当前位置：文档之家 › 第六章凝结与沸腾换热

第六章凝结与沸腾换热

  • 格式：ppt
  • 大小：2.38 MB
  • 文档页数：61

下载文档原格式

  / 61

合集下载

沸腾换热计算式

沸腾换热计算式

沸腾换热计算式沸腾换热计算式(1)大容器饱和核态沸腾前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。

由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。

在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。

当然，针对性强的计算式精确度往往较高。

对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为(3-4)按q=h△t的关系,上式也可转换成(3-5)以上两式中h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K)p:沸腾绝对压力,Pa;△t:壁面过热度,℃;q:热流密度,W/m2。

基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式:(3-6)式中c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K);C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数;r:汽化潜热,J/kg;g:重力加速度,m/s2;Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l;μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s);ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3;γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m;s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=。

由实验确定的C wl值见表3-1。

表面-液体组合情况C wl水-铜烧焦的铜抛光的铜水-黄铜水-铂水-不锈钢磨光并抛光的不锈钢化学腐蚀的不锈钢机械抛光的不锈钢苯-铬乙醇-铬表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值图3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。

式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式:(3-7)这里要着重指出两点：1）式（3-6）实际上也是形如Nu=f（Re，Pr）或St=f（Re，Pr）的主则式。

第六章(第一次课) 膜状冷凝

第六章(第一次课) 膜状冷凝



由于在珠状凝结中蒸汽直接与固壁表面相接
触，因此其冷凝换热系数远比膜状凝结要大。 但是，珠状凝结难以可靠地促成。特殊的表 面涂层固然可以形成液珠，但这种表面处理 随时间推移而逐渐失效。因而，在一般设计 中都是假设发生膜状沸腾而不是珠状沸腾。 此外还有直接接触冷凝等。
膜状凝结分析及计算
竖直壁面的膜状凝结计
第一课 膜状冷凝
上海交通大学 核工系
一、凝结的类型与凝结换热


凝结有两种类型：
一种是膜状凝结（Filmwise Condensation）， 见图6－1(a)。凝结液在冷固壁表面形成一个连 续的膜。凝结释放的潜热通过液膜的导热，从 发生凝结的相界面传向固壁面； 另一种是珠状凝结（Dropwise Condensation）， 见图6－1(b)。此时，凝结液形成液珠，并不完 全润湿固壁表面，液珠并不形成连续的液膜， 而是当液珠达到一定的临界尺寸时，由表面滑 落下来。固壁表面并不润湿，从而形成下一个 液珠，就象核态沸腾中由一个核化点产生汽泡 一样。
l l g g l3 h 0.73 l Tsat d
1 4
该方程与竖直平板上膜状凝结的换热系数形
式上是一样的，但是系数要小一些，这是因 为管上液膜要比竖直平板上厚。但是，典型 的水平管外换热系数要大于竖直平板（注意： 尽管系数小一些，但分母上一个是d，一个是 L）。比如，对d=0.02m的圆管管外， h=9700W/m2K（几乎是1m长竖直平板上的2 倍）。因此，一般冷凝器采用水平而不是竖 直圆管布置。

2）蒸汽过热度
当凝结蒸汽具有过热度时，一般温差（Ts Tw） Tb 应由（Tb Tw ）取代（其中 ，为蒸汽过热 度）；汽化潜热 hLG 也应用过热蒸汽与凝结
沸腾换热计算式

沸腾换热计算式

沸腾换热计算式沸腾换热计算式(1)大容器饱和核态沸腾前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。

由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。

在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。

当然，针对性强的计算式精确度往往较高。

对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为(3-4)按q=h△t的关系,上式也可转换成(3-5)以上两式中 h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K)p:沸腾绝对压力,Pa;△t:壁面过热度,℃;q:热流密度,W/m2。

基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式:(3-6)式中 c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K);C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数;r:汽化潜热,J/kg;g:重力加速度,m/s2;Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l;μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s);ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3;γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m;s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=1.7。

由实验确定的C wl值见表3-1。

表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值图3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。

式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式:(3-7)这里要着重指出两点：1）式（3-6）实际上也是形如Nu=f（Re，Pr）或St=f（Re，Pr）的主则式。

