相变对流传热课件

1第7章相变对流传热7.1凝结传热的模式7.2膜状凝结的计算关联式7.3膜状凝结的影响因素及其传热强化7.4沸腾传热的模式7.5沸腾传热的影响因素及其强化7.6热管简介蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾是伴随有相变的对流传热，其基本规律与单相对流传热有重大的区别。

凝结与沸腾传热广泛地应用于各种工程领域中：电站汽轮机装置中的凝汽器、锅炉炉膛中的水冷壁、冰箱与空调器中的冷凝器与蒸发器、化工装置中的再沸器等都是应用实例。

本章应掌握的重点是凝结与沸腾过程的基本特点、计算关联式的选择与使用以及强化凝结与沸腾传热过程的基本思想和主要的实现技术。

23蒸气与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结形式。

如果凝结液体能很好地润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜。

这种凝结形式称为膜状凝结(film condensation)。

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)必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去。

这时，液膜层就成为传热的主要热阻。

当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠，称为珠状凝结(dropwise condensation)。

7.1 凝结传热的模式4珠状凝结膜状凝结无论是膜状凝结还是珠状凝结，凝结液体都是构成蒸气与壁面交换热量的热阻载体。

显然，将蒸气与冷壁面隔开的液体层的面积越大、越厚，热阻越大。

在减小凝结热阻方面，珠状凝结相比于膜状凝结具有很大的优越性：在产生珠状凝结时大量的液珠的直径是很小的(在100μm以下)，空出了大量的壁面可与蒸气直接接触；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，并在滚下的过程中，一方面会和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，使壁面重复液珠的形成和成长过程。

5而膜状凝结时，在冷壁面上始终存在一层连续的液膜，其厚度沿着重力的方向增加，所以膜状凝结的热阻常常比珠状凝结大一个数量级以上。

在绪论中曾经指出，沸腾与凝结传热的表面传热系数是“成千上万”，这里的凝结指的是膜状凝结；对于珠状凝结，则可高达几十万。

6珠状凝结的关键问题是在常规金属表面上难以产生和长久维持。

因为珠状凝结时其热阻已经小到可以忽略不计，因此研究者一直在研究如何在工程技术常用的材料表面上长期维持珠状凝结。

实验证明，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。

这种情况与我们清洗实验器皿的日常经验相符合：器皿表面上能形成一层液膜被认为是洗净的标志。

在大多数工业冷凝器中，特别是动力冷凝器上，实际上都得到膜状凝结。

鉴于实际工业应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。

77.2 膜状凝结的计算关联式1916年，努塞尔首先提出了纯净蒸气层流膜状凝结的分析解。

他抓住了液体膜层的导热热阻是凝结过程主要热阻这一点，忽略次要因素，从理论上揭示了有关物理参数对凝结传热的影响，长期来被公认为是运用理论分析求解传热问题的一个典范。

89对于竖管壁，蒸汽层流膜状凝结关联式为：式中，h V 为竖管壁对流换热系数；r 为相变潜热；t s 为液膜饱和温度；t w 为壁面温度；下标l 表示液相。

对于与水平轴倾斜角为ϕ(ϕ>0)的倾斜壁，只需将上式中的g 改为g sin ϕ即可。

12340.943()l l V l s w gr h l t t ρλη⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦10对于水平圆管及球表面，蒸汽层流膜状凝结关联式为：式中，h H 、h S 分别为圆管壁与球的对流换热系数；d 为圆管壁与球的直径。

以上各式中，定性温度为(t s +t w )/2。

相变潜热按蒸汽饱和温度t s 确定。

123412340.729()0.826()l lH l s w l l S l s w gr h d t t gr h d t t ρληρλη⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦11横管和竖壁的平均表面传热系数的计算式有两点不同：特征长度横管用d ，而竖壁用l ；两式系数也不同。

在其他条件相同时，横管平均表面传热系数与竖壁平均表面传热系数的比值为在l/d =50时，横管的平均表面传热系数是竖管的2倍，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案。

140.77H V h l h d ⎛⎫= ⎪⎝⎭12对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结传热，其沿整个壁面的平均表面传热系数可按下式求取:式中，h l 为层流段的平均表面传热系数；h t 为湍流段平均表面传热系数；x c为层流转变为湍流时转择点的高度；l 为总壁高。

1c c l t x x h h h l l ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化141516177.4 沸腾传热的模式液体的汽化(vaporization)可区分为蒸发(evaporation)和沸腾(boiling)两种。

前者指发生在液体表面上的汽化过程，后者则指在液体内部以产生汽泡的形式进行的汽化过程。

就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，又称池沸腾(pool boiling)和管内沸腾(in-tube boiling)两种。

大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的，而管内沸腾则需外加的压差作用才能维持。

本节只对大容器沸腾进行简要介绍。

18大容器饱和沸腾的三个区域现在来做一个观察沸腾传热现象的实验。

在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生汽泡。

烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢管表面上进行的沸腾称为饱和沸腾(saturated boiling)。

