第6章-凝结与沸腾换热讲课教案
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第六章(第一次课) 膜状冷凝
由于在珠状凝结中蒸汽直接与固壁表面相接
触，因此其冷凝换热系数远比膜状凝结要大。 但是，珠状凝结难以可靠地促成。特殊的表 面涂层固然可以形成液珠，但这种表面处理 随时间推移而逐渐失效。因而，在一般设计 中都是假设发生膜状沸腾而不是珠状沸腾。 此外还有直接接触冷凝等。
膜状凝结分析及计算
竖直壁面的膜状凝结计
第一课 膜状冷凝
上海交通大学 核工系
一、凝结的类型与凝结换热
凝结有两种类型：
一种是膜状凝结（Filmwise Condensation）， 见图6－1(a)。凝结液在冷固壁表面形成一个连 续的膜。凝结释放的潜热通过液膜的导热，从 发生凝结的相界面传向固壁面； 另一种是珠状凝结（Dropwise Condensation）， 见图6－1(b)。此时，凝结液形成液珠，并不完 全润湿固壁表面，液珠并不形成连续的液膜， 而是当液珠达到一定的临界尺寸时，由表面滑 落下来。固壁表面并不润湿，从而形成下一个 液珠，就象核态沸腾中由一个核化点产生汽泡 一样。
l l g g l3 h 0.73 l Tsat d
1 4
该方程与竖直平板上膜状凝结的换热系数形
式上是一样的，但是系数要小一些，这是因 为管上液膜要比竖直平板上厚。但是，典型 的水平管外换热系数要大于竖直平板（注意： 尽管系数小一些，但分母上一个是d，一个是 L）。比如，对d=0.02m的圆管管外， h=9700W/m2K（几乎是1m长竖直平板上的2 倍）。因此，一般冷凝器采用水平而不是竖 直圆管布置。
2）蒸汽过热度
当凝结蒸汽具有过热度时，一般温差（Ts Tw） Tb 应由（Tb Tw ）取代（其中 ，为蒸汽过热 度）；汽化潜热 hLG 也应用过热蒸汽与凝结
传热学第六章凝结与沸腾换热
实验查明，几乎所有的常用蒸气，在洁净 的材料表面上都形成膜状凝结。
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，在非水平的壁面上，因 受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠， 合并成更大的液滴，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，在非水平的壁面上，因 受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠， 合并成更大的液滴，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
第六章 凝结与沸腾换热
grρl2λ3l
µll(ts − tw
1/
)
4
推广应用到水平圆管外的膜状凝结，平均表面传
热系数为 hH
=
0.729
µl
grρl2λ3l
d (ts − t
w
1/
)
4
hH = 0.77 l 1/4
hV
d
注意：竖壁的计算公式同样适用于竖圆管，比较
圆管竖放和水平放置的效果，为什么？
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
1、分析解的简化假定
（1）常物性； （2）蒸汽是静止的，对液膜表面无粘性力作用；
（3）液膜流速缓慢，忽略液膜的惯性力； （4）汽液界面上无温差；
（5）液膜内部的热量传递只靠导热；
（6）忽略液膜的过冷度；
（7）ρv << ρl ；
（8）液膜表面无波动。
有影响。
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
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刘彦丰
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二、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。
第六章 凝结与沸腾换热
饱和沸腾： (1) 池内液体主体温度达到 ts
(2) 壁温 tw ts
t tw ts 0 过热度、温压
1、大容器饱和沸腾过程及换热规律曲线
图6-11 常压下饱和沸腾的典型曲线
饱和沸腾过程： 1） t 4℃ ， t q
t tw ts
沸腾未发生，单相自然对流换热
2） t 4 10℃ ， t q
图6-12(a)
气泡产生但不互扰，孤立气泡区
图6-12(b)
t 10 40℃ ， t q qmax
气泡互扰成汽块汽柱
核态沸腾
图6-12(c)
3）
t
40 200℃ ， t q qmin 过渡沸腾
气泡汇聚覆盖加热面，加热面上蒸气不易排出
l 0
hxdx
4 3
hxl
0.943
lglr(ts l2tl3w
)
1
4
横管：
hH
0.729
lgdr(tsl2lt3w
)
1
4
（6-1） （6-2）
（6-3） （6-4）
圆球： 定性温度
hs
0.826
l
gr l2l3
d (ts tw
)
1
4
tm
ts
tw 2
（ ts r ）
比较： 设
hH hV
（6-13）
5）管子排数 n根横管： 式(6-4)的特征长度
d nd
6）管内凝结
7）凝结表面的几何形状
强化凝结换热表面 （表面形状）
锯齿管 低肋管 沟槽管 微肋管
习题：6-6 6-13
热负荷 nhAt
凝结液量
qm
r
（13）
6-4 沸腾换热现象
(2) 壁温 tw ts
t tw ts 0 过热度、温压
1、大容器饱和沸腾过程及换热规律曲线
图6-11 常压下饱和沸腾的典型曲线
饱和沸腾过程： 1） t 4℃ ， t q
t tw ts
沸腾未发生，单相自然对流换热
2） t 4 10℃ ， t q
图6-12(a)
气泡产生但不互扰，孤立气泡区
图6-12(b)
t 10 40℃ ， t q qmax
