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《传热学》第七章 凝结与沸腾换热

《传热学》第七章 凝结与沸腾换热

适用范围：
水平管：
适用范围：
（由于管径不会很大， 一般不会到达紊流）
进行修正后，得到：
垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
垂直壁与水平管凝结换热强度的比较—— 由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能 更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。
垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：
层流膜状凝结换热 速度变化规律：
蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用
层流膜状凝结换热 温度变化规律：
ts为蒸气饱和温度
可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究
1.X方向液膜动量方程： 将： 代入，得：
v为蒸汽密度
假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：
一般情况下：
从而：
已知壁温：
二、管内沸腾换热
特征：由于流体温度随流向逐渐 升高，沸腾状态随流向不断改变
液相单相流 h较低
垂 直 管 内 沸 腾
Байду номын сангаас
泡状流
h升高
块状流
h高
环状流
h高
气相单相流
h急剧降低
水平管内沸腾
液 相 单 相 流
泡 状 流
块 状 流
波 浪 流
环 状 流
气 相 单 相 流
汽水分层，管上半部局部换热较差
第七章重点： 1.膜状凝结换热特征和计算方法
2.沸腾换热的四个阶段 3.热管的工作原理
谢谢观看
三、水平管束管外凝结换热
上一层管子的凝液流到下一层管 子上，使下一层管面的膜层增厚
下层管上的h比上层管的h低
计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式

《传热学》第7章-凝结与沸腾换热

《传热学》第7章-凝结与沸腾换热

补充例题3
v 思路： 膜态沸腾换热套用公式计算即可。
稳定的膜态沸腾时，金属丝的电流的发热量 一部分通过沸腾换热传给了水，其余部分则 使金属丝的内能增加（温度升高），这是一 个能量平衡。
补充例题3
v 解：膜态沸腾换热系数的计算套教材中的公式，略 去。结果为： h=236.70 W/(m2.℃)
每米长金属丝的传热量为:
理论解的修正
h
=
0.943

gγρ
µH (ts
2λ3 − tw
1/ 4
)
实验证实： Re < 20
时，实验结果与理论解相吻合
Re > 20 时，实验结果比理论解高20%
所以在工程计算时将该式的系数加大20%
h
=
1.13

gγρ 2λ3
µl(ts − tw
)
1/
4
定性温度
tm
传热学
第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and boiling
简介
蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为凝结换热； 液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程称为沸腾换热
——有相变的对流换热
一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相 流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。
7-1 凝结换热现象
膜状凝结换热 的主要阻力
=
1 2
(ts
+
tw
)
其他
单根水平圆管外壁面上的层流膜状凝结换热平均表面传热系数
h=
( ) 紊流膜状凝结换热
0.729

gγρ µd ts
2λ3 − tw
1/ 4
( ) 整个垂直壁面的平均表面传热系数

传热学-第七章newppt课件

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（2）特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。 当凝结液不能润湿壁面时，凝结液在壁面许多点上以—颗颗小液珠的形式依
附于壁面，在重力的作用下，液珠滚下并与相通的液珠汇合成较大的液滴， 在向下滚动的同时．扫清了沿途的液珠，让出无液珠的壁面供继续凝结．凝 结过程主要是直接在冷壁面上进行的，没有凝结液膜引起的附加热阻，因此 有较高的换热强度。实验表明珠状凝结的换热系数比膜状凝结要高5—10倍 以上。 虽然如此，但到目前为止．在工业冷凝器中还没能创造出持久地保持珠状凝 结的工作条件。珠状凝结的机理及保证产生珠状凝结的条件正在广泛地研究 中。 如果冷凝壁面水平放置，壁面迟早会被冷凝液覆盖；如果冷凝壁面是竖直安 放，液珠会逐步变大而沿着壁面向下滚动，使得冷凝壁面始终能与蒸汽直接 接触，保持良好的热交换性能。 在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。
量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强
竖壁紊流膜段的平均表面传热系数
C o875 508 PR r0.5c(eR0 c.7e525)3
对竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数
计算式为：
hhl
xc l
ht
1
xc l
式中：hl 为层流段的传热系数； ht 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
u v 0 x y
Thermal boundary
x
layers
u(y)
（ l u u xv u y)lg p xl y2u 2
Velocity boundary
layers
ut vt x y
al
2t y2
下脚标 l 表示液相
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第七章凝结及沸腾换热_传热学

