第七章—凝结和沸腾换热

1、第七章一凝结和沸腾换热 / 16第七章凝结与沸腾换热(Condensation and Boiling Heat Transfe)本章重点： 凝结与沸腾换热机理及其特点；大空间饱和核态沸腾及临界热流密度。第一节凝结换热现象(condensation heat transfer phenomena1-1基本概念凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度(saturated temperature)的壁面接触时，蒸气会在壁面上凝结成液体 并向壁面放出凝结潜热，这种现象称为凝结换热现象。有两种凝结形式。凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种：膜状凝结(film-wise condensation)定义

2、：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式。特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热(潜热)须穿过液膜才能传到冷却壁面 上,此时液膜成为主要的换热热阻。珠状凝结(drop-wise condensation )定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成小液珠的凝结形式。特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。问：在其它条件相同时，珠状凝结和膜状凝结，哪个换热系数高？为什么？答：实验证明，同种蒸气珠状凝结时的表面传热系数比膜状凝结的高一个数量级。例如，大气压下水蒸气珠状凝结时的表面传热系数约为4 104 105W/(m2 K)，膜状凝结约为342

3、6 10 10 W/(m K)。珠状凝凝结中，蒸汽与壁面直接接触，而膜状凝结时，蒸汽要通过凝结液膜与壁面传热，所以珠状凝结比膜状凝结的换热系数高。如图，B小则液体湿润能力强，就会铺展开来。一般情况下，工业冷凝器，形成膜状凝 结，珠状凝结的形成比较困难且不持久。3、凝结产生的条件：固体壁面温度tw必须低于蒸气的饱和温度ts，即卩tw：ts 01-2膜状凝结一、层流膜状凝结分析解努谢尔抓住液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻，忽略次要因素，从理论上揭示 了有关物理参数对凝结换热的影响。努谢尔特在理论分析中作了若干合理假设，这些假设是：纯净蒸汽层流液膜；常物性；汽液界面无温差；（即界面上液膜温度等

4、于饱和温度，t. =ts = 界面上只发生凝结 换热而无对流换热和辐射换热）；蒸气静止的。（即汽液界面上蒸汽对液膜表面无粘滞应力，即i巴=o ；丿 y液膜很薄且流动速度很慢，液膜的惯性力可以忽略；（简化了动量方程）忽略液膜本身吸液，凝结液通过导热全部传给壁面，且膜内温度分布是线性的；（简化了能量方程，若不忽略，则相当于负内热源， 则温度就不是线性分布）忽略液膜的过冷度，即凝结液的焓为饱和液体的焓；相对于凝结液密度，蒸汽密度可以忽略；液膜表面平整无波动。努谢尔特微分方程组理论解的求解方法求解的基本思路先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度 S在内的流速u及温度t分布的表达式；再利用dx 一段距

5、离上凝结液体的质量平衡关系取得液膜厚度的表达式；最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律求出表面传 热系数的表达式推导过程略，课后自学求解结果:膜层内速度分布:h 7-1y22膜层内温度分布：t =tw (ts -tw)丄6在y =0.范围内，通过x处断面1m宽壁面的凝结液膜的质量流量为:kg /s凝结液膜的厚度为:1_ 4片駅x (ts tw) I4表面传热系数：1一 P2 g r 2314局部表面传热系数：hx =1 g4片 x (ts tw) 一1一 P2 ,g，r J3 卩高为I的竖壁，壁面平均表面传热系数为：h = 0.943 |L-g屮 I (ts tw) _以上两式为竖壁液膜层流

6、时膜状凝结局部及平均表面传热系数的努谢尔特理论计算式。如果对于与水平面夹角为d的倾斜壁，只需将上式中的g该为gsinr即可。对于水平圆管外壁的膜状凝结，努谢尔特推出的平均表面传热系数的理论计算式为：1 .?2 g r 34h=0.725|式中，d 外径，定型尺寸。气 d (ts -tw) 一以上式中，潜热r按蒸汽饱和温度ts确定；t +t其它物性参数取膜层平均温度为定性温度，垢二上。2注意：水平管与竖壁的平均表面传热系数的计算式有两点不同：特性尺度：水平管用外径d，竖壁用壁的高度I ;两式系数不同。1在其他条件相同时，水平管与竖壁的平均换热系数的比值为：吐管=0.77Ifh竖壁id .丿当l/

