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1、第九章第九章 相变换热相变换热基基本本要要求求重重点点难难点点内内容容精精粹粹例例题题赏赏析析基基 本本 要要 求求1. 了解沸腾换热的类型及主要影响因素。2. 掌握大空间沸腾换热曲线及其计算方法。3. 了解蒸汽凝结的条件、基本方式及特点。4. 掌握大竖壁上膜状凝结换热计算方法。5. 掌握影响凝结的主要因素及强化凝结换热的措施。重点与难点重点与难点重点：重点：1. 大竖壁上的膜状凝结换热。大竖壁上的膜状凝结换热。2. 影响凝结换热的主要因素及强化措施。影响凝结换热的主要因素及强化措施。3. 大空间饱和沸腾曲线、临界热流密度。大空间饱和沸腾曲线、临界热流密度。 难点难点： 1. 竖壁上的膜状凝结
2、换热分析解法2. 饱和沸腾曲线的理解 内容精粹n1 大容器沸腾换热n2 管内沸腾换热n3 凝结换热n4 热管第一节 沸腾换热沸腾换热 液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的汽化现象，伴随大量汽泡产生。汽化现象，伴随大量汽泡产生。汽化现象，伴随大量汽泡产生。汽化现象，伴随大量汽泡产生。 均相沸腾均相沸腾均相沸腾均相沸腾： 因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加热面
3、。不存在加热面。不存在加热面。不存在加热面。 非均相沸腾非均相沸腾非均相沸腾非均相沸腾：因表面加热产生的沸腾现象。因表面加热产生的沸腾现象。因表面加热产生的沸腾现象。因表面加热产生的沸腾现象。大空间沸腾（池沸腾）大空间沸腾（池沸腾）大空间沸腾（池沸腾）大空间沸腾（池沸腾）强迫流动沸腾强迫流动沸腾强迫流动沸腾强迫流动沸腾饱和沸腾饱和沸腾饱和沸腾饱和沸腾过冷沸腾过冷沸腾过冷沸腾过冷沸腾主要讨论主要讨论主要讨论主要讨论饱和池沸腾饱和池沸腾饱和池沸腾饱和池沸腾一、饱和饱和池沸腾换热曲线池沸腾换热曲线饱和池沸腾换热的特点饱和池沸腾换热的特点饱和池沸腾换热的特点饱和池沸腾换热的特点：4 4个阶段：个阶段：
4、个阶段：个阶段：饱和沸腾曲线饱和沸腾曲线饱和沸腾曲线饱和沸腾曲线: :q qw w t tb b（1 1）自然对流沸腾）自然对流沸腾）自然对流沸腾）自然对流沸腾（2 2）核态沸腾）核态沸腾）核态沸腾）核态沸腾ACAC（3 3）过渡沸腾）过渡沸腾）过渡沸腾）过渡沸腾CDCD（4 4）膜态沸腾）膜态沸腾）膜态沸腾）膜态沸腾D D核态沸腾核态沸腾核态沸腾核态沸腾过渡沸腾过渡沸腾过渡沸腾过渡沸腾膜态沸腾膜态沸腾膜态沸腾膜态沸腾二、池沸腾换热的计算关系式池沸腾换热的计算关系式池沸腾换热的计算关系式池沸腾换热的计算关系式 计算大空间饱和核态沸腾的罗森诺公式：计算大空间饱和核态沸腾的罗森诺公式：计算大空间饱
5、和核态沸腾的罗森诺公式：计算大空间饱和核态沸腾的罗森诺公式： l l 为饱和液体的动力粘度为饱和液体的动力粘度为饱和液体的动力粘度为饱和液体的动力粘度（PaPa s s）； r r 为沸腾液体的汽化潜热为沸腾液体的汽化潜热为沸腾液体的汽化潜热为沸腾液体的汽化潜热（kJ/kgkJ/kg）； 为液体与饱和蒸气界面上的表面张力为液体与饱和蒸气界面上的表面张力为液体与饱和蒸气界面上的表面张力为液体与饱和蒸气界面上的表面张力（N/mN/m）； l l、 v v 分别为饱和液与饱和蒸气的密度（分别为饱和液与饱和蒸气的密度（分别为饱和液与饱和蒸气的密度（分别为饱和液与饱和蒸气的密度（kg/mkg/m3 3）
6、； c cp,l p,l 为沸腾液体的比定压热容为沸腾液体的比定压热容为沸腾液体的比定压热容为沸腾液体的比定压热容（J/kgJ/kg K K）； t t 为壁面的过热度，即沸腾温差为壁面的过热度，即沸腾温差为壁面的过热度，即沸腾温差为壁面的过热度，即沸腾温差（）； C Cw wl l 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；为根据加热面与液体种类选取的经验常数；为根据加热面与液体种类选取的经验常数；为根据加热面与液体种类选取的经验常数； 所有带所有带所有带所有带“ “l l”角码的物性都指液体。角码的物性都指液体。角码的物性都指液体。角码的物性都指液体。 10033库塔捷拉泽库塔捷拉泽库塔捷拉泽