其中：是以单位面积上的蒸汽质量流速q/r为特征速度的Re数；为特征长度，它正比于旗袍脱离加热面时的直径。

传热学第六章凝结与沸腾换热

传热学第六章凝结与沸腾换热

实验查明，几乎所有的常用蒸气，在洁净 的材料表面上都形成膜状凝结。
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，在非水平的壁面上，因 受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠， 合并成更大的液滴，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
沸腾换热计算式

沸腾换热计算式

沸腾换热计算式沸腾换热计算式(1) 大容器饱和核态沸腾前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。

由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提岀的计算式分歧较大。

在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。

当然，针对性强的计算式精确度往往较高。

对于水，米海耶夫推荐的在105〜4X 10 6Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为Cj = (JJ224 *5!°^ 疋巧按q=h At的关系，上式也可转换成h二G严旷小(3-5)C2二(L5W5 W\/伽"・V • K)以上两式中h:沸腾换热表面传热系数，W/(m2・K)p:沸腾绝对压力，Pa;△ t:壁面过热度，C；q：热流密度，W/m2基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想验关联式式中C pi：饱和液体的比定压热容，J/(kg • K);C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数,推荐以下使用性光的实(3-4)r:汽化潜热,J/kg;g:重力加速度,m/s 2;Pr i：饱和液体的普朗数,Pr i=C pi卩i/k i饱和液体的动力粘度,kg/(m • s);P i、p v：饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/mY :液体-蒸汽截面的表面张力，N/m;s:经验指数，对于水s=1,对于其他液体s=表面-液体组合情况Gvi水-铜烧焦的铜抛光的铜水-黄铜水-铂水-不锈钢磨光并抛光的不锈钢化学腐蚀的不锈钢机械抛光的不锈钢苯-铬乙醇-铬由实验确定的C wi值见表3-1表3-1各种表面-液体组合情况的C wi值0 . S 04图3-5铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式（3-6）的比较见图3-5式（3-6）还可以改写成为以下便于计算的形式2）由于沸腾换热的复杂性，目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热准回式与实验数据的偏差程度最大。

第六章 凝结与沸腾换热

第六章 凝结与沸腾换热


grρl2λ3l
µll(ts − tw
1/
)
4
推广应用到水平圆管外的膜状凝结，平均表面传
热系数为 hH
=
0.729
µl
grρl2λ3l
d (ts − t
w
1/
)
4
hH = 0.77 l 1/4
hV
d
注意：竖壁的计算公式同样适用于竖圆管，比较
圆管竖放和水平放置的效果，为什么？
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
1、分析解的简化假定
（1）常物性； （2）蒸汽是静止的，对液膜表面无粘性力作用；
（3）液膜流速缓慢，忽略液膜的惯性力； （4）汽液界面上无温差；
（5）液膜内部的热量传递只靠导热；
（6）忽略液膜的过冷度；
（7）ρv << ρl ；
（8）液膜表面无波动。
有影响。
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
二、凝结换热的强化
通过上述分析可知，液膜的导热热阻是膜状凝 结换热的主要热阻。因此，强化膜状凝结换热的关 键措施就是设法将凝结液从换热面排走、尽可能减 小液膜厚度。例如，目前工业上由水平管束构成的 冷凝器都采用低肋管或锯齿形肋片管，利用凝结液 的表面张力将凝结液拉入肋间槽内，使肋端部表面 直接和蒸气接触，达到强化凝结换热的目的。
传热学第六章凝结与沸腾换热

传热学第六章凝结与沸腾换热


第六章 凝结与沸腾换热
17
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。
第六章 凝结与沸腾换热
18
§6-4 沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
0
第六章 凝结与沸腾换热
7
边界条件：
y 0 时， u 0, t tw
y 时， du 0,
dy
t ts
求解上面方程可得：
(1) 液膜厚度
4l
l (
g
ts
l2 r
tw
)x 1/ 4
定性温度：
tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
第六章 凝结与沸腾换热
10
横管与竖管的对流换热系数之比：
hHg hVg
0.77
l d
1
4
3 边界层内的流态
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时Re，
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。
第六章 凝结与沸腾换热
无波动层流
6
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 dx
0
u
x
v y
0
l
(u
u x
v
润滑油在制冷系统中分别对制冷剂凝结换热和沸腾换热及流动性能的影响

