第七章 相变对流传热(20190408)

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凝结传热的模式
7.1.1 珠状凝结与膜状凝结
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。 二、分类
根据凝结液在表面上的润湿情况，凝结换热可以分为 膜状 凝结和珠状凝结 。
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凝结传热的模式
1、膜状凝结（ film condensation ） 凝结液体能很好地润湿壁面，它在 壁面上铺展成膜。
? 立式冷凝器在凝液下流的过程中分 段排泄，有效控制了液膜厚度； ? 卧式冷凝器泄流板可以使布置在 该板上部水平管束上的冷凝液不会聚 集到其下其他管束上。
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目录
? 7.1 凝结传热的模式 ? 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 ? 7.4 沸腾传热的模式 ? 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化
2、珠状凝结（ dropwise condensation ） 凝结液体不能很好地润湿壁面，它 在壁面上形成一个个小的液珠。
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凝结传热的模式
上图显示了在不同的润湿能力下，气液分界面对壁面形成边 角（接触角） θ 的形状。接触角小则液体润湿能力强，液体会铺 展在壁面上。
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凝结传热的模式
7.1.2 凝结换热主要热阻
汽泡是在加热面上所谓的 汽化 核心 处生成的，而形成汽化核 心的最佳位置是加热面上的凹 缝、孔隙处，这里残留着微量 气体，最容易生成汽泡核（即 微小汽泡）。
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沸腾传热模式
气泡的力平衡：
? R2 ?PV ? Pl ?? 2? R?
式中： σ——气液界面的表面张力； Pl——气泡外压力，近似 等于沸腾系统的环境压力 Pl≈Ps;界面内外温度相等，即 tl=tv;即 气泡外的液体是过热的，贴壁处具有最大过热度 tw-ts

2020/5/18
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第七章 相变对流传热
5.凝结换热的强化
当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则 是破坏或减薄液膜层，强化技术是减薄液膜厚度、加速液膜的排泄。
二、沸腾换热
1.特点
基本概念：蒸发与沸腾，大容器沸腾与管内沸腾，饱和沸腾，过热 度。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。
凝结传热 （气相变液相） 沸腾传热 （液相变气相）
凝结传热： 夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结 沸腾传热： 烧开水
相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热
相变传热的特点： 由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂。
相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量
7-1 凝结传热的模式 凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。 珠状凝结
珠状凝结的表面换热系数 >> 膜状凝结，但是一般无法长久保持。
2.55×105
5000～25000
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第七章 相变对流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解： 液体膜层的热阻为主要因素。
微元体热平衡
d x
ts tw
(x)
dx
rdM
rd (
0
l udy)
u l g (y 1 y2 )
l
2
t
tw
(ts
tw
)
y
导热公式+牛顿冷却公式
1/ 4
4l
l (
g
ts
l2 r

tw ts tw ts
在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系
g
数定大于膜状凝结的传热系数。
7.1.3 膜状凝结是工程设计依据
实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内， 在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上 得到膜状凝结。
工业时间应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计 的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的 计算式作为设计的依据。
随有相变的对流换热。 ③工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、水冷壁等。
7.1 凝结传热的模式
7.1.1 珠状凝结与膜状凝结
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。 凝结换热的分类 根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
图7-4 努赛尔理论分析 的坐标系与边界条件
2、边界层方程组的简化
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

x

v y

0


l
(u

u x

v
u y
)


dp dx

l g
l
2u y 2
u
定性温度：
tm

ts
tw 2
注意：r 按ts确定
若与水平轴有夹角（φ >0）的倾斜壁，式中g改为gsinφ 。
7.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证
1、水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传热系数：
水平管： hH 0.729ldgr(tsl2lt3w)1/4
球：

（2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式
既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr )也 应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得 出了如下实验关联式：
S 1 tC wlR0 .3 e3 Plsr
式中，St Nu r RePr Cplt
r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容
共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸 腾和稳定膜态沸腾，如图所示：
qmax
qmin
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。
实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点
点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心
，增加气化核心是强化沸腾换热的主要途径。较普遍的看法认
为，加热壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心
（三个原因）。
(2) 汽泡的存在条件
汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)
第七章 相变对流传热
Boiling and Condensation
第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对 流换热和自然对流换热
下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为 相变换热，目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种。
相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复 杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程 上也只能助于经验公式和实验关联式。
1 凝结过程
tw ts
g
膜状凝结
沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力 的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必 须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响 了热量传递。