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1、7.1 凝结换热7.1.1 概述n定义蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面的过程。n产生条件：产生条件：壁面温度tw蒸汽的饱和温度tsn分类(凝结液与壁面浸润情况)膜状凝结(filmwise condensation):珠状凝结(dropwise condensation)n实例发电厂凝汽器、制冷装置中的冷凝器深秋玻璃上的水膜第1页/共65页n凝结换热研究关键点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会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论第2页/共65页n凝
2、结换热中的重要参数蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）汽化潜热 r 特征尺度 其他热物理性质，如、c cp p等。第3页/共65页7.1.2 7.1.2 凝结过程凝结过程n膜状凝结 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，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。n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(hd=(510)hf)gg第4页/共65页n凝结形态的决定性因素是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力；而润湿能力又取决于表面张力；表面张力小的润湿能力强。实践
3、表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持，因此，工程实践应用中只能实现膜状凝结。为保证凝难保持，因此，工程实践应用中只能实现膜状凝结。为保证凝结效果，应结效果，应以膜状凝结计算作为设计的依据以膜状凝结计算作为设计的依据。第5页/共65页7.2 7.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式7.2.1 7.2.1 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热（竖壁）的分析n简化假设简化假设常物性；蒸气静止，气液界面无对液膜的粘滞应力；液膜的惯性力忽
4、略；气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；膜内温度线性分布，热量转移只有导热；液膜的过冷度、蒸汽的过热度忽略；忽略蒸汽密度（v l）；液膜表面平整无波动第6页/共65页gt(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layers微元控制体凝结液膜的流动和传热符合边界层薄层性质。取重力方向为x方向，稳态情况下，边界层描述为n边界层方程组的简化下脚标 l 表示液相第7页/共65页考虑假设考虑假设忽略惯性力；忽略惯性力；液膜在x方向的压力梯度可按界面y=处压力梯度计算。考考虑假设虑假设 考虑假设考虑假设忽略蒸气密度；忽略蒸气密度；考虑假设考虑假
5、设之考虑导热之考虑导热XX第8页/共65页只有u 和 t 两个未知量，故控制方程简化为：边界条件：第9页/共65页n 求解与结果流速u第10页/共65页温度温度第11页/共65页x处的质量流量处的质量流量qm则，则，x+dx 处质量流量的增量处质量流量的增量第12页/共65页液膜厚度液膜厚度引入假设引入假设不考虑液膜过冷所释放的显热，不考虑液膜过冷所释放的显热，根据能量守恒定律，微元体根据能量守恒定律，微元体液膜的导热凝结液体的潜热引入假设温度线性分布，热量转移仅考虑导热第13页/共65页局部表面传热系数局部表面传热系数 整个竖壁平均表面传热系数整个竖壁平均表面传热系数 表竖壁第14页/共65
6、页7.2.2 7.2.2 膜状凝结分析扩展膜状凝结分析扩展倾斜壁平均表面传热系数倾斜壁平均表面传热系数第15页/共65页 水平圆管表面凝结传热表面传热系数水平圆管表面凝结传热表面传热系数水平管外凝结与竖直管外凝结的比较水平管外凝结与竖直管外凝结的比较Nusselt 采用图解积分得特征尺度为l特征尺度为d冷凝管通常采用横管布置。第16页/共65页竖壁表面凝结传热表面传热竖壁表面凝结传热表面传热系数理论公式的修正系数理论公式的修正球表面凝结传热表面传热系数球表面凝结传热表面传热系数实验表明，由于液膜表面波动，凝实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比结换热得到强化，因此，实验值
7、比上述得理论值高上述得理论值高2020左右。故工程左右。故工程中采用中采用无波动层流有波动层流湍流第17页/共65页几点说明几点说明定性温度 除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2公式适用范围 层流 Re1时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。第20页/共65页 对于Re 1600 的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：除Prw 的定性温度用 tw 外，其余均用ts，物性均指凝结液的 7.2.4 7.2.4 湍流膜状凝结换热湍流膜
8、状凝结换热第21页/共65页【例例】压力为压力为1.013105Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。及凝结蒸汽量。解：先假设液膜为层流。根据 ts=100，查得r=2257kJ/kg；其他物性按液膜平均温度 tm=(100+98)/2=99 查取，得：=958.4kg/m3,=2.825 10-4kg/(m.s),=0.68W/(m.K)第22页/共65页核算Re准则：说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：【例例】压力为压力为1.013103
9、Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。及凝结蒸汽量。第23页/共65页凝结蒸汽量为：【例例】压力为压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为的尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计算每小时的热换量。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。及凝结蒸汽量。第24页/共65页n不凝结气体不凝结气体由于不凝结气体形成气膜，故：1)蒸气要扩散过气膜，形成阻力；2)气膜导致蒸气分压力降低，从而使 ts 降低：7.3 7.