7、d 2.85时，h7水平管“竖壁。一般管子的长度和外径的比大于 2.85,所以管子水平放第七章一凝结和沸腾换热 / 16第七章一凝结和沸腾换热ii / 16置时的凝结表面传热系数将大于竖放。例如：当 l/d =50时，在相同条件下，水平管的平均表面传热系数是垂直管的2倍多（按层流分析），所以，冷凝器通常都采用水平管的布置方案。、层流膜状凝结换热准则关联式层流膜状凝结换热准则关联式中所用的准则是：凝结液膜雷诺数Rec及凝结准则Co。1.凝结液膜雷诺数Rec: Re。二de Um de式中，Um 壁的底部x=l处液膜断面平均流速，m/sd e 该膜层断面的当量直径，m经推导（过程略），得Rec的另

8、一种形式为:Rec 二4h l (ts -tw)竖壁上尼擁液膜的质St嶽it式中，对于水平管管外凝结时，要用二d代替l 。2.凝结准则Co : Co二h二 Nu GaGa二雪一伽利略准则将层流膜状凝结的壁平均表面传热系数表示为准则关联式为:垂直壁理论解：Co =1.47 Rec 3水平管理论解：Co =1.51Rec 33.理论解与实验结果的比较分析对于水平圆管、横管：实验数据与理论解相符。对于竖壁:Rec : 30时，实验数据与理论解相符;（在层流向紊流转折点处,Rec 30时，实验数据越来越高于理论解，最高大于20%原因是膜层表面波动的结果），所以，应对理论解进行修正。工程上，把理论解的系

9、数增加20%,以此作为垂直壁层流膜凝结换热的实用计算式，即:hTFm或 Co=1.76Rec3流态的判别对垂直壁，液膜流态由层流转变为紊流的转变点为：Rec =1800对于水平管，凝结液从管壁两侧向下流，层流到紊流的转变点为：Rec =3600 o三、紊流膜状凝结换热实验证明：膜层雷诺数Rec 1800时，垂直壁液膜流态为紊流 ； 横管因直径较小，实践上均在层流范围内。紊流膜状凝结的特征 靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量； 层流底层以外的紊流层以紊流传递热量为主。因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。计算方法对于底部已达到紊流状态的竖壁凝结换热，整个壁面分成层流段和紊流段，沿整个壁面

10、 上的平均表面传热系数按下式计算：h=h 午 m1 -牛）式中，Xc 由层流转变为紊流的临界高度；hi 层流段的平均表面传热系数;ht 紊流段的平均表面传热系数。垂直壁紊流液膜段的平均表面传热系数的准则关联式为:CoRe0 50 758750 +58Pr （Re；253）四、水平管内凝结换热蒸汽在水平管内部凝结时，换热与蒸汽的流速有关：h较大；（计算公式1 当蒸汽流速低时，凝结液主要积聚在管子下部，蒸汽位于上部,见课本）2当流速增大时，凝结液则分布于管子周围，形成环状流动，而中心则为蒸汽核，随着 流动的进行，液膜厚度不断增厚以致凝结完时占据整个截面，h急剧下降。五、水平管束外平均表面传热系数自

11、学1-3影响膜状凝结的因素及增强换热的措施一、影响因素上节讨论了理想条件下饱和蒸汽膜状凝结换热的计算， 但在工程中不是如此理想的条件， 它受很多复杂因素的影响，主要有以下几个方面：1、蒸汽流速努谢尔特的理论分析，忽略了流速的影响。因此，其结论只适于流速较低的场合。当蒸 汽流速高时（水蒸汽 10m /s ），蒸汽流对液膜表面会产生明显的粘滞应力。其影响程度与 蒸汽流向与重力场方向及流速大小是否撕破液膜有关。若流动方向与液膜重力场一致，使液 膜拉薄，h增加；若流动方向与液膜重力场相反，则阻滞液膜流动，使其增厚，h下降。2、不凝结气体来源：蒸汽带入，蒸汽分解，负压条件下系统漏入，系统生成（液体与金属

