传热学-第六章凝结与沸腾换热课件

传热学-第六章凝结与沸腾换热传热学-第六章凝结与沸腾换热第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热下面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。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公式和实验关联式。2第七章相变对流传热第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和§7-1凝结传热的模式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影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论凝结换热实例汽轮机中的凝汽器寒冷冬天窗户上的冰花许多其他的工业应用过程3第七章相变对流传热§7-1凝结传热的模式凝结换热的关键点凝结换热实例3第七章凝结换热中的重要参数蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）汽化潜热r特征尺度其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等4第七章相变对流传热凝结换热中的重要参数4第七章相变对流传热1凝结过程

膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。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，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）gg5第七章相变对流传热1凝结过程膜状凝结珠状凝结gg5第七章相变对流传热接触角小则液体润湿能力强，液体会铺展在壁面上6第七章相变对流传热接触角小则液体润湿能力强，液体会铺展在壁面上6第七章相变对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，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7第七章相变对流传热虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持膜状凝结是工程设计的依据几乎所有的常用蒸气，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结在大多数工业冷凝器中，特别是动力冷凝器上，实际上都得到膜状凝结从设计的观点出发，为了保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据8第七章相变对流传热膜状凝结是工程设计的依据几乎所有的常用蒸气，在纯净的条件下均§7-2膜状凝结分析解及计算关联式1纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年，Nusselt提出的简单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1916年以来，各种修正或发展都是针对Nusselt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Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动9第七章相变对流传热§7-2膜状凝结分析解及计算关联式1纯净饱和蒸汽层流膜gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体边界层微分方程组：对应于p.211页(5-15)，(5-16)，(5-17)下脚标l表示液相x10第七章相变对流传热gt(y)u(y)Thermalboundarylaye考虑（3）液膜的惯性力忽略

考虑（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热考虑（7）忽略蒸汽密度只有u和t两个未知量，于是，上面得方程组化简为：11第七章相变对流传热考虑（3）液膜的惯性力忽略边界条件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性温度：注意：r按ts确定12第七章相变对流传热边界条件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性温度：注意：(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数定性温度：注意：r按ts确定13第七章相变对流传热(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数定性温度：(3)修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右修正后：14第七章相变对流传热(3)修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强修正时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。对于倾斜壁，则用gsin代替以上各式中的g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研究，如当并且，(4)水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结式中：下标“H”表示水平管，“S”表示球;d为水平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同15第七章相变对流传热时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。对于倾斜壁，则用g横管与竖管的对流换热系数之比：3边界层内的流态无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时Re，式中：ul

为x=l处液膜层的平均流速；de为该截面处液膜层的当量直径。16第七章相变对流传热横管与竖管的对流换热系数之比：3边界层内的流态无波动层流如图由热平衡所以对水平管，用代替上式中的即可。并且横管一般都处于层流状态17第七章相变对流传热如图并且横管一般都处于层流状态17第七章相变对流传热4湍流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1600。横管因直径较小，实践上均在层流范围。对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层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传热系数计算式为：式中：hl

为层流段的传热系数；

ht

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

l

为竖壁的总高度18第七章相变对流传热4湍流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利用上面思想，整理的实验关联式：式中：。除用壁温

计算外，其余物理量的定性温度均为19第七章相变对流传热利用上面思想，整理的实验关联式：式中：§7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化

工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。1.不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力2.蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使减小。20第七章相变对流传热§7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化工程实际中所发

4.液膜过冷度及温度分布的非线性

如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的，5.管子排数管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。3.过热蒸气

要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。21第七章相变对流传热4.液膜过冷度及温度分布的非线性3.过热蒸气21第

6.管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大。

蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。

流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。22第七章相变对流传热6.管内冷凝22第七章相变对流传热7.凝结表面的几何形状强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。23第七章相变对流传热7.凝结表面的几何形状23第七章相变对流传热§7-4沸腾传热的模式

蒸汽锅炉做饭许多其它的工业过程1生活中的例子定义：

a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化过程

b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热方式3分类：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)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。24第七章相变对流传热§7-4沸腾传热的模式蒸汽锅炉1生活中的例子定义：a

