第七章凝结及沸腾换热_传热学

凝结与沸腾传热知识点总结一、凝结传热1. 基本概念凝结传热是指气体或蒸汽在与冷凝器或凝析器接触时，由于在高温高压下从气态转变为液态而释放出的潜热，使得冷却表面获得热量，达到热交换的目的。

凝结传热广泛应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统、核电站等领域。

2. 传热机理凝结传热的机理主要包括蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态的过程。

蒸汽接触冷却表面后，从气态开始逐渐降温，当温度降至饱和温度时，蒸汽开始冷凝成液态，同时向冷凝器表面释放潜热。

这一过程中，冷凝器表面得到了传热，达到冷却的效果。

3. 影响因素凝结传热的影响因素主要包括冷凝器表面的特性、冷却介质的流动情况、冷凝器的结构设计等。

其中，冷凝器表面的特性对传热性能影响较大，如表面粗糙度、表面材质等都会对凝结传热产生影响。

二、沸腾传热1. 基本概念沸腾传热是指在液体受热时，液体表面发生气泡并从表面蒸发的过程，通过气泡与液体间传热的方式，将热量传递给液体。

沸腾传热广泛应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。

2. 传热机理沸腾传热的机理主要包括液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，同时气泡与液体之间发生传热。

气泡在液体中的形成、生长、脱离和再次形成的过程构成了沸腾传热的基本机理。

3. 影响因素沸腾传热的影响因素主要包括液体的性质、加热表面的特性、液体的流动情况等。

其中，液体的性质对沸腾传热产生较大影响，如液体的表面张力、黏度、温度等都会对沸腾传热产生影响。

三、凝结与沸腾传热的比较凝结传热与沸腾传热在传热机理、应用领域等方面存在显著差异。

凝结传热是气体或蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态，释放潜热的过程，适用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域。

而沸腾传热是液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，通过气泡与液体间传热的方式，适用于锅炉、蒸馏器等领域。

在传热特性上，沸腾传热的传热系数通常比凝结传热高，因此在某些情况下，沸腾传热更适于热交换。

此外，在应用领域上，凝结传热主要应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域，而沸腾传热主要应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。

第一章、一、基本概念主要包括导热、对流换热、辐射换热的特点及热传递方式辨析。

1、冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。

试解释原因。

答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进人更多的空气。

而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小(20℃，1.01325×105Pa 时，空气导热系数为0.0259W/(m ·K)，具有良好的保温性能。

而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。

2、夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须穿绒衣才觉得舒服。

试从传热的观点分析原因。

答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。

夏季室外温度比室内气温高，因此通过墙壁的热量传递方向是出室外传向室内。

而冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。

因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。

因此，尽管冬季室内温度(22℃)比夏季略高(20℃)，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。

根据上题人体对冷感的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。

3、试分析室内暖气片的散热过程，各环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。

答：有以下换热环节及热传递方式(1)由热水到暖气片管到内壁，热传递方式是对流换热(强制对流)；(2)由暖气片管道内壁至外壁，热传递方式为导热；(3)由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。

4、冬季晴朗的夜晚，测得室外空气温度t 高于0℃，有人却发现地面上结有—层簿冰，试解释原因(若不考虑水表面的蒸发)。

解：如图所示。

假定地面温度为了T e ，太空温度为T sky ，设过程已达稳态，空气与地面的表面传热系数为h ，地球表面近似看成温度为T c 的黑体，太空可看成温度为T sky 的黑体。

第七章思考题1.什么叫膜状凝结，什么叫珠状凝结?膜状凝结时热量传递过程的主要阻力在什么地方？ 答：凝结液体在壁面上铺展成膜的凝结叫膜状凝结，膜状凝结的主要热阻在液膜层，凝结液体在壁面上形成液珠的凝结叫珠状凝结。

2．在努塞尔关于膜状凝结理论分析的8条假定中，最主要的简化假定是哪两条? 答：第3条，忽略液膜惯性力，使动量方程得以简化；第5条，膜内温度是线性的，即 膜内只有导热而无对流，简化了能量方程。