气泡互扰成汽块汽柱
核态沸腾
图6-12(c)
3）
t
40 200℃ ， t q qmin 过渡沸腾
气泡汇聚覆盖加热面，加热面上蒸气不易排出
l 0
hxdx
4 3
hxl
0.943
lglr(ts l2tl3w
)
1
4
横管：
hH
0.729
lgdr(tsl2lt3w
)
1
4
（6-1） （6-2）
（6-3） （6-4）
圆球： 定性温度
hs
0.826
l
gr l2l3
d (ts tw
)
1
4
tm
ts
tw 2
（ ts r ）
比较： 设
hH hV
（6-13）
5）管子排数 n根横管： 式(6-4)的特征长度
d nd
6）管内凝结
7）凝结表面的几何形状
强化凝结换热表面 （表面形状）
锯齿管 低肋管 沟槽管 微肋管
习题：6-6 6-13
热负荷 nhAt
凝结液量
qm
r
（13）
6-4 沸腾换热现象
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
凝结与沸腾换热
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、再沸器、水冷壁
等。
3
7.1 凝结传热的模式
7.1.1 珠状凝结与膜状凝结
凝结换热: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。 分类：根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种。
珠状凝结与膜状凝结
4
(1)膜状凝结
9
4. 蒸气流速 流速较高时（对于水蒸汽流速大于10m/s），蒸气流对液膜
表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同 向时，使液膜拉薄，h增大；反之使h减小。
5. 过热蒸气 把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差。
6. 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，
定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的 沸腾称为大容器沸腾。 特点：气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。
（2）管内沸腾 流体的运动需加外加的压差才能维持。
（3）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温 度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 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。
32
qmax qmin
横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。33
从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的换热过程。
1 ）单相自然对流段（液面汽 化段）
t4
壁面过热度小，沸腾尚未 开始，换热服从单相自然对流 规律。
34
2 ）核态沸腾（饱和沸腾）
所以 Re 4 hl( ts tw )
r
对水平管，用 代r 替上式中的 。 l
等。
3
7.1 凝结传热的模式
7.1.1 珠状凝结与膜状凝结
凝结换热: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。 分类：根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种。
珠状凝结与膜状凝结
4
(1)膜状凝结
9
4. 蒸气流速 流速较高时（对于水蒸汽流速大于10m/s），蒸气流对液膜
表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同 向时，使液膜拉薄，h增大；反之使h减小。
5. 过热蒸气 把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差。
6. 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，
定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的 沸腾称为大容器沸腾。 特点：气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。
（2）管内沸腾 流体的运动需加外加的压差才能维持。
（3）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温 度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 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。
32
qmax qmin
横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。33
从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的换热过程。
1 ）单相自然对流段（液面汽 化段）
t4
壁面过热度小，沸腾尚未 开始，换热服从单相自然对流 规律。
34
2 ）核态沸腾（饱和沸腾）
所以 Re 4 hl( ts tw )
r
对水平管，用 代r 替上式中的 。 l
传热学教案6凝结与沸腾换热
