《传热学》第7章-凝结与沸腾换热
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《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
凝结与沸腾传热知识点总结
凝结与沸腾传热知识点总结一、凝结传热1. 基本概念凝结传热是指气体或蒸汽在与冷凝器或凝析器接触时，由于在高温高压下从气态转变为液态而释放出的潜热，使得冷却表面获得热量，达到热交换的目的。
凝结传热广泛应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统、核电站等领域。
2. 传热机理凝结传热的机理主要包括蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态的过程。
蒸汽接触冷却表面后，从气态开始逐渐降温，当温度降至饱和温度时，蒸汽开始冷凝成液态，同时向冷凝器表面释放潜热。
这一过程中，冷凝器表面得到了传热，达到冷却的效果。
3. 影响因素凝结传热的影响因素主要包括冷凝器表面的特性、冷却介质的流动情况、冷凝器的结构设计等。
其中，冷凝器表面的特性对传热性能影响较大，如表面粗糙度、表面材质等都会对凝结传热产生影响。
二、沸腾传热1. 基本概念沸腾传热是指在液体受热时，液体表面发生气泡并从表面蒸发的过程，通过气泡与液体间传热的方式，将热量传递给液体。
沸腾传热广泛应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。
2. 传热机理沸腾传热的机理主要包括液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，同时气泡与液体之间发生传热。
气泡在液体中的形成、生长、脱离和再次形成的过程构成了沸腾传热的基本机理。
3. 影响因素沸腾传热的影响因素主要包括液体的性质、加热表面的特性、液体的流动情况等。
其中，液体的性质对沸腾传热产生较大影响，如液体的表面张力、黏度、温度等都会对沸腾传热产生影响。
三、凝结与沸腾传热的比较凝结传热与沸腾传热在传热机理、应用领域等方面存在显著差异。
凝结传热是气体或蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态，释放潜热的过程，适用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域。
而沸腾传热是液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，通过气泡与液体间传热的方式，适用于锅炉、蒸馏器等领域。
在传热特性上，沸腾传热的传热系数通常比凝结传热高，因此在某些情况下，沸腾传热更适于热交换。
此外，在应用领域上，凝结传热主要应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域，而沸腾传热主要应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。
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 =
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
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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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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。
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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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(完整版)《传热学》第7章_相变对流传热
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第7章 相变对流传热
3. 管内凝结 管内凝结传热情况与蒸气流速有很大关系:当蒸气流速较低时,凝结
液主要聚集在管子底部,蒸气在管子上半部；当蒸气流速比较高时,形成 环状流动,中间蒸气四周凝结液,随着流动进行,凝结液占据整个截面。
4. 蒸气流速 努塞尔理论分析忽略了流速的影响，只适于流速较低的场合。当蒸
16
第7章 相变对流传热
家用空调的冷凝器中已成功应用了二维和 三维的微肋管。 低肋管凝结传热的表面传热系数比光管提 高2-4倍，锯齿管可以提高一个数量级，微 肋管可以提高2-3倍。 及时排液的技术： 两种加快及时排液的方法： 第一：在凝液下流的过程中分段排泄，有效地控制了液 膜的厚度，管表面的沟槽又可以起到减薄液膜厚度的作 用。主要用于立式冷凝器。 第二：右图中的泄流板可以使布置在该板上不 水平管束上的冷凝液体不会集聚到其下的其它 管束上。主要用于卧式冷凝器。
的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差即可。 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性
努塞尔理论分析忽略了液膜过冷度的影响，并假设液膜中的温度呈