3．有人说，在其他条件相同的情况下．水平管外的凝结换热一定比竖直管强烈，这一说法一定成立？答；这一说法不一定成立，要看管的长径比。

4．为什么水平管外凝结换热只介绍层流的准则式？常压下的水蒸气在10=-=∆w s t t t ℃的水平管外凝结，如果要使液膜中出现湍流，试近似地估计一下水平管的直径要多大? 答：因为换热管径通常较小，水平管外凝结换热一般在层流范围。

对于水平横圆管：()r t t dh R w s e ηπ-=4()4132729.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=w s t t d gr h ηλρ临界雷诺数()()1600161.9Re 434541324343=-=rg t t dw s c ηλρ由100=s t ℃,查表：kg kJ r /2257= 由95=p t ℃，查表：3/85.961m kg =ρ()K m W ∙=/6815.0λ()s m kg ∙⨯=-/107.2986η()()mg t t rd w s 07.23.976313235=-=λρη即水平管管径达到2.07m 时，流动状态才过渡到湍流。

5．试说明大容器沸腾的t q ∆~曲线中各部分的换热机理。

6．对于热流密度可控及壁面温度可控的两种换热情形，分别说明控制热流密度小于临界热流密度及温差小于临界温差的意义，并针对上述两种情形分别举出一个工程应用实例。

答：对于热流密度可控的设备，如电加热器，控制热流密度小于临界热流密度，是为了防止设备被烧毁，对于壁温可控的设备，如冷凝蒸发器，控制温差小于临界温差，是为了防止设备换热量下降。

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。

第七章凝结与沸腾换热Condensation and Boling Heat Transfer凝结换热与沸腾换热都属于相变换热主要是发生在固体与流体界面上的过程凝结换热：蒸气被冷却凝结成液体的换热过程沸腾换热：液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程电站锅炉压水堆核电站示意图冷凝器中放热；蒸发器中吸热压缩制冷装置压缩制冷空调工作原理§7-1 凝结换热凝结换热：蒸气被冷却凝结成液体的换热过程一、概述膜状凝结珠状凝结均相凝结（容积内凝结、雾的生成）直接接触式凝结凝结换热分类（Condensation Heat Transfer ）本课程主要学习蒸气同低于其饱和温度的冷壁面接触时发生的凝结换热膜状凝结、珠状凝结两种形式：膜状凝结：凝液能较好润湿壁面，在壁面上形成液膜；凝结时蒸气放出的潜热通过液膜传至壁面条件：表面张力<附着力，润湿表面工业中98%~99%冷凝器是膜状凝结Film condensation珠状凝结：凝液不能润湿壁面，而在壁面上形成小液珠珠状凝结时、液珠下落时清扫壁面，部分壁面直接与蒸汽接触，热阻较小条件：表面张力>附着力，不润湿表面特点：换热强；寿命短、成本高、不稳定珠状凝结比膜状凝结的表面传热系数大10~15倍实验测量：1个大气压下，水蒸气凝结，表面传热系数珠状凝结：4×104~105；膜状凝结：6×103~104 W/(m 2K)Dropwise condensation膜状凝结：凝液能较好润湿壁面，在壁面上形成液膜；凝结时蒸气放出的潜热通过液膜传至壁面珠状凝结：凝液不能润湿壁面，而在壁面上形成小液珠局部表面传热系数的大小与液膜流态和厚度直接相关二、膜状凝结换热层流状态：上部、流速低、换热依靠膜层导热、膜层愈厚、局部表面传热系数愈小湍流状态：膜层增厚、流速增大、对流换热主要通过膜层内的热对流、膜层愈厚、局部表面传热系数愈大（Film condensation ）假设：1) 液膜内流动为层流；液体物性为常数2) 液膜表面温度等于饱和温度，蒸气度梯度，仅发生凝结换热，无对流换热与辐射换热3) 蒸气静止，蒸气对液膜表面无粘滞应力作用4) 液膜很薄且流速缓慢，可忽略液膜的惯性力5) 凝结热以导热方式通过液膜，忽略液膜内热对流作用层流边界层动量微分方程：22u x p g y u v x u u ∂+∂∂−=⎟⎟⎞⎜⎜⎛∂∂+∂∂ηρ积分：液膜的动量微分方程简化为：dy d ηc∴忽略对流作用、并忽略沿x 方向的导热（边界层）对上述Nusselt 理论解的修正：1) Nusselt 理论解与实验数据比较发现：30Re ≤c 时，二者符合得很好时，理论解逐渐低于实验数据1800Re 30<<c 原因：时，实验观察发现：凝结液膜表面光滑、无波纹，故理论解与实验数据相符；30Re ≤c对上述Nusselt 理论解的修正：1) Nusselt 理论解与实验数据比较发现：30Re ≤c 时，二者符合得很好时，理论解逐渐低于实验数据1800Re 30<<c 原因：时，实验观察发现：凝结液膜表面光滑、无波纹，故理论解与实验数据相符；30Re ≤c 凝结液膜的三种流态：层流、有波纹的层流、湍流时，由于液膜表面张力以及蒸气与液膜间的粘滞应力的作用，层流液膜表面发生波动，它促进了膜内热量的对流传递—膜内的对流换热不可忽略1800Re 30<<c Laminar, wavy laminar, and turbulent时，层流液膜表面发生的波动促进了膜内热量的对流传递，使理论解逐渐低于实验数据41⎤时，要把理论解得到的表面传热系数提高20%。

一、参考书目:传热学A 《传热学》杨世铭、陶文铨，高等教育出版社，2006年二、基本要求1. 掌握热量传递的三种方式(导热、对流和辐射)的基本概念和基本定律；2. 能够对常见的导热、对流、辐射换热及传热过程进行定量的计算，并了解其物理机理和特点，进行定性分析；3. 对典型的传热现象能进行分析，建立合适的数学模型并求解；4. 能够用差分法建立导热问题的数值离散方程，并了解其计算机求解过程。

三、主要知识点第一章绪论：热量传递的三种基本方式；导热、对流和热辐射的基本概念和初步计算公式；热阻；传热过程和传热系数。

第二章导热基本定律和稳态导热：温度场、温度梯度；傅里叶定律和导热系数；导热微分方程、初始条件与边界条件；单层及多层平壁的导热；单层及多层圆筒壁的导热；通过肋端绝热的等截面直肋的导热；肋效率；一维变截面导热；有内热源的一维稳态导热。

第三章非稳态导热：非稳态导热的基本概念；集总参数法；描述非稳态导热问题的数学模型（方程和定解条件）；第四章导热问题的数值解法：导热问题数值解法的基本思想；用差分法建立稳态导热问题的数值离散方程。

第五章对流换热：对流换热的主要影响因素和基本分类、牛顿冷却公式和对流换热系数的主要影响因素；速度边界层和热边界层的概念；横掠平板层流换热边界层的微分方程组；横掠平板层流换热边界层积分方程组；动量传递和热量传递比拟的概念；相似的概念及相似准则；管槽内强制对流换热特征及用实验关联式计算；绕流单管、管束对流换热特征及用实验关联式计算；大空间自然对流换热特征及对流换热特征及用实验关联式计算。

第六章凝结与沸腾换热：凝结与沸腾换热的基本概念；珠状凝结与膜状凝结特点；膜状凝结换热计算；影响膜状凝结的因素；大容器饱和沸腾曲线；影响沸腾换热的因素。

第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性：热辐射的基本概念；黑体、白体、透明体；辐射力与光谱辐射力；定向辐射强度；黑体辐射基本定律：普朗克定律，维恩定律，斯忒藩-玻尔兹曼定律，兰贝特定律；实际固体和液体的辐射特性、黑度；灰体、基尔霍夫定律。