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？
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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。
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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。
∂ 2t ∂y 2
=0
边界条件：
y = 0 时， u = 0, t = t w
y = δ 时，
du = 0, dy δ
t = ts
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2、分析解的结果
整个竖壁的平均表面传热系数为
hV
=
0.943
=0
考虑（5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热
u
∂t ∂x
+
v
∂t ∂y
=
0
只有u 和 t 两个未知量， 于是，上面得方程组化简 为：
ρ
l
g
+ηl
∂ 2u ∂y 2
=
0
a
l
∂ 2t ∂y 2
=0
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ρ
l
g
+ηl
∂ 2u ∂y 2
=
0
a
l
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临界热流密度 qmax： 由核态沸腾向过渡沸腾转折 处的热流密度被定为临界热流密度。
∆t = tw − ts
确定临界热流密度的意义
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三、汽化核心的分析
由核态沸腾的特点可
以看出，汽泡的生成、
长大及脱离加热面的运
二、分类
根据凝结液在表面上的润湿情况，凝结换热可 分为膜状凝结和珠状凝结两种形式。
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1、膜状凝结 当液体能润湿壁面时，
凝结液在壁面上形成一 层完整的液膜，这种凝 结形式叫膜状凝结。
2、珠状凝结 当液体不能润湿壁面
时，凝结液在壁面上形 成许多液滴，这种凝结 形式称为珠状凝结。
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三、两种凝结换热方式的比较
膜状凝结时，在壁面形成的凝结液膜阻碍蒸汽 与壁面直接接触，蒸汽只能在液膜表面凝结，所放 出的汽化潜热必须通过液膜才能传到壁面，液膜成 为膜状凝结换热的主要阻力，因此如何排除凝结液、 减小液膜厚度就是强化膜状凝结换热时考虑的核心 问题。
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tw < ts g
m& (x)
微元控制体
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边界层微分方程组：
t(y)
Thermal layers
∂u
boundary
∂x
+
∂v ∂y
=
0
u(y)
Velocity
ρl (uboundary 源自∂u ∂x+v
∂u ∂y
)
=
−
dp dx
+
ρl g
其中：
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hr
=
εσ (Tw4 − Ts4 )
Tw − Ts
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§6-6 影响沸腾换热的因素
影响核态沸腾的因素主要是壁面的过热度和汽化 核心数，而汽化核心数则受到壁面材料、及其表面 状况、压力、物性等的影响。
沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因 此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近 几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹 坑。目前有两种常用的手段：(1) 用烧结、钎焊、 火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面 上形成多孔结构。(2) 机械加工方法。
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3、分析解与实验结果的比较
实验表明，在低雷诺数时，分析解结果与实验 结果很好的相符，但当Re>20后，由于液膜表面波 动，传热强化，实验值比理论值高20％。将上式进 行修正得：
hV
=
1.13
grρl2λ3l
µll(ts − tw
1/
)
4
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二、大容器沸腾的临界热流密度
书中推荐适用如下经验公式：
[ ] qmax
=
π
24
rρv1
2
gσ (ρl
− ρv ) 1 4
三、大容器膜态沸腾的关联式
横管的膜态沸腾
h
=
0.62
gr ρ v ( ρ l − ρ v )λ3v ηvd (tw − ts )
+ηl
∂2u ∂y 2
layers
u
∂t ∂x
+
v
∂t ∂y
=
al
∂2t ∂y 2
下脚标 l 表示液相
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考虑（3）液膜的惯性力忽略
ρl
(u
∂u ∂x
+
v
∂u ∂y
)
=
0
在边界层外应用伯努里方程
p
+
ρl gx
+
1 2
ρlu2
=
0
考虑（7）忽略蒸汽密度
dp dx
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§6-5 沸腾换热计算式
一、大容器饱和核态沸腾
影响核态沸腾的因素主要是壁面的过热度 和汽化核心数，而汽化核心数则受到壁面材料、 及其表面状况、压力、物性等的影响，因此实 际情况比较复杂。下面给出两个公式。
1、米海耶夫计算式（用于水）
h = C1∆t 2.33 p0.5
其工业应用也很广泛，如发电厂中的凝汽器、 制冷装置中的冷凝器和蒸发器、热管等。
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冰箱的蒸发器
空调冷凝器（室外机）
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§6-1 凝结换热现象
一、凝结换热过程
当蒸汽与低于其相应压力下的饱和温度的壁面 接触时，将发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出汽化 潜热并传递给固体壁。
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h = C1∆t 2.33 p 0.5 C1 = 0.122 W (m ⋅ N 0.5 ⋅ K 3.33 )
按 q = h∆t ⇒ h = C 2 q 0.7 p 0.15
C2 = 0.533W0.3 (m0.3 ⋅ N0.15 ⋅ K)
2、罗森诺公式—广泛适用的强制对流换热公式）
=
r C pl ⋅ ∆t
Re
=
q
ηl r
σ g(ρl − ρv )
Pr l
=
C plη l λl
r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容
g — 重力加速度; ηl —饱和液体的动力粘度
Cwl — 取决于加热表面－液体;
组合情况的经验常数(表6-1)
q — 沸腾传热的热流密度;
s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7
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二、大容器饱和沸腾曲线
通过对水在一个大气压（1.013×105Pa）下的 大容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出图 6-11所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐 标为加热面的过热度；纵坐标为热流密度。
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∆t = tw − ts
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