线性分布，利用r`代替公式中的潜热r即可兼顾以上两个因素。
r r 0.68cp tr tw
上式也可以表示为：
r r1 0.68 Ja
其中，Ja是雅各布数，定义为
竖壁凝结传热壁面的平均表面传热系数可以表示为：
h hl
xc l
ht
1
xc l
hl，ht分别是层流和湍流层的平均表面传热系数， xc是流态转折点的高度，l为壁面的总高度
整个壁面的平均表面传热系数可以通过以下实验关联式计算：
Nu Ga1/3 58 Prw1/ 2
Prw/ Prs
Re 1/ 4 Re 3/ 4 253
第7章 相变对流传热
3. 管内凝结 管内凝结传热情况与蒸气流速有很大关系:当蒸气流速较低时,凝结
液主要聚集在管子底部,蒸气在管子上半部；当蒸气流速比较高时,形成 环状流动,中间蒸气四周凝结液,随着流动进行,凝结液占据整个截面。
4. 蒸气流速 努塞尔理论分析忽略了流速的影响，只适于流速较低的场合。当蒸
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第7章 相变对流传热
家用空调的冷凝器中已成功应用了二维和 三维的微肋管。 低肋管凝结传热的表面传热系数比光管提 高2-4倍，锯齿管可以提高一个数量级，微 肋管可以提高2-3倍。 及时排液的技术： 两种加快及时排液的方法： 第一：在凝液下流的过程中分段排泄，有效地控制了液 膜的厚度，管表面的沟槽又可以起到减薄液膜厚度的作 用。主要用于立式冷凝器。 第二：右图中的泄流板可以使布置在该板上不 水平管束上的冷凝液体不会集聚到其下的其它 管束上。主要用于卧式冷凝器。
的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差即可。 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性
努塞尔理论分析忽略了液膜过冷度的影响，并假设液膜中的温度呈
线性分布，利用r`代替公式中的潜热r即可兼顾以上两个因素。
r r 0.68cp tr tw
上式也可以表示为：
r r1 0.68 Ja
其中，Ja是雅各布数，定义为
竖壁凝结传热壁面的平均表面传热系数可以表示为：
h hl
xc l
ht
1
xc l
hl，ht分别是层流和湍流层的平均表面传热系数， xc是流态转折点的高度，l为壁面的总高度
整个壁面的平均表面传热系数可以通过以下实验关联式计算：
Nu Ga1/3 58 Prw1/ 2
Prw/ Prs
Re 1/ 4 Re 3/ 4 253
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，
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-传热学-课件-09讲诉
4 Al P
4
Re c
4um l l
4M
l
（7-3）
式中M=um，是单位时间通过单位宽度的壁底部断
面的凝液量，kg/s·m
凝液M释放的潜热，等于高H，宽1米壁上的换热量
hts tw H 1 M
Then, an important form of Rec
Re c
4hH ts
l
tw
（7-4）
6. 水平圆管外壁的层流膜状凝结(Laminar film
condensation on the outer surface of a horizontal tube)
A single horizontal tube
1
h
0.728
l
2 l
g3l
do ts tw
4
（7-2a）
A bank of tubes
H ts tw
4
1
水平管理论解
h
0.728
l
l2 g3l
do ts tw
4
准则关联式
垂直壁理论解
Co
1.47
Rec
1 3
水平管理论解
Co
1.51Rec
1 3
（7-1b） （7-2a）
（7-1c） （7-2b）
讨论：Rec>30后，理论解低于实验数据。这主要是因 为在液膜表面张力以及蒸汽与液膜间的粘滞应力作用 下，层流液膜发生了波动，它促进了膜内热量的对流 传递。
6. 说明： 凝结液润湿壁面的能力取决于它的表面张力 和它对壁面附着力的关系。
➢ 附着力>表面张力膜状凝结 ➢ 附着力<表面张力珠状凝结
1.2 膜状凝结换热
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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
壁面温度 作 定性温度
定性温度
tm
=
1 2
ts
+
tw
( ) h ⋅l =
λ
Nu
= Ga1/ 3
Re = ulde = ρulde
ν
µ
Re = 4ρulδ = 4qm,l
µ
µ
de
=
4δb b
=
4δ
X=ｌ处单位宽度 液膜的质量流量
( ) 液膜的热平衡 γ ⋅ qm,l = h ts − tw ⋅ l
液膜宽度
Re = 4hl(ts − tw )
µγ
Re < 1800 液膜为层流； Re > 1800 液膜为紊流。
思路：给出了凝结液的流量，则蒸汽冷凝的 放热量可求。该热量等于平均换热系数和表 面积，温差的积，而表面积则与长度有关。
r ⋅ qm,l = h(ts − tw )⋅πdl
补充例题1
解：凝结液膜的平均温度：tm=0.5(67+122)=95 ℃
物性参数为： ρ = 961.85kg / m3 λ = 0.68(W / m.℃)
7-5 沸腾换热的计算公式
大容器饱和核态沸腾换热
(2) 罗森诺关联式 基于泡态沸腾换热主要是汽泡强烈扰动的对流换热的
设想，罗森诺（W. M. Rohsenow ）推荐下面适用
性较广的关联式
饱和液体的 动力粘度， kg/(m⋅s )
