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
努塞尔的理论分析忽略了液膜的过冷度的影响，并假定液膜
中温度呈现线性分布。分析表明，只要用r‘代替计算公式中 的r，就可以照顾到这个因素的影响。
r’ = r+0.68 c p（ t s - t w ）
5.管子排数
对于沿液流方向由n排横管组成的管束，理论上只要将特征 长度d换成nd即可计算。这种作法会导致保守的结果，因为 上排凝结液并不是平静地落在下排管上。设计时最好参考适
1.膜层Re数
膜层中凝结液的流态也有层流与湍流之别，所以也要
由膜层Re数来判别。膜层Re数是以液膜当量直径为特征
长度的雷诺数。
Re = deρul ， η
其中u—l 处x液=膜l 层平均流速
de—当量直径，= 4δ
代入：Re = 4h（l t）s − tw
ηγ
即得到竖壁的膜层Re数计算公式。对于水平管以 π r = l
第六章 凝结与沸腾换热
Condensation and boiling heat transfer
§6-1 §6-2 §6-3 §6-4 §6-5 §6-6
凝结换热现象 膜状凝结分析解及实验关联式 影响凝结换热的因素 沸腾换热现象 沸腾换热计算式 影响沸腾换热的因素
相信大家都有烧开水的经历，水在沸腾的过 程中会有什么现象？这些现象该怎么来解释？
∆t↑，汽化核心↑，气泡扰动 剧烈，q和h急剧↑，最后达到 qmax点。DNB—核态沸腾偏离 点。核态沸腾区主要特点是： 只需要很小的∆t，就可以取得
自然 核态 过渡 稳定膜 对流 沸腾 沸腾 态沸腾
B
DNB
qmax
很高的换热强度。所以一般工
业应用都设计在这个范围。
过渡沸腾区—从qmax点再提高∆t，q反而↓，
5）液膜内温度分布是线性的，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； 7）ρV <<ρl，ρV相对于ρl可以忽略； 8）液膜表面平整无波动。
以竖壁的膜状凝结为例，把坐标x取为重力方向，边界层微分
方程组同样适用，但必须加上体积力。
1.竖直壁
δ
=
4ηl λl (ts − g ρl 2γ
合设计条件的实验资料。
6.管内凝结
在一些冷凝器中，蒸汽在压差作用下流经管子内部，同时产 生凝结。换热与蒸汽流速有很大关系。对水平管中的凝结， 当蒸汽流速低时，凝结液主要积聚在管子的底部，蒸汽则位 于管子上半部。如果蒸汽流速比较高，则形成环状流动，凝 结液较均匀地分布在管子四周，而中心则为蒸汽核。随着流 动的进行，液膜厚度不断增厚，以致凝结完时占据了整个截 面。
四.沸腾换热特点
1. 亦属于相变对流换热，沸腾时加热面的热量通过导热和 对流的联合作用传递给沸腾液体。Newtom冷却公式适用。
2. 引起沸腾换热一般有两种加热方式，即控制壁温(如利用 管内蒸气加热管外液体沸腾，改变蒸气压力即可改变壁 温tw)和控制热流(如电加热，改变电热丝两端的电压， 即可改变壁面处的热流密度q)。
1/
4
3.球体外凝结
hS
=
0.826
gγρ ηl l (t s
λ 2 3
ll
− tw
1/
)
4
注意：21h..若定H 其性≈他温2.条度0 所件tm以相=冷同ts凝，+2hhHtv器w =，通0但.常77潜采 dl热用1γ用/4横。当管ts 的dl =布50置时方，式。
hv
二.湍流膜状凝结换热
§ 沸腾换热现象
一.沸腾的条件
壁面上有汽化核； 汽化核周围液体处于过热状态； 问题：沸腾与蒸发的区别在哪里？
二.沸腾换热过程
当气泡在壁面上形成后，沸腾 换热过程在不同区域其形式有 所不同，如右图所示：
内燃机用沸腾方式冷却
C
BA
A区：气泡与壁面直接接触，热量以导热形式传给气泡内 蒸汽
B区：气泡与壁面间有极薄层液体，热量首先以导热形式 在液体内传递至汽-液界面，在以蒸发形式传递到气 泡内蒸汽区
表面，它利用冷凝淮的表面张力使肋顶或沟槽脊背的凝结液 膜拉薄。
