第七章----沸腾换热.

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第七章----沸腾换热

tw ts
g
根据以上 8 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。同样的，凝结液膜的流动和换热符合
边界层的薄层性质。
以竖壁的膜状凝结为例： x 坐标为重力方向，如图所示。在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为：
u v x y 0 u u dp 2u v ) l g l 2 l (u x y dx y t t 2t u v al 2 y y x
gr hV 1.13 l l( t s t w )
2 l 3 l 1/ 4
（4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时，其平均表面传热系数为：
水平管：
gr hH 0.729 d( t t ) s w l
2 l 3 l
g
tw ts
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
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。
g
tw ts
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。
考虑假定（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热
t t u v 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组化简为：
2u l g l y 2 0 2 t a 0 l 2 y
边界条件： y 0 时， u 0, t t w
计算方法：对于竖壁紊流膜状换热，沿整个
壁面上的平均表面传热系数

《传热学》第七章凝结与沸腾换热

适用范围：
水平管：
适用范围：
（由于管径不会很大，一般不会到达紊流）
进行修正后，得到：
垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
垂直壁与水平管凝结换热强度的比较—— 由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。
垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：
层流膜状凝结换热速度变化规律：
蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用
层流膜状凝结换热温度变化规律：
ts为蒸气饱和温度
可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究
1.X方向液膜动量方程：将：代入，得：
v为蒸汽密度
假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：
一般情况下：
从而：
已知壁温：
二、管内沸腾换热
特征：由于流体温度随流向逐渐升高，沸腾状态随流向不断改变
液相单相流 h较低
垂直管内沸腾
Байду номын сангаас
泡状流
h升高
块状流
h高
环状流
h高
气相单相流
h急剧降低
水平管内沸腾
液相单相流
泡状流
块状流
波浪流
环状流
气相单相流
汽水分层，管上半部局部换热较差
第七章重点： 1.膜状凝结换热特征和计算方法
2.沸腾换热的四个阶段 3.热管的工作原理
谢谢观看
三、水平管束管外凝结换热
上一层管子的凝液流到下一层管子上，使下一层管面的膜层增厚
下层管上的h比上层管的h低
计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式

凝结与沸腾换热PPT课件

(2)珠状凝结
凝结液面不能很好地润湿壁面，在壁面上形成一个个小的液珠，且不断发展，到一定程度后，重力大与依附力，向下运动
特点：凝结放出的潜热不须穿过 g 液膜的阻力即可传到冷却壁面上。
tw ts
3. 两种凝结方式换热系数的大小
膜状凝结：由于壁面被一层液膜覆盖，因而凝结放出的热量首先必须穿过这层液膜（以导热形式），后才传至壁面。主要热阻为液膜层。（导热因液膜层内速度很小，热阻大）
珠状凝结：由于大部分冷壁面总是直接暴露在蒸气中，不存在液膜层。（热阻小）
所以h珠>h膜
虽然，珠状凝结的表面传热系数远远大于膜状凝结，从换热角度考虑，希望采用珠状凝结，但要维持珠状凝结是非常困难的，所以在实际工业应用上都只能实现膜状凝结。玻璃器皿洗干净有一层水膜。
第二节膜状凝结分析解及实验关联式
——厚度薄、热阻小。
2. 准则方程
• 液膜的流动方式也有层流和紊流之分，还是采用雷诺数（膜层）来判断。
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。
无波动层流
Re 20
有波动层流
Rec 1600
湍流
如图
de 4Ac / P 4b / b 4
1. 纯净蒸气层流膜状凝结分析解 • 努赛尔通过一系列的假设后，得到了纯净蒸
气层流膜状凝结的分析解，具体假设有：（1）常物性（物性参数不随温度变化）；（2）蒸气静止不动，对液层无粘滞应力；（3）液膜的惯性力可以忽略；（4）气液界面无温差（即凝液温度等于蒸气温
度）；
(5)膜内温度分布是线性的（液膜内的热量传递只有导热，而无对流作用）；（6）液膜的过冷度可以忽略；（7）蒸气密度远远小于凝结液体的密度ρl；（8）液膜表面平整无波动。