汽化潜热， J/kg
重力加速度， m/s2
饱和液体的比定压 热容，J/(kg⋅K )
+ 9200
式中除Prw按壁面温度查取之外，其余物性参数均按饱和温 度ts选取
得：h=6243 W/m2.℃
r ⋅ qm,l = h(ts − tw )⋅πdl
l =1.02 m
补充例题2
v 1个大气压的饱和水蒸气在竖管上凝结，管面保持 60℃,试确定液膜出现紊流时的高度。
思路：层流和湍流以Re数划分。Re=1600为转折点。
加热面的过热度越大，压力越 高，能够长成汽泡的汽泡核越 多，核态沸腾换热就越强烈。
工业上采用的强化核态沸腾换热的主要措施就是用烧结、 钎焊、喷涂、机加工等方法在换热表面上造成一层多孔结 构，以利于形成更多的汽化核心。
强化核态沸腾换热的结构
强化沸腾换热的思路：强化汽化核心的生成
7-5 沸腾换热的计算公式
400 ℃
200
膜态沸腾
A 核态沸腾 B
C
0 6 12 18 24 30 36
时间τ/s
3
汽化核心
汽泡的生成、长大及脱离加热面的运动对核态沸腾换热起决
定作用，汽泡的数量越多，越容易脱离加热面，核态沸腾换 热就越强烈。
气泡是怎 样产生 的？
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 ．
58
Pr
−1
/
2
Prw Prs
Re 1/ 4 Re3/ 4 − 253
+ 9200
伽里略数
( Galileo) Ga = gl 3 ν 2 其余都采用饱和温度作为
定性温度
7-3 膜状凝结换热的影响因素
(1) 不凝结气体
一方面，随着蒸气的凝结，不凝结气体会越来越多地汇集 在换热面附近，阻碍蒸气靠近；另一方面，换热面附近的 蒸汽分压力会逐渐下降，饱和温度ts 降低，凝结换热温差 ts-tw 减小，这两方面的原因使凝结换热大大削弱。 (2) 蒸气流速 (3) 蒸气过热
大容器饱和沸腾曲线
临界热 流密度
qmax
烧毁点
孤立 汽泡区
开始沸腾
qmin
水在１个大气压下的饱和沸腾曲线
课堂练习
v 两滴完全相同的水滴，在大气压下分别滴在温度为120℃和 400℃的铁板上，问哪滴水先被烧干？为什么？
答：120℃的铁板上 的水滴先干。
它们的过热度分别 为20℃和300℃， 分别为核态沸腾和 膜态沸腾，前者传 热系数大，从而表 面换热热流大。
ql = πdh∆t = 457.8W / m
在稳定膜态沸腾时，此热量基本不变。电源供给金屑丝的热量为:
ql' = I 2R = 0.82 × 9.83×100 = 629.12W / m
补充例题3
v 经10秒之后，金属丝温升为tw2，可按热平衡计算：
ql′ − ql ⋅τ = cVρ(tw2 − tw1 )
大容器饱和核态沸腾换热
(1)力范围内的大容器饱和沸腾换热表面传
热系数
沸腾换热表面传热系 数，W/(m2⋅K)
q = h∆t
h = 0.1224∆t 2.33 p0.5
h = 0.5335q 0.7 p0.15
沸腾温 差，K
沸腾绝对压 力，Pa
热流密度， W/m2
6.忽略液膜的过冷度
液膜能量方程的简化
忽略液膜内 的对流传热
u
∂t ∂x
+
v
∂t ∂y
=
a
∂ 2t ∂y 2
µ
d 2u dy 2
+
ρg
=
0
d 2t dy 2
=0
边界条件 y = 0, y =δ,
t = tw t = ts
u=0
du = 0 dy δ
1
求解结果
定性温度
液膜的厚度
δx
=
4µλ(ts
经验指数, 水 ,s=1
q
=
µlγ
g
(ρl −
σ
ρv
)1/
2
c pl ∆t Cwlγ Prls
3
其它液体 S=1.7
蒸气-液体界面的 表面张力，N/m
经验常数 ， 表7-2
Prl
=
c plηl λl
饱和液体的 普朗特数
7-5 沸腾换热的计算公式
大容器沸腾的临界热流密度计算公式
™ 它只影响核态沸腾的起始阶段（强化）
v 液位高度：液位足够高时不影响。液位低于临界液位时能强 化沸腾换热。
v 重力：微重力下的沸腾传热尚处于研究阶段。
4
作业
P169: 习题任选2-3题
补充例题1
v 一根竖放的直径5cm的管子,表面温度为67℃,用 以凝结122 ℃的饱和水蒸气,冷凝液的质量流量为 0.025kg/s，求管子最小长度。
朱泊( N. Zuber )推荐下面的半经验公式用来计算大容器饱和 沸腾临界热流密度
[ ( )] qmax
=
π 24
γρ
1/ v
2
gσ
ρl − ρv
1/ 4
影响沸腾换热的因素
v 不凝性气体
™ 溶解于液体中的不凝性气体使沸腾换热强化。
v 过冷度
™ 过冷沸腾：大容器沸腾中流体温度低于相应压力下的饱和温度时的 沸腾称为~。
液膜动量方程的简化
忽略惯性力项
dp dx
=
ρv g
ρ u
∂u ∂x
+
v
∂u ∂y
=
Fx
−
dp dx
+
µ
∂ 2u ∂y 2
µ
d 2u dy 2
+
(ρ
−
ρv
)g
=
0
µ
d 2u dy 2
ρv << ρ
+ ρg = 0
7-2 膜状凝结换热的理论解
努塞尔( W.Nusselt) 在1916年对层流膜状凝结换热进行了
V = πd 2 ×1 4
可得:△tw=205℃
所以,tw2=205+354=559℃
本章结束(第18次)
6
过冷沸腾－ 液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体 壁面上生成、长大，脱离壁面后又会在液体 中凝结消失
液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱 饱和沸腾 － 离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体