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1、传热学第七章凝结与沸腾换热1第1页，本讲稿共39页第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热换热和自然对流换热下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相相变换热变换热，目前涉及的是，目前涉及的是凝结凝结换热和换热和沸腾沸腾换热两种。换热两种。相变换热的相变换热的特点特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。经验公式和实验关
2、联式。2第2页，本讲稿共39页7-1 7-1 凝结换热凝结换热凝结换热的凝结换热的关键点关键点凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及会分析竖壁和横管的换热过程，及NusseltNusselt膜状凝结理论膜状凝结理论凝结换热实例凝结换热实例 电厂凝汽器，冰箱冷凝器电厂凝汽器，冰箱冷凝器 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花 许多
3、其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程3第3页，本讲稿共39页凝结换热中的重要参数凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（t ts s-t-tw w）汽化潜热汽化潜热 r r 特征尺度特征尺度 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 数、比热容等数、比热容等4第4页，本讲稿共39页1 凝结过程凝结过程 膜状凝结膜状凝结沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用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须通过液膜，下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。
4、因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多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接接触，因此，换小液珠，此时壁面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（可能大几倍，甚至一个数量级）热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）gg5第5页，本讲稿共39页7-2 7-2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年，年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状凝结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。自理论
5、和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或发展都是针年以来，各种修正或发展都是针对对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计算方法。算方法。1.假设及模型简化假设及模型简化1）常物性；）常物性；2）蒸气静止；）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略；）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；量转移只有导热；6）液膜的过冷度忽略；）液膜的过冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波
6、动液膜表面平整无波动6第6页，本讲稿共39页gt(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：对应于式对应于式(5-14)，(5-15)，(5-16)下脚标下脚标 l 表示液相表示液相x7第7页，本讲稿共39页考虑（考虑（3）液膜的惯性力忽略）液膜的惯性力忽略 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，即热量转移只有导热 考虑（考虑（7 7）忽）忽略蒸汽密度略蒸汽密度8第8页，本讲稿共39页只有只有u 和和 t 两个未知量，于是，两个未知量，于是，上面得方
7、程组化简为：上面得方程组化简为：边界条件：边界条件：9第9页，本讲稿共39页2.求解结果：求解结果：(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10第10页，本讲稿共39页(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(3)(3)修正：修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述得理论值高化，因此，实验值比上述得理论值高2020左右左右修正后：修正后：定性温度：定性温度：注意：注意：r 按按 ts 确定确定11第11页，本讲
8、稿共39页对于对于倾斜壁倾斜壁，则用，则用 gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g g 即可。即可。(4)(4)水平圆管水平圆管努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结状凝结式中：下标式中：下标“H”“H”表示水平管，表示水平管，“S”“S”表示球表示球;d;d 为水为水 平管或球的直径。平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同定性温度与前面的公式相同12第12页，本讲稿共39页横管与竖管的对流换热系数之比：横管与竖管的对流换热系数之比：3 3 边界层内的流态边界层内的流态无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流
9、湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时其判断依据仍然时ReRe，式中：式中：u ul l 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。13第13页，本讲稿共39页如图如图由热平衡由热平衡所以所以对水平管，用对水平管，用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态14第14页，本讲稿共39页4 4 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横
10、管因直径。横管因直径较小，实践上均在层流范围。较小，实践上均在层流范围。对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强对对竖壁的湍流凝结换热竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的，其沿整个壁面的平均表面传热系数平均表面传热系数计计算式为：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15
11、第15页，本讲稿共39页利用上面思想，整理的实验关联式：利用上面思想，整理的实验关联式：式中：式中：。除。除 用壁温用壁温 计算外，其余物理量的定性温度均为计算外，其余物理量的定性温度均为16第16页，本讲稿共39页7-3 7-3 影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素 工工程程实实际际中中所所发发生生的的膜膜状状凝凝结结过过程程往往往往比比较较复复杂杂，受受各各种种因因素素的的影响。影响。1.1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下 降，减小了凝结的驱动力降，减小了凝结的驱动力2.2.蒸气流速蒸气流速 流速较高时
12、，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，增大；反之使增大；反之使 减小。减小。17第17页，本讲稿共39页 4.4.液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替 计算公式中的计算公式中的 ，5.5.管子排数管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。前
13、面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。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。18第18页，本讲稿共39页 6.6.管内冷凝管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。管子上半部。流速较高流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。四周，中心为蒸气核。19第19页，本讲稿共39页 7.凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状v强强化化凝凝结结换换热热的的原
14、原则则是是尽尽量量减减薄薄粘粘滞滞在在换换热热表表面面上的液膜的厚度。上的液膜的厚度。v可用各种带有尖峰可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体者使已凝结的液体 尽快从换热表面上尽快从换热表面上 排泄掉。排泄掉。20第20页，本讲稿共39页7-4 沸腾换热现象沸腾换热现象 蒸汽锅炉蒸汽锅炉 做饭做饭 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换到气态的一种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剧烈的汽化过程 b 沸腾换热：沸腾换热：指
15、工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传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热方式3 分类分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)和和强制对流沸腾强制对流沸腾，每种又分为每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。21第21页，本讲稿共39页a 大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；所发生的沸腾；b 强制对流沸腾：强制对流沸腾强制对流沸腾：强制对流沸腾加热表面加热表面Heated SurfaceLiquidflo
