7第七章相变对流传热
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6.汽化核心
结合汽化核心概念理解沸腾换热机理，结合大容器饱和沸腾曲线了 解气泡的生成、长大、脱离、破裂等规律
7.沸腾换热影响因素和强化
沸腾换热影响因素就是气泡生长运动的影响因素。强化沸腾换热的 主要出发点是增加壁面汽化核心数，基本手段是沸腾表面的特殊加工。
2020/5/29
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第七章 相变对 流传热
y时，du 0,
dy
t ts
简化后的速度和温度分布
u l g (y 1 y 2 )
l
2
t
tw
(ts
tw
)
y
抛物线 线性
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解
微元体热平衡 d xts (xt)wd xrd M r(d0 lud ) y
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解
稳态边界层微分方程
简化后的常微分方程
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
l
g
l
2u y 2
0
2t
y 2
0
y0时，u0, t tw
Rec>1600
Nuhl/; Gagl3 /2 伽利略数
竖壁雷诺数
Re 4hl(ts tw)
rl
竖壁临界雷诺数＝1600
第七章 相变对 流传热
第七章 相变对 流传热
教学目的及要求
✓ 了解相变传热模第式、13影讲响传热相因素变、对强流化方传法热；
✓ 了解实验关联式。 教学内容： ✓ 膜状凝结相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法； ✓ 大容器沸腾传热相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法。
教学过程： 自学、提问
第七章 相变对 流传热
u l g (y 1 y 2 )
l
2
t
tw
(ts
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
tw
)
y
导热公式+牛顿冷却公式
4llg(tsl2rtw
)x1/
4
dxts (xt)wdx hx(tstw)dx
简化后的速度和 温度分布
hx (x)
hx
4lg(rts l2tlw 3
1/
)x
4
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
流态判别(Re迭代法)；关联式；注意特征长度和定性温度
4.影响因素
掌握膜状凝结诸影响因素，尤其是不凝性气体和蒸气流速的影响机理。
2020/5/29
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第七章 相变对 5.凝结流换传热的热强化
当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则 是破坏或减薄液膜层，强化技术是减薄液膜厚度、加速液膜的排泄。
第七章 相变对 流传热
7-1 凝结传热的模式
凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。
凝结传热产生的必要条件： tw ts
tw ts
tw ts
g
膜状凝结
g
珠状凝结
凝结模式源于气液界面的接触角θ（图7-1）
第七章 相变对 流传热
7-1 凝结传热的模式
凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。
提纲：
一、凝结传热
1.现象与特点
基本概念，产生条件是壁面温度<蒸气饱和温度。珠状凝结和膜状凝结 的特点、热量传递规律，h珠状>>h膜状，但不能持久。 2.竖壁膜状凝结分析解
Nusselt分析解基于9条假设，视液膜内只有纯导热。因此要获得局部表 面传热系数，只需获得该处液膜厚度。竖管与横管，h横>h竖。 3.膜状凝结的工程计算
二、沸腾换热
1.特点
基本概念：蒸发与沸腾，大容器沸腾与管内沸腾，饱和沸腾，过热 度。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。
2.大容器饱和沸腾曲线
曲线形式，随着t ，四个不同区域的换热规律和特点。核态沸腾 是工业中理想的工作区域，其温差小，换热强。
3.沸腾换热的两种加热方式
控制壁温(改变壁温tw与液体饱和温度ts之差t=tw-ts，q的大小受沸 腾侧影响很大。)
特征长度分别为 l 和 d；
r 由ts 确定。 其它物性由平均温度确定：
tm
ts
tw 2
为何冷凝器一般多采用水平横管布置？
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
理论分析解在一定 的假设条件下获得
实验结果修正
膜状凝结实验关联式：
竖壁（层流）
实验关联式 Rec<1600
竖壁（湍流）
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解
竖壁 倾斜竖壁 水平圆管壁
球壁
hV1 l 0 lhxdx0.943 lg l(rtsl2 tl3 w) 1/4
hV 0.943gslli(tnsrtlw 2)3l 1/4
hH 0.729ldgr(tsl2lt3w)1/4
hS 0.826ldgr(tsl2lt3w)1/4
珠状凝结
珠状凝结的表面换热系数 >> 膜状凝结，但是一般无法长久保持。
2.55×105
5000～25000
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解： 液体膜层的热阻为主要因素。
基本假设： 1. 二维、稳态、常物性、层流； 2. 蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力； 3. 忽略惯性力，液膜的运动仅取决于重力和粘滞力； 4. 壁温tw＝const，汽液界面无温差 tδ＝ts 5. 液膜内部无对流而只有导热，温度分布为线性； 6. 忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热； 7. 蒸汽密度<<液体密度； 8. 液膜表面平整无波动。
7-1 凝结传热的模式
相变对流传热
凝结传热 （气相变液相） 沸腾传热 （液相变气相）
凝结传热： 夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结 沸腾传热： 烧开水
相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热
相变传热的特点： 由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂。
相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量
控制热流(改变壁面处的热流密度q，q取决于外部施加的条件，而与
h无关)
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第七章 相变对 流传热
4.临界热流密度qmax 的意义 对热流可控：使q< qmax，保证设备安全运行不致烧毁 对壁温可控：使t< tc，保证设备有较高的传热效率
5.沸腾换热的实验关联式
计算公式的拟合误差一般较大，因为沸腾换热机理复杂，受加热表 面影响很大。
结合汽化核心概念理解沸腾换热机理，结合大容器饱和沸腾曲线了 解气泡的生成、长大、脱离、破裂等规律
7.沸腾换热影响因素和强化
