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1、第7章 凝结与沸腾换热,相变换热属于对流换热，基本计算公式仍为牛顿冷却公式,沸腾换热：,1 相变（沸腾与凝结）换热的特点及影响因素；,主要内容：,2 相变换热的研究与计算方法；,3 相变换热的强化技术。,凝结换热：,相变换热的主要任务: 确定h与各影响因素之间的函数关系。,当前相变换热研究主要集中在以下三个方面：,（1）相变换热的机理及数学描述方法；,（2）特殊应用领域的相变换热规律，如：,微重力条件下的沸腾换热 微槽道沸腾换热 低温工程中制冷剂的混合工质相变换热等。,（3）传统工业领域中相变换热的强化技术。,动力工程、低温制冷、环境工程，过程工程等,7-1 凝结传热的模式,蒸汽与低于饱和温度
2、的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程。,根据凝结液与壁面浸润能力不同分为两种,(d) 接触凝结 (e) 多组分凝结,(c) 均相凝结,如何在凝结换热设备里长时间地保持珠状凝结是强化凝结换热的重要研究课题。,6-2 膜状凝结分析解及试验关联式,1. 层流膜状凝结分析解,努塞尔（1916）首先建立了层流膜状凝结换热的简化热物理模型和数学模型.,WILHELM NUSSELT 1882-1957,（1）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不可凝气体； （2）汽、液物性均为常数； （3）蒸气静止，对液膜表面无粘性力作用； （4）液膜极薄，流速很低，忽略其惯性力； （5）相变发生在
3、汽液界面上，液膜处于饱和温度； （6）液膜内仅有导热作用，忽略对流传热方式； （7）液膜的过冷度可以忽略不计； （8） 膜表面没有波动。,根据上述假设，可使竖直平壁表面稳态层流膜状凝结换热问题的数学模型大为简化。,努塞尔的几点假设：,类似于外掠平板强迫对流层流换热，对于竖直平壁表面稳态层流膜状凝结换热，选取坐标系如图。,微分方程组：,动量方程（x方向）：,能量方程：,边界条件：,求解动量方程和能量方程，可得液膜内速度分布和温度分布。,t=ts,假设(4),凝结液膜内的速度分布函数,积分可得竖壁x位置、单位宽壁面上的凝结液流量,将上式微分得到在dx距离内凝结液的增量,dqm,x,释放的潜热通过厚
4、 的液膜以导热方式传至冷表面,将上式分离变量积分可得壁面任意x位置的液膜厚度,根据导热傅里叶公式和牛顿冷却公式，,若冷凝温差ts-tw等于常数，沿竖壁积分即可得出高L的整个壁面的平均表面传热系数,该式即为竖壁稳态层流膜状凝结时的努塞尔理论解。,定性温度除汽化潜热r按饱和温度取值以外，其它参数都按液膜的算术平均温度 tm(ts+ tw)/2 取值。,对努塞尔理论解的修正：,适用条件：研究证明，如果满足,上式的误差将低于3。 Ja 称为雅各布（Jacob）数，表示凝结液的显热与潜热之比。,（1）如果液膜过冷，式中的汽化潜热改为 r = r + 0.68 cpl ( tstw )。,（2）如果竖壁与
5、垂直方向的夹角为 ，式中的重力加速度g改为gcos 。,（3）,比较水平单管和垂直管层流膜状凝结换热：,2.水平管及管束外的膜状凝结换热,努塞尔理论解还可以推广到水平单圆管及球体外表面的膜状凝结（一般为层流）：,水平管：C =0.729；,球 体：C =0.826；,水平：,垂直：,水平放置优于垂直放置。,对于水平管束，,n为垂直方向上管子的数目。 因为上排管子的凝结液流下来会有冲击和飞溅效应，所以上式计算值偏低。,水蒸气在竖壁上的膜状凝结分析解与实验结果：,实验证明，当Re20 时，由于液膜出现波动，上式计算结果比实验结果低20左右，所以工程上用下式计算。,只要管径大大超过液膜厚度，上式也可
6、以用于竖管。,引进膜层雷诺数,uL 为底部凝结液的平均速度；,根据热平衡，冷表面吸收的热量一定等于凝结液释放的潜热，即,de 为液膜的当量直径:,由于膜层雷诺数是凝结表面传热系数和换热温差的函数。导致计算时必须进行迭代。,3. 湍流膜状凝结换热,引进伽利略（Galileo）数,对水蒸气竖壁膜状凝结的研究证明，当Re1600时，凝结液膜变为湍流。,定性温度除Prw外，其它物理量的定性温度皆为 饱和温度ts。,（712）,底部已达湍流状态的竖壁凝结传热的计算,按着这一原则有以下关联式,6-3 凝结换热的影响因素及传热强化,（1）蒸气中含有不凝结气体：水蒸汽中质量含量占 1% 的空气能使 h 下降 60%；,（2）蒸气的流速：若流动方向与液膜重力场一致，使液膜拉薄，h增加；若流动方向与液膜重力场相反，则阻滞液膜流动，使其增厚，h下降；,（3）过热蒸汽：对于过热蒸汽，应进行修正，用过热蒸汽与饱和液的焓差代替式中的潜热 ;,（4）凝结液对凝结表面的湿润性等。,（5）凝结表面的状况（表面形状、粗糙度，管排数等）；,凝结换热的强化技术,（1）减薄凝结液膜的厚度、促进凝结液的排泄；,（2）改变凝结的形式，创造珠状凝结条件等。,作业：75、717。,
