传热学精讲第七章

第七章凝结与沸腾换热气态工质在饱和温度下，由气态转变为液态的过程称为凝结或冷凝；而液态工质在饱和温度下以产生气泡的形式转变为气态的过程称为沸腾。

第一节凝结换热一、概述二、膜状凝结换热1.层流膜状凝结理论解图7-1 膜状凝结换热膜温度及速度场(1) 纯蒸气层流液膜，物性为常量(2)液膜表面温度δt等于st（饱和温度）(3)蒸气是静止的(4)液膜很薄且流动速度缓慢(5)凝结热以导热方式通过液膜(6)忽略液膜的过冷度⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂22yudxdpgyuvxuuμρρ (1)dxdp=vρg()022=-+g dyud v ρρμ(2) y = 0, u = 0； y = δ,0=dyduρ》vρ⎪⎭⎫⎝⎛-=221y y g u δμρ (3)022=dytd(4)y = 0； t = w ty = δ； t = s tt = w t + ( s t - w t )δy(5) ⎰==δμδρρ0323g dy u M kg / s (6)dx dxd d dM dx dx dM δδ= δδd d dM= dM =δμδρd g 22 (7)⎪⎭⎫ ⎝⎛+'+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛='+''dx dx dM M H dx dy dt H M dM H wλ r ＝ H H '-''rδμδρd g 22 = dx t t ws )(δλ-rg dxt t d w s 23)(ρμλδδ-=(8) ()4/124⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=r g t t x w s ρλμδ (9)xhλ=-dxttws)(δ)(wstt-dxxhλδ=xh =4/132)(4⎥⎦⎤⎢⎣⎡-wsttxrgμλρ(7-1a)943.0431====⎰l xlxhdxhlh4/132)(⎥⎦⎤⎢⎣⎡-wstt lrgμλρW /(2m·K) (7-1b) h = 0.7254/132)(⎥⎦⎤⎢⎣⎡-wsttdrgμλρW /(2m·K) (7-2a)2. 层流膜状凝结换热准则关联式图7一2 液膜的流动图7-3 垂直壁膜状凝结理论解与实验关联式的比较图7－4 层流液膜表面波动凝结液膜雷诺数c Rec Re =μρνm e me u d u d =（10）润湿周边U = L ，液膜断面积f = L ·δ，e d =Uf4=4δ。

c Re =μρδm u 4=μM4 (7-3)M r l t t h w s =-)( (11)c Re =rt t l h w s μ)(4- (7-4)凝结准则CoCo =3/1223-⎥⎦⎤⎢⎣⎡μρλg h 为无量纲数群Co=3/13/123--⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡Ga Nu l g l h νλ,(Ga 伽利略准则)。

垂直壁理论解 Co=1.473/1Re -c(7-1c) 水平管理论解 Co=1.513/1Re -c(7-2b)4/132)(13.1⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=w s t t l r g h μλρ)/(2k m W ⋅(7-5a)3/1Re 76.1-=cCo (7-5b)Kutateladze 推荐的准则关联式(7-6)。

2.5Re 08.1Re 22.1-=ccCo (7-6)3. 紊流膜状凝结当cRe>1800时)253(RePr588750Re75.05.0-+=-ccCo (7-7))1(lxhlxhh ctcl-+= (12)4.水平管凝结换热图7－5 水平管低速蒸气凝结VRe =VVVVmVdGduμμρ=,VRe<35000时4/13)()(555.0⎥⎦⎤⎢⎣⎡-'-=wsVttdrghμλρρρ(7-8))(83wspttcrr-+=' (7-9)5. 水平管束管外平均表面传热系数图7－6 水平管束凝结液三、影响膜状凝结的因素及增强换热的措施1. 影响因素(1)．蒸气速度(2)．蒸气含不凝气体(3)．表面粗糙度(4)．蒸气含油 (5)．过热蒸气2. 增强凝结换热的措施 (1)．改变表面几何特征 (2)．有效地排除不凝气体(3)．加速凝液的排除 加装中间导流装置、使用离心力、低频振动和静电吸引等方法加速凝液的排泄。

