第7章_相变对流传热讲解

5、6、蒸气过热与液膜过冷
（只要对潜热项进行适当修正即可） 蒸汽过热: r" r c p,v (tv ts ) 液膜过冷:
r ' r 0.68c p (ts tw ) r (1 0.68Ja)
7.3.2 膜状凝结传热的强化
1. 基本原则: 尺量减薄液膜厚度(膜层热阻是主要热阻) 2. 强化技术——增加尖突物、及时排液 (1)采用高效冷凝面——原理：利用表面张力使肋顶 或沟槽脊背的液膜拉薄，从而增强换热。 ①低肋高、小节距横管；②锯齿管； (2)使液膜在下流过程中分段泄出或采用其他加速排 泄的措施，保持开始段δ较薄的条件 ——①加泄出罩; ②顺液流方向开沟槽的竖管 (3)采用微肋管(强化管内换热)
1、不凝结气体的影响 影响机理：
(1)冷壁面附近形成一不凝结气体层，增加了一项热阻 (2)不凝结气体的存在使壁面附近的蒸气分压下降，相
应的饱和温度下降，从而使凝结换热的驱动力下降
影响结果：使表面传热系数大大下降，换热削弱 影响程度：与压力、热负荷、运动速度等有关 例：纯净水蒸汽膜状凝结，h=5820-11630W/m•℃， 含有1%空气时，实验证明 h值将下降60%左右
7-2 膜状凝结分析解及计算关联式
主要内容：分析求解思路、求解结果、适用条件(场合)
7.2.1 努塞尔蒸气层流膜状凝结分析解(1916年提出) 1、基本依据：液膜热阻为过程的主要热阻 2、简化假设（详见P303） (1)常物性； (3)忽液膜惯性力； (7)ρ v<< ρ l; (2)蒸汽静止； (4)汽液界面无温差，tδ=ts； (8)液膜表面平整无波动。
7-5 大容器沸腾传热的实验关联式
一 、大容器饱和核态沸腾
表面传热系数或热流密度的计算
二、大容器饱和沸腾临界热流密度的计算
三、大容器(稳定)膜态沸腾表面传热系数
珠状凝结时,平均凝结传热系数可达2.55×105W/m2.K.
3、珠状凝结的优、缺点：
表面传热系数大，换热强度高； 不稳定、不易保持 4、工程中实用的凝结形式：膜状凝结 凝结换热方面的研究课题：珠状凝结的形成与保持 （1）在蒸气中加油（传统方法）
（2）对凝结表面进行技术处理
（改善液体——表面组合特性）
qmax
qmin
7.4.2 临界热流密度在工程中的意义 临界热流密度—沸腾曲线中热流密度的峰值 工程中两类不同的热边界条件及实用控制措施 (1)恒壁温加热（壁面温度不随换热情况而变） q、h的变化规律一致 实例:通过管内蒸气的凝结向管外沸腾液体加热 实用控制条件：△t=90% △tc (2)恒热流加热*（加热热流与换热情况无关） 一旦所控制的热流密度值达到最大值，将 引起壁温飞升 —— “烧毁”。 故须保证q<qmax 实例：电加热 实用控制条件：q≈90%qmax
第七章
相变对流传热
凝结传热
1、凝结传热及其分类 2、膜状凝结分析解及计算关联式 ——竖壁(管)、水平管外
主 要 内 容
3、膜状凝结的影响因素及强化
沸腾传热
1、沸腾传热及其分类 2、大容器饱和沸腾 ——大容器饱和沸腾曲线及其实验关联式 3、沸腾传热的影响因素及强化 本章讨论对象： 单种流体的凝结与沸腾传热
(5)膜内温度线性分布；(6)忽略液膜过冷度；
3、液膜换热微分方程组
——由边界层对流换热微分方程组简化而得 以竖壁为例 在稳态情况下其换热微分方程组为
u v 0 x y u u dp 2u l (u v ) l g l 2 x y dx y t t 2t u v al 2 x y y
主要求解结果：
4l l (t s t w ) x 1/ 4 (7-1) ] grl2 grl2 3 l (2)局部表面传热系数: hx [ ]1/ 4 (7-2) x 4l (t s t w ) x (3)沿整个平壁的平均表面 传热系数: (1)随x的变化规律: ( x) [
2、管子排数
因上下排间的相互影响, 情况比较复杂.设计时
应参考相应条件下的实验资料.
3、管内冷凝
(a)汽液分层流动----蒸汽流速较低时;
(b)环状流动----------蒸汽流速较高时
4、蒸汽流速的影响
影响机理：当蒸汽以一定速度运动时，蒸汽和液膜间 会产生一定的力的作用，从而影响液膜厚 度，并进而影响换热 影响结果（具有双向性）： (1)蒸气流向与液膜流动方向相同时，δ↓并使液膜产 生波动，h↑ (2)蒸气流向与液膜流动方向相反时，将阻碍液膜运动， δ↑， h ↓；但当流速过大时（蒸汽和液膜间力的 作用超过重力），将使液膜脱离壁面， h↑ ↑ (3)对于管内凝结, 质量流速不同将导致不同的两相流流 态, 从而影响凝结传热强度