7、库塔捷拉泽（S.S. S.S. KutateladzeKutateladze）和朱伯和朱伯和朱伯和朱伯（N.ZuberN.ZuberN.ZuberN.Zuber）给给给给出了大空间核态饱和沸腾出了大空间核态饱和沸腾出了大空间核态饱和沸腾出了大空间核态饱和沸腾临界热流密度临界热流密度临界热流密度临界热流密度的计算公式的计算公式的计算公式的计算公式 ： 适用条件：适用条件：适用条件：适用条件：大空间核态饱和沸腾，大空间核态饱和沸腾，大空间核态饱和沸腾，大空间核态饱和沸腾，加热表面的特加热表面的特加热表面的特加热表面的特征尺寸远大于汽泡平均直径。征尺寸远大于汽泡平均直径。征尺寸远大于汽泡平均直径。征
8、尺寸远大于汽泡平均直径。 临界热流密度的数值与压力密切相关，在临界热流密度的数值与压力密切相关，在临界热流密度的数值与压力密切相关，在临界热流密度的数值与压力密切相关，在比压力比压力比压力比压力（液体的压力与其临界压力之比）大约等于（液体的压力与其临界压力之比）大约等于（液体的压力与其临界压力之比）大约等于（液体的压力与其临界压力之比）大约等于0.30.3处临界处临界处临界处临界热流密度具有极大值。热流密度具有极大值。热流密度具有极大值。热流密度具有极大值。 有关膜态沸腾的计算公式请看教材有关膜态沸腾的计算公式请看教材有关膜态沸腾的计算公式请看教材有关膜态沸腾的计算公式请看教材313313页。
9、页。页。页。 三、影响核态沸腾换热的主要因素影响核态沸腾换热的主要因素影响核态沸腾换热的主要因素影响核态沸腾换热的主要因素 （1 1 1 1）液体的物性）液体的物性）液体的物性）液体的物性 从罗森诺公式可以看出。从罗森诺公式可以看出。从罗森诺公式可以看出。从罗森诺公式可以看出。 （2 2 2 2）加热表面的状况）加热表面的状况）加热表面的状况）加热表面的状况 ：决定汽化核心数目的多少。：决定汽化核心数目的多少。：决定汽化核心数目的多少。：决定汽化核心数目的多少。 ( (a)a) 壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的壁面材料
10、的种类、热物理性质以及壁面的厚度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面厚度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面厚度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面厚度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸热系数的吸热系数的吸热系数的吸热系数 ( (c c) )1/21/2对沸腾换热都有影响；对沸腾换热都有影响；对沸腾换热都有影响；对沸腾换热都有影响； ( (b)b) 加热壁面加热壁面加热壁面加热壁面的粗糙度；的粗糙度；的粗糙度；的粗糙度； ( (c)c) 加热壁面加热壁面加热壁面加热壁面的的的的氧化、老化和污垢沉积情况氧化、老化和污垢沉积情况氧化、老化和污垢沉积情况氧化、老化和污垢沉积情况
11、等。等。等。等。 （3 3 3 3）液体的压力）液体的压力）液体的压力）液体的压力 ：液体核态沸腾的表面传热系数：液体核态沸腾的表面传热系数：液体核态沸腾的表面传热系数：液体核态沸腾的表面传热系数随系统压力的增加而增加。随系统压力的增加而增加。随系统压力的增加而增加。随系统压力的增加而增加。 （4 4 4 4）不凝气体的含量、加热表面的大小与方向以不凝气体的含量、加热表面的大小与方向以不凝气体的含量、加热表面的大小与方向以不凝气体的含量、加热表面的大小与方向以及液体自由表面的高度（即液位）等因素的影响。及液体自由表面的高度（即液位）等因素的影响。及液体自由表面的高度（即液位）等因素的影响。及液
12、体自由表面的高度（即液位）等因素的影响。 了解了解了解了解影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就是影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就是影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就是影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就是为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。第二节 管内沸腾管内沸腾 外力驱动下流体在宏观外力驱动下流体在宏观定向运动过程中发生的沸腾定向运动过程中发生的沸腾现象。如电站直流锅炉水冷现象。如电站直流锅炉水冷壁管和制冷系统蒸发器管中壁管和制冷系统蒸发器管中的沸腾。的沸腾。 强迫对流沸腾过程中
