第七章----沸腾换热.
第七章----沸腾换热
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
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）：
《传热学》第7章-凝结与沸腾换热
V = πd 2 ×1 4
可得:△tw=205℃
所以,tw2=205+354=559℃
本章结束(第18次)
6
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
课堂练习
v 当把一杯水倒在一块 赤热的铁板上时，板 面立即会产生许多跳 动着的小水滴，而且 可以维持相当一段时 间而不被汽化掉。请 解释之，并从沸腾换 热曲线上找出开始形 成这一状态的点。
课堂练习
初温800℃的合金钢 元在98℃水中淬火的 冷却曲线如图，请分 析各过程。
1000
钢 元 800 温 600 度
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 ．
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 ℃
凝结与沸腾换热
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。
第7章凝结与沸腾换热
1/ 4
)
第7章凝结与沸腾换热
（三重、庆影大学响2膜0状06凝年结考研的题因）素蒸及汽增中强含换有不热凝的性措气施体将对
膜状凝结传热会产生什么影响？分析产生影响的原因。
工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂， 受各种因素的影响。
1. 五个影响因素 （(1西)安蒸交气通流大速学2005年考研题）一台氟利昂冷凝器试 验台，流在速充较灌高氟时利，蒸昂气前流没对有液抽膜真表面空产，生试粘问滞这应对力；冷如凝果器蒸运 行气的流传动热与性液膜能向有下什的么流影动响同向？时为，什使么液？膜拉薄，h↑；反之
14
(2) 局部表面传热系数—微元段内凝结换热量等于膜层的导热量
hx(tstw
)dxtstw
dx
hx
将液膜厚度δ带入上式，得：
hx
( ts
tw
)/
t
4
gl2 x( ts
l3
tw
1/ 4
)
( t
ts
tw
C)
(3) 整个竖壁的平均表面传热系数
h 1
l
l 0
hx dx
0.943
gl2l3 l( ts tw
1/ 4
)
(7 1)
定性温度：
tm
ts
tw 2 注意：r 第7章凝结与沸腾换热
按 ts 确定
15
(4) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得 到强化，因此，实验值比上述的理论值高20％左右
修正后：
hV
1.13
gr l2 l3 l( ts tw
)
19
第7章凝结与沸腾换热
4. 紊流膜状凝结
液膜从层流转变为紊流的临界雷诺数可定为1800。横管因 直径较小，实践上均在层流范围。
7.2 沸腾换热
计算中采用单组分加修正的方法
第七章 7.2节（19）
17
7.2.4 强迫对流沸腾
• 工程应用
• 外力驱动下流体在宏观定向运动过程中的 沸腾现象
• 若宏观运动由密度差引起，则为自然对流 沸腾
• 通常采用的计算模型是把管内单相对流传 热量与池沸腾换热量相叠加，或者再引入 适当的经验修正系数
第七章 7.2节（19）
6
• 大多数沸腾加热设 备以改变加热面的热 流密度 qw，而不是改 变沸腾温差 t 来调节 工况的。
• 一旦热流密度稍超 过qmax ，设备的实际 运行工况将瞬间跳到 E 点附近。加热壁面 的温度将迅速达到 1000 ℃以上。
以控制热流密度方式 运行的沸腾换热设备 决不能让实际热流密 度超过DNB点。
已经证实，重力加速度在非常大的变化范 围内对核态沸腾换热没有明显的影响。
第七章 7.2节（19）
16
多组分液体混合物沸腾
• 在化工、制药和制冷空调领域 • 传热和传质过程紧密地联系在一起，传热过程
和汽泡的生长受到一种成分在另一种成分中的 浓度扩散速率的影响和制约。一般特点是：
➢ 起始沸腾的壁面过热度增大，核态沸腾的起始点推迟， 导致表面传热系数降低
第七章 7.2节（19）
5
