第七章相变传热7-1

第七章

相变对流传热§7-1凝结传热的模式一、两种凝结形式膜状凝结与珠状凝结（1）形成原因：湿润壁面的形式不同：取决于液体对壁面的附着力和液体的表面张力。当附着力>表面张力:膜状凝结当附着力<表面张力:珠状凝结（2）传热特点※膜状凝结，凝结潜热需要通过液膜传递给壁面（对于水蒸气h可达到6x103~6x104);※珠状凝结，存在着与蒸气直接接触的壁面（对于水蒸气h可达到4x104~4x105);※流动特征的影响；※膜状凝结稳定，容易形成；珠状凝结不稳定，难以持久；(1)膜状凝结

定义：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，称膜状凝结。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g(2)珠状凝结

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一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。

特点：凝结放出的潜热可不须穿过液膜的热阻即可传到冷却壁面上。所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。g§7-2膜状凝结分析解及关联式

一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解1916年，努塞尔首先提出了纯净蒸气层流膜状凝结的分析解。应用边界层理论及其流动传热的微分方程；并认为液膜层的导热热阻是主要热阻。1.均匀壁温竖直表面上的层流膜状凝结做如下8个假定：1）常物性；2）蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞力即；3）液膜的惯性力忽略(动量方程中的惯性力项可忽略)；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，而无对流；6）液膜的过冷度忽略（凝液的焓值为饱和温度时的焓值，不考虑显热传热）7）忽略蒸气密度（）；8）液膜表面平整无波动。2.物理模型的建立及边界层微分方程组的简化在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为：下脚标

l表示液相假定（3）假定（5）假定（7）假定（2）假定（4）假定（1）隐含了假定（8）隐含了假定（6）后用边界条件：将以上方程积分两次，并代入边界条件得：通过l处宽为1m的横截面凝结液体的质量流量为：3.方程组求解及结果：微元dx上的质量增量：微元dx的能量守恒方程：假定（6）将以上方程积分得：(1)液膜厚度定性温度：注意：r

按ts

确定(2)局部表面传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

确定中的V表示竖壁。对于与水平轴的倾斜角为的倾斜壁，可将上式中的

改为即可应用于倾斜壁面。二.竖直管与水平管的比较及实验验证1.对于水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时，其平均表面传热系数为：水平管：球体表面：定性温度：注意：r

按ts

确定对于各种流体和实验值的误差在10%以内。2.水平管与竖管的对流换热系数之比：水平管：竖管（可当做竖壁）：横管与竖管的对流换热系数之比：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：3.实验验证三.湍流膜状凝结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。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。如图由热平衡所以（一定流量凝液凝结潜热全部由对流传热传给壁面）流态判断（实验证明）：

（1）膜层雷诺数Re=1600时，液膜由层流转变为紊流；

（2）横管均在层流范围内，因为管径较小。紊流特征

:对于紊流液膜，热量的传递：（1）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（2）层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊流液膜换热大于层流液膜换热。无波动层流有波动层流湍流计算方法：对于竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的平均表面传热系数式中：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为竖壁的总高度利用上面处理方式，整理的整个壁面的凝结换热实验关联式：式中：，伽利略数。除用壁温计算外，其余物理量的定性温度均为称为凝结准则式7-3：式7-4：式7-7：根据：及可改写层流凝结换热公式：例题7-1：一台卧式蒸汽热水器，黄铜管外径d=16mm，表面温度tw=60℃，水蒸气饱和温度ts=140℃。（1）求单管的凝结表面传热系数；（2）热水器垂直列上共有12根管，求凝结表面传热系数。解：ts=140℃时，潜热r=2144.1kJ/kg

（代入公式时必须乘1000）;

由液膜平均温度查水的物性数据：单管（式7-4）：管排：不需要判断流态（横管都在层流）例题7-2：外径50mm管子垂直放置，ts=120℃的干饱和蒸气在管外凝结，管长l=3m，tw=100℃，求凝液膜流态转变为湍流时的高度xc及该管全长平均表面传热系数、传热量及凝结蒸气量。解：ts=120℃时，潜热r=2202kJ/kg;

由液膜平均温度查水的物性数据：Re=1600时：可见凝结液膜既有层流又有湍流！采用课本7-12式：由公式要求的定性温度查水的物性数据：假定Re，然后校核：假定Re=3015；用Re计算公式直接计算hv1=6570W/(m2K)计算Nu=28735.77，再计算

时的也可假定Hv，然校核！传热量：凝结蒸气量：其中hv=6570W/(m2K)课本例题7-1自学§7-3影响膜状凝结的因素及传热强化

一.膜状凝结的影响因素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。2.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。可用nd代替7-4式中的d进行计算，但计算值是偏保守的。1.不凝结气体

不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使得液膜外蒸气分压力下降，饱和温度下降，减小了凝结的驱动力。

3.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。6.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.过热蒸气要考虑过热蒸气与饱和液的焓差，以代替r。4.蒸气流速

流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大。流动方向相反时，阻滞液膜的流动，使得液膜变厚使，减小。7.表面粗糙度

在低雷诺数时，凝液容易积存于粗糙壁面上，从而使液膜增厚，表面传热系数可低于光滑壁30%左右。当Re>140后，表面传热系数又高于光滑壁，类似于粗糙壁对单相流体对流换热的影响。8.蒸气含油如果油不溶于凝液，油可沉积在壁面上形成油垢，增加热阻。

二.凝结传热的强化原则和技术强化凝结换热的原则：1.尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度；2.及时将壁面上的凝结液排走。措施和技术：1.在工艺允许的情况下，对于立管可减小管的高度；改立管为竖管；改变表面几何特征，主要是在壁面上开沟槽，拉丝等。可以使表面传热系数成倍增加，原理：表面张力使得凝液在尖峰处变薄。2.加速凝液的排除，用导流装置、使用离心力、低频振荡和静电吸引等方法。3.有效排除不凝气体。4.采用能形成珠状凝结的表面，在壁面上涂镀凝