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1、华北电力大学第六章第六章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热本章主要是介绍有相变的对流换热，即：凝结 和沸腾。在这两种相变换热过程中，流体都是在饱 和温度下放出或者吸收汽化潜热，所以换热过程的 性质以及换热强度都与单相流体的对流换热有明显 的区别。一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热 系数要比单相流体的对流换热高出几倍甚至几十倍 。 其工业应用也很广泛，如发电厂中的凝汽器、 制冷装置中的冷凝器和蒸发器、热管等。Heat Transfer华北电力大学冰箱的蒸发器 空调调冷凝器（室外机）Heat Transfer华北电力大学6-16-1 凝结换热现象凝结换热现象一、凝结换热过程当蒸汽与低于其相应压力下的
2、饱和温度的壁面 接触时，将发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出汽化 潜热并传递给固体壁。二、分类根据凝结液在表面上的润湿情况，凝结换热可 分为膜状凝结和珠状凝结两种形式。Heat Transfer华北电力大学1、膜状凝结当液体能润湿壁面时 ，凝结液在壁面上形成 一层完整的液膜，这种 凝结形式叫膜状凝结。2、珠状凝结当液体不能润湿壁面 时，凝结液在壁面上形 成许多液滴，这种凝结 形式称为珠状凝结。Heat Transfer华北电力大学三、两种凝结换热方式的比较液膜阻碍蒸气与壁面直接接触蒸气只能在液膜表面凝结液膜成为膜状凝结换热的主要阻力减小液膜厚度就是强化膜状凝结换热的关键 膜状凝结 ：Heat Tr
3、ansfer华北电力大学珠状凝结：蒸气可以与壁面直接接触凝结蒸气放出的汽化潜热直接传给壁面珠状比膜状传热系数大几倍甚至一个数量级 。 难于维持。 Heat Transfer华北电力大学6-26-2 膜状凝结分析解及试验关联式膜状凝结分析解及试验关联式一、膜状凝结分析解努塞尔在1916年对层 流膜状凝结换热进行了 理论分析，得出了著名 的努塞尔理论解。他根 据层流膜状凝结换热的 特点，做了以下合理假 定：Heat Transfer华北电力大学1、分析解的简化假定（1）常物性；（2）蒸汽是静止的，对液膜表面无粘性力作用； （3）液膜流速缓慢，忽略液膜的惯性力；（4）汽液界面上无温差；（5）液膜内部
4、的热量传递只靠导热；（6）忽略液膜的过冷度；（8）液膜表面无波动。（7） ；Heat Transfer华北电力大学gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layers微元控制体边界层微分方程组：下脚标 l 表示液相Heat Transfer华北电力大学考虑（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 在边界层外应用伯努里方程只有u 和 t 两个未知量 ，于是，上面得方程组化 简为：考虑（7）忽略蒸汽密度Heat Transfer华北电力大学边界条件：Heat Transfer华北电力大学Heat Transf
5、er华北电力大学2、分析解的结果整个竖壁的平均表面传热系数为推广应用到水平圆管外的膜状凝结，平均表面传 热系数为注意：竖壁的计算公式同样适用于竖圆管，比较 圆管竖放和水平放置的效果，为什么？定性温度：tm=(ts+tw)/2Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer华北电力大学3、分析解与实验结果的比较实验表明，在低雷诺数时，分析解结果与实验结 果很好的相符，但当Re20后，由于液膜表面波动 ，传热强化，实验值比理论值高20。将上式进行 修正得：Heat Transfer华北电力大学雷诺数判别流态的准则数仍然是雷诺数，对竖壁膜状 凝结Re数：临界雷诺数 ：对于横管，因直径
6、较小，实际上均在层流范围 。Heat Transfer华北电力大学二、湍流膜状凝结整个壁面的平均表面传热系数：Heat Transfer华北电力大学6-36-3 影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素不凝结气体不断在液膜附近积累，使凝结过程 增加了蒸汽传递过程的阻力，并降低液膜表面蒸汽 的分压力，导致液膜表面的饱和温度下降，减少了 凝结的驱动力，传热系数大大减弱。电厂的凝汽器 都有抽气装置，以便及时排除空气。一、影响膜状凝结的因素1、不凝结气体2、蒸汽的流速、过热度、表面的几何状况等也都 有影响。Heat Transfer华北电力大学二、凝结换热的强化关键措施：减小液膜厚度低肋管或锯齿形肋片管泄
7、流装置 Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer华北电力大学6-46-4 沸腾换热现象沸腾换热现象一、沸腾换热的分类大容器沸腾 （或称为池内沸腾 ）强制对流沸腾 （主要是管内沸腾 ） 过冷沸腾 ：饱和沸腾：液体主体的温度低于饱和温度。液体主体的温度达到饱和温度。Heat Transfer华北电力大学二、大容器饱和沸腾曲线通过对水在一个大气压（1.013105Pa）下的大 容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出图6- 11所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐标 为加热面的过热度；纵坐标为热流密度。Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer华北电
8、力大学： 由核态沸腾向过渡沸腾转折 处的热流密度被定为临界热流密度。临界热流密度确定临界热流密度的意义Heat Transfer华北电力大学三、汽化核心的分析由核态沸腾的特点可 以看出，汽泡的生成、 长大及脱离加热面的运 动对核态沸腾换热起决 定作用。实验观察和理论分析一致得出，汽泡是在加热 面上所谓的汽化核心处生成的，而形成汽化核心的 最佳位置是加热面上的凹缝、孔隙处，这里残留着 微量气体，最容易生成汽泡核（即微小汽泡）。汽化核心示意图Heat Transfer华北电力大学对单个汽泡在液体中存 在的条件（满足力的平 衡和热平衡）分析可得 ，气泡的半径需满足：式中： 表面张力，N/m；r 汽化
9、潜热，J/kgv 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Heat Transfer华北电力大学思考题：如本题附图中所示放置于大容器内的 小容器中的水能否发生沸腾现象？并解释。 Heat Transfer华北电力大学6-56-5 沸腾换热计算式沸腾换热计算式一、大容器饱和核态沸腾影响核态沸腾的因素主要是壁面的过热度 和汽化核心数，而汽化核心数则受到壁面材料 、及其表面状况、压力、物性等的影响，因此 实际情况比较复杂。下面给出两个公式。1、米海耶夫计算式（用于
10、水）Heat Transfer华北电力大学2、罗森诺公式广泛适用的强制对流换热公式按 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：Heat Transfer华北电力大学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6-1)q 沸腾传热的热流密度； s 经验指数，水s = 1，否则，s=1.7。Heat Transfer华北电力大学二、大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：三、大容器膜态沸腾的关
11、联式横管的膜态沸腾：Heat Transfer华北电力大学其中：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。Heat Transfer华北电力大学6-66-6 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因 此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近 几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹 坑。目前有两种常用的手段：(1) 用烧结、钎焊、 火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面 上形成多孔结构。(2) 机械加工方法。影响核态沸腾的因素主要是壁面的过热度和汽化 核心数，而汽化核心数则受到壁面材料、及其表面 状况、压力、物性等的影响。Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer华北电力大学本章作业一、基本要求6-5、6-11、6-13、6-31、6-34（第三版） 7-5、7-11、7-13、7-29、7-32（第四版）Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer
