《传热学》第七章 凝结与沸腾换热
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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。
传热学——凝结核沸腾传热
• 会分析竖壁和横管的传热过程，及Nusselt膜 状凝结理论
一、凝结传热现象
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，称凝结传热现象。有两种凝结形式。
二、凝结传热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
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。 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
②随着 t 的上升，汽化核心增加，生成的汽 泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。
③随着
t 的增大， q 增大，当 t 增大到一定
值时， q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化 核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾 （泡状沸腾）。 其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密 度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。
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
tw ts
热阻。
g
(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。
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。
6-2 膜状凝结分析解及关联式
一、凝结传热现象
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，称凝结传热现象。有两种凝结形式。
二、凝结传热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
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。 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
②随着 t 的上升，汽化核心增加，生成的汽 泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。
③随着
t 的增大， q 增大，当 t 增大到一定
值时， q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化 核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾 （泡状沸腾）。 其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密 度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。
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
tw ts
热阻。
g
(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。
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。
6-2 膜状凝结分析解及关联式
传热学第7章汇总
0
积分两次，并将边界条件代入，得到液膜内温度分布： t tw
ts tw
y
3.液膜微元段热平衡：
MH ——凝液带入热量
M dM dx H ——凝液带出热量
dx
H dM ——蒸气带入热量
t y
w
dx——墙壁导热出热量
H ——凝液焓（饱和液体）
H ——蒸气焓（饱和气体）
M ——凝液质流量
蒸气含不凝气体
影 响
膜层表面蒸气分压降低，ts降低，ts -tw降低
因 素
低Rec→凝液积聚，液膜增厚→h减小
表面粗糙度
高Rec→凸出点对凝液产生扰动→h增大
蒸气含油→壁上形成油垢→ h减小
h减小
过热蒸气→蒸气与凝液焓差增大→ h增大（计算时潜热修正为实际焓差）
增强凝结换热的措施：
1.改变表面几何特征： 采用各种带有尖峰的表面， 使在其上冷凝的液膜拉薄， 或者使已凝结的液体尽快 从换热表面上排泄掉
0.943
lts
tw
定性温度：ts tw 2
定型尺寸：x(l)
注意点：以上两式并非最后的正确结果，计算中不得直接使用！
水平圆管层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
2 g3r
14
h
0.725
d
ts
tw
定性温度：ts tw 2
定型尺寸：d
将平均表面传热系数表达式写为准则方程：
垂直壁：
Co
1.47
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：
d 2u dy 2
v
g
0
一般情况下： v 从而： v
积分两次，得到液膜内速度分布：
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
7 凝结与沸腾传热(打印)
2.33
沸腾传热的强化
1. 2. 3. 4. 提高过热度 采用汽化潜热高的液体 采用对流沸腾方式 采用人工粗糙表面
p 0.5
h = 0.56q 0.7 p 0.15 p − 系统的绝 对压力， Pa 罗森诺公式 c pl (tw − ts ) γ q = C wl ηlγ σ g ( ρl − ρv )
有相变的对流传热问题的特点
回顾我们最初讨论的无粘性流体对流传热问题的解，可以看
第七章 凝结与沸腾传热
——有相变的对流传热问题
出对流传热系数与流体比热的关系，
hx =
1 π
λρ c p u∞ x