润滑油在制冷系统中分别对制冷剂凝结换热和沸腾换热及流动性能的影响

润滑油在制冷系统中分别对制冷剂凝结换热和沸腾换热及流动性能的影响1、润滑油在制冷系统中的作用是：1 使制冷压缩机互相摩擦的表面完全被油膜隔开，以降低摩擦表面的磨损、摩擦阻力及摩擦热，提高压缩机的机械效率，使其零件耐用可靠。

2 带走摩擦热量，使摩擦零件的温度保持在允许范围内。

3 润滑油充满在密封机构的间隙中，避免制冷剂泄露，提高压缩机的输气系数。

4 不断的冲洗金属表面，带走磨屑，保持零件表面光洁度，减轻磨损，提高压缩机的稳定性。

2、润滑油对制冷剂沸腾换热的影响（以含油制冷剂 R290为例）润滑油可以看成是一种高沸点组分，加入到制冷剂中后，混合物的沸点将升高。

通过文献资料获得R290－Suniso3GS ，油混合物置于相同的蒸发温度下，在三组不同含油浓度下(0.43﹪、3.24﹪、5.28﹪)，在水平微肋管内流动沸腾换热的实验结果。

并将相同蒸发温度下，不同含油率下的平均沸腾换热系数进行了比较，以此来说明润滑油的加入对平均沸腾换热系数的影响。

如图：从这些图中我们可以总结出以下的规律：(1) 随质量流率的增加，沸腾平均换热系数增加。

例如在含油浓度为 0.43﹪，蒸发温度-5℃，质量流率约为80 kg /m·s2时，沸腾平均换热系数2300 wk/m2·k，而质量流率为 197 kg /m·s2时，沸腾平均换热系数约 3500 wk/m2·k。

(2) 不同含油浓度下，沸腾平均换热系数随着含油率的增加而降低。

沸腾温度为-5℃时，R290 含油混合物质量流率为 80 kg /m·s2，含油率为 0.43﹪时沸腾平均换热系数约为 2200 wk/m2·k，而含油率为 5.28﹪时，沸腾平均换热系数约为 1550 wk/m2·k。

含油率为 5.28﹪时不同质量流率下的沸腾平均换热系数约比 0.43﹪时降低 15﹪-30﹪。

(3) 同一含油率下，平均换热系数随质量流率的增加而增加。

沸腾换热计算式资料讲解

沸腾换热计算式资料讲解

沸腾换热计算式沸腾换热计算式(1)大容器饱和核态沸腾前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。

由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。

在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。

当然，针对性强的计算式精确度往往较高。

对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为(3-4)按q=h△t的关系,上式也可转换成(3-5)以上两式中 h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K)p:沸腾绝对压力,Pa;△t:壁面过热度,℃;q:热流密度,W/m2。

基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式:(3-6)式中 c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K);C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数;r:汽化潜热,J/kg;g:重力加速度,m/s2;Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l;μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s);ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3;γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m;s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=1.7。

由实验确定的C wl值见表3-1。

表面-液体组合情况C wl水-铜烧焦的铜0.0068抛光的铜0.0130水-黄铜0.0060水-铂0.0130水-不锈钢磨光并抛光的不锈0.0060钢化学腐蚀的不锈钢0.0130机械抛光的不锈钢0.0130苯-铬0.101乙醇-铬0.0027表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值图3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。

式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式:(3-7)这里要着重指出两点：1）式（3-6）实际上也是形如Nu=f（Re，Pr）或St=f（Re，Pr）的主则式。