(4)．采用能形成珠状凝结的表面第二节 沸 腾 换 热当壁温高于液体的饱和温度时，发生沸腾过程。

如水在锅炉中的沸腾汽化，制冷剂在蒸发器中蒸发，都属沸腾换热，为液相转变成气相的换热。

沸腾分为大空间沸腾（或称池沸腾）和有限空间沸腾（或称受迫对流沸腾、管沸腾）。

而这些又可分为过冷沸腾及饱和沸腾。

本节主要分析可润湿壁的液体在大空间的沸腾换热，重在阐明沸腾换热机理及基本计算。

2－1 大空间沸腾换热在具有自由液面的液体中热壁面上产生的沸腾称为大空间沸腾。

此时产生的蒸汽泡能自由浮升，穿过自由表面进入容器空间。

研究大空间沸腾换热的目的是揭示液体沸腾的一般规律。

一、饱和沸腾过程和沸腾曲线图7－7 大空间沸腾曲线（水,1.013 Pa 510 ）二、泡态沸腾机理图7－8 汽泡上的作用力图7-9 汽泡在核化点上生成图 7-10汽泡在壁上的形状c h 及随p 的变化图7-11 大空间沸腾水的c q 、c t ∆、作功量为dA dV p p dW l V σ--=)(dW ＝0，即dA dV p p l V σ=-)(对于球形 334R V π= ，24R A π=Rp p l V σ2)(=- (1)Rp p l V σ2)(>- (2) 近似表达)()(s V s l V t t dTdpp p -=- (3) s dTdp)(饱和曲线上压强随温度的变化率，克劳修斯－克拉贝隆提出了下列计算式s dTdp)(=)(V l s l V T r ρρρρ- (4) V ρ《l ρs dTdp)(= s V T r ρ (5))(2s V V st t r T R -=ρσ (6)tr T R V sn i m ∆=ρσ2 (7)三、大空间泡态沸腾表面传热系数的计算[]w p V l C c r g t f h ,,,,,),(,μλσρρ-∆= （8）1．沸腾表面传热系数整理成与沸腾温差的函数。

如米海耶夫（Михеев）推荐水在(1～40)pa 510⨯计算式：15.07.0533.0p q h =2/(m W ·K) (7-11a)q ＝h t ∆5.033.2122.0p t h ∆=2/(m W ·K) (7-11b)2．罗森瑙（Rohsennow ）关联计算式：3,,2/1Pr )()(⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=s l l w s w l p v l l r C t t c g r q σρρμ2/m W (7-12) 水s ＝1.0；对其他液体s =1.7。

l w C , 值 表7一1液体及壁面材料组合情况 l w C ,水一有划痕的铜 0.0068 水一抛光的铜0.0128 水一化学浸蚀过的不锈钢 0.0133 水一机械抛光不锈钢 0.0132 水一抛光不锈钢 0.0060水—铂金0.013常用制冷剂表面力σ(mN/m)值[8] 表7-2 制冷剂 温度围( 0C )σ0（mN/m ）( 0C) 温度T(K)时n c T T ]/1[0--=σσ临界点c T (K)n R12 -148~112 56.52 385.01 1.27 R22-158~9661.23 369.32 1.23 R134a -30~101 59.69374.181.2662-2 管沸腾换热简述图7-13 垂直管沸腾图7-14 水平管沸腾过冷沸腾泡状流块状流环状流液膜的对流沸腾单相蒸汽流的对流换热过程。

第三节热管图7-15 热管工作原理1-蒸发段；2-绝热段；3-凝结段；4-管芯；5-工作液；6-蒸汽1热管的加热区（蒸发段）；2蒸汽输送区（绝热段）；3散热区（凝结段）。