从上式，我们可以预期，流体具有相变的对流传热问题可能 具有很大的对流传热系数或很高的对流传热强度。？？？
凝结传热
R≥ 2σ TS 2σ TS 即 R ≥ Rmin = ρ v γ (t v − t s ) ρ v γ (t w − t s )
R ≥ Rmin =
2σ Ts r ρ v (tw − ts )
从式中可以看出过热度（ t w − t s）增加， Rmin 将减小，同一 加热面上满足 R ≥ Rmin 的地方将增多，即汽化核心数增加，产 生气泡的密度增加，沸腾传热系数将增大。
0 δ 0
γ ——汽化潜热，J/(kggK)
x
ρ2g 1 ρl g (δ y − y 2 ) dy = l δ 3 2 3ηl ηl
x
热平衡 d Φ x = γ dm =
γρ l2 g ηl
δ 2 d δ = λl
ts − tw dx δ
膜状凝结的努塞尔分析结果
γρ l2 g t −t δ 2 d δ = λl s w dx ηl δ hx (t s − t w ) = λl hx =
沸腾传热的强化
1. 2. 3. 4. 提高过热度 采用汽化潜热高的液体 采用对流沸腾方式 采用人工粗糙表面
p 0.5
h = 0.56q 0.7 p 0.15 p − 系统的绝 对压力， Pa 罗森诺公式 c pl (tw − ts ) γ q = C wl ηlγ σ g ( ρl − ρv )
有相变的对流传热问题的特点
回顾我们最初讨论的无粘性流体对流传热问题的解，可以看
第七章 凝结与沸腾传热
——有相变的对流传热问题
出对流传热系数与流体比热的关系，
hx =
1 π
λρ c p u∞ x
从上式，我们可以预期，流体具有相变的对流传热问题可能 具有很大的对流传热系数或很高的对流传热强度。？？？
凝结传热
R≥ 2σ TS 2σ TS 即 R ≥ Rmin = ρ v γ (t v − t s ) ρ v γ (t w − t s )
R ≥ Rmin =
2σ Ts r ρ v (tw − ts )
从式中可以看出过热度（ t w − t s）增加， Rmin 将减小，同一 加热面上满足 R ≥ Rmin 的地方将增多，即汽化核心数增加，产 生气泡的密度增加，沸腾传热系数将增大。
0 δ 0
γ ——汽化潜热，J/(kggK)
x
ρ2g 1 ρl g (δ y − y 2 ) dy = l δ 3 2 3ηl ηl
x
热平衡 d Φ x = γ dm =
γρ l2 g ηl
δ 2 d δ = λl
ts − tw dx δ
膜状凝结的努塞尔分析结果
γρ l2 g t −t δ 2 d δ = λl s w dx ηl δ hx (t s − t w ) = λl hx =
精品课件-凝结与沸腾换热原理
7. 凝结表面的几何形状
• 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面 上的液膜的厚度。
• 可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉 薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄 掉。
§6-4 沸腾换热现象
沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡 的汽化过程称为沸腾。
沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表 面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸 腾换热强度远大于无相变的换热。
②随着 t的上升，汽化核心增加，生成的汽泡
数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。
③随着 的t 增大， q 增大，当 增大t 到一定值时，
q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换 热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸 腾）。
其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密 度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。
dp 0 dx
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
l
2u y 2
u
t x
v
t y
al
2t y 2
考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量转 移只有导热
u t v t 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组 化简为：
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
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
传热学精讲 第七章复习课程
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 膜状凝结换热膜内温度及速度场(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 dy ud v ρρμ (2)y = 0, u = 0； y = δ,0=dyduρ》v ρ⎪⎭⎫⎝⎛-=221y y g u δμρ (3)022=dytd(4)y = 0； t = w ty = δ； t = s t t = 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⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=rgtt xwsρλμδ (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 Re c 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。
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