凝结与沸腾换热

凝结与沸腾换热

X+dx 处质量流量的增加
dMgl2d(l v) l
对微元体应用热力学第一定律 rdMdx
即 rgl2d(ll v)l tstwdx
分离变量积分 0 3d0xrg lll((tsl twv ))d x
得 液膜厚度
14
4
rg lll((tsltw)v)
x
1
4ll (ts
rgl
(l
tw)x4
1
hH 0.729 lrdg(ts3l l2tw)4
hH 0.77L/d1/4
hV
当 L /d 2 .8时 5 ,h H h V
球表面
1
hS 0.826lrdg(ts3l l2tw)4
6. 几点说明
=定性温度，除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2
=公式使用范围，层流 Re<1600
Reynolds
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。某些制冷剂的冷凝器中，强 化有更大现实意义。
强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。
实现的方法： = 尖锋的表面 = 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉
hhl
xc L
ht
1xLc
N u G1 35 aP 8 1/r2Pw /rP s1/R 4 r(Re 3/4 e25 )9 3200
除Prw 的定性温度用 tw 外，其余均用ts，物性为凝结液的
例题 6-1 压力为1.013×103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。 壁的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98℃。计算每小时的热 换量及凝结蒸汽量。
习题与作业5-6

习题与作业5-6

第五章对流换热思考题1、在对流换热过程中，紧靠壁面处总存在一个不动的流体层，利用该层就可以计算出交换的热量，这完全是一个导热问题，但为什么又说对流换热是导热与对流综合作用的结果。

答：流体流过静止的壁面时，由于流体的粘性作用，在紧贴壁面处流体的流速等于零，壁面与流体之间的热量传递必然穿过这层静止的流体层。

在静止流体中热量的传递只有导热机理，因此对流换热量就等于贴壁流体的导热量，其大小取决于热边界层的厚薄，而它却受到壁面流体流动状态，即流动边界层的强烈影响，故层流底层受流动影响，层流底层越薄，导热热阻越小，对流换热系数h也就增加。

所以说对流换热是导热与对流综合作用的结果。

2、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

答：依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。

层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。

紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。

导热系数越大，将使边界层导热热阻越小，对流换热强度越大；粘度越大，边界层（层流边界层或紊流边界层的层流底层）厚度越大，将使边界层导热热阻越大，对流换热强度越小。

3、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。

试判断这种说法的正确性?答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。

因此表面传热系数必与流体速度场有关。

4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

答：依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。

层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。

紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。

导热系数越大，将使边界层导热热阻越小，对流换热强度越大；粘度越大，边界层（层流边界层或紊流边界层的层流底层）厚度越大，将使边界层导热热阻越大，对流换热强度越小。

5、对管内强制对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体的换热?答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“入口效应”，从而强化换热。

沸腾换热

North China Electric Power University
Nukiyama (拔三四郎) 1934年 镍铬合金丝 熔点： 1500K 铂(白金)丝 熔点： 2045K
沸腾温差：饱和沸腾时△t=tw-ts
沸腾曲线：沸腾时热流通量（热流密度）q随沸腾温差变 化的关系曲线
6
7
大容器饱和沸腾的特点：加热表面上有汽泡生成，随着汽泡 长大和脱离壁面，容器内的液体受到剧烈扰动，换热强度很高。
芯 ，微型化难度大。当流
通截面直径为1mm2时，传 输极限为50W/cm2。
North China Electric Power University
42
振荡流热管（Oscillating-Flow Heat Pipe) 振19荡94流年当内管热日管形壁管本径成之原学足液间理者够、的H.A小汽液ka时膜相chi，因间发在受的明了真热柱脉空而塞动下不。热封断在管装蒸加（在发热Pul管，段sat内导，ing的致汽He工汽泡at 质泡或Pip将膨汽e) 在胀柱管，与
pv

pl

2
R
( pv pl ) R2 2 R
15
（2）气泡被加热的途径
热量一方面由壁面与 气泡直接接触的表面 传给气泡；另一方面 热由壁面传给液体， 再由液体传到气泡表 面
气泡内饱和蒸汽压力pv相对应的饱和温度为tv；为使气泡长大， 气泡壁须不断蒸发，所以气泡壁周围的液体温度tl大于或至少等 于tv（tl≥tv）
t tw ts 为过热度，p为绝对压力。 q ht t q h
h C2q0.7 p0.15
C2 0.533W0.3 /(m0.3 N0.15 K)
21
（2）罗森诺公式：

