第七章凝结及沸腾换热_传热学

二.大空间饱和沸腾
1. 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，如图所示。
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(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)
的影响均可忽略。
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2. 层流膜状凝结换热准则关联式 (1) 凝结液膜雷诺数Rec
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时Rec，
Re c
deum
式中：
um 壁的底部液膜断面平均流速；
de 液膜层的当量直径。
无波动层流
Re 20
有波动层流
Rec 1600
湍流
11
如图 de 4 Ac / P 4b / b 4
26
为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：105～4106 Pa
h 0.122 t 2.33 p0.5 按 q ht h 0.533 q0.7 p0.15
（2）罗森瑙公式——广泛适用的强制对流换热公式
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（2）罗森瑙公式——广泛适用的强制对流换热公式
hx
gr l2l3 4l ( ts tw
1/ 4
)x
整个竖壁的平均表面传热系数
hV
1 l
l 0
hx dx
0.943
lgl(rts l2tl3w
1/ 4
)
定性温度：
tm
ts
tw 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
Ga
gl3
2
竖壁: 水平管:
Co
1.76
Re
1/ c
3
Co
1.08
Re c
Re
1.22 c
5.2
Co
1.51 Re
1/ 3 c
13
三. 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1800。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
壁面上形成许多小液珠
2
(3) 两种凝结形式的比较
膜状凝结:由于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， 液膜厚度及运动状态直接影响了热量传递。
珠状凝结:由于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）
32
33
思考题
1.膜状凝结和珠状凝结的概念。
2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导 . 方法。 在这个推导方法中 最基本的假设是什么?
3.对于单根管子, 有那些因素影响层流膜状凝结换热? 它 们起什么作用?
4.对于实际凝结换热器, 有那些方法可以提高膜状凝结 换热系数?
5.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域? 有那些特性点? 各个区域在换热原理上有何特点? 6.气化核心的概念， 沸腾气泡产生的物理条件。
竖壁湍流液膜段的平均表面传热系数:
Co
8750
58
Re c
Pr
0.5
(Re
0.75 c
253 )
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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：
h hl
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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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
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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。
Re c
4ห้องสมุดไป่ตู้m
4M
由热平衡 h( ts tw )l rqml
h(ts tw )l rM
所以
Re c
4hl(ts tw )
r
对水平管，用 r代替上式中的 即l可。
并且横管一般都处于层流状态
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(2) 凝结准则Co
Co
3 2 g h( 2
)1/ 3
Nu
• Ga 1/3
(3) 准则关联式
b.沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却 的一种传热方式
2.分类：
沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大空间沸腾(池内沸腾) 和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
a面.大的液空•体间中沸所腾发(池生内的沸沸腾腾；)：加热壁面沉浸在具有自由表
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加热表面
b.强制对流沸腾：强制对流＋沸腾
第七章 凝结与沸腾换热
§7-1 凝结换热 §7-2 沸腾换热
1
一.概述
§7-1 凝结换热
1.凝结 工质在饱和温度下由气态转化为液态的过程称为凝结.
2.凝结形式
tw ts
(1) 膜状凝结:
当凝结液能很好地润湿壁面时,凝结液将 tw ts 形成连续的膜向下流动 g
(2) 珠状凝结
当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在
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。
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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
u
t x
v
t y
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
l g
l
2u y 2
4.重力加速度
随着航空航天技术的发展，超重 力和微重力条件下的传热规律得 到蓬勃发展，但目前还远没到成 熟的地步，就现有的成果表明： 图中介质为一个大气压下的水
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从0.1 -1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热规律 没有影响，但对自然对流换热有影响，由于
Gr
gtl 3 2
Nu C(Re Pr)n
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四. 影响膜状凝结的因素
1. 不凝结气体
不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度
下降，减小了凝结的驱动力 t。
2. 蒸气流速 流速较高时，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，
增h大；反之使 减h小。
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
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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。
前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。
6. 管内冷凝
此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低时，凝结 液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。流速较高时， 形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气 核。
既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr ) 也应该适用。罗森瑙正是在这种思路下，通过大量实验 得出了如下实验关联式：
St 1 Cwl Re0.33 Prls
式中，St
Nu Re Pr
r C pl
t
r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容
Re q
lr g(l v )
g — 重力加速度 μl —饱和液体的动力粘度
Prl
C Cwl — 取决于加热表面－液体组 pl 合l情况的经验常数
l
q — 沸腾传热的热流密度
s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7
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上式可以改写为：
q
l
r
g
(l
v
)
1
2
C pl
Cwl
r
t Prls
3
可见， q ~ ，t3因此，尽管有时上述计算公式得到的q与
)
式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 为水 平管或球的直径。定性温度与前面的公式相同
横管与竖管的对流换热系数之比：
hHg hVg
0.77
l d
1
4
9
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 Pr 并1且，
Ja
r
1 时，惯性力项和液膜过冷度
c p (ts tw )
因此，g Nu 换热加强。
5.沸腾表面的结构
沸腾表面上的微笑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。
R
Rmin
2 Ts rv (tw
ts
)
式中： — 表面张力，N/m；r — 汽化潜热，J/kg v — 蒸汽密度，kg/m3；tw — 壁面温度，C ts — 对应压力下的饱和温度， C
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
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.
3
二.膜状凝结换热
1. 层流膜状凝结换热理论解 (1)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
Liquid Bubble Slug flow flow flow
Annular flow
Mist flow
Heated Surface
c.过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过
冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾
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d 饱和沸腾：
液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发 生的沸腾，称之为饱和沸腾
4
(2)理论解的推导
tw ts
g
m(x)
微元控 制体
t(y)
Thermal boundary layers
x
u(y)
Velocity boundary layers
下脚标 l 表示液相
边界层微分方程组：
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
实验值的偏差高达100％，但已知q计算 时t ，则可
以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为明显。
计算时必须谨慎处理热流密度。
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四. 影响沸腾换热的因素
沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最 多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也 只针对大容器沸腾换热。 1 不凝结气体
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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。
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§7-2 沸腾换热 一. 概述
1.定义：
a.沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一 种剧烈的汽化过程
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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。
0
al
2t y 2
0
6
边界条件：
y 0 时， u 0, t tw
y 时， du 0,
dy
t ts
求解上面方程可得：
(1) 液膜厚度
4l
l (
g
ts
l2 r
tw
)x 1/ 4
定性温度：
tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
7
(2) 局部对流换热系数
( t ts tw C )
竖壁:
hV
1.13 lgl(rts l2tl3w
1/ 4
)
8
倾斜壁: 用 gsin 代替以上各式中的 g 即可
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
0.729
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4
)
hS
0.826
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4