第六章 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 大容器饱和核态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：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。
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。
工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。
6-1 凝结换热现象一、基本概念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。
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：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，称膜状凝结。
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一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。
产生珠状凝结时，所形成的液珠不断发展长大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚下。
在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也扫治了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。
图6－3是珠状凝结的照片，从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。
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，但珠状凝结的形成比较困难且不持久。
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。
3.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w s t t 。
实验查明，几乎所有的常用蒸气，包括水蒸气在内，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。
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
第6章 热交换过程及换热器
制冷与低温技术原理
( 六)
多媒体教学课件 李文科 制作
第六章 热交换过程及换热器
第一节 制冷机中热交换设备的传热
过程及传热计算方法
第二节 蒸 发 器 第三节 冷 凝 器
第四节 蒸发器供液量的自动调节
第五节 制冷系统的传热强化与削弱
第一节 制冷机中热交换设备的 传热过程及传热计算方法
内 容 提 要
ห้องสมุดไป่ตู้
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
图6－1 圆管壁的传热过程
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数ko为 1 ko (6－8) do 1 do do 1 ln d i hi 2 d i ho 工程计算中，当圆管的内、外径之比 do/di≤2时，式(6 －8) 1 可简化为 ko do 1 do 1 (6－9) d i hi d m ho 1 ko 或 d o 1 Ao 1 (6－10) d i hi Am ho 式中：δ—圆管壁厚，m；λ—圆管热导率，W/(m· K)； dm—圆管内、外直径的算术平均值，m； Am—圆管内、外表面面积的算术平均值，m2。
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
平均温差Δtm与介质的流动形式有关。如图6－3所示，冷、
热流体的流动形式主要有 4 种：两者平行且同向流动时称 为顺流；两者平行而反向流动时称为逆流；彼此垂直的流 动称为交叉流；图6－3d所示的情形称为混合流，对应于蛇 形管换热器中的流动情形。 在顺流和逆流情况下，冷、热流体的温度变化如图6－ 4所示。可以证明，当冷、热流体的热容量 (质量流量与比 热容的乘积)在整个换热面上均为常量、传热系数k在整个 换热面上不变、换热器无散热损失、沿换热面轴向的导热 量可以忽略不计，以及换热器中任何一种流体都不能既有 相变又有单相对流换热时，换热器内的平均传热温差取两 端温差的对数平均值温差，计算式如下：
( 六)
多媒体教学课件 李文科 制作
第六章 热交换过程及换热器
第一节 制冷机中热交换设备的传热
过程及传热计算方法
第二节 蒸 发 器 第三节 冷 凝 器
第四节 蒸发器供液量的自动调节
第五节 制冷系统的传热强化与削弱
第一节 制冷机中热交换设备的 传热过程及传热计算方法
内 容 提 要
ห้องสมุดไป่ตู้
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
图6－1 圆管壁的传热过程
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
以圆管外壁面面积为基准计算，传热系数ko为 1 ko (6－8) do 1 do do 1 ln d i hi 2 d i ho 工程计算中，当圆管的内、外径之比 do/di≤2时，式(6 －8) 1 可简化为 ko do 1 do 1 (6－9) d i hi d m ho 1 ko 或 d o 1 Ao 1 (6－10) d i hi Am ho 式中：δ—圆管壁厚，m；λ—圆管热导率，W/(m· K)； dm—圆管内、外直径的算术平均值，m； Am—圆管内、外表面面积的算术平均值，m2。