热工学基础：沸腾换热


工程实际中一般总是设法控制在泡态沸腾区内操作，沸腾温差t 要严格
控制在临界点以下。
临界点C
临界温差tc 临界热流密度qc
3. 管内沸腾换热过程
液体一方面在加热面上沸腾，一方面又以一定的速度流过加热面，受空间的限制，使 沸腾产生的气体和液体混合在一起，构成汽液两相的混合物。
管内沸腾换热涉及到管 内的两相流动的问题
管内沸腾换热在工程应用较为广泛，如管式蒸发器和水管锅炉等。
竖直管内沸腾换热
水平管内沸腾换热
管内沸腾换热
(块状流 雾状流
泡状流 环状流 单相流
换热类型
对流换热 泡态沸腾 湿蒸汽换热
过冷沸腾 液体对流沸腾 过热蒸汽换热
管内沸腾换热
(2) 水平管内沸腾换热
水平管内的沸腾换热情形与流速有关。
➢ AB 段，常压下t＜5℃，q、h 随t 缓慢增加。 ➢ q 较低，即使壁面上产生了汽泡也不能脱离上浮。其换热过程符合无相变的对流换热规律。
大容器沸腾换热
② 泡态沸腾
➢ BC 段，t5～25℃，有大量汽泡在壁面上迅速生长和激烈运动，强烈扰动周围液体， 使h 和q 都显著增大，且h 达到峰值；
➢ BC 段的沸腾换热主要取决于汽泡的生成和运动 。
③ 膜态沸腾
➢ C点以后，t＞25℃，
不稳定膜态沸腾 稳定膜态沸腾
大容器沸腾换热
不稳定膜态沸腾区
➢ CD 段，大量汽泡在壁面汇合在一起形成一层不稳定的汽膜，汽膜的附加热阻使得h和q
都急剧下降。
稳定膜态沸腾
➢ DE 段 ，壁面全部被一层稳定的汽膜所覆盖，这时汽化只能在膜的汽液交界上进行，以 后h 随t 的增加基本不变，而q又开始随t 的增加而上升。
管内沸腾换热受管子的放置（垂直、水平或倾斜）、管长与管径、壁面状况、气液比、液体 初参数、流速、流量等多方面因素影响，比大容器沸腾换热复杂得多。

传热学教案6凝结与沸腾换热

第六章 凝结与沸腾换热1 、重点内容：① 凝结与沸腾换热机理及其特点；② 膜状凝结换热分析解及实验关联式；③ 大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。

2 、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。

3 、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。

蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。

其特点是：伴随有相变的对流换热。

工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。

6-1 凝结换热现象一、基本概念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。

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：①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。

②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。

（2）珠状凝结①定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。

产生珠状凝结时，所形成的液珠不断发展长大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚下。

在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也扫治了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。

图6－3是珠状凝结的照片，从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。

θ小则液体湿润能力强，就会铺展开来。

一般情况下，工业冷凝器，形成膜状凝结，但珠状凝结的形成比较困难且不持久。

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。

所以，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。

3.产生的条件：固体壁面温度w t 必须低于蒸气的饱和温度s t ，即w s t t 。

实验查明，几乎所有的常用蒸气，包括水蒸气在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。

传热学笔记


q
t q ， n ——等温线上法向单位矢量，指向 t 升高的方向。 gradt ，导热系数 t x n n
导热微分方程式及定解条件
传热学
c
t t t t ( ) ( ) ( ) （2-7） x x y y z z
通过等截面直肋的导热（四个假定见教材）
d 2t 导热微分方程： 2 0 dx
引入过余温度

d 2t hp(t t ) 表面的总散热量： s ( Pdx)h(t t ) 可得 2 dx Ac
t t 最终可得
d 2t m2 ，其中 m hp /(Ac ) ，H 为肋高 dx2
表面传热系数 h 及物性均保持常数。
dt dt ，由热量平衡可得 cV 导热微分方程可简化为 ，引入过余温度 t t ， hA(t t ) ——（3-4） d c d
积分可得

