第7章凝结与沸腾换热

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1、*52-1第七章第七章 相变对流传热相变对流传热*52-2*52-37-1 7-1 凝结传热的模式凝结传热的模式*52-4*52-5蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触会发生凝结现象。两种凝结方式两种凝结方式：膜状凝结膜状凝结特点： 1、液体能够浸润壁面； 2、壁面覆盖一层液膜，热阻主要为液膜传热热阻液体对固体的浸润性液体对固体的浸润性*52-6珠状凝结珠状凝结珠状凝结特点： 1、液体不能够浸润壁面； 2、凝结液体呈珠状珠状凝结过程： 1、气体在壁面凝结，形成液珠 2、液珠不断长大 3、在非水平壁面上，液珠长大 后沿壁面下滚，一方面与其它液 珠合并，一方面清扫沿途液珠 4、壁面形成新的液珠珠状凝结较膜

2、状凝结表面换热系数高（数倍或一个珠状凝结较膜状凝结表面换热系数高（数倍或一个 数量级），但不易长久维持。数量级），但不易长久维持。 设计换热器时，考虑尽量破除液膜设计换热器时，考虑尽量破除液膜*52-77-2 7-2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式*52-8Wilhelm Nusselt （1882-1957） 1 1、努塞尔层流膜状凝结分析解、努塞尔层流膜状凝结分析解Nusselt的思想思想： 抓住主要影响因素液膜导热 热阻，忽略次要因素，从而从 理论上揭示问题本质。根据连续液膜层流运动及 导热机理，建立了液膜动量方 程式和能量方程式，然后求解 液膜内的速度场和温度场，

3、从 而得出换热系数的理论解。1916年Nusselt最先导得纯净蒸 汽层流膜状凝结理论解。*52-9NusseltNusselt的假设和简化：的假设和简化：1、蒸汽为纯净饱和蒸汽（tvts）；2、凝结生成的液膜为层流； 3、常物性；4、蒸气静止，忽略蒸汽对液膜的粘滞力； 5、液膜速度很低，忽略其惯性力； 6、液膜表面温度等于蒸汽饱和温度， （tts）； 7、液膜内只有导热，无对流，膜内温度为线性；8、液膜表面平整，无波动动。*52-10以竖壁、稳态、膜状凝结为例：以竖壁、稳态、膜状凝结为例：连续性方程：动量方程：能量方程：假设5：液膜速度很低，忽略其惯性力dp/dx为液膜在x方向压力梯度，等于

4、y处蒸汽侧压力 梯度( dp/dx)v： 假设4：蒸汽静止。*52-11假设7：液膜内只有导热，无对流 未知量两个：u，t。故只需两个方程。稳态竖壁膜状凝结换热微分方程组：*52-12稳态竖壁膜状凝结换热微分方程组：稳态竖壁膜状凝结换热微分方程组：边界条件：边界条件：求解思路： 根据微分方程及边界条件求得液膜厚度、液膜内的 速度场和温度场，再根据导热方程和牛顿冷却公式 得出表面换热系数的理论解。*52-13计算结果：计算结果：液膜厚度：液膜厚度：局部表面传热系数：局部表面传热系数：整个竖壁平均表面传热系数：整个竖壁平均表面传热系数：r潜热*52-14与水平轴夹角为（ 0）的斜壁，将g写为gsi

5、n 即可局部表面传热系数：局部表面传热系数：斜壁平均表面传热系数：斜壁平均表面传热系数：水平圆管平均表面传热系数：水平圆管平均表面传热系数：球表面平均表面传热系数：球表面平均表面传热系数：*52-15当其它条件相同时，横管与竖壁的平均表面传热 系数比值为：如果l /d50：因此冷凝器（因此冷凝器（在管外凝结在管外凝结）通常采用横管布置。）通常采用横管布置。定性温度：定性温度： 潜热定性温度：潜热定性温度：t ts s*52-167-3 7-3 影响膜状凝结的因素及其传热强影响膜状凝结的因素及其传热强 化化*52-17实际中膜状凝结过程非常复杂，影响因素很多。1 1 不凝性气体不凝性气体 例：水

6、 蒸气含1空气可使h下降60不凝性气体的存在使蒸汽分压力下降，由热力学可知 相应的饱和温度将下降，降低了凝结温度差。2 2 管子排数管子排数n排横列管子总的换热通常优于n组单排管换热效果 原因：上排管滴落的液滴会对下排管液膜产生冲击*52-183 3 管内冷凝管内冷凝蒸气液体蒸汽流速低蒸气液膜蒸汽流速高4 4 蒸汽流速蒸汽流速蒸汽流速将对液膜表面产生剪切力和冲击作用，从而 影响液膜状态：厚度、稳定性、形状等。例如：撕破或减薄液膜可增加h*52-195 5 蒸气过热度蒸气过热度前面讨论忽略了蒸汽过热度。用代替r，即可应用饱和蒸汽实验关联 式计算过热蒸汽凝结换热。6 6 液膜过冷及温度分布非线性液