第七章—凝结和沸腾换热

第七章凝结与沸腾换热（Condensation and Boiling Heat Transfer ）本章重点：① 凝结与沸腾换热机理及其特点；② 大空间饱和核态沸腾及临界热流密度。

第一节凝结换热现象（condensation heat transfer phenomena ）1-1 基本概念1．凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度 (saturated temperature) 的壁面接触时，蒸气会在壁面上凝结成液体并向壁面放出凝结潜热，这种现象称为凝结换热现象。

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：（1）膜状凝结（film-wise condensation ）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。

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（drop-wise condensation ）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小液珠的凝结形式。

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。

问：在其它条件相同时，珠状凝结和膜状凝结，哪个换热系数高？为什么？答：实验证明，同种蒸气珠状凝结时的表面传热系数比膜状凝结的高一个数量级。

例如，大气压下水蒸气珠状凝结时的表面传热系数约为)/(10~104254K m W ⋅⨯，膜状凝结约为)/(10~106243K m W ⋅⨯。

珠状凝凝结中，蒸汽与壁面直接接触，而膜状凝结时，蒸汽要通过凝结液膜与壁面传热，所以珠状凝结比膜状凝结的换热系数高。

如图，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，珠状凝结的形成比较困难且不持久。

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

1-2 膜状凝结一、层流膜状凝结分析解努谢尔抓住液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻，忽略次要因素，从理论上揭示了有关物理参数对凝结换热的影响。

《传热学》第7章-凝结与沸腾换热

补充例题3
v 思路：膜态沸腾换热套用公式计算即可。
稳定的膜态沸腾时，金属丝的电流的发热量一部分通过沸腾换热传给了水，其余部分则使金属丝的内能增加（温度升高），这是一个能量平衡。
补充例题3
v 解：膜态沸腾换热系数的计算套教材中的公式，略去。结果为： h=236.70 W/(m2.℃)
每米长金属丝的传热量为:
理论解的修正
h
=
0.943

gγρ
µH (ts
2λ3 − tw
1/ 4
)
实验证实： Re < 20
时，实验结果与理论解相吻合
Re > 20 时，实验结果比理论解高20%
所以在工程计算时将该式的系数加大20%
h
=
1.13

gγρ 2λ3
µl(ts − tw
)
1/
4
定性温度
tm
传热学
第7章凝结与沸腾换热 Condensation and boiling
简介
蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为凝结换热；液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程称为沸腾换热
——有相变的对流换热
一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。
7-1 凝结换热现象
膜状凝结换热的主要阻力
=
1 2
(ts
+
tw
)
其他
单根水平圆管外壁面上的层流膜状凝结换热平均表面传热系数
h=
( ) 紊流膜状凝结换热
0.729

gγρ µd ts
2λ3 − tw
1/ 4
( ) 整个垂直壁面的平均表面传热系数

传热学课件第七章凝结与沸腾换热

第一节
二、膜状凝结换热
凝
结
换
热
1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结） 3>.实用关系式上式结果与实验相较，实验h值比上式计算值高20%左右，故在实际使用时，将系数0.943修改成1.13。对于水平放臵的圆管外壁的凝结换热，若以外径d定型， 1 其h为： 2 g3r 4 h 0.725 d t t s w 上列各表中定性温度均为：tm=（ts+tw）/2 对于竖放管外壁凝结换热，其计算可用竖壁公式计算，此时定型尺寸为管长l，故只要管子不是很短，横放时管外凝结表面的换热系数将高于竖放，如当l/d=50时，h横>2h竖，故冷凝设计多用横管。
第二节
沸
腾
换
热
三、管内沸腾（有限空间沸腾）换热简介
换热一般经历：单相流体对流换热→过冷沸腾→泡态沸腾→液膜对流沸腾 →单相换热（湿蒸汽换热→ 过热蒸汽换热）
流动一般经历：液相单相流→泡状流→块状流→环状流→气相单相流。
第三节
热
管
力管注式壳入热热、工管管管作就利芯液是用和体将重工后通力作密的场介封金回质的属流三管管，部子子不分。抽设组通成管成常真芯。是空。重由，热管的构造和简单原理
第二节
一、沸腾分类
沸
腾
换
热
大空间沸腾：指加热壁面被沉浸在无宏观流速的液体表面（自由表面）下所发生的沸腾。有限空间沸腾（管内沸腾、受迫对流沸腾等）：液体在压差作用下以一定的速度流过加热管（或其它形状通道）内部时，在管内表面上发生的沸腾。另根据液温与壁温的关系可分为：过冷沸腾：通常tw>ts，而tl<ts，目前研究不充分。饱和沸腾：tw>ts，且tl>ts，从壁面产生的气泡不再被凝结。通常有三种基本的沸腾状态： ①自然对流沸腾：只有少量气泡产生； ②泡态沸腾（核沸腾）：大量产生气泡； ③膜态沸腾：壁与液体间产生气体隔膜。

