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1、2024/7/19传热学 李琼1第7章凝结与沸腾换热Boiling and CondensationBoiling and Condensation2024/7/19传热学 李琼2三相点：液三相点：液气气固转化固转化相变换热：蒸汽的凝结、液体的沸腾、液体的蒸发、相变换热：蒸汽的凝结、液体的沸腾、液体的蒸发、液体的凝固、固体熔化等液体的凝固、固体熔化等应用：应用：冷凝器冷凝器：（气：（气液）放出潜热液）放出潜热蒸发器：（液蒸发器：（液气）吸收潜热气）吸收潜热蒸汽压缩式制冷：认为应用气液相变实现制冷。蒸汽压缩式制冷：认为应用气液相变实现制冷。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼3因流
2、体潜热的释热或吸收而使这种热交换过程的强因流体潜热的释热或吸收而使这种热交换过程的强度远大于同种流体无相变的换热强度；度远大于同种流体无相变的换热强度；当流体为饱和流体时，相变换热过程中流体温度当流体为饱和流体时，相变换热过程中流体温度t tf f不发生变化；不发生变化；过程复杂，工程上也只能助于经验公式和实验关联过程复杂，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。式。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼47-1 凝结换热凝结换热寒寒冷冷冬冬天天窗窗户户上上的的冰冰花花2024/7/19传热学 李琼5液体对壁面附着力液体对壁面附着力 液体的表面张力液体的表面张力 ，膜状凝结膜状凝结液
3、体对壁面附着力液体对壁面附着力 液体的表面张力，液体的表面张力，珠状凝结珠状凝结 第7章凝结与沸腾换热滴水滴水 滴水银滴水银2024/7/19传热学 李琼62024/7/19传热学 李琼7 膜状凝结膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力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，液膜厚度直接影响须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。了热量传递。珠状凝结珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上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形成许多小液珠，此时壁面
4、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）大几倍，甚至一个数量级）gg二、凝结换热机理二、凝结换热机理2024/7/19传热学 李琼8实验查明：几乎所有蒸汽在纯净条件下均能在常实验查明：几乎所有蒸汽在纯净条件下均能在常用工程材料的洁净面上得到膜状凝结（洗净标准）用工程材料的洁净面上得到膜状凝结（洗净标准）近年对珠状凝结的研究：对紫铜管技术处理后在近年对珠状凝结的研究：对紫铜管技术处理后在实验条件下连续实验条件下连续38003800小时珠状凝结，但工业凝结小时珠状凝结，但工业凝结器中很难。器中很难。珠状凝结很难保
5、持，因此，大多数工程中遇到的珠状凝结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结。凝结换热大多属于膜状凝结。本章仅讨论蒸汽的膜状凝结。本章仅讨论蒸汽的膜状凝结。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼9第7章凝结与沸腾换热1916年，年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是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。近代膜状凝结理论和传热分析的基础。假定假定：1）常物性；）常物性；2）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；3）蒸气静止；）蒸气静止；4）液膜的惯性力忽略；）液膜的惯性力忽略；5）膜内温
6、度线性分布，即热量转移只有导热；）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；）液膜的过冷度忽略；1 1、层流膜状凝结理论解、层流膜状凝结理论解2024/7/19传热学 李琼10gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layers微元控制体边界层微分方程组：边界层微分方程组：对应于对应于p.109-111页页(5-3)，(5-4)，(5-5)x2024/7/19传热学 李琼11应用于蒸气，考虑（应用于蒸气，考虑（3）（）（4） 考虑（考虑（5 5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热膜内温度线性分布，即热量转移只有导
