大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括括4个换热规律不同的阶段个换热规律不同的阶段(jidun)：自然对流、核态沸腾、过渡沸：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：腾和稳定膜态沸腾，如图所示：qmaxqmin第23页/共37页第二十四页，共38页。25几点说明：几点说明：（1）上述热流密度的峰值）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界热流密度，亦称有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视作为监视(jinsh)接近接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都的警

22、戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。非常重要。（2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。热系数比凝结小得多。第24页/共37页第二十五页，共38页。266-5 沸腾沸腾(fitng)换热计算式换热计算式沸腾换热也是对流沸腾换热也是对流(duli)换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即适用，即thtthqsw)(但对于沸腾换热的但对于沸腾换热的h h却又许多却又许多(xdu)(xdu)不同的计算公式不同的计算公式1 大容器饱和核态沸腾大容

23、器饱和核态沸腾 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。第25页/共37页第二十六页，共38页。27为此，书中分别推荐了两个为此，书中分别推荐了两个(lin )计算式计算式（1）对于水的大容器饱

24、和核态沸腾，教材推荐适用米海）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：耶夫公式，压力范围：1054106 Pa5 .033.21ptCh)(122. 033. 35 . 01KNmWC按按 thq15.07 .02pqCh )(533. 015. 03 . 03 . 02KNmWC第26页/共37页第二十七页，共38页。28（2）罗森诺公式）罗森诺公式广泛适用广泛适用(shyng)的强制对流换热公式的强制对流换热公式既然沸腾换热也属于对流换热，那么，既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr )也应该适也应该适用用(shyng)。罗森诺正是在这种

25、思路下，通过大量实验得出了如。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：下实验关联式：slwlCStPrRe33. 01式中，式中， r 汽化潜热；汽化潜热； Cpl 饱和液体的比定压热容饱和液体的比定压热容 g 重力加速度重力加速度 l 饱和液体的动力粘度饱和液体的动力粘度 Cwl 取决于加热表面取决于加热表面(biomin)液体液体 组合情况的经验常数组合情况的经验常数(表表6) q 沸腾传热的热流密度沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水经验指数，水s = 1,否则，否则，s=1.7tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPr第27页/共37页第二十八页，

26、共38页。29上式可以上式可以(ky)改写为：改写为：321Pr)(slwlplvllrCtCgrq可见，可见， ，因此，尽管有时上述计算公式得到的，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验与实验值的偏差高达值的偏差高达100，但已知，但已知q计算计算 时，则可以将偏差缩小时，则可以将偏差缩小到到33。这一点在辐射换热更为明显。计算时必须。这一点在辐射换热更为明显。计算时必须(bx)谨慎谨慎处理热流密度。处理热流密度。3tqt2 大容器大容器(rngq)沸腾的临界热流密度沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：书中推荐适用如下经验公式：4121max)(24vlvgrq第28页/共37页第

27、二十九页，共38页。303 大容器膜态沸腾大容器膜态沸腾(fitng)的关联式的关联式（1）横管）横管(hn un)的膜态沸腾的膜态沸腾413)()(62.0swvvvlvttdgrh式中，除了式中，除了r 和和 l 的值由饱和温度的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平均决定外，其余物性均以平均温度温度 tm ( twts ) / 2 为定性温度，特征长度为管子外径为定性温度，特征长度为管子外径(wi jn)d, 如果加热表面为球面，则上式中的系数如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为改为0.67第29页/共37页第三十页，共38页。31勃洛姆来建议采用勃洛姆来建议采用(ciyn

28、g)如下超越方程来计算：如下超越方程来计算：343434rchhhswswrTTTTh)(44其中其中(qzhng)：（2）考虑）考虑(kol)热辐射作用热辐射作用由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。热辐射效应。第30页/共37页第三十一页，共38页。326-6 6-6 影响沸腾影响沸腾

29、(fitng)(fitng)换换热的因素热的因素沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器由于我们只学习了大容器(rngq)沸腾换热，因此，影响因素也沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器只针对大容器(rngq)沸腾换热。沸腾换热。1 不凝结不凝结(nngji)气体气体 对膜状凝结对膜状凝结(nngji)换热的影响？换热的影响？与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化某种程度的强化2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影

30、响饱和沸腾，因自然对流换热时，只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时， ，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。nfwtth)(第31页/共37页第三十二页，共38页。333 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够当传热表面上的液位足够(zgu)高时，沸腾换热表高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明值时，表面传热系数会明显地随液显地随液 位的降低而升高位的降低而升高(临界液位临界液位)。图中介质图中介质(jizh)为一个为一个 大气压大气压下的水下的水4 重力加速度重力加速度 随着航空航

31、天技术的发展，随着航空航天技术的发展， 超重力和微重力条件下的超重力和微重力条件下的 传热规律得到蓬勃发展，传热规律得到蓬勃发展， 但目前还远没到成熟但目前还远没到成熟(chngsh)的地的地 步，就现有的成果表明：步，就现有的成果表明：第32页/共37页第三十三页，共38页。34 从从0.1 1009.8 m/s2 的范围内，的范围内，g对核态沸腾换热规律对核态沸腾换热规律(gul)没有影响，但对自然对流换热有影响，由于没有影响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，因此，g Nu 换热加强。换热加强。23tlgGrnCNuPr)(Re5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：(1) 用用烧结、钎焊烧结、钎焊(qin hn)、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。段在换热表面上形成多孔结构。(2) 机械加工方法。机械加工方法