第七章凝结及沸腾换热_传热学

23
3 大空间饱和沸腾曲线：
表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不 同的阶段：自然对流、泡态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾， 如图所示：
qmax
qmin
24
4.几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界 热流密度，亦称烧毁点。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。 （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较 大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
25
三. 大空间泡态沸腾表面传热系数计算
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
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式 影响泡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。
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 2 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，
h (tw， 因t f 此)n ，过冷会强化换热。
30
3.液位高度
当传热表面上的液位足够高时， 沸腾换热表面传热系数与液位 高度无关。但当液位降低到一 定值时，表面传热系数会明显 地随液 位的降低而升高(临界 液位)。
2t y 2
5
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l (u
u x
v
u y
)
0
考虑（7）忽略蒸汽密度
dp 0 dx
考虑（5） 膜内温度线性分布， 即热量转移只有导热

精品课件-凝结与沸腾换热原理

精品课件-凝结与沸腾换热原理

7. 凝结表面的几何形状
• 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面 上的液膜的厚度。
• 可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉 薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄 掉。
§6-4 沸腾换热现象
沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡 的汽化过程称为沸腾。
沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表 面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸 腾换热强度远大于无相变的换热。
②随着 t的上升，汽化核心增加，生成的汽泡
数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。
③随着 的t 增大， q 增大，当 增大t 到一定值时，
q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换 热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸 腾）。
其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密 度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。
dp 0 dx
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
l
2u y 2
u
t x
v
t y
al
2t y 2
考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量转 移只有导热
u t v t 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组 化简为：
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
以竖壁的膜状凝结为例： x 坐标为重力方向，如 图所示。
在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ：
u
x
v y
0
l (u

第七章凝结与沸腾换热

第七章凝结与沸腾换热

1Chapter 7 Condensation and BoilingHeat Transfer(凝结与沸腾换热)本章主要内容1 Condensation Heat Transfer 凝结换热2 Boiling Heat Transfer 沸腾换热3 Heat Pipe 热管学习本章的基本要求了解凝结换热的Nusselt理论解、相似准则意义，理解主要影响因素及掌握凝结换热关联式的应用。

理解沸腾换热机理、沸腾曲线。

了解主要影响因素及沸腾换热的计算方法，了解热管工作原理及其主要特点。

2§1Condensation Heat Transfer工质在饱和温度下由气态转变为液态的过程称为凝结或冷凝(condensation)，而在饱和温度下，由液态转变为气态的过程称为沸腾(boiling)。

1-1 Introduction1、The process of condensationIf the temperature of the wall is bellow the saturation temperature of the vapor, condensate will form on the surface. (壁温低于蒸汽饱和温度时)（1）Film condensation 膜状凝结If the liquid wets the surface, a smooth film is formed, and the process is called film condensation 膜状凝结。

这是最常见的凝结形式。

例如，水蒸气在洁净无油的表面上凝结。

膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热（潜热）要穿过液膜才能传到冷却壁面上去，且蒸气凝结只能在膜的表面进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传到壁。

液膜层是换热的主要热阻，故液膜的厚薄及其运动状态（层流或紊流）对换热的影响很大。

这些又取决于壁的高度（液膜流程长度）以及蒸气与壁的温差。

第五章凝结与沸腾换热

第五章凝结与沸腾换热

5 大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，
共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸 腾和稳定膜态沸腾，如图所示：
qmax
qmin
几点说明：
（1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界热流密 度，亦称烧毁点。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。
为此，书中分别推荐了两个计算式
（1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐如下公式
h
=
C1 (t w
− ts )n ⎜⎜⎝⎛
p pa
⎟⎟⎠⎞0.4
式中：p 和 pa 分别表示容器内液体的实际压力和标准大 气压；系数C和指数n的值与加热面的情况以及热流密度q 的大小有关。具体参见教材表5-2
2 大容器沸腾的临界热流密度
Mist flow
Heated Surface
c 过冷沸腾：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 d 饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱 和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾
4 汽泡产生的条件
我们这本书仅介绍大容器 的饱和沸腾
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 汽化核心，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。
Tw − Ts
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。
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7章凝结与沸腾换热