4hl(t s t w ) r Re 1600 时, 层流; Re 1600 时, 紊流.

Re c 1600
湍流
7.2.3 湍流膜状凝结
Re>1600时，除层流底层外，液膜内的传热以
紊流传递为主，传热大为增强。 整壁平均表面传热系数的计算：
式中：
xc xc h hl ht (1 ) l l
2 Ts R Rmin rv (t w t s )
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，成为汽化
核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强
grl2 3 l a.水平圆管: hH 0.729 [ ]1/ 4 (7-4) l d (t s t w ) grl2 3 l b.球 : hS 0.826 [ ]1/ 4 (7-5) l d (t s t w )
2. hH与hv计算式的比较：特征尺度与系数不同
hH l 1/ 4 0.77( ) 当其他条件相同时,有： hV d
及凝结蒸汽量
7-3 膜状凝结的影响因素及其传热的强化
影响因素： 不凝结气体*、管子排数、管内冷凝、蒸汽流速*、 蒸汽过热度、液膜过冷度、温度分布的非线性、凝 结表面的几何形状 膜状凝结传热的强化 *：
基本原则: 减薄液膜厚度
强化技术: 改变凝结表面的几何形状 （主要应了解其机理）
7.3.1 膜状凝结的影响因素
沸腾传热：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、特点：(1)Ts=const；
(2)有过热度(过程的推动力)；
(3)存在汽化核心(与加热面性质有关)； (4)表面传热系h数很大。
宏观特征：液体内部有汽泡产生
3、分类 过冷沸腾：液体主体温度低于饱和温度Tl＜Ts , 而Tw>Ts，气泡不能跃出液面 饱和沸腾：液体主体温度超过饱和温度，即 Tl>Ts，气泡能跃出液面
grl23 1 l 4 1/ 4 l hv hx dx 0.943 [ ] hx l 0 l l l (t s tw ) 3
(7-3)
(4)倾斜管：
将式(7-3)中的g
改成gsinφ即可
7.2.2 竖管与水平管的比较及实验验证
1. 水平圆管外及球表面上的膜状凝结换热
特点： ①管子直径一般都较小，故液膜总是 处于层流； ②重力作用方向与液膜运动方向不一 致, 且gsinφ沿管子外周连续地变化 努塞尔的理论分析结果
d———管子外径
ts-tw——壁面过冷度
定性温度：t=(ts+tw)/2 （潜热r由饱和温度ts确定）
特征长度： 板长l或管子外径d 适用范围：Re<1600（层流），Pr>0.5
4. 判别液膜流态的依据——膜层雷诺数
Re
d e u l
无波动层流
4ul 4qml