过渡沸腾： CD段，点D对应的温差约为120 ℃。 点C以后，热流密度下降。原因是：加热面上 汽泡过多并形成汽膜，阻碍了热表面向液体的
热量传递。
膜态沸腾：加热面上形成完全覆盖的稳定汽膜。 由于热表面温度已经相当高，辐射的作用凸显 出来，使热流密度重新转为上升。
特别值得注意的是：
7.2 沸腾换热
沸腾：液体温度超过相应压力下的饱 和温度。
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
64-传热学-7-1
第七章凝结与沸腾换热Condensation and Boling Heat Transfer凝结换热与沸腾换热都属于相变换热主要是发生在固体与流体界面上的过程凝结换热：蒸气被冷却凝结成液体的换热过程沸腾换热：液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程电站锅炉压水堆核电站示意图冷凝器中放热；蒸发器中吸热压缩制冷装置压缩制冷空调工作原理§7-1 凝结换热凝结换热：蒸气被冷却凝结成液体的换热过程一、概述膜状凝结珠状凝结均相凝结（容积内凝结、雾的生成）直接接触式凝结凝结换热分类（Condensation Heat Transfer ）本课程主要学习蒸气同低于其饱和温度的冷壁面接触时发生的凝结换热膜状凝结、珠状凝结两种形式：膜状凝结：凝液能较好润湿壁面，在壁面上形成液膜；凝结时蒸气放出的潜热通过液膜传至壁面条件：表面张力<附着力，润湿表面工业中98%~99%冷凝器是膜状凝结Film condensation珠状凝结：凝液不能润湿壁面，而在壁面上形成小液珠珠状凝结时、液珠下落时清扫壁面，部分壁面直接与蒸汽接触，热阻较小条件：表面张力>附着力，不润湿表面特点：换热强；寿命短、成本高、不稳定珠状凝结比膜状凝结的表面传热系数大10~15倍实验测量：1个大气压下，水蒸气凝结，表面传热系数珠状凝结：4×104~105；膜状凝结：6×103~104 W/(m 2K)Dropwise condensation膜状凝结：凝液能较好润湿壁面，在壁面上形成液膜；凝结时蒸气放出的潜热通过液膜传至壁面珠状凝结：凝液不能润湿壁面，而在壁面上形成小液珠局部表面传热系数的大小与液膜流态和厚度直接相关二、膜状凝结换热层流状态：上部、流速低、换热依靠膜层导热、膜层愈厚、局部表面传热系数愈小湍流状态：膜层增厚、流速增大、对流换热主要通过膜层内的热对流、膜层愈厚、局部表面传热系数愈大（Film condensation ）假设：1) 液膜内流动为层流；液体物性为常数2) 液膜表面温度等于饱和温度，蒸气度梯度，仅发生凝结换热，无对流换热与辐射换热3) 蒸气静止，蒸气对液膜表面无粘滞应力作用4) 液膜很薄且流速缓慢，可忽略液膜的惯性力5) 凝结热以导热方式通过液膜，忽略液膜内热对流作用层流边界层动量微分方程：22u x p g y u v x u u ∂+∂∂−=⎟⎟⎞⎜⎜⎛∂∂+∂∂ηρ积分：液膜的动量微分方程简化为：dy d ηc∴忽略对流作用、并忽略沿x 方向的导热（边界层）对上述Nusselt 理论解的修正：1) Nusselt 理论解与实验数据比较发现：30Re ≤c 时，二者符合得很好时，理论解逐渐低于实验数据1800Re 30<<c 原因：时，实验观察发现：凝结液膜表面光滑、无波纹，故理论解与实验数据相符；30Re ≤c对上述Nusselt 理论解的修正：1) Nusselt 理论解与实验数据比较发现：30Re ≤c 时，二者符合得很好时，理论解逐渐低于实验数据1800Re 30<<c 原因：时，实验观察发现：凝结液膜表面光滑、无波纹，故理论解与实验数据相符；30Re ≤c 凝结液膜的三种流态：层流、有波纹的层流、湍流时，由于液膜表面张力以及蒸气与液膜间的粘滞应力的作用，层流液膜表面发生波动，它促进了膜内热量的对流传递—膜内的对流换热不可忽略1800Re 30<<c Laminar, wavy laminar, and turbulent时，层流液膜表面发生的波动促进了膜内热量的对流传递，使理论解逐渐低于实验数据41⎤时，要把理论解得到的表面传热系数提高20%。
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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