第7章凝结与沸腾换热

1/ 4
)
第7章凝结与沸腾换热
（三重、庆影大学响2膜0状06凝年结考研的题因）素蒸及汽增中强含换有不热凝的性措气施体将对
膜状凝结传热会产生什么影响？分析产生影响的原因。
工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂， 受各种因素的影响。
1. 五个影响因素 （(1西)安蒸交气通流大速学2005年考研题）一台氟利昂冷凝器试 验台，流在速充较灌高氟时利，蒸昂气前流没对有液抽膜真表面空产，生试粘问滞这应对力；冷如凝果器蒸运 行气的流传动热与性液膜能向有下什的么流影动响同向？时为，什使么液？膜拉薄，h↑；反之
14
(2) 局部表面传热系数—微元段内凝结换热量等于膜层的导热量
hx(tstw
)dxtstw
dx
hx
将液膜厚度δ带入上式，得：
hx
( ts
tw
)/
t
4
gl2 x( ts
l3
tw
1/ 4
)
( t
ts
tw
C)
(3) 整个竖壁的平均表面传热系数
h 1
l
l 0
hx dx
0.943
gl2l3 l( ts tw
1/ 4
)
(7 1)
定性温度：
tm
ts
tw 2 注意：r 第7章凝结与沸腾换热
按 ts 确定
15
(4) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得 到强化，因此，实验值比上述的理论值高20％左右
修正后：
hV
1.13
gr l2 l3 l( ts tw
)
19
第7章凝结与沸腾换热
4. 紊流膜状凝结
液膜从层流转变为紊流的临界雷诺数可定为1800。横管因 直径较小，实践上均在层流范围。
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(2)珠状凝结
凝结液面不能很好地润湿壁面，在 壁面上形成一个个小的液珠，且不断 发展，到一定程度后，重力大与依附 力，向下运动
特点：凝结放出的潜热不须穿过 g 液膜的阻力即可传到冷却壁面上。
tw ts
3. 两种凝结方式换热系数的大小
膜状凝结：由于壁面被一层液膜覆盖，因而凝结放 出的热量首先必须穿过这层液膜（以导热形式），后 才传至壁面。主要热阻为液膜层。（导热因液膜层内 速度很小，热阻大）
珠状凝结：由于大部分冷壁面总是直接暴露在蒸气 中，不存在液膜层。（热阻小）
所以h珠>h膜
虽然，珠状凝结的表面传热系数远远大于膜状凝结， 从换热角度考虑，希望采用珠状凝结，但要维持珠状凝 结是非常困难的，所以在实际工业应用上都只能实现膜 状凝结。玻璃器皿洗干净有一层水膜。
第二节 膜状凝结分析解及实验关联式
——厚度薄、热阻小。
2. 准则方程
• 液膜的流动方式也有层流和紊流之分，还是 采用雷诺数（膜层）来判断。
Re de ul
式中：
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速；
de 为该截面处液膜层的当量直径。
无波动层 流
Re 20
有波动层 流
Rec 1600
湍流
如图
de 4Ac / P 4b / b 4
1. 纯净蒸气层流膜状凝结分析解 • 努赛尔通过一系列的假设后，得到了纯净蒸
气层流膜状凝结的分析解，具体假设有： （1）常物性（物性参数不随温度变化）； （2）蒸气静止不动，对液层无粘滞应力； （3）液膜的惯性力可以忽略； （4）气液界面无温差（即凝液温度等于蒸气温
度）；
(5)膜内温度分布是线性的（液膜内的热量传 递只有导热，而无对流作用）； （6）液膜的过冷度可以忽略； （7）蒸气密度远远小于凝结液体的密度ρl； （8）液膜表面平整无波动。
Re 4ul 4qml
对于横管，实验结果与理论结果非常吻合； 对于竖壁，实验结果比理论结果偏高20％左右。
3. 紊流膜状凝结换热 除层流层外以导热为主，层流层以外以湍流为主， 从而有：
实验证明： （ 1 ）膜层雷诺数 Re=1600 时，液膜由层流
转变为紊流 ； （ 2 ）横管均在层流范围内，因为管径较小。
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 r
r r 0.68cp( ts tw )
5. n排管束 理论上d用nd算即可，但实际上，比nd大得多。
6. 管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。 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。