大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；b强制对流沸腾：强制对流＋沸腾加热表面HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow25第七章相变对流传热a大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液4汽泡动力学简介

(1)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，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，如图所示。c过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾d饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾我们这本书仅介绍大容器的饱和沸腾26第七章相变对流传热4汽泡动力学简介c过冷沸腾：指液体主流尚未达到(2)汽泡的存在条件上式给出了对于半径为R的汽泡所必需的压力差，即液体的过热度27第七章相变对流传热(2)汽泡的存在条件上式给出了对于半径为R的汽泡所必需的压汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)式中：—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面温度，Cts—对应压力下的饱和温度，C可见，(tw–ts),Rmin同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强28第七章相变对流传热汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)式中：5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4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：qmaxqmin29第七章相变对流传热5大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共几点说明：（1）上述热流密度的峰值qmax有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近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，所以换热系数比凝结小得多。30第七章相变对流传热几点说明：30第七章相变对流传热§7-5沸腾换热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式1大容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。31第七章相变对流传热§7-5沸腾换热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛为此，书中分别推荐了两个计算式（1）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：105～4106Pa按

32第七章相变对流传热为此，书中分别推荐了两个计算式按（2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)也应该适用。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：式中，r—汽化潜热；Cpl—饱和液体的比定压热容g—重力加速度

l—饱和液体的动力粘度Cwl—取决于加热表面－液体组合情况的经验常数(表6)q—沸腾传热的热流密度s—经验指数，水s=1,否则，s=1.733第七章相变对流传热（2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式既然沸腾换热也上式可以改写为：可见，，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算时，则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热时更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。2大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：34第七章相变对流传热上式可以改写为：可见，，因此3大容器膜态沸腾的关联式（1）横管的膜态沸腾式中，除了r和l的值由饱和温度ts决定外，其余物性均以平均温度tm＝(tw＋ts)/2为定性温度，特征长度为管子外径d,如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为0.6735第七章相变对流传热3大容器膜态沸腾的关联式（1）横管的膜态沸腾式中，除了r勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：（2）考虑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，必须综合考虑热辐射效应。36第七章相变对流传热勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：（2）考虑热辐射作§7-6影响沸腾换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，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。1不凝结气体

对膜状凝结换热的影响？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某种程度的强化2过冷度只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，，因此，过冷会强化换热。37第七章相变对流传热§7-6影响沸腾换热的因素沸腾换热是我们学过的换热现象中最3液位高度当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位)。图中介质为一个大气压下的水4重力加速度

随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明：38第七章相变对流传热3液位高度图中介质为一个大气压下的水4重力加速度3从0.1~1009.8m/s2的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于因此，gNu换热加强。39第七章相变对流传热从0.1~1009.8m/s2的范围内，g对有一定过冷度的水纯蒸汽hlB过冷沸腾泡状流A对流换热单相流4.管内强迫沸腾（以竖直管内水的上升流为例）如图：设沿管长均匀加热，管道进口处为具有一定过冷度的水，出口为纯蒸汽，则在全管长内其换热工况可分为下列几区：

A、单相液体对流换热区：水进入管道后被加热，∵壁温及接近壁面的液体温度较低，没有达到产生汽泡的温度，∴此区属单相对流换热。且（tw－t液）基本保持不变。

B、局部过冷沸腾：∵主流tf<ts，但tw＞tS∴在壁面附近的某些地方具备气泡形成的条件，产生数量有限的气泡。随tw增加，汽泡跃离壁面上升到主流，进入泡状流期。∴hB>hA∵主流液体具有过冷度，汽泡上升到主流后会凝结，破灭。（属过冷沸腾）

