传热学-7-凝结和沸腾传热课件

第七章凝结和沸腾传热1、重点内容：

①凝结与沸腾换热机理及其特点；②膜状凝结换热分析解及实验关联式；③大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3、了解内容：相变传热的强化措施。第七章凝结和沸腾传热相变换热的特点：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。相变对流传热凝结传热（气相变液相）沸腾传热（液相变气相）凝结传热：夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结沸腾传热：烧开水相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量7-1凝结传热凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。凝结传热产生的必要条件：gg膜状凝结珠状凝结7-1凝结传热珠状凝结珠状凝结的表面换热系数>>膜状凝结，但是一般无法长久保持。

2.55×1055000～250007-1凝结传热凝结换热的关键点（1）凝结可以膜状凝结和珠状凝结的形式发生；（2）冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻；（3）层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式；（4）影响膜状凝结换热的因素；（5）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7-1凝结传热凝结换热中的重要参数（1）蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）；（2）汽化潜热r；（3）特征尺度；（4）其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等7-1凝结传热一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）gg7-1凝结传热接触角小则液体润湿能力强，液体会铺展在壁面上。7-1凝结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7-1凝结传热二膜状凝结传热努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解：液体膜层的热阻为主要因素。基本假设：二维、稳态、常物性、层流；蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力；忽略惯性力，液膜的运动仅取决于重力和粘滞力；4.壁温tw＝const，汽液界面无温差tδ＝ts5.

液膜内部无对流而只有导热，温度分布为线性；6.忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热；7.蒸汽密度<<液体密度；8.液膜表面平整无波动。7-1凝结传热局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数修正：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：定性温度：注意：r

按ts

确定7-1凝结传热对于倾斜壁，则用gsin

代替以上各式中的g

即可。水平圆管式中：do为水平管或球的直径，定性温度与前面的公式相同。球表面水平管束7-1凝结传热三膜层中凝结液的流动状态无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动分层流和湍流，其判断依据仍然是Re。7-1凝结传热实验证明：

（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。对水平管，用代替上式中的H

即可。并且横管一般都处于层流状态。四影响膜状凝结的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。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∆t；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，h增大；反之使h减小。7-1凝结传热7-1凝结传热3.过热蒸气要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。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r，5.管子排数管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。6.凝结表面的几何形状

7-1凝结传热7.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。7-1凝结传热五凝结传热的强化（1）减薄液膜的厚度基于表面张力减薄液膜厚度（低肋管、锯齿管、微肋管）；增加顺液膜流动方向的蒸汽流速；水平放置单管或管束。（2）加速液膜的排出分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等。（3）减少不凝结气体

抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速。（4）凝结表面实现珠状凝结7-2沸腾传热沸腾：液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程。沸腾的特点：1）液体汽化吸收大量的汽化潜热；2）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。沸腾换热分类：

1）大容器沸腾（池内沸腾）；2）强制对流沸腾（管内沸腾）。上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾。特点：随着壁面过热度的增高，出现4个换热规律全然不同的区域。过冷沸腾：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换热。7-2沸腾传热7-2沸腾传热产生沸腾的条件：

理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：

1）液体必须过热；

2）要有汽化核心。一汽泡动力学简介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。7-2沸腾传热2汽泡的存在条件汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)可见，(tw–ts

),Rmin同一加热面上，汽化核心的凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强7-2沸腾传热二大容器沸腾1饱和沸腾曲线大容器沸腾：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾。特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。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。7-2沸腾传热7-2沸腾传热1）自然对流

当沸腾温差

比较小时（一般<5℃），加热面上只有少量汽泡产生，并且不脱离壁面，看不到明显的沸腾现象，热量传递主要靠液体的自然对流传递，因此可近似地按自然对流换热计算。7-2沸腾传热2）核态沸腾加热面上产生的汽泡迅速增多，在浮升力的作用下脱离加热面，进入液体。此时液体具有一定的过热度。由于加热面处液体的大量汽化以及液体被汽泡剧烈地扰动，换热非常强烈，热流密度q随⊿t

迅速增加，直至出现峰值qmax

，这一阶段为核态沸腾（或泡态沸腾）。

其汽泡的生成、长大及运动对换热起决定作用。核态沸腾的温差小（5℃<t<50℃）、换热强，在工业上被广泛应用。7-2沸腾传热3）临界点的沸腾当壁面过热度达到某一程度时，出现气泡来不及脱离加热面而连成不稳定的气膜，即从核态沸腾开始向膜态沸腾过渡。这时出现了临界点，其热流密度称为临界热负荷qc，也就是图中的qmax。7-2沸腾传热4）过渡沸腾从临界点继续提高沸腾温差

⊿t（>50℃）

，则热流密度

q不仅没有增加，反而迅速降低至一极小值qmin

。这是由于产生的汽泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易脱离，使换热条件恶化所致。这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱离壁面，其换热状态是不稳定的，这一阶段为过渡沸腾。7-2沸腾传热5）稳定膜态沸腾随着温差

⊿t的继续提高，加热面上开始形成一层稳定的汽膜，此时的汽化在汽液界面上进行，热量除了以导热和对流的方式从加热面通过汽膜传到汽液界面外，热辐射传热方式的作用也随着

温差的增加而加大，因此热流密度q也随之增大。此后的沸腾换热状态称为膜态沸腾。7-2沸腾传热工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能进入过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却下降，设备易烧毁。qmax

临界热流密度（烧毁点）设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点）沸腾换热：换热温差∆t

越大≠热流密度大沸腾换热的两种加热方式：（a）控制壁温（b）控制热流（大于qmax

时，工况沿虚线直接跳至稳定膜态沸腾，∆t

猛增到1000℃，需要避免）7-2沸腾传热三沸腾换热计算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，导致了有关计算公式的分歧较大。常用的关于核态沸腾换热的经验计算公式有两个：（1）对于水的大容器饱和核态沸腾，推荐采用米海耶夫公式，适用压力范围：105～4106Pa7-2沸腾传热7-2沸腾传热（2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式考虑到沸腾换热属于强制对流换热，其换热规律可整理成Nub=f(Reb,Pr)形式。罗森诺通过大量实验得出了如下实验关联式：7-2沸腾传热四影响沸腾换热的因素沸腾换热是所有换热现象中最复杂的、影响因素最多的换热过程。这里只针对大容器沸腾换热现象讨论影响沸腾换热的因素。1不凝结气体与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体存在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，因自然对流换热时有，因此，过冷会强化换热。7-2沸腾传热3液位高度液位足够高时，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)。4重力加速度研究表明：从0.1~1009.8m/s2

的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但对液体自然对流换热有显著影响。介质为一个大气压下的水5