精品课件-凝结与沸腾换热原理

修正后：
（4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时， 其平均表面传热系数为：
水平管：
球：
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH
0.77
l
1 4
hV
d
2 膜层中凝结液的流动状态
凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据 仍然时Re，
无波动层流
Re 20
式中：
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速；
（1）适用于水的米海耶夫计算式
在 105 ~ 41压06 P力a 下大容器饱和沸腾计算式：
h C1t 2.33 p0.5
C1 0.122 W (m N 0.5 K 3.33)
按 q ht
h C2q0.7 p0.15
C2 0.533W 0.3 (m0.3 N 0.15 K)
（2 ）适用于各种液体的计算式:
4 ）稳定膜态沸腾
从 qm开in 始，随着 的t上升，气泡生长速度与 跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的 蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升时t ，热流密度 q 上升，此阶段称为稳定膜态 沸腾。
其特点： （ 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 ）辐射热量随着 的加大而剧增，使热流密度大大 增加； （ 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必 须穿过热阻大 的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对 较小的液膜。
为q热流密度。
2 大容器沸腾的临界热流密度
对于大容器沸腾的临界热流密度的 计算，推荐采用如下半经验公式：
qmax
②随着 t的上升，汽化核心增加，生成的汽泡
数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。
③随着 的t 增大， q 增大，当 增大t 到一定值时，
q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换 热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸 腾）。
其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密 度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。
既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr )也应该适用。罗森诺正是在这种思路下， 通过大量实验得出了如下实验关联式：
c pl t r Prls
Cwl
q
l r
0.33
g(l
v )
上式可以改写为：
q
l
r
g(l
v
)
1
2
C pl t Cwl r Prls
3
对于制冷介质而言，以下的库珀（Cooper）公 式目前得到广泛的应用：
计算公式中的 ，
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。
3 ）过渡沸腾
从峰值点进一步提高 t ，热流密度 q 减小； 当 增大到一定值时，热流密度减小到 ，这qm一in 阶 段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定过 程。
原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的 速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层 蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 q m 下降。
1 ）单相自然对流段（液面汽化段）
壁面过热度小时（图中 t ℃4 ）沸腾尚未开始，
换热服从单相自然对流规律。
2 ）核态沸腾（饱和沸腾）
随着 t的上升，在加热面的一些特定点上开始 出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为 起始沸点。其特点是：
①开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰， 称为孤立汽泡区；
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化 潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的 过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并 能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式， 称膜状凝结。 特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的 相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷 却壁面上， 此时液膜成为主要的换热热 阻
0
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
定性温度：
tm
ts tw 2
注意：r 按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数 整个竖壁的平均表面传热系数
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
（2）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度 高 于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 特点 : 随着壁面过热度的增高，出现 4 个换热规 律全然不同的区域。
（3）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁
面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷 沸腾。
（4）大容器饱和沸腾曲线：
g
tw ts
(2)珠状凝结
定义：凝结液体不能很好地湿润壁 面，凝结液体在壁面上形成一个个 小液珠的凝结形式，称珠状凝结。
tw ts
g
特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即 可传到冷却壁面上。
所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传 热系数定大于膜状凝结的传热系数。
§ 6-2 膜状凝结分析解及关联式
dp 0 dx
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
考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量转 移只有导热
u t v t 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组 化简为：
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
凝结与沸腾换热原理
1 、重点内容： ① 凝结与沸腾换热机理及其特点； ② 膜状凝结换热分析解及实验关联式； ③ 大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。 2 、掌握内容： 掌握影响凝结与沸腾换热的因素。
3 、了解内容： ①了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展
现状、动态。 ②蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换
1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解
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
根据以上 9 个假设从边界层微分方程组推出努 塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的 统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合 边界层的薄层性质。
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
1 大容器饱和核态沸腾
影响核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： （ 1 ）针对一种液体的计算公式； （ 2 ）广泛适用于各种液体的计算式；
de 为该截面处液膜层的当量直径。
有波动层流
Rec 1600
湍流
如图
由热平衡 所以 对水平管，用 代替上式中的 即可。 并且横管一般都处于层流状态
3 湍流膜状凝结换热
实验证明： （ 1 ）膜层雷诺数 Re=1600 时，液膜由层流
转变为紊流 ； （ 2 ）横管均在层流范围内，因为管径较小。
特征 :对于紊流液膜，热量的传递：（ 1 ）靠近壁 面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（ 2 ） 层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因 此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。
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。
2 汽化核心的分析
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
§6-5 沸腾换热计算式
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、核态沸腾、过渡 沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：
qmax qmin
如图 6-11 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐 标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区 段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的换 热过程，其特性如下：
(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。
(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)
R
Rmin
以竖壁的膜状凝结为例： x 坐标为重力方向，如 图所示。
在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ：
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
下脚标 l 表示液相
考虑假定（3）液膜的惯性力忽略
l
(u
u x
v
u y
)
0பைடு நூலகம்
考虑假定（7）忽略蒸汽密度
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
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， 增大；反之使 减小。
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
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
计算方法：对于竖壁湍流膜状换热，沿整个 壁面上的平均表面传热系数
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
利用上面思想，整理的实验关联式：
式中：
。除
计算外，其余物理量的定性温度均为
用壁温
§6-3 影响膜状凝结的因素
工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种 因素的影响。
热。其特点是：伴随有相变的对流换热。 ③工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、
再沸器、水冷壁等。
§6-1 凝结换热现象 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
凝结换热的关键点
• 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠 状凝结
• 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻 • 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 • 影响膜状凝结换热的因素 • 会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜
沸腾换热分类： 1 ）大容器沸腾（池内沸腾） ； 2 ）强制对流沸腾（管内沸腾）
上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1）液体必须过热； 2）要有汽化核心
1 大容器饱和沸腾曲线
（1）大容器沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中 所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面 进入容器空间。
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。
§6-4 沸腾换热现象
沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡 的汽化过程称为沸腾。
沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表 面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸 腾换热强度远大于无相变的换热。
h
Cq 0.67 M
0.5 r
prm
( lg
pr
) 0.55
C 90W 0.33 /(m0.66 ·K )
m 0.12 0.2lg Rp m
其中：M为r 液体的相对分子质量；
为P对r 比压力（液体压力与该流体的临界压力之
比）；
为R表p 面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面， 为0.3~0.4）；