7、热 代入动量微分方程考代入动量微分方程考虑（虑（4 4）只有只有u u 和和 t t 两个未知量，于两个未知量，于是，上面得方程组化简为：是，上面得方程组化简为：2024/7/19传热学 李琼12边界条件：边界条件：求解上面方程可得：求解上面方程可得：热平衡关系：热平衡关系：其中：其中：2024/7/19传热学 李琼13(1) (1) 液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定整理得：整理得：求解得：求解得：2024/7/19传热学 李琼14(2) (2) 局部对流换热系数局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数定性温度：定
8、性温度：注意：注意：r 按按 ts 确定确定对于倾斜壁，则用对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g 即可即可2024/7/19传热学 李琼15(3) (3) 水平圆管水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管的层流膜状凝结努塞尔的理论分析可推广到水平圆管的层流膜状凝结定性温度与前面的公式相同，定性温度与前面的公式相同，定型尺寸不同，垂直壁为长度定型尺寸不同，垂直壁为长度l，水平管为外径，水平管为外径d。只要不是很短的管子，横放时管外的凝结表面换热系只要不是很短的管子，横放时管外的凝结表面换热系只要不是很短的管子，横放时管外的凝结表面换热系只要不是很短的管子，横放时管外的
9、凝结表面换热系数高于竖放。冷凝器设计时，通常采用水平布置。数高于竖放。冷凝器设计时，通常采用水平布置。数高于竖放。冷凝器设计时，通常采用水平布置。数高于竖放。冷凝器设计时，通常采用水平布置。2024/7/19传热学 李琼16获得获得NuNu理论解的关键：对实际问题所做的合理简化理论解的关键：对实际问题所做的合理简化假设及据此推导出的微分方程；假设及据此推导出的微分方程；常微分方程求解思路：常微分方程求解思路：简化方程组，获得简化方程组，获得u u，t t分布表达式；分布表达式；利用利用dxdx一段距离上凝结液质量平衡关系式获得一段距离上凝结液质量平衡关系式获得表达式；表达式；利用导热公式与牛顿
10、冷却公式联立求解出利用导热公式与牛顿冷却公式联立求解出h h。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼17无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和紊流，并凝结液体流动也分层流和紊流，并且其判断依据仍然时且其判断依据仍然时ReRe，式中：式中： u um m 为为 x = lx = l 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de de 为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。2 2、层流膜状凝结换热准则关联式、层流膜状凝结换热准则关联式1）流态判断）流态判断传热学 李琼182024/7/19如图如图由热平衡由热平衡所以所以L层流到紊流的临
11、界层流到紊流的临界Re值，定型尺寸：垂值，定型尺寸：垂直壁为高度，水平管管外凝结为周长直壁为高度，水平管管外凝结为周长d。传热学 李琼192024/7/19第7章凝结与沸腾换热物理意义：反映凝结换热的强弱。物理意义：反映凝结换热的强弱。垂直壁理论解：垂直壁理论解：水平管理论解：水平管理论解：传热学 李琼202024/7/19第7章凝结与沸腾换热对垂直壁，当对垂直壁，当30Re30Rec c18001800时，理论解比实时，理论解比实验解平均偏低验解平均偏低20%20%。修正系数后：。修正系数后：实验证明：对于垂直壁，实验证明：对于垂直壁，Rec=1800； 对于水平管，对于水平管，Rec=36
12、00。实际计算：实际计算：2024/7/19传热学 李琼21ReRec c3030时，理论解与实验关联式一致（无波动）；时，理论解与实验关联式一致（无波动）；30Re30Rec c180018001800时，紊流，时，紊流，7-77-7计算。计算。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼223 3、紊流膜状凝结换热、紊流膜状凝结换热对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强热量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强对对竖壁的紊流凝结换热竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的，其