和温度的温差(称为过热度)的增加，烧杯中的水与不锈钢管表面之间的热交换会依次出现以下区域：自然对流区核态沸腾区过渡沸腾区膜态沸腾区19热度较小(对于水在一个大气压下的饱和沸腾为 t<4℃)时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。

20热壁面的过热度∆t≥4℃后，壁面上个别地点(称为汽化核心)开始产生汽泡，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区。

随着∆t进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成气块及气柱。

21泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。

由于汽化核心对传热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾(或称泡状沸腾)。

核态沸腾有温压小、传热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。

核态沸腾区的终点热流密度的峰值点。

22(3)过渡沸腾区：从峰值点进一步提高∆t，热流密度不仅不随∆t的升高而提高，反而越来越降低。

这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。

这种情况持续到到达最低热流密度为q为止。

min这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。

23(4)膜态沸腾区：从q min起传热规律再次发生转折。

这时加热面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，q随 t的增加而增大。

此段称为稳定膜态沸腾。

稳定膜态沸腾在物理上与膜状凝结有共同点，不过因为热量必须穿过的是热阻较大的气膜，而不是液膜，所以传热系数比凝结小得多。

2425q min 点称为莱登佛罗斯特(Leidenfrost)点。

习惯上将包含自然对流在内的q~ t 曲线称为大容器饱和沸腾曲线(saturated pool boilingcurve)，其中核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾三个区域属于沸腾传热的范围。

当将水泼在灼热的钢板上时，会在短时间内在铜板上形成很多不断跳跃的小水漓，这是因为在灼热的钢板上形成了膜态沸腾，小水滴不断地被形成的气流带向上面所致。

莱登佛罗斯特是德国18世纪的医生，他研究了这一现象，故而命名之。

q max有重大实践意义，被称为临界热流密度(critical heat flux,CHF)，亦称烧毁点。

在实际工程传热中，一旦热流密度超过峰值，工况将沿虚线跳至稳定膜态沸腾线， t将猛升，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。

26在烧毁点附近，有个比qmax 的热流密度略小，表现为q上升缓慢的核态沸腾的转折点DNB(Departure fromNucleate Boiling的缩写，意即偏离核态沸腾规律)，可以用它作为监视接近qmax的警戒。

对于蒸发冷凝器等壁温可控的设备，这种监视是重要的。

27287.5 沸腾传热的影响因素及其强化30小31327.6 热管简介热管换热器是一种新型、高效、节能换热器，其理论提出于20世纪40年代，应用起于60年代。

后来广泛使用于航天航空业，并逐步用于加热炉对流室烟气余热回收中。

它是由数根热管组成的。

热管外部装有翅片以提高传热效果。

热管管束中间装有隔板，冷、热流体分别在隔板的两侧流动，通过热管进行热量传递。

33热管的材质可采用铜、铝、铝合金、不锈钢、钛、碳钢等；翅片材质是铜、铝、铝合金等。

由于热管的传热性能好，管子整体温度均匀，所以热管换热器具有结构紧凑、质量轻、传热效率高、维护简单、运行安全可靠等优点。

特别适于中低温烟气余热回收，缺点是目前尚不能用于高温烟气回收。

3435蒸发段绝热段冷凝段热管一般是由三部分组成：一是两头密封的金属管子，二是管子内壁衬以多孔材料（金属网、金属纤维等）构成毛细管吸液芯，三是管内充有一定数量的工作液体（工质）及其蒸汽。

热管的工作原理是：当热管的热端（蒸发段）从热流体受热后，管内工质蒸发变成蒸气，蒸汽气流向热管冷端（冷凝段），在冷端蒸气向冷流体放出潜热后，又被冷凝成液体。

液体靠吸液芯的毛细管作用再返回到蒸发段。

如此循环不息，便完成了从热流体到冷流体间的换热过程。

蒸发段绝热段冷凝段36重力式热管的冷凝段在上部，蒸发段在下部，工作液便可以靠重力作用回流到蒸发段。

采用这种结构可以省去热管的液芯，使设备简化。

3738(1)沸腾与凝结是一类复杂的对流传热，由于气液两相间状态转变的存在使得这类传热有以下主要特点：1)热交换的动力是流体的饱和温度与壁面温度之差，因此它是牛顿冷却公式中的计算温差；2)影响对流传热的流体物理性质除了无相变时的参数以外，汽化潜热r以及两相间的表面张力σ也是重要因素（膜状凝结中，由于完整液膜的存在表面张力的作用显现不出来，但在珠状凝结中它就是一个重要的影响因素）；3)无论凝结还是沸腾，都存在两种传热强度有数量级差别的方式，前者是膜状凝结与珠状凝结，后者是核态沸腾与膜态沸腾。

39(2)用q- t表示的大容器沸腾曲线，表征了不同传热机制所造成的传热强度的差别。

特别要掌握两个问题：1)在核态沸腾区域，汽泡的产生与脱离引起的强烈扰动是沸腾传热比单相对流强烈的主要原因；2)确认临界热流的存在具有重要的工程实际意义。

(3)强化膜状凝结的核心是使凝结液体尽快离开冷却表面，而强化沸腾的关键是在加热表面上产生尽可能多的汽化核心。