第七章凝结及沸腾换热_传热学

23
3 大空间饱和沸腾曲线：
表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、泡态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：
qmax
qmin
24
4.几点说明：（1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。（2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
25
三. 大空间泡态沸腾表面传热系数计算
沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式影响泡态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。
与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化 2 过冷度
只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，
h (tw，因t f 此)n ，过冷会强化换热。
30
3.液位高度
当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位)。
2t y 2
5
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 0 dx
考虑（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热

C8凝结与沸腾换热

可见， (tw – ts ) ? , Rmin ? ? 同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加 ? 汽化核心数增加 ? 换热增强
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
?
?
24
r?
1 v
2
g?
(?l
?
?v) 14
三、大容器膜态沸腾的关联式
横管的膜态沸腾
h
?
0
.62
其中：
hr
?
?? (Tw4 ? Ts4 )
Tw ? Ts
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。
五、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。
对单个汽泡在液体中存在的条件（满足力的平衡和热平衡）分析可得，气泡的半径需满足
R?
Rmin
?
2? Ts r? v (tw ?
ts )
式中： ? — 表面张力， N/m ；r — 汽化潜热， J/kg

第7章凝结与沸腾换热-42页文档资料

根据微分方程及边界条件求得液膜厚度、液膜内的速度场和温度场，再根据导热方程和牛顿冷却公式得出表面换热系数的理论解。
2019/12/28
52-12
计算结果：
液膜厚度：
4llg(tsl2rtw)x1/4
r－潜热
局部表面传热系数：
hx 4lg(trs l2t3lw)x1/4
dp dx
dp dxv
vg
2019/12/28
52-10
u v 0 x y
dpdp dx dxv
vg
（ l u u xv u y)lgd d p xl y 2u 2
ut vt x y
al
2t y2
假设7：液膜内只有导热，无对流未知量两个：u，t。故只需两个方程。
52-14
定性温度： tm(tstw)/2 潜热定性温度：ts
当其它条件相同时，横管与竖壁的平均表面传热系数比值为：
hH 0.729l(gtsrl2tw3l)d1/4 hV 0.943lg(tsrl2tw3l)l1/4
hH 0.77 l 1/4

0
g 动量方程：（ l u u xv u y)lgd d p xl y 2u 2
tw
t 能量方程：
ut vt x y
al
2t y2
ts
x
假设5：液膜速度很低，忽略其惯性力
dp/dx为液膜在x方向压力梯度，等于y＝处蒸汽侧压力
梯度( dp/dx)v：假设4：蒸汽静止。
蒸汽流速高
4 蒸汽流速
蒸汽流速将对液膜表面产生剪切力和冲击作用，从而影响液膜状态：厚度、稳定性、形状等。
例如：撕破或减薄液膜可增加h
2019/12/28

沸腾换热(课堂PPT)