Re 20
有波动层流
3.hV的实用计算式 (将前述理论公式放大 20%) :
grl23 l hV 1.13[ ]1/ 4 l (ts t w )l
此时:
(7-7)
hH l 1/ 4 0.65( ) hV d
上面各式中： ηl、ρl、λl——分别为液膜的动力粘度、密度及 导热系数 l———平板长度（高度）
高效冷凝面
一般，h锯齿管≈10h光管, h低肋管≈2～4h光管, h微肋管≈3h光管。
7-4
沸腾传热
主要内容：
沸腾的概念、分类；
大容器饱和沸腾与大容器饱和沸腾曲线义：
沸腾：液体与高温壁面接触而被加热时，温度逐渐升
高，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。
再求解液膜厚度δ, 最后求解表面传热系数h。
由傅里叶定律: dqx 1 dx(t s t w ) x
由牛顿冷却定律: dqx hx 1 dx(t s t w ) 从整个冷凝过程: dqx dM r
hx (即h与有关) x
具体求解过程及求解结果见P305-306
利用前述假定简化
上述方程，可得 微分方程组：
d 2u l 2 l g 0 dy d 2t 0 2 dy
(a) (b)
边界条件：
y 0时, u 0, t t w y 时, du dy
y
(c)
0, t t s (d)
4、方程组的求解与结果
思基本路：先求解速度分布与温度分布;
7-1
1、凝结的定义
凝结传热
——蒸气与低于相应压力下饱和温度的冷壁面 相接触时，在壁面上凝结出液滴的现象 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
2、凝结的分类
(1)液体对壁面的润湿性（用润湿角θ 表示）
(2)凝结的类型
膜状凝结：θ <90°,润湿能力强,凝结液能成片,凝结 发生在液膜表面,传热须经过液膜,h较小 珠状凝结：θ >90°,润湿能力差,凝结液不能成片, 热 阻较小，故h较大 在上述两种类型的凝结传中, 凝结液均是构成蒸 汽与壁面间热交换的热阻载体 一般：h珠=(5～10)h膜以上 如:温度高于100℃的水蒸汽在经过处理的铜表面上
(7-11)
hl : 层流段平均表面传热系 数 ht : 湍流段平均表面传热系 数 h : 整板平均表面传热系数 xc : 临界高度(层 湍转变)
计算整个壁面的平均表面传热系数h的实验关联式 见P308式(7-12)
膜状凝结换热过程的求解步骤: 1.假定液膜的流态(一般假定为层流), 并选用相应计算式 2.确定定性温度, 并查取有关物性参数; 3.将有关参数代入公式求出 h 值; 4.核算Re准则; 5.求解换热量Ф及其他量 P309例7-1： 计算水蒸汽在方形竖壁上凝结时每小时的传热量
大容器沸腾：加热面沉浸在具有自由表面的液 (池内沸腾) 体中, 气泡能脱离表面自由浮升
强制对流沸腾：液体在压差作用下以一定速度 (管内沸腾) 流过加热管内部时，在管内表面 上产生沸腾，气泡不能自由浮升,
被迫与液体一起流动(两相流)
7.4.1 大容器饱和沸腾及其沸腾曲线*
典型例子——饱和水在水平加热面上的沸腾 1、换热规律——四个区域： (1)自然对流 (2)核态沸腾（孤立汽泡区与汽块区） (3)过渡沸腾（不稳定膜沸腾） (4)稳定膜态沸腾 2、几个关键点： (1) c——烧毁点*(临界点) (2) DNB——转折点 (3)a——不稳定膜态沸腾向稳定膜态沸腾的转折点 (4)b——起始沸腾点
7.4.3 气泡动力学简介
1、汽泡在沸腾传热中的作用 ----- 汽泡的形成、成长及脱离加热壁面,引起强烈 的扰动, 从而使流体与壁面间产生强烈的热量交换 (热流密度可高达105～106W/m2) 2、汽化核心 —加热表面上最先产生气泡的地点称为汽化核心 汽泡脱离直径： d 0 0.0208

g(l v )
(m)
①d0越小，汽泡脱离(产生)频率越高； ②壁面温度越高，汽化核心数越多
最易成为汽化核心处: 表面微小凹逢处
3、气泡存在的条件：
2 力平衡: R pv ps 热平衡: T Tl Ts 0

--气液界面的表面张力
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)