40第七章相变对流传热有一定过冷度的水纯蒸汽hlB过冷沸腾泡状流A对流换热单相流B过冷沸腾泡状流A对流换热单相流有一定过冷度的水纯蒸汽hlD液膜对流沸腾环状流C核态沸腾块状流C、核态沸腾区：

tf=ts，壁面的汽泡不再凝结而是弥散在主流中，与液体均匀混合在一起向中运动，形成典型的泡状流。

当两相流流体的速度和热流密度不太高，面汽泡数量增加时，汽泡在运动中将相互合并以致成为一些较大的弹状汽泡，形成弹状流（块状流）。hc能在保持较高水平下，略有增长。D、液膜对流沸腾区：随着加热的持续，两相流中含汽率不断上升，汽泡逐渐集中到流道中心的高速流动区。当速度和含汽量达到某极限值时，大汽块在管中心合并成汽芯，把流体挤到壁面形成环状液膜，称“环状流”。泡态沸腾受抑制，但δ膜较薄，膜内对流换热系数大大增强。∴hD稍稍大于hC41第七章相变对流传热B过冷沸腾泡状流A对流换热单相流有一定过冷度的水纯蒸汽hlDD液膜对流沸腾环状流C核态沸腾块状流B过冷沸腾泡状流A对流换热单相流有一定过冷度的水纯蒸汽hl单相流E湿蒸汽换热F过热蒸汽换热E、湿蒸汽换热区

随着环状液膜受热蒸发，液膜的汽液界面上的液体剧烈蒸发由于液膜很薄，蒸发过程又十分剧烈，∴附着在壁面上的环形液膜将逐渐减薄，直到最后消失。换热状态恶化，h大大下降。hE<<hD

F、过热蒸汽换热区

薄膜消失称为“蒸干”。（准确讲：气流中所有夹带的液滴全部蒸发，x=1。）当气流受壁面加热后，温度继续上升，成为过热蒸汽。它与壁面间完全转化为单相气流对流。∵∆Tw↓，辐射换热↑∴hF>hE

说明：管内气液形成环状流后，随受热δ膜↓，使δ膜消失。会导致湿蒸汽直接与壁面接触。由于换热状态恶化，会使壁温猛升，造成对安全的威胁！！42第七章相变对流传热D液膜对流沸腾环状流C核态沸腾块状流B过冷沸腾泡状流A对流换强化沸腾传热的原则和技术无论大容器沸腾还是管内沸腾，在加热面上产生汽泡是其共同的特点，也是使对流传热比无相变的传热强烈的最基本原因强化沸腾传热的基本原则是尽量增加加热面上的汽化核心近几十年来强化沸腾传热表面的开发主要是按照这一思想进行的43第七章相变对流传热强化沸腾传热的原则和技术无论大容器沸腾还是管内沸腾，在加热面强化大容器沸腾的表面结构（1）用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学的方法在传热表面上造成一层多孔结构（2）采用机械加工方法在传热管表面上造成多孔结构44第七章相变对流传热强化大容器沸腾的表面结构（1）用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉强化管内沸腾的表面结构为了防止管内沸腾蒸干区域管壁温度的飞升，电站锅炉广泛采用内螺纹钢管；微肋管广泛应用于制冷剂的管内沸腾45第七章相变对流传热强化管内沸腾的表面结构45第七章相变对流传热46第七章相变对流传热46第七章相变对流传热本章小结本章叙述了凝结和沸腾换热的机理、影响因素及其计算方法。学习本章的基本要求是了解凝结换热的Nusselt理论解；理解主要影响因素及掌握凝结换热关联式的应用；理解沸腾换热机理，沸腾曲线；了解主要影响因素及沸腾换热的计算方法凝结换热。分膜状与珠状凝结。工业设备运行中主要是层流膜状凝结。本节阐述了层流膜状凝结理论解的假定条件，由动量微分方程推导了液膜的速度场，从而得到层流膜状凝结的分析解，要充分理解其思想方法。并介绍了层流膜状凝结的实验关联式。还分析了蒸汽速度、不凝气体等因素的影响及增强凝结换热的基本途径47第七章相变对流传热本章小结本章叙述了凝结和沸腾换热的机理、影响因素及其计算方法本章小结沸腾换热。沸腾现象是非常复杂的两相传热问题。本节着重介绍了沸腾换热机理、大空间饱和沸腾曲线、管内沸腾的特点及大空间核态沸腾的计算公式，并介绍了影响沸腾换热的因素及增强沸腾换热的主要措施48第七章相变对流传热本章小结沸腾换热。沸腾现象是非常复杂的两相传热问题。本节着重思考题：1.膜状凝结和珠状凝结的概念.2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法.在这个推导方法中最基本的假设是什么?4.对于单根管子,有那些因素影响层流膜状凝结换热?它们起什么作用?5.对于实际凝结换热器,有那些方法可以提高膜状凝结换热系数?6.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域?有那些特性点?各个区域在换热原理上有何特点?7.气化核心的概念.沸腾气泡产生的物理条件.8.画出水的池内饱和沸腾曲线.掌握特性点的基本数值范围.49第七章相变对流传热思考题：49第七章相变对流传热传热学-第六章凝结与沸腾换热传热学-第六章凝结与沸腾换热第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热下面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。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公式和实验关联式。51第七章相变对流传热第五章和第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和§7-1凝结传热的模式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影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论凝结换热实例汽轮机中的凝汽器寒冷冬天窗户上的冰花许多其他的工业应用过程52第七章相变对流传热§7-1凝结传热的模式凝结换热的关键点凝结换热实例3第七章凝结换热中的重要参数蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）汽化潜热r特征尺度其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等53第七章相变对流传热凝结换热中的重要参数4第七章相变对流传热1凝结过程

膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。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，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）gg54第七章相变对流传热1凝结过程膜状凝结珠状凝结gg5第七章相变对流传热接触角小则液体润湿能力强，液体会铺展在壁面上55第七章相变对流传热接触角小则液体润湿能力强，液体会铺展在壁面上6第七章相变对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，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56第七章相变对流传热虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持膜状凝结是工程设计的依据几乎所有的常用蒸气，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结在大多数工业冷凝器中，特别是动力冷凝器上，实际上都得到膜状凝结从设计的观点出发，为了保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据57第七章相变对流传热膜状凝结是工程设计的依据几乎所有的常用蒸气，在纯净的条件下均§7-2膜状凝结分析解及计算关联式1纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年，Nusselt提出的简单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1916年以来，各种修正或发展都是针对Nusselt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Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动58第七章相变对流传热§7-2膜状凝结分析解及计算关联式1纯净饱和蒸汽层流膜gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体边界层微分方程组：对应于p.211页(5-15)，(5-16)，(5-17)下脚标l表示液相x59第七章相变对流传热gt(y)u(y)Thermalboundarylaye考虑（3）液膜的惯性力忽略

考虑（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热考虑（7）忽略蒸汽密度只有u和t两个未知量，于是，上面得方程组化简为：60第七章相变对流传热考虑（3）液膜的惯性力忽略边界条件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性温度：注意：r按ts确定61第七章相变对流传热边界条件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性温度：注意：(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数定性温度：注意：r按ts确定62第七章相变对流传热(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数定性温度：(3)修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右修正后：63第七章相变对流传热(3)修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强修正时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。对于倾斜壁，则用gsin代替以上各式中的g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研究，如当并且，(4)水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结式中：下标“H”表示水平管，“S”表示球;d为水平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同64第七章相变对流传热时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。对于倾斜壁，则用g横管与竖管的对流换热系数之比：3边界层内的流态无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时Re，式中：ul

为x=l处液膜层的平均流速；de为该截面处液膜层的当量直径。65第七章相变对流传热横管与竖管的对流换热系数之比：3边界层内的流态无波动层流如图由热平衡所以对水平管，用代替上式中的即可。并且横管一般都处于层流状态66第七章相变对流传热如图并且横管一般都处于层流状态17第七章相变对流传热4湍流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1600。横管因直径较小，实践上均在层流范围。对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层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传热系数计算式为：式中：hl

为层流段的传热系数；

ht

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

l

为竖壁的总高度67第七章相变对流传热4湍流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利用上面思想，整理的实验关联式：式中：。除用壁温

计算外，其余物理量的定性温度均为68第七章相变对流传热利用上面思想，整理的实验关联式：式中：§7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化

工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。1.不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力2.蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使减小。69第七章相变对流传热§7-3膜状凝结的影响因素及其传热强化工程实际中所发

4.液膜过冷度及温度分布的非线性

如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的，5.管子排数管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。3.过热蒸气

要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。70第七章相变对流传热4.液膜过冷度及温度分布的非线性3.过热蒸气21第