13、沿整个壁面的平均表面传热平均表面传热系数系数计算式为：计算式为：式中：式中：hl 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数；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为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度利用上面思想，整理的实验关联式：利用上面思想，整理的实验关联式：2024/7/19传热学 李琼234 4、水平管内凝结换热、水平管内凝结换热注意：在使用以上膜状凝注意：在使用以上膜状凝结换热的的计算公式算公式时所涉所涉及的液体和蒸汽物性量，除汽化潜及的液体和蒸汽物性量，除汽化潜热在蒸汽在蒸汽饱和温和温度下取度下取值外，均在膜温
14、度外，均在膜温度 下取下取值。Rev140,h140,h高于光滑壁。高于光滑壁。3. 3. 过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。2024/7/19传热学 李琼271.1.改变表面几何形状改变表面几何形状2.2.有效排除不凝气体有效排除不凝气体3.3.加速凝结液的排除加速凝结液的排除4.4.形成珠状凝结形成珠状凝结第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼28例题例题1、空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，、空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排
15、数越多，换热强度降低。试对上述现动方向管束排数越多，换热强度降低。试对上述现象做出解释象做出解释?答案：空气外掠管束时，沿流动方向管排数越多，答案：空气外掠管束时，沿流动方向管排数越多，气流扰动增加，换热越强。而蒸汽在管束外凝结气流扰动增加，换热越强。而蒸汽在管束外凝结时，沿液膜流动方向排数越多，凝结液膜越来越时，沿液膜流动方向排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度降低。厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度降低。2024/7/19传热学 李琼29例题例题2：试比较竖壁上自然对流与膜状凝结的异同。：试比较竖壁上自然对流与膜状凝结的异同。答：1）都是竖壁表面与流体的换热，
16、自然对流主要作用力是浮升力和粘滞力，膜状凝结的主要作用力是重力和粘滞力。2）都存在层流和紊流两种流态，其中自然对流是气体的流动状态；膜状凝结是液膜凝结液的流动状态。2024/7/19传热学 李琼30第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼31解:Ps=0.7105Pa的饱和水蒸气对应的饱和温度 =90。液膜平均温度为 ，凝液（水）的物性参数： 971.8 kg/m3 ，0.674W/(mK)， 355.110-6Pas ts=90对应的汽化潜热：r2283.1 kJ/kg 先假定液膜流动处于层流W/(m2K)2024/7/19传热学 李琼32检验流态： 所以，假设层流正确。每米宽平板
17、的凝液量： kg/s 2024/7/19传热学 李琼337-2 沸腾换热沸腾换热做饭做饭蒸汽锅炉蒸汽锅炉 许多其它的工业过程许多其它的工业过程1 生活中的例子生活中的例子2定义定义： a 沸腾：沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转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换到气态的一种剧烈的汽化过程 b 沸腾换热：沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，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（并使其冷却的一种传热方式（twts）2024/7/19传热学 李琼34锅炉中的水冷壁锅炉中的水冷壁2024/7/19传热学 李琼35a 大空间沸腾大空间沸腾(池内沸腾池内沸腾)
