沸腾与凝结换热

沸腾与凝结换热液体的沸腾和蒸汽的凝结均伴随着相变，因此又称为相变传热。

这是一个很重要的传热领域，在许多工程中均有应用。

例如锅炉、蒸发器、再沸器、冷凝器、水冷核反应堆等的设备中均发生相交传热过程。

这些相变传热过程均与流体的流动有关，因而同属于对流传热范畴。

两者的共同特点是具有很高的换热系数，例如常压下水沸腾的换热系数可高速2500-25000W／(m2K)，水蒸汽凝结时的亦可达5000-15000W ／(m2K)，可以以很小的温差来达到很高的传热速率。

但沸腾和凝结又是一种特殊的对流换热过程，有各自独特的特征。

凝结换热凝结是蒸气(气体)转变为液态或固态的过程。

实践中经常会遇到燕气的凝结。

在蒸汽涡轮的冷凝器里蒸汽在冷却管表面凝结。

蒸气的疑结在一些蒸发装置以及大量的热交换器设备中实现。

相变时热量的释放与蒸气凝结的换热过热密切相关。

1、凝结方式：凝结既可以在蒸气空间里，也可以在换热冷却表面上进行。

在第一种情况下，当蒸气相对于饱和温度明显过冷时，在蒸气内包含的冷的液体质点或固体质点上蒸气可自发地形成冷凝相。

在第二种情况下，当蒸气和低于该蒸气压力下饱和温度的壁面接触时，不管蒸气是饱和的或过热的，都会发生蒸气的凝结过程。

2、膜状凝结与珠状凝结如果凝结液体能润湿壁面，则它将在壁而上形成一层连续的液膜，这样的凝结过程称为膜状凝结，如果液体不能润湿壁面，那么将发生珠状凝结过程。

膜状凝结过程中，蒸气的显热和汽化潜热通过汽液分界面经液膜传纷冷却壁面。

在纯饱和蒸气凝结的情况下汽液分界面的温度恰好是它的饱和温度T s 。

凝结只能在膜表面进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传递给固体壁面。

液膜形成凝结换热的主要热阻。

当蒸汽在壁面上凝成大小不等的许多液滴时，随着时间增加，由于继续凝结或与其它液滴合并，小液珠变成大浓珠，并在重力作用或蒸汽流动力的推动下往下掉落，在它往下掉落的过程中，会把一路上所遇到的液滴一起带走，在这些液珠被清扫掉的地方，蒸汽直接与壁面接触，随之又产生众多的小波滴。

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。

有两种凝结形式。

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。

1 ）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（虽然h 膜<<h 珠）。

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。

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tw必须低于蒸气的饱和温度ts，即tw < ts§ 6-2 膜状凝结分析解及关联式一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解1 、努塞尔微分方程组根据：液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻1916 年，努塞尔在理论分析中作了若干合理假设，从而揭示了有关物理参数对凝结换热的影响。

假设条件：（1 ）纯净蒸汽（ 2 ）常物性（ 3 ）蒸气静止、汽液界面上无对液膜的粘滞应力，即。

根据以上9 个假设从边界层微分方程组推出努塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的统一性。

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。

8. 凝结与沸腾换热8.1 知识结构1． 凝结换热（膜状凝结，珠状凝结，影响因素）；2． 沸腾换热（气泡生成条件，大容器及管内沸腾现象，影响因素）。

8.2 重点内容剖析 8.2.1 相变换热与非相变换热的对比换热形式： 单相 相变 交换热量： （显热mc Δt ） （潜热mr ）相对单位质量热容量： 1 ~100 ⇒ 介质流量 m ↓ 相对表面传热系数： 1 ~10 ⇒ 换热面积A ↓8.2.2 凝结换热现象蒸汽−→−<st t 液体——凝结蒸汽−−→−<swtt 壁面上凝结——凝结换热 膜状凝结——凝结液在壁面上铺展成膜 珠状凝结——凝结液在壁面上凝聚成液珠h 珠>>h 膜(表面改性技术)8.2.3 膜状凝结分析解及实验关联式 一. 努谢尔特假设：（1）纯净蒸汽层流液膜； （2）常物性；（3）蒸汽是静止的，气液界面上无对液膜的粘滞应力；（4）液膜的惯性可以忽略； （5）汽液界面上无温差；（6）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； （7）液膜的过冷度可以忽略；（8）相对于液体密度，蒸汽密度可忽略不计； （9）液膜表面平整无波动。

二. 膜状凝结数学描述 简化后的微分方程：1. 动量方程(重力与粘性力平衡)：022=+g dyu d l lρη (8-1)2. 能量方程(膜层只有导热)022=dyt d (8-2)3. 边界条件：y=0 时，u=0，t=t w (8-3) y=δ 时，s t t dydu ==,0δ(8-4)三. 分析解1. 竖壁层流分析解（膜层Re<1600）（求解过程参见参考文献[1]附录4）()[]4/14123Pr 943.0943.0GaJa c t t c gl Nu w s =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅-⋅=ληγν (8-5) 式中：Ga ——伽利略准则（重力/粘性力） Ja ——雅各布准则（潜热/显热） 2. 水平圆管的层流膜状凝结分析解：()[]4/14123Pr 729.0729.0GaJa c t t c gd Nu w s =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅-⋅=ληγυ (8-6)3. 球表面的层流膜状凝结分析解：()[]4/14123Pr 826.0826.0GaJa c t t c gd Nu w s =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅-⋅=ληγυ (8-7)定性温度：膜层平均温度()2/w s t t +特征尺度（伽里略）：竖壁：壁高l横管、球：外经d对比分析可见，当l/d=50时，横管的平均表面传热系数是竖管的两倍。

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。