13、始强迫对流沸腾过程中始终伴随有汽液两相流动。终伴随有汽液两相流动。 第三节第三节 凝结换热凝结换热1 1. .凝结的形态凝结的形态凝结的形态凝结的形态 ( (a) ) 膜状凝结膜状凝结 ( (b) ) 珠状凝结珠状凝结 ( (c) ) 均相凝结均相凝结( (d) d) 接触凝结接触凝结 ( (e) e) 多组分凝结多组分凝结2 2. .竖壁稳态层流膜状凝结的努塞尔理论解竖壁稳态层流膜状凝结的努塞尔理论解竖壁稳态层流膜状凝结的努塞尔理论解竖壁稳态层流膜状凝结的努塞尔理论解 努塞尔作了以下几点假设努塞尔作了以下几点假设努塞尔作了以下几点假设努塞尔作了以下几点假设：（1 1 1 1）蒸气为纯饱和蒸气
14、，不含杂质或不可凝气体；）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不可凝气体；）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不可凝气体；）蒸气为纯饱和蒸气，不含杂质或不可凝气体；（2 2 2 2）汽、液物性均为常数；）汽、液物性均为常数；）汽、液物性均为常数；）汽、液物性均为常数；（3 3 3 3）蒸气静止，对液膜表面无粘性力作用；）蒸气静止，对液膜表面无粘性力作用；）蒸气静止，对液膜表面无粘性力作用；）蒸气静止，对液膜表面无粘性力作用；（4 4 4 4）液膜极薄，流速很低，忽略其惯性力；）液膜极薄，流速很低，忽略其惯性力；）液膜极薄，流速很低，忽略其惯性力；）液膜极薄，流速很低，忽略其惯性力；（5 5 5 5）相相相相
15、变变变变发发发发生生生生在在在在汽汽汽汽 液液液液交交交交界界界界面面面面上上上上，液液液液膜膜膜膜处处处处于于于于饱饱饱饱和和和和温温温温度；度；度；度；（6 6 6 6）液膜内仅有导热作用，忽略对流传热方式；）液膜内仅有导热作用，忽略对流传热方式；）液膜内仅有导热作用，忽略对流传热方式；）液膜内仅有导热作用，忽略对流传热方式；（7 7 7 7）液膜的过冷度可以忽略不计；）液膜的过冷度可以忽略不计；）液膜的过冷度可以忽略不计；）液膜的过冷度可以忽略不计；（8 8 8 8） 膜表面没有波动。膜表面没有波动。膜表面没有波动。膜表面没有波动。 根据上述假设，使竖直平壁表面稳态层流膜状凝根据上述假设
16、，使竖直平壁表面稳态层流膜状凝根据上述假设，使竖直平壁表面稳态层流膜状凝根据上述假设，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：结换热问题的数学模型大为简化：结换热问题的数学模型大为简化：结换热问题的数学模型大为简化： 若冷凝温差若冷凝温差tsat-tw等于常数，沿竖壁积分即可得出等于常数，沿竖壁积分即可得出高高L的整个壁面的平均表面传热系数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。该式即为竖壁稳态层流膜状凝结时的努塞尔理论解。 定定性性温温度度：除除汽汽化化潜潜热热r按按饱饱和和温温度度取取值值以以外外，其其它它参参数数都都按按液液膜膜的的算
17、算术术平平均均温温度度 tm(tsat+ tw)/2 取值。取值。 对努塞尔理论解的修正：对努塞尔理论解的修正： 适用条件适用条件：研究证明，如果满足：研究证明，如果满足 研究证明，如果满足研究证明，如果满足Ja 0.1和和1Pr 100，上式上式的误差将低于的误差将低于3 3。 Ja 称为称为雅各布（雅各布（Jacob）数数，表表示凝结液的显热与潜热之比。示凝结液的显热与潜热之比。 （1 1）如果蒸气过热，式中的汽化潜热改为）如果蒸气过热，式中的汽化潜热改为 r = r + 0.68 cpl ( tsattw )。 （2 2）如果竖壁与垂直方向的夹角为）如果竖壁与垂直方向的夹角为 ，式中的重
18、，式中的重力加速度力加速度g改为改为gcos 。 为判断凝结液膜的流态，引进凝结液膜的雷诺数为判断凝结液膜的流态，引进凝结液膜的雷诺数式中，式中，um 为底部凝液的平均速度；为底部凝液的平均速度； 根根据据热热平平衡衡，冷冷表表面面吸吸收收的的热热量量一一定等于凝结液释放的潜热，即定等于凝结液释放的潜热，即de 为液膜的当量直径为液膜的当量直径: : 凝凝结结液液膜膜雷雷诺诺数数是是凝凝结结表表面面传传热热系系数数和和换换热热温温差差的的函函数数。导导致致计算时必须进行迭代计算时必须进行迭代。 再引进再引进伽利略伽利略（Galileo）数数 实验证明，当实验证明，当Rec30 时，由于液膜出现