t t exp(BiV FoV ) ——（3-7） 0 t0 t
t 2t a 2 (0 x , 0) x t ( x, ) 0 ，过余温度 t ( x, ) t , ( x,0) 0 (0 x ) t ( x,0) t0 (0 x ), x x0 t ( x, ) h[t ( , ) t ] x x
通过圆筒壁的导热
t t t t1 2 1 ln(r / r1 ) ln(r2 / r1 )
R
t ln(d2 / d1 ) 2l
多层圆筒壁的导热热流量

t t2 (t1 t2 )
2l (t1 t4 ) ln(d2 / d1 ) / 1 ln(d3 / d2 ) / 2 ln(d4 / d3 ) / 3

沸腾传热过程PPT课件


9
第9页/共28页
沸腾传热机理
➢ 水平管内强制对流沸腾：
10
第10页/共28页
沸腾传热机理
管内沸腾传热：
✓ 无相变：液体进入管内至开始产生汽泡。 液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处
于过冷状态，称为过冷沸腾。 ✓ 泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。
形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进 一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环 状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为 蒸干。 ✓ 单相传热区：对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相 传热区。
18
第18页/共28页
沸腾传热系数计算
大容器膜态沸腾：
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：
h
0.62
grv (l v vd (tw ts
)3v
)
1
4
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 ＝( tw＋ts ) / 2 为定性温度，特征长度为管
习题2 水平铂线通电加热，在1.013×105Pa 的水中产生稳 定膜态沸腾。已知 tw– ts = 654 C，导线直径为1.27mm， 求沸腾换热表面传热系数。
27
第27页/共28页
感谢您的观看！
28
第28页/共28页
24
第24页/共28页
沸腾传热过程强化
✓ 液体的性质： , , ,
强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等） ✓ 温差：提高核状沸腾阶段温差， ✓ 操作压强： p ts ✓ 加热面：新的、洁净的、粗糙的加热面，大

第6章 热交换过程及换热器

制冷与低温技术原理
( 六)
多媒体教学课件 李文科 制作
第六章 热交换过程及换热器
第一节 制冷机中热交换设备的传热
过程及传热计算方法
第二节 蒸 发 器 第三节 冷 凝 器
第四节 蒸发器供液量的自动调节
第五节 制冷系统的传热强化与削弱
第一节 制冷机中热交换设备的 传热过程及传热计算方法
内 容 提 要
ห้องสมุดไป่ตู้
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
图6－1 圆管壁的传热过程
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数ko为 1 ko (6－8) do 1 do do 1 ln d i hi 2 d i ho 工程计算中，当圆管的内、外径之比 do/di≤2时，式(6 －8) 1 可简化为 ko do 1 do 1 (6－9) d i hi d m ho 1 ko 或 d o 1 Ao 1 (6－10) d i hi Am ho 式中：δ—圆管壁厚，m；λ—圆管热导率，W/(m· K)； dm—圆管内、外直径的算术平均值，m； Am—圆管内、外表面面积的算术平均值，m2。
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
平均温差Δtm与介质的流动形式有关。如图6－3所示，冷、
热流体的流动形式主要有 4 种：两者平行且同向流动时称 为顺流；两者平行而反向流动时称为逆流；彼此垂直的流 动称为交叉流；图6－3d所示的情形称为混合流，对应于蛇 形管换热器中的流动情形。 在顺流和逆流情况下，冷、热流体的温度变化如图6－ 4所示。可以证明，当冷、热流体的热容量 (质量流量与比 热容的乘积)在整个换热面上均为常量、传热系数k在整个 换热面上不变、换热器无散热损失、沿换热面轴向的导热 量可以忽略不计，以及换热器中任何一种流体都不能既有 相变又有单相对流换热时，换热器内的平均传热温差取两 端温差的对数平均值温差，计算式如下：
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