12、不相容性）蒸汽中含有不凝结气体，如空气，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分有害的影响。女口：水蒸汽中质量含量占1%的空气能使h下降60%。影响换热的原因： 在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结，蒸汽分压力下降，而不凝结气体的分压力上升，液体在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过积聚在界面附近的不凝结气 体层。因此，它的存在增加了传递过程（凝结）的阻力。 蒸汽分压力的下降，使相应的饱和温度下降，则减小了凝结的驱动力=ts-tw，也使凝结过程削弱。3、表面粗糙度当凝结雷诺数较低时，凝结液易于积存在粗糙的壁上，使液膜增厚，表面传热系数低于 光滑壁的。4、蒸汽含油如果油不溶于凝结液，则油可能

13、沉积在壁上形成油垢，增加了热阻，降低换热效果。5、过热蒸汽前述是针对饱和蒸汽的，对于过热蒸汽，应进行修正，只须用过热蒸汽与饱和液的焓差 代替式中的潜热即可。、增强凝结换热的措施强化膜状凝结换热的基本原则：尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜厚度。（从加速凝结液的排泄，形成珠状凝结入手）主要措施有：1、改变凝结壁面的几何特征：主要指在壁面上开沟槽。其增强换热的机理为：利用凝结液的表面张力把凝结液拉到沟槽内，并顺沟槽迅速排走，而在凸起的脊部流 下的液膜非常薄。于是脊部就具有较高的表面传热系数，沟槽低部传热系数虽较低，但总的 算起来，平均表面传热系数仍大大超过光管。 注意：不能发生因凝液过多造成的“溢流”

14、现象。凸起的脊部起肋片的作用，增加了换热面积。2、有效地排除不凝气体应使设备正压运行，对于负压运行的设备，应加抽气装置。3、加速凝结液的排出使液膜在下流过程中分段排泄或采用加速排泄法。4、在表面形成珠状凝结思考题：1 试比较竖壁上自然对流与膜状凝结的异同。答： 都是竖壁表面与流体的换热，自然对流主要作用力是浮升力和粘滞力，膜状凝结主要是重力和粘滞力。 都存在层流和紊流两种流态，其中自然对流是气体的流态；膜状凝结指的是液膜中凝 结液的流动状态。2有人说：在其他条件相同的情况下，水平管外的凝结换热系数一定比竖直管强烈，这 一说法一定成立吗？答：这一说法不一定成立，要看管的长径比。为什么水平管外凝结

15、换热只介绍层流的准则式？答：因为换热管径通常较小，水平管外凝结换热一般在层流范围。第二节沸腾换热现象2-0沸腾换热的基本概念1、沸腾的定义液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。（液体表面和内部同时发生汽化）蒸发是发生在液体界面上的汽化现象，在任何温度下均可发生。2、沸腾换热由于液体沸腾而发生的加热面与液体的换热。（ 温度高于沸点的壁面与液体之间的换热过程）2、沸腾换热的特点 液体汽化吸收大量的汽化潜热； 由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。水沸腾时，h =60050000W/（m2 K）3、沸腾换热分类： 按照液

16、体所在的空间（液体是否做整体流动）分： 大空间沸腾（池内沸腾） 有限空间沸腾（受迫对流沸腾、管内沸腾）按照液体的主体温度是否达到饱和温度分：饱和沸腾，过冷沸腾4、产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：液体必须过热， 要有汽化核心。2-1大空间沸腾换热1、大空间沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾。（液体具有自由表面） 特点：产生的汽泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。2、饱和沸腾 （saturated boili ng）定义：液体主体温度达到饱和温度ts，壁面温度tw高于饱和温度ts所发生的沸腾。 特点：随着壁面过热度（氏二tw-ts）的增高，出现4

17、个换热规律全然不同的区域。3、过冷沸腾（subcooled boiling）指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾。、饱和沸腾过程和沸腾曲线第七章一凝结和沸腾换热4 6 101001000 2000两个概念： 沸腾温差：饱和沸腾时，壁温与饱和温度之差，也称过热度。（2）沸腾曲线（boiling curve）:沸腾时的热流密度q与沸腾温差4的关系曲线。思考题：将同样的两滴水分别滴在温度为120C和300C的锅面上，试问哪只锅上的水滴先被烧干？沸腾曲线如图所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度。从图中可以看出，随着沸腾温差4的变化，饱和沸腾个有四个