沸腾换热影响因素就是气泡生长运动的影响因素。强化沸腾换热的 主要出发点是增加壁面汽化核心数，基本手段是沸腾表面的特殊加工。
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第七章 相变对 流传热
y时，du 0,
dy
t ts
简化后的速度和温度分布
u l g (y 1 y 2 )
l
2
t
tw
(ts
tw
)
y
抛物线 线性
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解
微元体热平衡 d xts (xt)wd xrd M r(d0 lud ) y
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解
稳态边界层微分方程
简化后的常微分方程
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
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2u y 2
u
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2t y 2
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0
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0
y0时，u0, t tw
Rec>1600
Nuhl/; Gagl3 /2 伽利略数
竖壁雷诺数
Re 4hl(ts tw)
rl
竖壁临界雷诺数＝1600
第七章 相变对 流传热
第七章 相变对 流传热
教学目的及要求
✓ 了解相变传热模第式、13影讲响传热相因素变、对强流化方传法热；
✓ 了解实验关联式。 教学内容： ✓ 膜状凝结相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法； ✓ 大容器沸腾传热相关概念，计算关联式，影响因素及强化传热方法。
教学过程： 自学、提问
第七章 相变对 流传热
u l g (y 1 y 2 )
l
2
t
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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)
y
导热公式+牛顿冷却公式
4llg(tsl2rtw
)x1/
4
dxts (xt)wdx hx(tstw)dx
简化后的速度和 温度分布
hx (x)
hx
4lg(rts l2tlw 3
1/
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4
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
流态判别(Re迭代法)；关联式；注意特征长度和定性温度
4.影响因素
掌握膜状凝结诸影响因素，尤其是不凝性气体和蒸气流速的影响机理。
2020/5/29
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第七章 相变对 5.凝结流换传热的热强化
当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则 是破坏或减薄液膜层，强化技术是减薄液膜厚度、加速液膜的排泄。
第七章 相变对 流传热
7-1 凝结传热的模式
凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。
凝结传热产生的必要条件： tw ts
tw ts
tw ts
g
膜状凝结
g
珠状凝结
凝结模式源于气液界面的接触角θ（图7-1）
第七章 相变对 流传热
7-1 凝结传热的模式
凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。
提纲：
一、凝结传热
1.现象与特点
基本概念，产生条件是壁面温度<蒸气饱和温度。珠状凝结和膜状凝结 的特点、热量传递规律，h珠状>>h膜状，但不能持久。 2.竖壁膜状凝结分析解
Nusselt分析解基于9条假设，视液膜内只有纯导热。因此要获得局部表 面传热系数，只需获得该处液膜厚度。竖管与横管，h横>h竖。 3.膜状凝结的工程计算
二、沸腾换热
1.特点
基本概念：蒸发与沸腾，大容器沸腾与管内沸腾，饱和沸腾，过热 度。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。
2.大容器饱和沸腾曲线
曲线形式，随着t ，四个不同区域的换热规律和特点。核态沸腾 是工业中理想的工作区域，其温差小，换热强。
3.沸腾换热的两种加热方式
控制壁温(改变壁温tw与液体饱和温度ts之差t=tw-ts，q的大小受沸 腾侧影响很大。)
特征长度分别为 l 和 d；
r 由ts 确定。 其它物性由平均温度确定：
tm
ts
tw 2
为何冷凝器一般多采用水平横管布置？
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
理论分析解在一定 的假设条件下获得
实验结果修正
膜状凝结实验关联式：
竖壁（层流）
实验关联式 Rec<1600
竖壁（湍流）
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解
竖壁 倾斜竖壁 水平圆管壁
球壁
hV1 l 0 lhxdx0.943 lg l(rtsl2 tl3 w) 1/4
hV 0.943gslli(tnsrtlw 2)3l 1/4
hH 0.729ldgr(tsl2lt3w)1/4
hS 0.826ldgr(tsl2lt3w)1/4
珠状凝结
珠状凝结的表面换热系数 >> 膜状凝结，但是一般无法长久保持。
2.55×105
5000～25000
第七章 相变对 流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式
层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解： 液体膜层的热阻为主要因素。
基本假设： 1. 二维、稳态、常物性、层流； 2. 蒸汽静止，汽液界面无对液膜的粘滞力； 3. 忽略惯性力，液膜的运动仅取决于重力和粘滞力； 4. 壁温tw＝const，汽液界面无温差 tδ＝ts 5. 液膜内部无对流而只有导热，温度分布为线性； 6. 忽略液膜的过冷度，即认为液膜仅存在潜热； 7. 蒸汽密度<<液体密度； 8. 液膜表面平整无波动。
7-1 凝结传热的模式
相变对流传热
凝结传热 （气相变液相） 沸腾传热 （液相变气相）
凝结传热： 夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结 沸腾传热： 烧开水
相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热
相变传热的特点： 由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂。
相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量
控制热流(改变壁面处的热流密度q，q取决于外部施加的条件，而与
h无关)
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第七章 相变对 流传热
4.临界热流密度qmax 的意义 对热流可控：使q< qmax，保证设备安全运行不致烧毁 对壁温可控：使t< tc，保证设备有较高的传热效率
5.沸腾换热的实验关联式
计算公式的拟合误差一般较大，因为沸腾换热机理复杂，受加热表 面影响很大。