• 难于获得 :通过材料表面改性或涂憎水层。
§6-2 膜状凝结分析解及实验关联式
一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解 凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法
进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化，忽略次要因素，突 出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt 于1916年成功地 用理论分析法求解了膜状凝结问题。下面即为此理论：
X+dx 处质量流量的增加
dMgl2d(l v) l
对微元体应用热力学第一定律 rdMdx
即 rgl2d(ll v)l tstwdx
分离变量积分 0 3d0xr g lll((tsl twv ))dx
得 液膜厚度
14
4
rg lll((tsltw)v)
x
1
4rglll((tsl twv))x4
§6-1 凝结换热现象
一、凝结换热 • 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。 •各种液体 二、凝结换热的分类
1. 膜状凝结(filmwise condensation): 在壁面形成完整的液膜的凝结。
2. 珠状凝结(dropwise condensation)： 凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。
t y c1
tc1yc2
y 0 , t tw , c 2 tw
y, t ts, ts c 1 tw
c1
ts
tw
t twy(ts tw)
？x 处的质量流量
M 0 d M 0 lu d 0 y l(l l v )g y 1 2 y 2 dy
l(l l v)g 1 2y2 1 6y 3 0l(l3 lv)g3
1. 物理问题：蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热量 传给冷壁面，求换热系数。
2. 基本假设：
1）常物性； 2）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜惯性力可以忽略； 4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度； 5）膜内温度分布是线形的，即认为液膜内的热量转移只有导 热，而无对流作用； 6）液膜的过冷度可以忽略；
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。
g l定 值 ， l s ， c o s ，
• 在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面 上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。
Bernoulli方程 边界层外
pgvx0
dp dx
v g
(l
v)gl
2u y2
0
2t 0 y 2
y0, u0, t tw,
y,
du0, dy
t ts
4. 求解
dduyg(l l v)yc1
ug(2 ll v)y2c1yc2
y0 , u0 c20
d du y g( l l v)c10 ug(2llv)(y1 2y2)
1
hH 0.729lrdg(ts3l l2tw)4
hH 0.77L/d1/4
hV
当 L /d 2 .8时 5 ,h H h V
球表面
1
hS 0.826lrdg(ts3l l2tw)4
6. 几点说明
定性温度，除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2
公式使用范围，Байду номын сангаас流 Re<1600
Reynolds
7）v<<l， v可忽略不计；
8）液膜表面平整无波动。
3.数学描述：
取如右图所示的坐标系， 因为液膜具有边界层的特性， 故满足边界层微分方程组， 但要加上重力项。
u v 0 x y
l u u xv u y d d p xlgl y 2u 2
u t x
v t y
al
2t y2
p 0 y
5. 局部表面传热系数 Newton cooling Law （忽略过冷度）
dxhx(tstw)d xl tstwd x
hx l /
1
1
h xl 4 rlg ll((ts l tw v )) x 4 r4 g 3 ll(tls ( lt w )x v) 4
竖壁的平均表面传热系数：
Number Re
de uL
当量直径
de
4f 4W4
UW
Re4 uL 4M
h(ts tw)LrM
Re 4hL(ts tw)
r 横管：用d 代替 L
7. 竖管准则关系（20%，Re>20）
Nu h L 1.13 lrl g (tsl2L 3tw) 1/4
1.13 g 2L 3 cp(tsrtw)lcl p1 /41.13GaJa Pr1 4
Galileo Number
G ag 23 L gu 3 L L u2 u L2L 粘 重性 力 惯 粘 力 性 性力 力
Jacob Number
L2 u L
L
J a c p ( ts r tw ) 显 潜 热 热 ， S t R e N • u P ru h c p t t 对 显 流 热 换 热
Condensation Number
C oG N 1/a 3u h L g2 3L 1/3h g2 3 1/3
h 4 /3 h2 3 g 1 /3 3 4 4 /3 4g L ( ts 2 r 3 tw ) 1 /3 h2 3 g 1 /3
1
h vL 10 Lh xd x3 4h L0 .94 r3 g 3 llL ( lt(s lt w )v) 4
倾斜壁
l u u x v u y d d p xlgsin l y 2 u 2
1
h 0.943rglL3l(tsl2stiw n)4
水平管 Nusselt 采用图解积分得
1.4 7 4h(L r tstw) 1/31.4R 7 1 e/3 竖 直 壁 Re＜ 1800
当竖直壁Re＞1800 Co0.0077Re0.4
• 膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿 过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。
• 珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清 扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。
• 在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大 的加强，一般
• 珠状凝结好
hd (510)hf