第六章 凝结与沸腾换热

第六章凝结与沸腾换热1第六章凝结与沸腾换热CondensationandBoilingHeatTransfer第六章凝结与沸腾换热2第六章凝结与沸腾换热2相变换热的特点：（1）流体的温度基本保持不变，在相对较小温度下达到较高的放热和吸热目的。（2）换热量主要是潜热r。r比较大，故h大。如=2000kJ/kg（3）影响相变换热的物性除了单相流体的影响因素外，还有r，（表面张力和浮升力）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。凝结换热和沸腾换热都属于相变换热主要是发生在固体与流体界面上的过程凝结换热：蒸汽被冷却凝结成液体的换热过程沸腾换热：液体被加热沸腾变成蒸汽的过程第六章凝结与沸腾换热3§6-1凝结换热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锅炉中的水冷壁寒冷冬天窗户上的冰花许多其他的工业应用过程为什么会产生凝结现象?第六章凝结与沸腾换热4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、比热容等第六章凝结与沸腾换热51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）gg第六章凝结与沸腾换热6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珠状凝结2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的，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第六章凝结与沸腾换热7gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体边界层微分方程组：下脚标

l表示液相x第六章凝结与沸腾换热8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：第六章凝结与沸腾换热9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

确定第六章凝结与沸腾换热10(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数(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：定性温度：注意：r

按ts

确定第六章凝结与沸腾换热11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)水平圆管外壁层流膜状凝结传热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第六章凝结与沸腾换热12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。第六章凝结与沸腾换热13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第六章凝结与沸腾换热144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

为竖壁的总高度第六章凝结与沸腾换热15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第六章凝结与沸腾换热16§6-3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2.蒸气流速流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。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。第六章凝结与沸腾换热17

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。第六章凝结与沸腾换热18

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。第六章凝结与沸腾换热197.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。第六章凝结与沸腾换热20§6-4沸腾换热现象

蒸汽锅炉烧水，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。第六章凝结与沸腾换热21a

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

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow第六章凝结与沸腾换热224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，称之为饱和沸腾第六章凝结与沸腾换热23如图所示，对气泡的一半作力平衡分析pvpl压力差πR2(pv-pl)pv表面张力2πRγRPstsPltlPvtv上式代表的是汽泡产生的最小半径，Rmin越小，

则汽化越容易发生。也就是说，过热度越大，表面张力越小，压力随温度改变的速率越大，则气泡越容易发生。(2)汽泡的存在条件作用在气泡上的内外压差与表面张力达成平衡第六章凝结与沸腾换热24

汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(由工程热力学-克拉贝龙方程推导得到)式中：

—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kg

v—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第六章凝结与沸腾换热25汽泡壮大和跃离加热面的条件气泡壮大条件：q（维持加热量）气泡跃离条件：

浮升力+周围液体施加力＞汽泡重力+附着力第六章凝结与沸腾换热265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：qmaxqmin第六章凝结与沸腾换热27大容器饱和沸腾曲线0℃<∆t<4℃:

单相自然对流区，无汽泡。4℃<∆t<25℃:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25℃<∆t<200℃:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200℃<∆t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。大容器饱和沸腾的四个区域莱登佛罗斯特点CHF第六章凝结与沸腾换热28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。沸腾传热的特点沸腾换热属于有相变的对流换热。加热固体表面的热量通过导热和对流传递给沸腾流体，同时流体存在液相到气相的相变。牛顿冷却公式仍然适用；沸腾换热的推动力也是温差，壁面过热（tw>ts）是必要条件；沸腾换热时气泡在汽化核心处产生，成长并逸出；之后流体补充，重新形成气泡，周而复始；气泡的形成、成长和脱离对加热表面的流体产生剧烈的扰动，因此换热的强度远大于无相变对流换热；汽化核心数目的增加有利于强化沸腾换热。第六章凝结与沸腾换热30§6-5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。第六章凝结与沸腾换热31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

沸腾换热的两种加热方式：控制壁温控制热流（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）第六章凝结与沸腾换热32（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7-1)q—沸腾传热的热流密度

s—经验指数，水s=1,否则，s=1.7第六章凝结与沸腾换热33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％。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：第六章凝结与沸腾换热343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0.67第六章凝结与沸腾换热35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。第六章凝结与沸腾换热36§6-6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。见自然对流换热经验公式第六章凝结与沸腾换热373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第六章凝结与沸腾换热38

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。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：第六章凝结与沸腾换热395管内沸腾

第六章凝结与沸腾换热40原则通过传热表面的处理增加加热面汽化核心数目。大容器饱和沸腾传热表面多孔结构管内强制对流沸腾内螺纹管、微肋管

6沸腾传热的强化措施：第六章凝结与沸腾换热42§6-6热管技术热管工作原理

1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明利用工作流体（氨、水、丙酮、甲醇）的蒸发与冷凝来传递热量。真空的金属管+工作流体+内壁吸液芯结构1.热量由热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-气分界面；2.液体在蒸发段内的液-气分界面上蒸发；3.蒸气的温度和压力高于热管的其它部分，压差作用促使蒸汽流向热管内冷凝端；4.蒸汽在冷凝段内的气-液分界面上凝结：5.热量从气-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；6.在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。第六章凝结与沸腾换热43例题6-1压力为1.013×105Pa的水蒸气在一根长度L=1.5m、直径d=0.02m的竖立管壁上凝结，壁温保持98℃。试计算管表面的平均表面传热系数、每小时的传热量及凝结蒸汽量。解：已知：竖管外表面的饱和水蒸汽凝结，管子的几何参数和表面温度.分析：应首先计算Re数，判断液膜是层流还是湍流，然后选取相应的公式计算。由式（6-1-14）可知，Re数本身取决于平均表面传热系数h，因此不能简单地直接求解。可先假设液膜的流态，根据假设的流态选取相应的公式计算出h，然