16、wBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow22第22页，本讲稿共39页4 汽泡动力学简介汽泡动力学简介 (1)汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽汽化核心化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。气体，是最好的汽化核心，如图所示。c 过冷沸腾：过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度
17、，即处于过冷状态，而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，称之为过冷沸腾壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾d 饱和沸腾：饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度液体主体温度达到饱和温度，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容器大容器的的饱和沸腾饱和沸腾23第23页，本讲稿共39页(2)汽泡的存在条件汽泡的存在条件力平衡：力平衡：热平衡：热平衡：汽泡半径汽泡半径R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程克拉贝龙方程)式中：式中：表面张力，表面张力，N/m
18、；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度，C ts 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度，C可见，可见，(tw ts),Rmin 同一加热面上，称为汽化核心同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强24第24页，本讲稿共39页5 大大容容器器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、核核态态沸沸腾腾、过过渡渡沸沸腾腾和和稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾，如图所示：
19、，如图所示：qmaxqmin25第25页，本讲稿共39页几点说明：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。一一般般用用核核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可控控的的两两种种情情况况都都非常重要。非常重要。（2）对对稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾，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。26第26页，本讲稿共39页7-5 沸腾
20、换热计算式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，即适用，即但对于沸腾换热的但对于沸腾换热的h h却又许多不同的计算公式却又许多不同的计算公式1 大容器饱和核态沸腾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液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种
21、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。一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。27第27页，本讲稿共39页为此，书中分别推荐了两个计算式为此，书中分别推荐了两个计算式（1 1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：耶夫公式，压力范围：10105 54 4 10106 6 Pa Pa按按 28第28页，本讲稿共39页（2）罗森诺公式）罗森诺公式广泛适用的强制对流换热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，既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)也应该
22、适用。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：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，式中，r 汽化潜热；汽化潜热；Cpl 饱和液体的比定压热容饱和液体的比定压热容 g 重力加速度重力加速度 l 饱和液体的动力粘度饱和液体的动力粘度 Cwl 取决于加热表面液体取决于加热表面液体 组合情况的经验常数组合情况的经验常数(表表6)q 沸腾传热的热流密度沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水经验指数，水s=1,否则，否则，s=1.729第29页，本讲稿共39页上式可以改写为：上式可以改写为：可见，可见，因此，尽管有时上述计算公式得到的，因此，尽管有时
23、上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达与实验值的偏差高达 100，但已知，但已知q计算计算 时，则可以时，则可以将偏差缩小到将偏差缩小到 33。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。须谨慎处理热流密度。2 大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度书中推荐适用如下经验公式：书中推荐适用如下经验公式：30第30页，本讲稿共39页3 大容器膜态沸腾的关联式大容器膜态沸腾的关联式（1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾式中，除了式中，除了r 和和 l 的值由饱和温度的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平决定外，其余物性均以平均温度均温度
24、 tm(twts)/2 为定性温度，特征长度为管子外径为定性温度，特征长度为管子外径d,如果加热表面为球面，则上式中的系数如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为改为0.6731第31页，本讲稿共39页勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：其中：（2）考虑热辐射作用）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，
25、必须综合考虑热辐射增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。效应。32第32页，本讲稿共39页7-6 7-6 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素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。换热。1 不凝结气体不凝结气体 对膜状凝结换热的影响？对膜状凝结换热的影响？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与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热
26、得到某种程度的强化度的强化2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，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。，因此，过冷会强化换热。33第33页，本讲稿共39页3 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够高当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液系数会明显地随液 位的降位的降低而升高低而升高(临界液位临界液位)。图中介质为一个图中介质为一个 大气压下的水大气压下的水4 重力加速度重力加速度
27、随着航空航天技术的发展，随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的超重力和微重力条件下的 传热规律得到蓬勃发展，传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地但目前还远没到成熟的地 步，就现有的成果表明：步，就现有的成果表明：34第34页，本讲稿共39页 从从0.1 100 9.8 m/s2 的范围内，的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，因此，g Nu 换热加强。换热加强。5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸沸腾腾表表面面上上的的微微笑笑凹凹坑坑最最容容易易产产生生汽汽化化核核心心，因因此此，凹凹
28、坑坑多多，汽汽化化核核心心多多，换换热热就就会会得得到到强强化化。近近几几十十年年来来的的强强化化沸沸腾腾换换热热的的研研究究主主要要是是增增加加表表面面凹凹坑坑。目目前前有有两两种种常常用用的的手手段段：(1)用用烧烧结结、钎钎焊焊、火火焰焰喷喷涂涂、电电离离沉沉积积等等物物理理与与化化学学手手段段在在换换热热表表面上形成多孔结构。面上形成多孔结构。(2)机械加工方法。机械加工方法。35第35页，本讲稿共39页36第36页，本讲稿共39页思考题：思考题：1.1.膜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
29、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.气化核心的概念气化核心的概念.沸腾气泡产生的物理条件沸腾气泡产生的物理条件.8.8.画出水
30、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.37第37页，本讲稿共39页9.9.什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?10.10.为什么对于不同的表面粗糙度为什么对于不同的表面粗糙度,核态沸腾换热系数有很核态沸腾换热系数有很 大的不同大的不同?11.11.那些因素影响核态沸腾换热那些因素影响核态沸腾换热?12.12.沸腾换热的基本计算方法沸腾换热的基本计算方法?38第38页，本讲稿共39页作业：作业：6-46-4，6-76-7，6-116-11，6-136-13，6-216-21，6-256-25，6-286-28，6-326-32，6-406-40，6-426-42，6-446-4439第39页，本讲稿共39页