2. 蒸气的流速 • 以上公式是假定蒸气静止不动时得出的。实际
上蒸气以一定流速流动，会产生力的作用。蒸 气与液膜流向相同，使液膜迅速下流而减薄， 并产生波动，所以h↑。若流向相反，使液膜加 厚，h↓。但流速很大时，液膜脱离壁面，使 h↑。
3. 过热蒸气
h↑，影响不大。 过热蒸气→饱和蒸气（中间层）热阻很小，可 忽略。 4. 液膜过冷度
第七章 凝 结 与 沸 腾 换 热
在第五和第六章中，讨论了单相流体对流的 理论分析和试验准则方程式，但在实际的工程上， 常常遇到蒸汽转变成液体或液体变成蒸汽的过程。
例如：发电厂中：蒸汽轮机后的气体叫乏汽， 为了使水循环，乏汽通过冷凝器后，凝结成水后， 再通过凝结泵把水打入锅炉，锅炉中的水吸热变成 过热蒸汽（沸腾）
7. 凝结表面的几何形状
• 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上 的液膜的厚度。
• 方法：可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液 膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排 泄掉。
试分析自然对流换热与膜状凝结换热的区别 1. 密度变化的原因不同 自然对流：温度变化引起密度的变化; 膜状换热：相变引起密度的变化ρl>ρv
• 因为这些过程也是通过流动来实现的，所以也 属于对流换热的范畴。但它们有一个新的特点， 即流体在放热或吸热过程中温度保持不变（相 变），在一般情况下，表面传热系数比无相变时 的表面传热系数要大得多。
§7-1 凝结换热现象 凝结换热实例
•寒冷冬天窗户上的冰花 •锅炉中的水冷壁
凝结换热的关键点 • 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
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，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，称 凝结换热现象。有两种凝结形式。
特征 :对于紊流液膜，热量的传递：（ 1 ）靠近壁 面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（ 2 ） 层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因 此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。
第三节 影响膜状凝结因素的讨论
1. 不凝结气体
•由于漏气或蒸气不纯，在冷凝器中或多或少含 有一定量的不凝结气体。在蒸气中含有少量气 体，会使换热系数显著下降。如水蒸气中含1％ 的空气，使换热系数降低60％。这是因为（1） 随着蒸气的凝结，不凝结气体被阻留在液膜界 面，形成了一层气膜，蒸气分子必须借助扩散 方式（导热）穿过这层气膜，产生一负加热阻； （2）随着蒸气的凝结，蒸气分压降低，而不凝 结气体的分压力增大，使得饱和温度降低，减 少了驱动力（ts-tw）。
• 以竖壁为例：边界层微分方程组：
由于忽略液膜惯性力，从而
液膜在x方向的压力梯度，可按y=δ处 蒸气的压力梯度计算
根据膜内温度分布呈线性(只有导热)式（3）可写成：
从而简化为：
边界条件：
由于方程式中液膜厚度δ未知，所以接下 来的关键问题是如何求δ
•
myx来自对于倾斜壁如何修正？所以冷凝器通常采用横管的布置方式（短、 横管）
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
(2)珠状凝结
(1)膜状凝结
定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均 匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。
特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的 相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷 却壁面上， 此时液膜成为主要的换热热 阻
g
tw ts