18、换热规律全然不同的区段： 对流沸腾、泡态沸腾（核态沸腾）、过渡沸腾及膜态沸腾。各区段的其特性如下：1、自然对流沸腾（free convection boiling （液面汽化段）图中的AB段。当.4较小时（小于4C），沸腾尚未开始，壁面上只是产生少量汽泡，且产 生的汽泡不能脱离壁面上浮，这时是被加热的液体向上浮升，形成自然对流，换热遵循单相 自然对流换热规律。液面发生表面蒸发，这时的沸腾称为自然对流沸腾。（液体的主体温度低 于相应压力下的饱和温度 ）2、核态沸腾（nucleate boiling）（泡态沸腾）图中的BC段，对应壁面过热度约430C。这是工程应用中最重要、最常见的沸腾形态。从B点

19、以后，随着t的增加，在加热面的一些特定点上产生越来越多的汽泡，这些点被 称为汽化核心。其特点是：开始阶段，汽化核心产生的汽泡 互不干扰，称为孤立汽泡区（厶t =4 8C）；这些汽泡在壁面上生 = 1 413 x !沁第七章一凝结和沸腾换热 / 16面，这个区称为相互影响区。由于汽化核心对换热起决定作用，所以称该段为核态沸腾(泡状沸腾)。在这个区段，大量的汽块脱离加热面带走汽化潜热，汽块的蒸发是主要的传热方式。同 时，汽块的快速脱离表面加剧了液体对加热面的冲刷作用，因而这一区域对流传热的强度很 大。随.vt= h ,q ，当：t增大到一定值时，对应于图中的C点，q增加到最大值qmax。C点称为沸

20、腾临界点，与之相应的t称为临界温度差.-：tc, qc =qmax称为临界热流密度(critical heat flux)。该段的特点是：温差小，换热强度大，工业设计中应用该段。3、过渡沸腾(transition boiling)图中的CD段。D点对应的温差约为120C。从C点以后，进一步提高4，热流密度不升反降。原因是：汽泡的生长速度大于汽泡跃 离加热面的速度，生成的汽泡太多，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，气膜阻 碍了液体与加热面的直接接触，使换热情况恶化。这种情况持续到D点，达到热流密度的最低值qmin为止，这一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定过程。4、膜态沸腾(fi

21、lm boiling)从D点以后，随着 t的上升，汽泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形 成稳定的蒸汽膜层，这时汽化使在气膜与液体的交界面上进行，产生的蒸汽有规律地脱离膜 层。此阶段称为稳定膜态沸腾。其特点： 汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；由于热表面的温度相当高，辐射的作用显现出来，随4的增加，热流密度重新转为上升。到E点，加热表面的温度已高达1000C以上，该点也对应临界热流密度 qc。在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热 量必须穿过热阻相对较小的液膜。注意：临界热流密度qc的物理意义对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备(电加热液体、炉

22、膛燃烧产物辐射加热水 冷壁中的水、核反应堆中燃料棒加热冷却水等)，当热流密度超过qc时会发生这样的现象：由于热流密度无法随过热度的增加而减少，工况将不再按沸腾曲线由C点向D点过度，而是由C点直接跳转到同一热流密度qc下的点E。这是非常危险的。从沸腾曲线可以看出，此时热流密度qc虽未增加，但从C点跳转到E点时，对传热面来讲，传热温差：t将从20C增加 到1000C，可能导致设备烧毁，所以必须严格控制监视q，确保在安全工作范围内。因此，也称qmax为烧毁点(因为q - qmax时，可能烧毁设备)。因此，在核态沸腾区引出转折点 DNB(departure from nucleate boili ng