7、膜过冷及温度分布非线性 前面讨论忽略了液膜过冷度及液膜中温度非线性分布。用代替r，即可应用前面结果。*52-20膜状凝结的强化原则和技术膜状凝结的强化原则和技术工质为制冷剂的冷凝器热 阻通常在凝结一侧，应强化 凝结侧的换热。一种强化：破坏或减薄液膜减薄液膜减薄液膜：凝结侧采用低肋或 锯齿。通常液体与固体表面浸 润，利用表面张力使液膜变薄及时排液及时排液：采取措施使将液膜破坏并将液体引导出去*52-217-4 7-4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式*52-22沸腾分类：沸腾分类：大容器沸腾大容器沸腾 （大空间沸腾大空间沸腾、池内沸腾池内沸腾）管内沸腾管内沸腾（强制对流沸腾）Heated Surfa

8、ceLiquid flowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow*52-23过冷沸腾过冷沸腾: : 液体主体温度低于饱和液体主体温度低于饱和温度温度饱和沸腾饱和沸腾: : 液体主体温度达到饱和温度液体主体温度达到饱和温度*52-241 1、大容器饱和沸腾的四个区域、大容器饱和沸腾的四个区域 加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾 ，称为大容器沸腾。壁面过热度壁面过热度：饱和沸腾时，壁温与饱和温度之差壁面过热度t对沸腾状态有很大的影响。 壁面热流密度q随壁面过热度t的增加而增加。壁面热流密度壁面热流密度q q与与过热度过热度 t t的关系曲线的

9、关系曲线称为沸腾曲线沸腾曲线。饱和沸腾随t的变化分为四个区域：自然对流自然对流、核态核态 沸腾（泡状沸腾）沸腾（泡状沸腾）、过渡沸腾过渡沸腾及稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾。各区域换热规律完全不同各区域换热规律完全不同*52-25ABCDE5010530120500自然对流核态过渡态稳定膜态q(W/m2)qmaxqminDNB饱和水在水平加热面的饱和水在水平加热面的沸腾曲线沸腾曲线*52-26ABCDE5010530100500自然对流核态过渡态稳定膜态 qmax qminDNB自然对流区自然对流区核态沸腾（泡状沸腾）区核态沸腾（泡状沸腾）区壁面过热度小，换热服从单相自然对流自B点（起沸点）起壁面某

10、些地点（汽化核心）产生的 气泡，气泡长到一定尺寸脱离壁面。开始阶段，气泡互不影响，为孤立气泡区*52-27ABCDE5010530500自然对流核态过渡态稳定膜态 qmax qminDNB随t逐渐渐增加，汽化核心增加，气泡相互影响，可合 并成气块块及气柱(Slugs)核态沸腾区：气泡扰动核态沸腾区：气泡扰动 剧烈、剧烈、h h与与q q随随 t t增加急增加急 剧增大剧增大核态沸腾特点核态沸腾特点：温差小、换热强度高 工业应用通常选择该区域工业应用通常选择该区域*52-28ABCDE5010530500自然对流核态过渡态稳定膜态 qmaxqminDNB过渡沸腾区过渡沸腾区自C点开始，热流密度q

11、反而随t增加而逐渐渐下降。 原因原因：加热热面气泡太多，影响液态态水补补充到壁面，传热传热 恶恶化。随t增加情况变糟。*52-29ABCDE5010530500自然对流核态过渡态稳定膜态 qmaxqminDNB稳定膜态沸腾区稳定膜态沸腾区 自D点开始，热流密度q又随t增加而逐渐渐增加。 原因原因：加热热面形成一层稳层稳 定的气膜层层，壁面热辐热辐 射 增强。*52-30ABCDE5010530500自然对流核态过渡态稳定膜态 qmaxqminDNB临界热流密度（临界热流密度（CHFCHF） (Critical Heat Flux)(Critical Heat Flux) C点热流密度达到一个极

12、大值qmax。1000对于通过控制热流密度改变工况的热工设备：壁面过热度 ttw- ts受热流密度控制，即壁面温度由q决定。 一旦热流密度一旦热流密度q q稍微大于稍微大于q qmaxmax，壁面温度急剧增加。，壁面温度急剧增加。 此时设备很容易烧毁。C点称为烧毁点烧毁点2 2、临界热流密度及工程意义、临界热流密度及工程意义*52-31ABCDE5010530500自然对流核态过渡态稳定膜态 qmaxqminDNB核态沸腾转折点（核态沸腾转折点（DNBDNB） (Departure from Nucleate Boiling)(Departure from Nucleate Boiling)自

13、DNB点开始热流密度上升趋缓，可作为监视的qmax 警戒点。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。327-5 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也比较复杂，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。33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，推荐适用米海耶夫公式，压力范围：1054

14、106 Pa按 34（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=1.735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：36

15、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。*52-377-6 7-6 沸腾传热的影响因素及其强化沸腾传热的影响因素及其强化*52-38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。2 过冷度一、影响沸腾传热的因素*52-393 液位高度介质为一个 大气压下的水4 重力加速度就现有的成果表明：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)。从0.1 1009.8 m/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, g Nu 换热加强。*52-405 5、管内沸腾、管内沸腾管内强制对流沸腾为两