10、3 膜状凝结影响因素及其传热强化膜状凝结影响因素及其传热强化7.3.17.3.1膜状凝结影响因素膜状凝结影响因素严重性：1%的不凝结气体能使 h降低 60%凝汽器工作中，排除不凝结气体是保证设计能力的关键tsq 第25页/共65页n 蒸气流速蒸气流速 前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。u 向上 液膜增厚 h ；u 液膜破裂 h u 向下 液膜减薄 h ；u 液膜破裂 h n 蒸气过热度蒸气过热度 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。实验证实，h-h 代替 r 即可第26页/共65页用用r 代替计算公式中的代替计算公式中的 r：n液膜过冷度及温度分布的
11、非线性液膜过冷度及温度分布的非线性n管子排数管子排数n 理论上，n排管束换热只需将d nd，但由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使 h 增大；同一铅垂面内，随着液膜的积累，h减小。故前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。第27页/共65页 此时换热与蒸气的流速关系很大。流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子 上半部（a a）。流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核（b b）。n 管内冷凝管内冷凝第28页/共65页 凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空气的漏入使冷凝器
12、平均表面传热系数明显下降。实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中，强化有更大现实意义。某些制冷剂的冷凝器中，强化有更大现实意义。n凝结表面情况凝结表面情况第29页/共65页7.3.17.3.1膜状凝结传热强化膜状凝结传热强化n主要热阻：主要热阻：取决于通过液膜层的导热取决于通过液膜层的导热n强化原则强化原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。n实现方法：实现方法：尖锋的表面 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉如低肋管、纵向沟槽等 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结如表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入
13、第30页/共65页沟槽管微肋管第31页/共65页7.4 7.4 沸腾换热的模式沸腾换热的模式n沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程n 许多学科中正反过程的（物理机制）公式是一样的n 传热有时不一样（管内强制对流）n 沸腾比凝结复杂得多第32页/共65页7.4.1 7.4.1 沸腾换热的定义与分类沸腾换热的定义与分类沸腾沸腾：当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，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沸腾换热沸腾换热：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应用应用：电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；烧开水；冰箱中氟里昂的蒸发等。n 定义定义第33页/共65页按
14、流动动力分按流动动力分 a).大容器(或池)沸腾(Pool boiling)：加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。b).强制对流沸腾(Forced convection boiling)：液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。的沸腾换热。工业上的沸腾换热多属于此；例如：冰箱的蒸发器；自然循环锅炉蒸发受热面 n 分类分类第34页/共65页从主体温度分从主体温度分 a)过冷沸腾(Subcooled boiling)：液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换液体的主体温度低
15、于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。热。b).饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)：液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。热。例如烧开水第35页/共65页7.4.2 7.4.2 大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 表征了大容器表征了大容器饱和沸腾饱和沸腾的的全部过程，共包括全部过程，共包括4 4个换热规律个换热规律不同的阶段：不同的阶段：自然对流自然对流、核态核态沸腾沸腾、过渡沸腾过渡沸腾和和稳定膜态沸稳定膜态沸腾腾F ABCDE第36页/共65页l A 自然对流区 pure convection t4，过热液
16、体对流到自由液面后蒸发=B,C核态沸腾区 Nucleate boiling B 孤立汽泡区 individual bubble regime 汽泡彼此不干扰,对液体扰动大,换热强 C 汽块区 continuous column regime 扰动更强q上升F ABCDE核态沸腾具有温差小、传热强等特点，核态沸腾具有温差小、传热强等特点，为一般工业应用设计范围区。为一般工业应用设计范围区。第37页/共65页=D 过度沸腾 Transition boiling regime 汽泡迅速形成，许多汽泡连成一片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜的导热系数低，q（不稳定过程）=E、F稳定膜态沸腾 Stable
17、film boiling regime 汽泡的产生和脱离速度几乎不变，在壁面上形成稳定的汽膜,和h几乎是常数;q=h t;t q E区，辐射比例小，F区辐射所占比例越来越大F ABCDE对稳定膜态沸腾，因为对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过热量必须穿过的是热阻较大的汽膜的是热阻较大的汽膜，所以换热系数，所以换热系数比凝结小得多。比凝结小得多。第38页/共65页=临界热流密度 qmax (Critical heat flux)：恒热流（加热）q=const.热流密度与换热条件无关 一旦热流密度超过峰值，工况将沿qmax 虚线跳至稳定膜态沸腾线，t 将猛升至近1000 C，可能导致设备的烧毁，qma
18、x所以亦称烧毁点（Burnout point）7.4.3 7.4.3 临界热流密度临界热流密度C第39页/共65页一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。电加热、反应堆恒热流、实用中设监测点。C第40页/共65页 (1)如何强化沸腾传热如何强化沸腾传热 沸腾传热的高传热强度主要是由于气泡的形成、成长沸腾传热的高传热强度主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引起的扰动造成。以及脱离加热壁面所引起的扰动造成。故进一步强化沸腾传热的根本就是设法增加加热表面故进一步强化沸腾传热的根本就是设法增加加热表面所能产生气泡的地点所能产生气