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
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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
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第七章凝结与沸腾换热
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。
传热学-7 凝结和沸腾传热
7-2 沸腾传热
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)
R
Rmin
2 Ts rv (tw
ts
)
可见， (tw – ts ) , Rmin 同一加热面上，汽化核 心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强
7-2 沸腾传热
二 大容器沸腾 1 饱和沸腾曲线 大容器沸腾：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液 体中所发生的沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进 入容器空间。 大容器饱和沸腾曲线：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、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾。
7-2 沸腾传热
饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾。 特点：随着壁面过热度的增高，出现 4 个换热规律 全然不同的区域。
过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下饱和温度， 壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热。
7-2 沸腾传热
产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1）液体必须过热； 2）要有汽化核心。 一 汽泡动力学简介 1 汽泡的成长过程 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，而不是整个加热面上，这些产生气 泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，壁面 上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心。
7-1 凝结传热
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
4. 液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用
下式代替计算公式中的 r，
r r 0.68cp( ts tw )
5. 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。
6. 凝结表面的几何形状
凝结与沸腾换热
加热表面
4 汽泡动力学简介
(1) 汽泡旳成长过程
试验表白，一般情况下，沸腾开始时汽泡只发生在加 热面旳某些点，而不是整个加热面上，这些产愤怒泡 旳点被称为汽化关键，较普遍旳看法以为，壁面上旳 凹穴和裂缝易残留气体，是最佳旳汽化关键，如图所 示。
(2) 汽泡旳存在条件 汽泡半径R必须满足下列条件才干存活
hH
0.729
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4
)
式中：下标“ H ”体现水平管。
定性温度与前面旳公式相同
定性尺寸:单管为管外径d 水平管束为nd
6 水平管内凝结换热
利用上面思想，整顿旳整个表面旳平均努塞尔数：
h 0.555[ g( v )3r]1/ 4 d (ts tw )
r r 0.68cp( ts tw )
5 大容器饱和沸腾曲线：
qmax
qmin
6 沸腾换热计算式
沸腾换热也是对流换热旳一种，所以，牛顿冷却公式依然合用， 即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热旳h却有许多不同旳计算公式 为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）米海耶夫公式——水
对于水旳大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围： 105～4 106 Pa
（2）优良旳等温性。热管内腔旳蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽旳压 力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生旳压降 很小，根据热力学中旳方程式可知，温降亦很小，因而热管具有 优良旳等温性。
（3）采用不同旳工作液，热管合用-200到2200℃温度范围内旳工作。 （4）热流密度可变性。热管能够独立变化蒸发段或冷却段旳加热面积，
2 膜状液膜旳流态
凝结液体流动也分层流和湍流，而 且其判断根据依然是Re，
4 汽泡动力学简介
(1) 汽泡旳成长过程
试验表白，一般情况下，沸腾开始时汽泡只发生在加 热面旳某些点，而不是整个加热面上，这些产愤怒泡 旳点被称为汽化关键，较普遍旳看法以为，壁面上旳 凹穴和裂缝易残留气体，是最佳旳汽化关键，如图所 示。
(2) 汽泡旳存在条件 汽泡半径R必须满足下列条件才干存活
hH
0.729
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4
)
式中：下标“ H ”体现水平管。
定性温度与前面旳公式相同
定性尺寸:单管为管外径d 水平管束为nd
6 水平管内凝结换热
利用上面思想，整顿旳整个表面旳平均努塞尔数：
h 0.555[ g( v )3r]1/ 4 d (ts tw )