第一节 热交换设备的传热过程及传热计算
平均温差Δtm与介质的流动形式有关。如图6－3所示，冷、
热流体的流动形式主要有 4 种：两者平行且同向流动时称 为顺流；两者平行而反向流动时称为逆流；彼此垂直的流 动称为交叉流；图6－3d所示的情形称为混合流，对应于蛇 形管换热器中的流动情形。 在顺流和逆流情况下，冷、热流体的温度变化如图6－ 4所示。可以证明，当冷、热流体的热容量 (质量流量与比 热容的乘积)在整个换热面上均为常量、传热系数k在整个 换热面上不变、换热器无散热损失、沿换热面轴向的导热 量可以忽略不计，以及换热器中任何一种流体都不能既有 相变又有单相对流换热时，换热器内的平均传热温差取两 端温差的对数平均值温差，计算式如下：
第六章凝结和沸腾换热2
h C1t 2.33 p 0.5
C1 0.122W (m N 0.5 K 3.33 )
按
上式可转换为
q ht
h C2 q 0.7 p 0.15 C2 0.533W 0.3 (m0.3 N 0.15 K )
上式中：
h 沸腾换热表面传热系数 ，W / m K
a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的
液体中所发生的沸腾；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ加热表面
b 强制对流沸腾：强制对流＋沸腾
Liquid flow Bubble flow Slug flow Annular flow Mist flow
Heated Surface
6-2-2 气泡动力学简介 不管哪种沸腾传热，在液体内部均产生气泡。因此了解沸腾 传热必先了解气泡在沸腾过程中的行为，即气泡动力学。 1.气泡的成长过程 实验表明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热 面，这些产生气泡的点称为汽化核心，一般认为，壁面的凹穴 和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心。
a.自然对流
当沸腾温差 比较小时（一般<5℃）（图中AB段），加热面 上只有少量汽泡产生，并且不脱离壁面，看不到明显的沸腾 现象，热量传递主要靠液体的自然对流传递，因此可近似地 按自然对流换热计算。
b.核态沸腾 如果沸腾温差 继续增加，加热面上产生的汽泡将迅速增多， 并逐渐长大，直到在浮升力的作用下脱离加热面，进入液体 。这时的液体已达到饱和，并具有一定的过热度，因此汽泡 在穿过液体时会继续被加热并长大，直至冲出液体表面而进 入气相空间。由于加热面处液体的大量汽化以及液体被汽泡 剧烈地扰动，换热非常强烈，热流密度q 随⊿ t 迅速增加， 直至出现峰值qmax （图中C点）。从B到C这一阶段的沸腾状态 被称为核态沸腾（或泡态沸腾）。 其汽泡的生成、长大及运 动对换热起决定作用。核态沸腾的温差小（5℃<t<50℃）、 换热强，在工业上被广泛应用。
小学教育ppt课件教案液体物质的沸腾和凝固变化
准备工作
THANKS
感谢您的观看。
每个小组分享自己在实验过程中的观察、发现以及遇到的问题。
小组内分享
不同小组之间进行交流，分享各自的心得和发现，互相学习和借鉴。
跨组交流
教师总结本节课所学的知识点，包括沸腾和凝固的定义、条件、过程等。
知识点回顾
教师对学生的表现进行点评，肯定学生在实验过程中的积极表现和探究精神，同时指出需要改进的地方。
实验报告格式
要求学生在下节课前提交实验报告，以便老师及时批改和反馈。
提交时间
要求学生预习下一节课的内容，了解即将学习的知识点和实验项目。
预习内容
建议学生提前阅读教材和相关资料，对即将学习的内容有一个初步的了解和思考。
预习方法
要求学生提前准备好实验所需的器材和物品，确保实验的顺利进行。同时，对于不理解的问题或难点，可以提前记录下来，以便在课堂上向老师请教。
记录温度变化
根据记录的温度数据，绘制液态物质凝固过程中的温度变化曲线。
绘制温度变化曲线
液态物质在特定条件下开始凝固成固态的温度点。
凝固点定义
影响因素分析
实例分析
探讨影响物质凝固点的因素，如压力、杂质等，并解释其影响机制。
通过具体实例，如水的凝固点受压力和盐度的影响，加深对影响因素的理解。
03
02
01
分组准备
将学生按照实验小组进行划分，确保每组学生数量适中，准备好实验所需的器材和试剂。
实验步骤指导
详细讲解实验步骤，引导学生逐步完成实验操作，观察并记录实验现象。
1
2
3
提供观察记录表格模板，指导学生如何填写表格，包括实验现象、时间、温度等关键信息的记录。
表格设计
要求学生认真观察实验现象，准确填写观察记录表格中的数据，培养细致、严谨的科学态度。
THANKS
感谢您的观看。
每个小组分享自己在实验过程中的观察、发现以及遇到的问题。
小组内分享
不同小组之间进行交流，分享各自的心得和发现，互相学习和借鉴。
跨组交流
教师总结本节课所学的知识点，包括沸腾和凝固的定义、条件、过程等。
知识点回顾
教师对学生的表现进行点评，肯定学生在实验过程中的积极表现和探究精神，同时指出需要改进的地方。
实验报告格式
要求学生在下节课前提交实验报告，以便老师及时批改和反馈。
提交时间
要求学生预习下一节课的内容，了解即将学习的知识点和实验项目。
预习内容
建议学生提前阅读教材和相关资料，对即将学习的内容有一个初步的了解和思考。
预习方法
要求学生提前准备好实验所需的器材和物品，确保实验的顺利进行。同时，对于不理解的问题或难点，可以提前记录下来，以便在课堂上向老师请教。
记录温度变化
根据记录的温度数据，绘制液态物质凝固过程中的温度变化曲线。
绘制温度变化曲线
液态物质在特定条件下开始凝固成固态的温度点。
凝固点定义
影响因素分析
实例分析
探讨影响物质凝固点的因素，如压力、杂质等，并解释其影响机制。
通过具体实例，如水的凝固点受压力和盐度的影响，加深对影响因素的理解。