18、：高于高于ts的热壁面沉浸在具有自由表的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；面的液体中所发生的沸腾；b 管内沸腾：受迫对流沸腾管内沸腾：受迫对流沸腾加热表面加热表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow3 分类分类：2024/7/19传热学 李琼36过冷沸腾过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于：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，称之为过冷沸过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾。腾。饱和沸腾饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温：液体主体温
19、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。度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾。我们这本书仅介绍我们这本书仅介绍大空间大空间的的饱和沸腾饱和沸腾2024/7/19传热学 李琼37相变对流：q=h（tw-ts）引起沸腾换热的两种加热方式：控制壁温和控制热流；推动力：t= tw-tsh沸腾h无相变第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼382.大大空空间间饱饱和和沸沸腾腾曲曲线线：表表征征了了大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾的的全全部部过过程程，共共包包括括4个个换换热热规规律律不不同同的的阶阶段段：自自然然对对流流、泡泡态态沸沸腾腾、过过渡渡沸沸腾腾和和膜态
20、沸腾膜态沸腾，如图所示：，如图所示： qmaxqmin传热学 李琼392024/7/19对流沸腾区（图中的对流沸腾区（图中的ABAB线段）线段） ： t3-5t3-5，产生的汽泡的地方很，产生的汽泡的地方很少，以自然对流换热为主少，以自然对流换热为主 ；泡态沸腾区（图中的泡态沸腾区（图中的BCBC线段）线段）： 5 t305 t30 ，汽泡不断地，汽泡不断地在壁面上产生、长大、跃离在壁面上产生、长大、跃离 ，沸沸腾换热过程得到加强腾换热过程得到加强 ，汽化核心汽化核心 ，C C点点 t30t30，热流密度的峰值热流密度的峰值q qmaxmax ； qmaxqmin沸腾曲线可以分为四个主要的区域
21、：沸腾曲线可以分为四个主要的区域：传热学 李琼402024/7/19过渡沸腾区（图中的过渡沸腾区（图中的CDCD线段）：线段）： 30 t12030 t120t120 ，整个加热面全部被汽整个加热面全部被汽膜覆盖膜覆盖 ，热量的传递过程变为对流，热量的传递过程变为对流换热和辐射换热，换热系数和热流换热和辐射换热，换热系数和热流密度又会以较快的速率增加；密度又会以较快的速率增加； qmaxqmin沸腾曲线可以分为四个主要的区域：沸腾曲线可以分为四个主要的区域：2024/7/19传热学 李琼41几点说明：几点说明：（1）上上述述热热流流密密度度的的峰峰值值qmax 有有重重大大意意义义，称称为为临
22、临界界热热流流密密度度，亦亦称称烧烧毁毁点点。一一般般用用泡泡态态沸沸腾腾转转折折点点DNB作作为为监监视视接接近近qmax的的警警戒戒。这这一一点点对对热热流流密密度度可可控控和和温温度度可控的两种情况都非常重要。可控的两种情况都非常重要。（2）对对膜膜态态沸沸腾腾，因因为为热热量量必必须须穿穿过过的的是是热热阻阻较较大大的的汽汽膜膜，所以换热系数比凝结小得多。所以换热系数比凝结小得多。2024/7/19传热学 李琼42 例题例题1 1、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为表面温度为120120和和400400的铁板上，试问滴在哪块的铁板上，试
23、问滴在哪块板上的水滴先被烧干，为什么？板上的水滴先被烧干，为什么？ 答案：在大气压下发生沸腾换热时，上述两滴水的过答案：在大气压下发生沸腾换热时，上述两滴水的过热度分别是热度分别是t=twt=twts=20ts=20和和t=300t=300，由大容，由大容器饱和沸腾曲线，前者表面发生的是泡态沸腾，后器饱和沸腾曲线，前者表面发生的是泡态沸腾，后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在滴滴在120120的铁板上先被烧干。的铁板上先被烧干。 2024/7/19