(4)采用锯齿管表面，换热强度可比光管高一个量级，低肋 管可达2~4倍。
(5)另一种强化换热方法是使液膜在下流过程中分段排泄。 对管内凝结的强化，近年来广泛采用微肋管，这是在直径为 4~16mm的铜管内壁上轧制出形状呈三角形的微型肋的强化 换热管。这时换热强度可达光内管的三倍。
3.膜状凝结的工程计算
[例]：教材P309例7-1。 解：……
流态判别要以Re数为依据，由于h未知，Re待定，计算时先假 定流态，待求出h后再校核。计算过程具有迭代性。竖壁 Rec=1600，横管因直径较小，一般在层流范围。
注意：
1、各计算式中定性温度和特征长度的选取，除汽化 潜热用tm=ts其余均用tm=(ts+tw)/2；
2.蒸汽流速
蒸汽流速高对液膜表面会产生粘滞应力。当蒸汽的流动方向
与液膜向下的流动方向相同时，使液膜拉薄，h增大；当蒸
汽的流动方向与液膜向下的流动方向相反时则会阻滞液膜的
流动使其增厚，从而使h减小。
3.过热蒸汽
理论分析是对饱和蒸汽，对过热蒸汽，实验证实只要把计算 式中的潜热改用过热蒸汽与饱和液的焓差，亦可用前面的关 联式计算。
蒸汽在冷壁面凝结、液体受热沸腾是有相变的对 流换热。凝结与沸腾广泛应用于各种工业设备， 如冷凝器、蒸发器、核电中的蒸汽发生器、空分 设备中的冷凝蒸发器等。
相变换热可归属于对流换热。其传热环节与无相 变类似，也有靠近壁面的极薄层流体的纯导热过 程和远离壁面处热量在流体中的迁移。只是相变 换热过程伴随有潜热的传递，因此在流体内部几 乎没有温差的条件下就能完成热量的迁移。
强制对流沸腾（主要是管内沸腾)：在原来运动的液体 流中产生的沸腾。这时液体流经的管道壁，可能就是加 热面。其特点是液相、汽相均处于运动状态，两者互相 掺混、互相影响。
2.饱和沸腾和过冷沸腾
饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度ts，壁温tw高于饱 和温度所发生的沸腾。壁面过热度∆t=tw-ts 过冷沸腾(表面沸腾或局部沸腾)：加热面处于局部过热， 流体主要部分的温度低于相应压力下饱和温度时发生的 沸腾。
珠状凝结稳定性较差，实际应用时易偏离设计状 态。
由于珠状凝结不能长久地保持，设计时一般按膜 状凝结计算。
目前维护珠状凝结技术 有了可喜的发展，在实 验室条件下已连续珠状 凝结3800小时。
§ 膜状凝结分析解及实验关联 式
一.层流膜状凝结的换热公式 1916年，努塞尔首次提出了分析解，他抓住液膜
2、求出h后，按Newtom计算Q=hA∆t，而凝结速率 (单位时间内凝结的液膜质量)qm=Q/r ；
3、上述实验关联式只适用于蒸汽流速较低时，水蒸 气<10m/s，氟0.5<m/s。
§
影响凝结换热的 因素
一.影响因素
1.影响热量从蒸汽向液膜表面迁移的因素，如不凝性气体 的含量，蒸汽过热度，蒸汽流速流向等；
因为气泡汇聚覆盖于壁面。这
起始沸腾点
qmin
个过程不稳定，至qmin点止。 0
∆t
稳定膜态沸腾区—加热面上形成稳定蒸气膜
层，q与∆t呈正比。
确定临界热流密度qmax（CHF，Critical Heat Flux） 的 意义
1.对热流可控的加热方式，q与h无关，当q超过qmax
时，工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线， ∆t将猛升至 1000C 将会使壁温飞升，导致设备烧毁(如图)。CHF故 又称烧毁点。在烧毁点附近比qmax热流密度略小有个q上 升缓慢的核态沸腾的转折点DNB(Departure from
降。
烧毁点
因此工业应用中一般应尽量控制加热的q或tw，使其不至于 烧毁或传热效率下降。
§ 沸腾换热计算式
一. 大容器饱和核态沸腾
Nuclear Boiling)，它可以作为监视接近qmax的警戒。
B
烧毁点
∆tc
确定临界热流密度qmax（CHF，Critical Heat Flux） 的 意义