03
02
01
分组准备
将学生按照实验小组进行划分，确保每组学生数量适中，准备好实验所需的器材和试剂。
实验步骤指导
详细讲解实验步骤，引导学生逐步完成实验操作，观察并记录实验现象。
1
2
3
提供观察记录表格模板，指导学生如何填写表格，包括实验现象、时间、温度等关键信息的记录。
表格设计
要求学生认真观察实验现象，准确填写观察记录表格中的数据，培养细致、严谨的科学态度。
6.4 沸腾给热与冷凝给热
6.4 沸腾给热与冷凝给热液体沸腾和蒸汽冷凝必须伴有流体的流动，故沸腾给热和冷凝给热同样属于对流传热。
但与前面所讲的对流不同，这两种给热过程伴有相变化。
相变化的存在，使给热过程有其特有的规律。
6.4.1 沸腾给热按设备的尺寸和形状可分为：大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而引起的无强制对流的沸腾现象。
管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾（强制对流）；此时液体流速对沸腾过程有影响，而且加热面上气泡不能自由上浮，被迫随流体一起流动，出现了复杂的气液两相的流动结构。
工业上有再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等都是通过沸腾传热来产生蒸汽。
管内沸腾的传热机理比大容器沸腾更为复杂。
本节仅讨论大容器的沸腾传热过程。
（1）大容积饱和沸腾根据管内液流的主体温度是否达到相应压力下的饱和温度，沸腾给热还有过冷沸腾与饱和沸腾之分。
若液流主体温度低于饱和温度，而加热表面上有气泡产生，称为过冷沸腾。
此时，加热面上产生的气泡或在脱离之前、或脱离之后在液流主体中重新凝结，热量的传递就是通过这种汽化——冷凝过程实现的。
当液流主体温度达到饱和温度，则离开加热面的气泡不再重新凝结。
这种沸腾称为饱和沸腾。
（2）气泡的生成和过热度由于表面张力的作用，要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。
而气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温度，故液体必须过热，即液体的温度必须高于气泡内压力所对应的饱和温度。
在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。
液体的过热是新相——小气泡生成的必要条件。
（3）粗糙表面的气化核心开始形成气泡时，气泡内的压力必须无穷大。
这种情况显然是不存在的，因此纯净的液体在绝对光滑的加热面上不可能产生气泡。
气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，这种点称为气化核心。
无气化核心则气泡不会产生。
过热度增大，气化核心数增多。
气化核心是一个复杂的问题，它与表面粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均匀性质等多种因素有关。
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m( x)
微元控制体
边界层微分方程组：
t(y)
x
Thermal boundary layers
u(y)
Velocity boundary layers
下脚标 l 表示液相
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
对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16)
u
t x
v
t y
0
lg l
只有u
和
t
两个未知量，于是，
上面得方程组化简为：
a
l
2t y 2
2u y 2
0
0
2020/6/28 - 5 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
边界条件： y0时，u0, t tw
y时，du 0,
dy ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t ts
求解上面方程可得：
(1) 液膜厚度 定性温度：
水
平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同
2020/6/28 - 8 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH g hV g
0.77
l d
1 4
3 边界层内的流态
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 ulde
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。
N uG a1/358P rs1/2 P P r rw s 1/4R (R ee3/4253)9200
式中：Nuhl/;Gagl3 /2 。除 P r w 用壁温 t w
计算外，其余物理量的定性温度均为 t s 。
(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：
hV
1.13lgl(rtsl2tl3w
1/4 )
2020/6/28 - 7 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可
另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的
研究，如当 Pr1并且，
Ja
r
1 时，惯性力项和液膜过冷度的影响
cp(ts tw)
均可忽略。
(4) 水平圆管 努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结
