5.4沸腾和冷凝传热

上，产生稳定的膜状沸腾。对流 传热系数α值变化不大。
但由于膜内辐射传热的逐渐增强，
α和q又随t的增加而升高
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㈣ 沸腾传热计算
大容器内泡核沸腾的α可采用下面的经验公式计算： n 1
At
式中：Δt－温差， Δt=tw-ts，℃
A，n－与液体物性、操作压力及表面状况 有关的参数，可查有关资料得到。
5.4 沸腾与冷凝传热
5.4.1 沸腾传热
㈠ 液体沸腾及其分类 ⒈定义
液体与高温壁面接触被加热气化 并产生气泡的过程。
加热
1
㈡ 液体沸腾的分类
按加热面的形状分类：
√
大容积沸腾(池内沸腾)：热表面浸没于大容器内无强制流动的液体 中所发生的沸腾 汽泡可自由浮升； 特点： 传热由自然对流及气泡的扰动产生。 管内强制对流沸腾：液体在压差作用下以一定流速从加热管内流过而 发生的沸腾。 汽泡不能自由浮升； 特点： 气－液混相流动。
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按照液体主体温度分类：
过冷沸腾：
液体主体温度T＜操作压力下液体的沸点TS， 而壁温TW ＞液体沸点TS ； 汽泡脱离壁面后在液体主体中重新凝结
液体主体温度T＝饱和温度TS，而壁温TW＞液体沸点TS ； 汽泡脱离后聚合成较大的气泡
饱和沸腾：
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ㈡ 沸腾现象
沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。
如常压水△tc=25℃
αc=5.35×104W/(m2· K)
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膜态沸腾区
膜态沸腾区：
t 增大过 C 点，汽泡数
大大增加，且生成速率＞ 脱离速率，汽泡连成汽膜，
α值下降。因汽膜很不稳
定，属于核状沸腾和膜状 沸腾共存的过渡区。
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稳定膜态沸腾
稳定膜态沸腾：
t 继续增大，汽泡迅速形成并
互相结合成汽膜覆盖在加热壁面
特点： 滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，
热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的 5~10 倍甚至更高。
实现滴状冷凝的方法： 在壁面上涂一层油类物质；
在蒸汽中混入油类或脂类物质； 对管表面进行改性处理。
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㈡ 冷凝传热系数
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1.层流时的冷凝传热系数：
Re ≤2000时为层流:
努塞尔假定：
① 冷凝液膜呈层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的 热传导，膜内温度分布为线性； ② 蒸汽静止，汽液界面无粘性应力； ③ 汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度等 于饱和蒸气温度； ④ 忽略液膜的过冷度，冷凝液为饱和液体。
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对单根管外大容器沸腾，可采用莫斯廷斯基（Mostinski） 半经验公式： 2.33
1.163Z1t
式中：
pc Z1 0.1 4 9.81 10
0.69
1.8 p
0.17 R
4p
1.2 R
10 p
10 R

3.33
其中：Pc－沸腾液的临界压力，Pa; PR－沸腾液的对比压力，PR = P/Pc 应用条件：Pc >3MPa，PR =0.01～0.9，q<qc 。
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㈠ 蒸汽冷凝的方式
膜状冷凝：
α较小 工业上常见
冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液 膜布满液面并连续向下流动。 特点： 蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递
到壁面，液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻。
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滴状冷凝：
α较大
冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成 小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。
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经推导，努塞尔提出如下方程：
r 2 g 3 1.13 L t
1/ 4
C'
r g l t
2
3

1/ 4
垂直壁：
L－垂直壁高，m。
1/ 4
单根水平管
r 2 g 3 0.725 d t O
r’= r + cP’(tg-ts)
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5.蒸汽流速与流向的影响：
蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄↓→↑； 蒸汽流速< 10m/s 影响不大，> 40~50m/s 时，α提高30% 左右。 蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚↑→↓； 但u↑↑时，会吹散液膜→↑↑。
Re＞2000时，湍流
Re
② 传热速率： Q At s t w
ms Q , r M ms Q B Br
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3.水平管束外的冷凝给热系数:
考虑由于向下流动的液体使下面的管子液膜增 厚及液滴撞击和飞溅的影响，对单根管外冷凝 给热系数的公式进行修正：
r g 0.725 2 / 3 n l t
dO－管外直径，m。
定性温度：tm=(ts+tw)/2
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2.湍流时的冷凝传热系数
Re >2000时为湍流:
垂直壁：
g 3 10 2
4 2 3