23、)，作为监视接近qmax的警戒点。所以为了确保热力设备的安全运行，热流密度控制在应低于qmax。对制冷工质，虽然从C点跳到E点不会影响设备的安 全，但当q略小于qc时沸腾传热系数最大。因此，为了减小沸腾传热面，希望设计工况在C点附近。所以，对于制冷和空调工程，临界热流密度的研究也由很大的现实意义。对开始提出问题的回答：120C锅上的水滴先被烧干。因为在大气压下，锅表面的过热度 分别为20E和200E，由沸腾曲线可见，前者表面发生核态沸腾，后者发生膜态沸腾，前者的热流密度比后者要大许多、泡态沸腾机理需要弄清的问题：1、汽泡生成的条件；2、汽化核心、汽泡数量与沸腾温度的关系;3、沸腾过程热量传递的

24、途径；4、压力对泡态沸腾的影响。1、汽泡生成的条件託rm宾 z蒸气泡的力平衡如图所示，流体中形成的汽泡，它必须与周围液体处于力平衡和热平衡力的条件由于汽泡表面张力的作用，使其内压pv大于外压Pl，根据力平衡条件：二 R2 (pv - Pi) = 2- R则 Pv - Pi =该式为汽泡存在的条件。(汽泡既不长大，也不缩小)汽泡长大的条件：如果Pv 一p旨，则汽泡就能继续长大要产生汽泡必须有先天的汽化核心，使得初始汽泡的半径为某一有限值。（壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心）温度条件为了维持汽泡的热平衡，液体温度ti还必须等于汽泡内的饱和蒸汽温度tv，即tl二tv。（若 tl : tv，则汽泡将

25、被冷却而凝缩，直至消灭 ）若忽略液面高度，则Pl等于沸腾系统的环境压力，即Pl Ps。（相应压力下的饱和温度为ts） 因为汽泡生成时，要求P, . Pl，所以tv ts，即热平衡要求tl ts。二为了维持汽泡 的热平衡，液体必须存在过热度。（若汽泡在上升过程中，tl低于相应压力下的饱和温度，则汽泡将最终消灭，这就是所谓的过冷沸腾）2、汽化核心产生的条件少CT T壁面凹处最先能满足汽泡生成的条件：Rm.=- 旦r叮At若汽泡半径 R Rmin时，表面张力 内外压差，则汽泡内蒸汽凝结，汽泡不能形成。若汽泡半径R Rmin时，汽泡才能成长。由上式可解释两个现象：紧贴加热壁面处液体具有最大过热度，在这

26、里生成汽泡核所需的半径最小，由于壁面 上一般总有划痕、凹坑等，它们是生成汽泡核的最好地点。氏 =Rmin ，加热面上更小的凹缝将成为汽化核心，因而汽化核心数量将随壁 面过热度的增加而增加。3、热量传递的途径（热量如何由壁面传至汽泡）经由与壁面直接接触的汽泡表面传给汽泡；（汽泡在壁面上时）壁面一液体一汽泡表面一使液体在汽泡壁上汽化。（汽泡脱离壁面后。由于液体的导热 系数远大于蒸汽，所以这是传递的主要途径）汽泡脱离壁面时直径的大小与液体润湿壁面的能力有关。对于润湿能力强的液体，生成 的汽泡呈球形，附着于壁面的面积小，汽泡易脱离壁面，脱离直径也较小，传热量大；相反，润湿能力弱的液体，汽泡有较大的表面

27、积附着于壁面，汽泡不易脱离，脱离直径也较大，传 热量低。4、压强对沸腾换热的影响在际=手中，在一定氏下，：、r 7小中，只有匚随压强的变化最大。P，匚的增加值将超过Ts的增加和r的减小，结果是：使Rmin随P而减小。所以在一定的t下,随P ，能够生成的汽泡核更多，沸腾也加强。大空间泡态沸腾的临界热流密度可按下式估算：1 1qcv rg；(pi - Pv)4三、大空间泡态沸腾表面传热系数的计算由前可知，影响核态沸腾的因素主要是：壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状况、压力、物性的支配。由于影响因素较复杂，计算公式分歧较大，所以在此介绍两种情况：针对一种液体的计算公式；广泛适用于各种液体的计算式。1、适用于水的米海耶夫计算式在105406Pa压力下的大空间饱和沸腾计算式：0.70.152h=0.533q pW /(m K)q=h：t =h =0.122. ：t2.33p0.55W/(m2 K)其中h沸腾换热表面传热系数；p沸腾绝对压