North China Electric Power University
.
44
Intel Pentium 42.8 GHz CPU 无风扇散热器
.
45
笔记本电脑冷却器
.
46
双极晶体管冷却器
.
47
振荡流热管换热器(一)
.
48
振荡流热管换热器(二)
.
49
干燥机余热回收器
铜管内径2 mm, 8弯， 32 组
a) 最小的气泡在壁面上；即：壁面上的凹缝，空隙等是生成气泡核的最好地点。
b) Δt=tw-ts
R
气泡量增多 h
c) p 、 T s 、 r
R m in 气泡核增多
h
.
20
7-5 大容器沸腾传热实验关联式 7.5.1.大容器饱和核态沸腾换热计算公式（1）米海耶夫公式（适用于水在105～4×106压力下大容器饱和沸腾）：
A
D
.
8
核态沸腾
.
9
过渡沸腾
.
10
膜态沸腾
.
11
沸腾危机:
（DNB: departure from nucleate boiling）偏离核沸腾点，安全警界点
.
12
7.4.3 汽泡动力学简介
汽化核心：加热表面上能产生汽泡的地点。（1）气泡得以存在的力学条件
气泡受到两种力作用：表面张力σ、压强 p 表面张力σ使气泡表面积缩小要使气泡长大，气泡内压力需克服表面张力对外做功
.
22
Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
.
23
33％ 100％
.
24
（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：

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第七章
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 大容器饱和核状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：
①了解强化凝结与沸腾换热的措施及发
展现状、动态。
②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。
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。
§ 7-2 膜状凝结分析解及关联式
1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解
假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于
饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热量转移只
有导热；6）液膜的过冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动
tw ts
g
根据以上 8 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。同样的，凝结液膜的流动和换热符合
边界层的薄层性质。
以竖壁的膜状凝结为例： x 坐标为重力方向，如图所示。在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为：
u v x y 0 u u dp 2u v ) l g l 2 l (u x y dx y t t 2t u v al 2 y y x
g
tw ts
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
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。
g
tw ts
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。
1/ 4
球：
gr hS 0.826 d( t t ) s w l
2 l 3 l
1/ 4
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH l 0.77 hV d
14
2
膜层中凝结液的流动状态
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
4hl( ts t w ) Re r
所以
横管：用d 代替 L 并且横管一般都处于层流状态
3
湍流膜状凝结换热
实验证明：（ 1 ）膜层雷诺数 Re=1800 时，液膜由层流转变为紊流；（ 2 ）横管均在层流范围内，因为管径较小。特征 :对于紊流液膜，热量的传递：（ 1 ）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（ 2 ）层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。
gr hV 1.13 l l( t s t w )
2 l 3 l 1/ 4
（4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时，其平均表面传热系数为：
水平管：
gr hH 0.729 d( t t ) s w l
2 l 3 l
③工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发
器、再沸器、水冷壁等。
§7-1 凝结换热现象凝结换热实例
•锅炉中的水冷壁
•寒冷冬天窗户上的冰花
•许多其他的工业应用过程
tw ts
凝结换热的关键点
状凝结
g
• 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠
• 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻
• 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式
考虑假定（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热
t t u v 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组化简为：
2u l g l y 2 0 2 t a 0 l 2 y
边界条件： y 0 时， u 0, t t w
下脚标 l 表示液相
考虑假定（3）液膜的惯性力忽略 u u l (u v ) 0 x y 将动量方程应用于边界层外的蒸汽,并考虑假定（7）忽略蒸汽密度，边界层外的压力变化更大 dp v g 0 dx u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
• 影响膜状凝结换热的因素
• 会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜
状凝结理论
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。有两种凝种
(1)膜状凝结
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。
du y 时， dy

0, t t s
求解上面方程可得： (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
1/ 4
ts tw 定性温度： t m 2
注意：r
按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
gr hx 4l ( t s t w )x
2 l 3 l 1/ 4
( t ts tw C )
整个竖壁的平均表面传热系数
gr 1 l hV hx dx 0.943 l 0 l l( t s t w
2 l 3 l
)
1/ 4
ts tw 定性温度：t m 2
注意：r
按 ts 确定
(3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高 20％左右修正后：
式中：
d e ul
无波动层流

Re 30
有波动层流
Rec 1800
湍流
ul
de
为 x = l 处液膜层的平均流速；为该截面处液膜层的当量直径。
如图
de 4 Ac / P 4b / b 4
Re 4 ul

4qml

由热平衡
h( ts tw )l rqml

第七章----沸腾换热.

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