19、泡的地点气泡核心。气泡核心。7.4.4 7.4.4 汽泡动力学简介汽泡动力学简介第41页/共65页 (2)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。7.4.4 7.4.4 汽泡动力学简介汽泡动力学简介第42页/共65页(3)汽泡的存在条件汽泡的
20、存在条件 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：表面张力，表面张力，N/m；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，(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 换热增强第43页/共65页7.5 7.5 沸腾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，牛顿冷却公式仍然适用，即但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式第44页/共65页7.5.17.5.1大容器饱和核
21、态沸腾实验关联式大容器饱和核态沸腾实验关联式 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，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。第45页/共65页（1 1）特定液体）特定液体按 对于水的大容器饱和核态沸腾，推荐适用米海耶夫公式，压力范围：1054 106 Pa第46页/共65页（2 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基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换热的设想。罗森诺基于St=f(Re,Pr)也应该适
22、用于沸腾换热的理念，通过大量实验得出了如下实验关联式：第47页/共65页式中，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7-1)q 沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水s=1,否则，s=1.7第48页/共65页上式可以改写为：上式可以改写为：可见，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达 100，但已知q计算 时，则可以将偏差缩小到 33。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。第49页/共65页(3)(3)制冷介质制冷介质式中：Mr 为液体的分子量；pr对比压力（液体的压力
23、与其临界压力之比；Rp为表面粗糙度。库珀库珀(Cooper)(Cooper)公式目前用得较多公式目前用得较多第50页/共65页应用汽膜的泰勒不稳定性原理导得大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式：7.5.17.5.1大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度第51页/共65页3 大容器膜态沸腾的关联式（1 1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾式中，除了r 和 l 的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平均温度 tm(twts)/2 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0.62改为0.67 膜态沸腾中，汽膜的流动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和换
24、热，适宜用简化的边界层作分析。对于横管的膜态沸腾，有以下公式：第52页/共65页勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：（2 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。第53页/共65页7.6 7.6 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素 影响因素仅针对大容器沸腾换热进行探讨1 不凝结气体 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度的强化第54页/共65页 只影响过冷沸腾，不影响饱
25、和沸腾，因自然对流换热时，因此，过冷会强化换热。2 过冷度3 重力加速度 超重力和微重力条件下的传热规律现有研究成果表明：从0.1 100 9.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但重力加速度对液体自然对流则有显著的影响，由于故自然对流随加速度的增加而强化.第55页/共65页4 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 位的降低位的降低而升高而升高(临界液位临界液位)。介质为一
26、个 大气压下的水第56页/共65页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小小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，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。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。第57页/共65页强化的基本原则 尽量增加加热面上的汽化核心强化技术（以沸腾换热为例）(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。7.7 7.7 强化沸腾传热的原则与技术强化沸腾传热的原则与技术第58页/共65页第
27、59页/共65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?有那些特性有
28、那些特性?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.第60页/共65页9.9.什么是临界热流密度?什么是烧毁点?如果是定壁温加热 条件,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,核态沸腾换热系数有很 大的不同?11.11.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?第61页/共65页 锅炉水冷壁锅炉水冷壁 管内强制对流沸腾时，由于产生的蒸气混入液流，故出现多种不同形式管内强制对流沸腾时，由于产生的蒸气混入液流，故出现多种不同形式的两相流结构。的两相流结构。附录 管内沸腾简介第62页/共65页流动类型 单相水 泡状流 块状流 环状流 单相汽换热类型 单相对流换热 过冷沸腾 液膜对流沸腾 湿蒸汽换热 过热蒸汽换热蒸干：液膜消失蒸干：液膜消失传热恶化（危机）：传热恶化（危机）：h 处处第63页/共65页作业：7-4（6-4）,7-11（6-11），7-23（6-25），7-37（6-40）第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页