第七章凝结与沸腾换热

第七章凝结与沸腾换热第一节凝结换热第二节沸腾换热第三节热管第一节凝结换热一、概述1.定义：蒸汽与低于相应压力下饱和温度的冷壁面接触，在冷壁面上发生蒸汽变成液体的现象。2.凝结形式：依凝结液体依附于壁面型式不同，有膜状凝结与珠状凝结两种。①膜状凝结：凝结液能很好地润湿壁面，形成完整的液膜向下流动。

a.形成机理：

冷壁对凝液的吸附力>凝液的表面张力

b.换热机理：

液膜往往成为主要热阻。

换热与液膜厚薄、运动状态等有关。壁液膜蒸汽第一节凝结换热a.以壁面上微小凹坑为核化点：

先形成较小液珠，再逐渐长大。

凝结主要在液珠外进行。

潜热以导热和对流通过液珠。

认为：F2>>F1b.另一模式认为：先形成液膜，后断裂成水珠。换热主要在断裂的裸壁处。

实验表明：

h珠状比h膜状大5～10倍。F1F2核化点过冷蒸汽内循环一、概述2.凝结形式②珠状凝结：凝液形成一个个液珠。其形成与换热机理为：第一节凝结换热二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结）1>.假设：①竖壁tw均匀，且贴壁凝液液温也为tw，汽液交界上液温为ts；②蒸汽处于静止状态，对凝液运动不产生任何影响；③凝结液处于层流状态；④忽略凝液运动时的加速度；⑤凝液物性参数为常数；⑥忽略膜内对流换热及沿液膜纵向的导热，即液膜的换热是纯导热，其温度分布呈线性；⑦凝结蒸汽为纯净蒸汽；⑧蒸汽密度v凝结液体密度。第一节凝结换热二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结）yxdxtuutwts+d+di/·Mi//·dMabcdydy第一节凝结换热式中：dp/dx为液膜在x向的压力梯度，可按y=处液膜表面蒸汽压力梯度来算，若将上述动量方程用于蒸汽时，由于u汽=0，故有：dp/dx=g<2>

据假设④，忽略加速度，则动量式中左项为0，将<2>代入：二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结）2>.局部对流换热系数的导出由动量方程：据假设⑧，忽略，上式变为：第一节凝结换热<4>式说明作用于微元体上的力只有粘滞力和重力，且两力平衡，据前述假设此方程的边界条件为：y=0，u=0y=，du/dy=0

解微分方程，即得液膜的速度分布：二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结）2>.局部对流换热系数的导出微元体热量应守恒，设微元体宽1M，沿x处流入的凝液质量：在dx距离内的增量为：第一节凝结换热设单位质量纯蒸汽的焓为i//，饱和液体的焓为i/，则由汽至液的潜热r=i//-i/，据热平衡：a+b=c+d，代入整理有：（i//-i/）dM=（t/y）w·dx<8>

因液膜只有纯导热，在x处相当于平壁，故其温度分布为：t=tw+（ts-tw）y/<9>二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结）2>.局部对流换热系数的导出将上式积分得：将<7>、<9>代入<8>得：第一节凝结换热二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结）2>.局部对流换热系数的导出据牛顿冷却公式及傅里叶定律：hx（ts-tw）dx=（ts-tw）/（x）·dxhx=/（x）将（x）代入得：设竖壁高为l，则理论上平均换热系数为：上式即为努谢尔特推出的理论平均换热系数计算式。第一节凝结换热二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结）3>.实用关系式上式结果与实验相较，实验h值比上式计算值高20%左右，故在实际使用时，将系数0.943修改成1.13。对于水平放置的圆管外壁的凝结换热，若以外径d定型，其h为：上列各表中定性温度均为：tm=（ts+tw）/2对于竖放管外壁凝结换热，其计算可用竖壁公式计算，此时定型尺寸为管长l，故只要管子不是很短，横放时管外凝结表面的换热系数将高于竖放，如当l/d=50时，h横>2h竖，故冷凝设计多用横管。第一节凝结换热

式中：um为壁底部液膜断面平均流速

de为壁底部液膜断面当量直径如图：润湿周边U=L，f=L·，则有：

de=4f/L=4umLl二、膜状凝结换热2.凝结液膜雷诺数Rec及凝结准则Co1>.凝结液膜雷诺数RecM=um为单位时间单位宽度通过断面的凝液量，单位为：kg/s·m。另据：h（ts-tw）l=rM可得另一形式：第一节凝结换热二、膜状凝结换热2.凝结液膜雷诺数Rec及凝结准则Co1>.凝结液膜雷诺数Rec

对于横管，用d代替l，得横管的Rec为：2>.凝结准则Co定义：凝结准则也可写成：上式中：Ga=gl3/2为伽利略（Galileo）准则，于是凝结换热也可写成准则方程式的形式。第一节凝结换热二、膜状凝结换热3.层流膜状凝结换热准则关联式