hH 0.729ldgr(tsl2lt3w)1/4
hS 0.826ldgr(tsl2lt3w)1/4
式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 为
2020/6/28 - 4 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l(uux vuy)0
考虑（7）忽 略蒸汽密度
dp dx
0
u
x
v y
0
l
(u
u x
v
u y
)
dp dx
l
g
l
2u y 2
t t 2t
u
x
v
y
al
y 2
考虑（5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热
无波动层流
Re20
有波动层流
Rec 1600
湍流
2020/6/28 - 9 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
如图 d e 4 A c/P 4 b/b 4
Re4ul 4qml
由热平衡
所以 h(tstw)lrqml
Re 4hl(ts tw )
r
对水平管，用 r 代替上式中的 l
4llg(tsl2rtw
1/
)x
4
tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
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第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
(2) 局部对流换热系数
(ttstwC)
hx
4lg(rts l2tlw 3
1/ 4
)x
整个竖壁的平均表面传热系数
定性温h度V：1 ltm0 lh xd tx s 2t0 w.943 注 意：lg lr(r按tslt2 s 确tl3 w 定) 1/4
对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为：
hhl
xc l
ht
1
xc l
式中： hl 为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度
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第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
利用上面思想，整理的实验关联式：
即可。 并且横管一般都处于层流状态
2020/6/28 - 10 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
4 湍流膜状凝结换热
液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横管因直径较小， 实践上均在层流范围。
对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层 流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强
g
tw ts
2020/6/28 - 2 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保 持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，因此， 教材中只简单介绍了膜状凝结 2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析 1916年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论 和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或发展都是针对 Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计算方法。 所以，我们首先得了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。
第6章-凝结与沸腾换热
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
凝结换热中的重要参数 • 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts - tw） • 汽化潜热 r • 特征尺度 • 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 数、比热容等
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第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
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
2020/6/28 - 3 -
第6章 凝结与沸腾换热——§6-1 凝结换热
tw ts g
1 凝结过程
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。
g
tw ts
珠状凝结
当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形
成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接
触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，
甚至一个数量级）