24、传热学 李琼43汽泡生成条件：汽泡内外压差汽泡生成条件：汽泡内外压差表面张力表面张力活化点或核化中心活化点或核化中心继续长大的动力条件：液体的过热度（继续长大的动力条件：液体的过热度（t tl ltts s）半径与沸腾温差的关系半径与沸腾温差的关系紧贴加热面，紧贴加热面，t t最大，最大，R R最小，壁面上凹缝、孔隙是生最小，壁面上凹缝、孔隙是生成汽泡核的最好地点；成汽泡核的最好地点；t t越大，越大，R R越小，汽泡量越大，沸腾强化；越小，汽泡量越大，沸腾强化；传热途径：传热途径：由汽泡与壁直接接触的表面传给汽泡；由汽泡与壁直接接触的表面传给汽泡；由壁传给液体，再由液体传给汽泡表面；由壁传给
25、液体，再由液体传给汽泡表面；压强影响：压强越大，能生成汽跑核越多，沸腾压强影响：压强越大，能生成汽跑核越多，沸腾随之加强。随之加强。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼44第7章凝结与沸腾换热注：注：Cw，l和和分别查表分别查表7-1和表和表7-2。2024/7/19传热学 李琼45关键：设法使沸腾表面有更多半径大于关键：设法使沸腾表面有更多半径大于RminRmin的汽泡的汽泡核。核。措施：措施：在管表面用烧结法覆盖一层多孔铜或多孔铝；在管表面用烧结法覆盖一层多孔铜或多孔铝；用机械加工方法使管面形成微孔层；用机械加工方法使管面形成微孔层；采用挤压、打磨等方法使表面粗糙。采用挤压、
26、打磨等方法使表面粗糙。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼46二、二、 管内沸腾换热特点管内沸腾换热特点2024/7/19传热学 李琼47第7章凝结与沸腾换热热管系统结构及功能的示意图热管系统结构及功能的示意图 一、工作原理：一、工作原理：沸腾和凝结两沸腾和凝结两种相变过程的巧妙结合。种相变过程的巧妙结合。2024/7/19传热学 李琼48特点：传热能力大；传热温差小特点：传热能力大；传热温差小2024/7/19传热学 李琼49靠蒸汽流动传输热量，传输能力很大；靠蒸汽流动传输热量，传输能力很大；整个热管趋于等温，减少了传热温差损失；整个热管趋于等温，减少了传热温差损失；适应温度范
27、围：适应温度范围：-200-20022002200；加热区和散热区表面的加热区和散热区表面的q q不同；不同；结构简单，无运动部件，工作可靠。结构简单，无运动部件，工作可靠。第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼50工业设备的散热器或加热器；工业设备的散热器或加热器；在余热回收方面的应用；在余热回收方面的应用；用于电机及电器设备等小型元器件的冷却；用于电机及电器设备等小型元器件的冷却；第7章凝结与沸腾换热2024/7/19传热学 李琼51高高炉炉热热风风炉炉余余热热回回收收 分离式热管换热器分离式热管换热器 2024/7/19传热学 李琼52高高炉炉热热风风炉炉余余热热回回收收整体
28、式气整体式气气热管换热管气热管换热管 2024/7/19传热学 李琼53空气空气20升高到升高到60150，节省能源，节省能源 2024/7/19传热学 李琼54本装置利用废热的能量来预热或预冷进入的新鲜空气，可以大量本装置利用废热的能量来预热或预冷进入的新鲜空气，可以大量节约空调机的用电量。节约空调机的用电量。 2024/7/19传热学 李琼55比普通太阳能集热管、传热率高比普通太阳能集热管、传热率高20-30% 2024/7/19传热学 李琼56可提高电机输出功率可提高电机输出功率50%-80% 2024/7/19传热学 李琼572024/7/19传热学 李琼58思考题：思考题：1.1.膜
29、状凝结和珠状凝结的概念膜状凝结和珠状凝结的概念. .2.2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法. . 在这个推导方法中在这个推导方法中 最基本的假设是什么最基本的假设是什么? ? 4.4.对于单根管子对于单根管子, , 有那些因素影响层流膜状凝结换热有那些因素影响层流膜状凝结换热? ? 它们它们 起什么作用起什么作用? ?5.5.对于实际凝结换热器对于实际凝结换热器, , 有那些方法可以提高膜状凝结换热有那些方法可以提高膜状凝结换热 系数系数? ?6.6.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域? ? 有那些特性点有那些特性点? ? 各各 个区域在换热原理上有何特点个区域在换热原理上有何特点? ? 7.7.画出水的池内饱和沸腾曲线画出水的池内饱和沸腾曲线. . 掌握特性点的基本数值范围掌握特性点的基本数值范围. .8.什么是临界热流密度什么是临界热流密度? 什么是烧毁点什么是烧毁点? 如果是定壁温加热如果是定壁温加热条件条件, 还会有烧毁现象出现吗还会有烧毁现象出现吗?2024/7/19传热学 李琼59作业：作业：1111，1212，13,1613,16