19、波动，上式计算结果时，由于液膜出现波动，上式计算结果比实验结果低比实验结果低20左右，所以工程上用下式计算。左右，所以工程上用下式计算。 只要管径大大超过液膜厚度，上式也可以用于竖管。只要管径大大超过液膜厚度，上式也可以用于竖管。 对水蒸气竖壁膜状凝结的测试结果证明，当对水蒸气竖壁膜状凝结的测试结果证明，当Rec1600时，凝结液时，凝结液膜变为湍流，用下式计算整个壁面的平均表面传热系数。膜变为湍流，用下式计算整个壁面的平均表面传热系数。 定性温度定性温度：饱和温度：饱和温度3 3. .竖壁稳态湍流膜状凝结换热的计算公式竖壁稳态湍流膜状凝结换热的计算公式竖壁稳态湍流膜状凝结换热的计算公式竖壁稳
20、态湍流膜状凝结换热的计算公式水蒸气在竖水蒸气在竖壁上的膜状凝结壁上的膜状凝结分析解与实验结分析解与实验结果：果： 比较水平单管和垂直管层流膜状凝结换热的计算比较水平单管和垂直管层流膜状凝结换热的计算公式，公式， 4 4. .水平管及管束外的膜状凝结换热水平管及管束外的膜状凝结换热水平管及管束外的膜状凝结换热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努塞尔理论解还可以推广到水平单圆管及球体外努塞尔理论解还可以推广到水平单圆管及球体外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）：表面的膜状凝结（一般为层流）：表面的膜状凝结（一般为层流）：表面
21、的膜状凝结（一般为层流）： 水平管：水平管：C =0.729；水平：水平：垂直：垂直：水平放置优于垂直放置。水平放置优于垂直放置。 对于水平管束，对于水平管束， n为为垂直方向上管子的数目。因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。和飞溅效应，所以上式计算值偏低。5 5. .影响凝结换热的主要因素影响凝结换热的主要因素影响凝结换热的主要因素影响凝结换热的主要因素 （1 1）蒸气中含有不凝结气体；）蒸气中含有不凝结气体； （2 2）蒸气的流速；）蒸气的流速； （3 3）凝结表面的状况（表面形状、粗糙度等）；）凝结表面
22、的状况（表面形状、粗糙度等）； （4 4）蒸气及凝结液的物性；）蒸气及凝结液的物性； （5 5）凝结液对凝结表面的侵润性等。）凝结液对凝结表面的侵润性等。 6 6. . 凝结换热的强化技术凝结换热的强化技术凝结换热的强化技术凝结换热的强化技术（1 1）减薄凝结液膜的厚度、促减薄凝结液膜的厚度、促减薄凝结液膜的厚度、促减薄凝结液膜的厚度、促进凝结液的排泄；进凝结液的排泄；进凝结液的排泄；进凝结液的排泄；（2 2）改变凝结的形式，创造珠状凝结条件等。改变凝结的形式，创造珠状凝结条件等。改变凝结的形式，创造珠状凝结条件等。改变凝结的形式，创造珠状凝结条件等。7.4 热管技术简介热管技术简介1 1.
23、. 热管的工作原理热管的工作原理热管的工作原理热管的工作原理管壳管壳吸热芯吸热芯 蒸气蒸气加热段加热段绝热段绝热段散热段散热段2 2. . 热管的工作特点：热管的工作特点：热管的工作特点：热管的工作特点：重力热管示意图重力热管示意图重力热管示意图重力热管示意图（1 1）传热能力强：一根钢传热能力强：一根钢传热能力强：一根钢传热能力强：一根钢水热管的传热能力大致相当于同水热管的传热能力大致相当于同水热管的传热能力大致相当于同水热管的传热能力大致相当于同样尺寸紫铜棒导热能力的样尺寸紫铜棒导热能力的样尺寸紫铜棒导热能力的样尺寸紫铜棒导热能力的15001500倍；倍；倍；倍； （2 2）传热温差小；传热温差小；传热温差小；传热温差小； （3 3）结构简单、工作可靠、结构简单、工作可靠、结构简单、工作可靠、结构简单、工作可靠、传输距离长；传输距离长；传输距离长；传输距离长； （4 4）热流密度可调（通过改热流密度可调（通过改热流密度可调（通过改热流密度可调（通过改变加热段和放热段的长度或加装变加热段和放热段的长度或加装变加热段和放热段的长度或加装变加热段和放热段的长度或加装肋片）；肋片）；肋片）；肋片）； （5 5）采用不同的工质可适用采用不同的工质可适用采用不同的工质可适用采用不同的工质可适用不同的温度范围；不同的温度范围；不同的温度范围；不同的温度范围；