如式7-1c、7-2b、7-5b、7-6等4.紊流膜状凝结换热5.水平管（横管）内凝结换热6.水平管束管外平均表面换热系数①当管排间距小时，上排管凝液的流下会使下排管液膜增厚，而导致换热系数下降，若管排数为n，此时用nd作定型尺寸，代入式7-2，即得全管束平均换热系数hn，当n>25时，仍取n=25，即n>25后全管束平均换热系数不变。②若管排间距大，上排凝液下落时会对下排管产生一定的撞击和飞溅，增加了对凝液膜的扰动，使换热增强，此时实际的hn值比上述计算要大。其规律还有待探索。第一节凝结换热三、影响膜状凝结的因素及增强换热的措施1.影响因素1>.不凝气体2>.蒸汽流速：①当蒸汽流向与液膜流向相反时，→↑→h↓；②当蒸汽流向与液膜流向相同时，→↓→h↑；③无论两者方向相同相反，均增加对液膜的扰动→h↑。3>.表面粗糙度4>.蒸气含油5>.过热蒸汽2.增强凝结换热的措施

改变表面几何特征、有效地排除不凝气体、速排凝液、促进凝结向珠状凝结转化等。第二节沸腾换热一、沸腾分类大空间沸腾：指加热壁面被沉浸在无宏观流速的液体表面（自由表面）下所发生的沸腾。有限空间沸腾（管内沸腾、受迫对流沸腾等）：液体在压差作用下以一定的速度流过加热管（或其它形状通道）内部时，在管内表面上发生的沸腾。另根据液温与壁温的关系可分为：

过冷沸腾：通常tw>ts，而tl<ts，目前研究不充分。

饱和沸腾：tw>ts，且tl>ts，从壁面产生的气泡不再被凝结。通常有三种基本的沸腾状态：

①自然对流沸腾：只有少量气泡产生；②泡态沸腾（核沸腾）：大量产生气泡；③膜态沸腾：壁与液体间产生气体隔膜。第二节沸腾换热二、大空间沸腾换热1.沸腾曲线（沸腾与温差的关系）lgq温差△t=tw-ts℃0.12.210552505505000ABCDEF自然对流泡态（核沸腾）过渡态膜态沸腾abc“烧毁点”烧毁q=h·△t第二节沸腾换热R2（pv-pl）=2Rpv-pl=2/R因一般≠0，故有：pv>pl≈ps得到：tv>tl≈ts另据热平衡必须有：tv=tl，此时气泡既不长大也不缩小。而据力的平衡必须tv>ts，则tl>ts说明在泡态沸腾时液体应处于过热状态，称△t=tl-ts为过热度，它是沸腾的推动力。pstspvtvpltlps≈plpvplRR2（pv-pl）2R二、大空间沸腾换热2.泡态沸腾1>.气泡动力学简介①气泡的生存条件力的平衡有：第二节沸腾换热显然，液体的过热度在壁面上具有最大值，故上式表示的具有最小气泡直径的气泡只可能出现在壁面上。在一定的沸腾压力和过热度下，半径小于Rmin的气泡是无法生存的，因它们不具备前述使气泡保持热、力平衡的条件。二、大空间沸腾换热2.泡态沸腾1>.气泡动力学简介①气泡的生存条件据克拉贝隆-克劳修斯方程等可得到能生存的最小气泡直径：第二节沸腾换热二、大空间沸腾换热2.泡态沸腾1>.气泡动力学简介②气泡的形成和浮升

加热面具有最大的过热度，气泡常在加热面“气化核心”处生成，且“气化核心”常是表面凹缝处，因此处生成气泡所需的表面功最小。因液体的过热，液体和壁面的热量不断地输入，使汽=液界面上的液体不断蒸发，使气泡长大。随浮力的加大而浮升，最后冲破液面与气相汇合。在泡态沸腾中，气泡不断产生、长大、脱离，冷流体不断冲刷壁面，使液体处于剧烈扰动状态，此时其h比单相流h大。第二节沸腾换热二、大空间沸腾换热2.泡态沸腾2>.泡态沸腾的换热系数计算

常见的计算式为式7-11，12。注意：

此时材料的表面状况（如划痕等）对沸腾换热影响很大。3>.泡态沸腾换热的增强主要措施有：在壁面用烧结化覆盖一层多孔铜或多孔铝，能使换热系数提高十倍以上。另外还有采用挤压、打磨等方法使表面变粗糙等办法来提高换热系数。第二节沸腾换热三、管内沸腾（有限空间沸腾）换热简介

换热一般经历：单相流体对流换热→过冷沸腾→泡态沸腾→液膜对流沸腾→单相换热（湿蒸汽换热→过热蒸汽换热）

流动一般经历：液相单相流→泡状流→块状流→环状流→气相单相流。第三节热管热管的构