5/ 9
2
4 L t r
3
特征尺寸L ：管长或板高
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㈤ 影响沸腾传热的因素及强化沸腾传热的途径
影响因素：
① 液体性质：ρ↑，λ↑→α↑；μ↑，σ↑→α↓； ② 温差及操作压力：温差△t应控制在核状沸腾区 P↑→ts↑→μ↑，σ↓→α↑； ③ 热表面的粗糙度、物性及润湿性、表面的布置： 新的或者清洁的表面α大。 水平管束面的沸腾α＞单管外的沸腾α。
t→蒸汽冷凝速率↑→液膜增厚↑→↓。
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3.冷凝壁面的状况：
表面粗糙度、有腐蚀或氧化层→α↓ 水平管：减少垂直方向上的管排数目； 管子斜转排列 垂直壁：开纵向凹槽； 沿管壁缠一圈金属丝
α↑
4.蒸汽过热度的影响：
过热蒸汽的冷凝给热系数略大于相同温度下饱和蒸汽的冷凝给热系
数：大气压下，过热30℃的蒸汽较饱和蒸汽的α高 1%，而过热540℃ 的蒸汽的α高30%。 校正：
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强化途径：
① 加热面：
使表面粗糙化； 采用多孔金属表面； 定期除垢
② 液体：
加入添加剂降低液体表面张力； 加强搅拌
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5.4.2 冷凝传热
蒸汽是工业上最常用的热源； 蒸汽在饱和温度下冷凝时，放出汽化潜热； 蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。
6.不凝气体的影响：
当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜，大大增加热 阻，例如水蒸汽中含有 1% 的空气能使α下降60%。因此在操作时 应注意排放不凝气。
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N 管束的管子总根数 n ns 垂直列数
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㈢ 影响冷凝传热的因素
1.流体物性的影响：
冷凝液↑ or ↓→Re↑ or 液膜厚度 →↑； 冷凝液↑→↑； 冷凝潜热r ↑，同样的热负荷Q 下→冷凝液量ms↓→液 膜厚度δ↓→↑。
2.液膜温差的影响：
当液膜层流流动时，t=ts－tW，
6
㈢ 饱和沸腾曲线
自然对流沸腾 区
自然对流沸腾区： t 较小，壁面处液 体轻微过热，产生的 少量汽泡尚未升浮达 到自由液面就放热冷 凝而消失。液体的运 动主要决定于自然对 流，属于过冷沸腾。
7
核状沸腾区
核状沸腾区：
t增大，加热面上汽泡数 量增加，促进液体扰动，
α 值迅速增加 。在C点 α
值超过104 W/(m2· 。 ℃) 点C ：临界点 对应△tc、αc；
汽泡生成的条件：液体必须过热；
加热壁面上存在汽化核心。
4
过热度：
饱和沸腾时液体的实际温度与液体所处压力下沸点的 差值：t-ts； 加热面处的过热度最大； 常压下水沸腾时加热面处的过热度为6～8℃，主体的 过热度为0.4~0.8℃。
5
汽化核心：
粗糙表面上微细的凹缝或裂穴处，由于表面张力较小或 吸附了微量气体或蒸汽等原因，使新相容易生成； 与壁面材质、粗糙程度有关； 液体润湿壁面能力↑→附着力↓汽泡易于脱离； 压力P ↑→”脱离直径“↓→生成气泡频率↑→对流传热 系数α↑。 说明：汽泡在加热面上不断产生、长大、脱离，液体不断 冲刷热表面，使其附近激烈扰动，故α沸腾＞α无相变。
2
3

1/ 4
式中：n－垂直方向上管列的管子平均根数； 特征尺寸： 2
l n 3do
n－垂直方向上管列的管子平均根数
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正方形直列
ns 1.288N
0.480
正方形错列
ns 1.370N
0.518
三角形直列 三角形错列
ns 1.022N
0.519
ns 2.08N 0.495
说明：
① 雷诺数Re 的求算：
设S 为凝液流通截面积，B 为润湿周边（垂直壁宽），ms 为凝 液的质量流量，M 为单位壁宽的冷凝液流量－－冷凝负荷，则 m m 4S M s , de , u s B B S
Re d eu 4 S ms 4M / B S S
Re≤2000时，层流