r r 0.68cp( ts tw )
5 大容器饱和沸腾曲线：
qmax
qmin
6 沸腾换热计算式
沸腾换热也是对流换热旳一种，所以，牛顿冷却公式依然合用， 即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热旳h却有许多不同旳计算公式 为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）米海耶夫公式——水
对于水旳大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围： 105～4 106 Pa
（2）优良旳等温性。热管内腔旳蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽旳压 力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生旳压降 很小，根据热力学中旳方程式可知，温降亦很小，因而热管具有 优良旳等温性。
（3）采用不同旳工作液，热管合用-200到2200℃温度范围内旳工作。 （4）热流密度可变性。热管能够独立变化蒸发段或冷却段旳加热面积，
2 膜状液膜旳流态
凝结液体流动也分层流和湍流，而 且其判断根据依然是Re，
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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
四、影响膜状凝结换热的因素及增强换热的措施
高速→液膜吹脱壁面→h增大 蒸气速度 蒸气向下吹→液膜变薄→h增大
低速
蒸气向上吹→液膜变厚→h减小 不凝气体聚集在表面，蒸气扩散阻力增加
曲线 A-B B-C C-D D-E
名称
对流沸腾
泡态沸腾
过渡态沸腾
膜态沸腾
tw-ts
<5℃
5℃～30℃
30℃～120℃
>120℃
现象
气泡微小，附 着于壁面不能 浮升 很小
气泡不断产 生、长大、 浮升、逸出 急剧增大
气泡太多形成气 膜，阻碍传热
形成稳定气膜， 与壁面辐射换 热量显著增加 回升
热流密度
下降
《传热学》
第七章 凝结与沸腾换热
凝结换热——冰箱和空调中冷凝器使制冷工质冷凝 沸腾换热——锅炉中管束使水沸腾
冷凝器
锅炉
第一节 凝结换热
膜状凝结 珠状凝结
形式
树叶上的珠状凝结
成因 稳定性 换热性能
附着力>表面张力 好 不好
附着力<表面张力 不好 好
玻璃窗上的膜状凝结
一、垂直壁和水平管膜状凝结换热
控制热流密度加热时大空间 饱和沸腾换热的烧毁点：
——热流密度不断增加到qc （106W/m2）附近时,沸腾状 态将由C点沿红线跳跃至E点， 壁温突然升至1000 ℃以上， 设备将在瞬间烧毁。
实例：在高压锅炉水冷壁设计中，务必使热流密度小于106W/m2 已知热流密度： 水的大空间沸腾 换热计算式：
适用范围：
垂直壁紊流段膜状凝结换热准则方程：
适用范围：
存在紊流时整个垂直壁平均凝结对流表面传热系数：
xc——Rec＝1800时的临界高度 l——垂直壁高度 hl——层流段平均凝结对流表面传热系数
ht——紊流段平均凝结对流表面传热系数
二、水平管内凝结换热
蒸气流速较低时，凝液主要在 蒸气流速较高时，形成环状流动， 管子底部，蒸气位于管子上部， 凝液均匀分布在管子四周，中间为 上部换热较好 蒸气核
影 响 因 素
蒸气含不凝气体 膜层表面蒸气分压降低，ts降低，ts -tw降低 低Rec→凝液积聚，液膜增厚→h减小 表面粗糙度 高Rec→凸出点对凝液产生扰动→h增大 蒸气含油→壁上形成油垢→ h减小
h减小
过热蒸气→蒸气与凝液焓差增大→ h增大（计算时潜热修正为实际焓差）
增强凝结换热的措施：
1.改变表面几何特征： 采用各种带有尖峰的表面， 使在其上冷凝的液膜拉薄， 或者使已凝结的液体尽快 从换热表面上排泄掉
垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
定性温度：
定型尺寸：x(l)
注意点：以上两式并非最后的正确结果，计算中不得直接使用！
水平圆管层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
定性温度：
定型尺寸：d
将平均表面传热系数表达式写为准则方程： 垂直壁： 由于未考虑液膜波动因素，垂直壁理论解较实验结果偏低约20％，因而应将其修正为：
2.采用抽气装置排除不凝气体 3.采用机械方法加速凝液排泄
（c） 沟槽管 （d） 微肋管
4.促进珠状凝结的形成 （1）壁面涂镀材料减小附着力 （2）蒸气加促进剂增大表面张力
第二节 沸腾换热
定义—— 工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式 大空间沸腾换热 沸腾换热
（蒸气泡能自由浮升，穿过自由表面进入容器空间）
第三节 热管
热管的工作原理： ——沸腾换热和凝结换热 两种相变换热过程的巧妙 结合。
热管的特点： 1.靠蒸气流动传输热量，传热能力大。 2.加热区和散热区趋于等温，温差损失小。 3.采用不同工作液，可适应各种温度范围。 4.加热区和散热区热管表面的热流密度可 以不相同。 5.结构简单，无运动部件，工作可靠。
有限空间沸腾换热
（蒸气和液体混合在一起，形成两相流）
一、大空间沸腾换热
饱和沸腾： t f ts，tw ts 过冷沸腾： t f ts，tw ts
气泡的变化规律 产生
长大
浮升
逸出 沸腾换热小实验
大空间饱和沸腾 过程的四个阶段： （控制壁温加热）
对流沸腾
泡态沸腾
过渡态沸腾
膜态沸腾
大空间饱和沸腾过程的四个阶段 （控制壁温加热）
液膜微元段热平衡方程：
质流量在dx距离内的增量：
近似认为膜内温度分布为线性，则有： 蒸气潜热： 将以上关系式代入液膜微元段热平衡方程，得到： 分离变量，得： 上式在0～δ 内积分，得到x处的液膜厚度：
由于dx微元段的凝结换热量应该等于该段的导热量，故：
将δ 代入，得到垂直壁层流膜状凝结换热局部表面传热系数：
积分两次，得到液膜内速度分布：
2.液膜能量方程：
假定液膜流动缓慢，则对流换热项可忽略，能量方程可简化为：
积分两次，并将边界条件代入，得到液膜内温度分布：
3.液膜微元段热平衡： ——凝液带入热量 ——凝液带出热量
——蒸气带入热量
——墙壁导热出热量
——凝液焓（饱和液体） ——凝液质流量 其中：
——蒸气焓（饱和气体）