6.管内冷凝此时换热与蒸气的流速关系很大。

蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。

流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。71第七章相变对流传热6.管内冷凝22第七章相变对流传热7.凝结表面的几何形状强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。72第七章相变对流传热7.凝结表面的几何形状23第七章相变对流传热§7-4沸腾传热的模式

蒸汽锅炉做饭许多其它的工业过程1生活中的例子定义：

a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化过程

b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热方式3分类：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)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。73第七章相变对流传热§7-4沸腾传热的模式蒸汽锅炉1生活中的例子定义：a

大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；b强制对流沸腾：强制对流＋沸腾加热表面HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow74第七章相变对流传热a大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液4汽泡动力学简介

(1)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，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，如图所示。c过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾d饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾我们这本书仅介绍大容器的饱和沸腾75第七章相变对流传热4汽泡动力学简介c过冷沸腾：指液体主流尚未达到(2)汽泡的存在条件上式给出了对于半径为R的汽泡所必需的压力差，即液体的过热度76第七章相变对流传热(2)汽泡的存在条件上式给出了对于半径为R的汽泡所必需的压汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)式中：—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面温度，Cts—对应压力下的饱和温度，C可见，(tw–ts),Rmin同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强77第七章相变对流传热汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)式中：5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4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：qmaxqmin78第七章相变对流传热5大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共几点说明：（1）上述热流密度的峰值qmax有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近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，所以换热系数比凝结小得多。79第七章相变对流传热几点说明：30第七章相变对流传热§7-5沸腾换热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式1大容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。80第七章相变对流传热§7-5沸腾换热计算式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛为此，书中分别推荐了两个计算式（1）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：105～4106Pa按

81第七章相变对流传热为此，书中分别推荐了两个计算式按（2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)也应该适用。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：式中，r—汽化潜热；Cpl—饱和液体的比定压热容g—重力加速度

l—饱和液体的动力粘度Cwl—取决于加热表面－液体组合情况的经验常数(表6)q—沸腾传热的热流密度s—经验指数，水s=1,否则，s=1.782第七章相变对流传热（2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式既然沸腾换热也上式可以改写为：可见，，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算时，则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热时更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。2大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：83第七章相变对流传热上式可以改写为：可见，，因此3大容器膜态沸腾的关联式（1）横管的膜态沸腾式中，除了r和l的值由饱和温度ts决定外，其余物性均以平均温度tm＝(tw＋ts)/2为定性温度，特征长度为管子外径d,如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为0.6784第七章相变对流传热3大容器膜态沸腾的关联式（1）横管的膜态沸腾式中，除了r勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：（2）考虑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，必须综合考虑热辐射效应。85第七章相变对流传热勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：（2）考虑热辐射作§7-6影响沸腾换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，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。1不凝结气体

对膜状凝结换热的影响？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某种程度的强化2过冷度只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，，因此，过冷会强化换热。86第七章相变对流传热§7-6影响沸腾换热的因素沸腾换热是我们学过的换热现象中最3液位高度当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位)。图中介质为一个大气压下的水4重力加速度

随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明：87第七章相变对流传热3液位高度图中介质为一个大气压下的水4重力加速度3从0.1~1009.8m/s2的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于因此，gNu换热加强。88第七章相变对流传热从0.1~1009.8m/s2的范围内，g对有一定过冷度的水纯蒸汽hlB过冷沸腾泡状流A对流换热单相流4.管内强迫沸腾（以竖直管内水的上升流为例）如图：设沿管长均匀加热，管道进口处为具有一定过冷度的水，出口为纯蒸汽，则在全管长内其换热工况可分为下列几区：

A、单相液体对流换热区：水进入管道后被加热，∵壁温及接近壁面的液体温度较低，没有达到产生汽泡的温度，∴此区属单相对流换热。且（tw－t液）基本保持不变。

B、局部过冷沸腾：∵主流tf<ts，但tw＞tS∴在壁面附近的某些地方具备气泡形成的条件，产生数量有限的气泡。随tw增加，汽泡跃离壁面上升到主流，进入泡状流期。∴hB>hA∵主流液体具有过冷度，汽泡上升到主流后会凝结，破灭。（属过冷沸腾）

89第七章相变对流传热有一定过冷度的水纯蒸汽hlB过冷沸腾泡状流A对流换热单相流B过冷沸腾泡状