传热学-第七章
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假定：1）纯蒸汽、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
tw ts g
m (x)
微元控制体
边界层微分方程组：
Hale Waihona Puke Baidu
t(y)
u v 0 x y
dy
t ts
求解上面方程可得：
定性温度：
(1) 液膜厚度 [4llx(ts tw)]1/4 l2gr
tm
ts
tw 2
(2)(局整部个t 对竖t流壁s换 的t热平w系均数表C面)传h热x系数[4注llx意2(gt：slr3rt按w)t]s1/确4 定
hV1 l 0lhxdx0.943lg l(rtsl2 tl3 w)1/4
(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，实验值比上述理论值高20％左右
修正后：
hV
1.13lgl(rtsl2tl3w
1/4 )
4 紊流膜状凝结换热
对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热
量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强
竖壁紊流膜段的平均表面传热系数
（2）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.
如果冷凝壁面是水平放置，那么随着凝结过程的进行液膜厚度会 逐步增加，热阻也就越来越大；
如果冷凝壁面是竖直安放，那么液膜会在重力作用下向下流动， 形成一个流动的液膜层，随着沿途蒸汽的不断凝结液膜也会逐步 增厚，变成一个类似于流体边界层的流动换热的模式。显然，竖 直壁面上部的换热性能要好于竖直壁面的下部。
0
dp 为液膜在x方向的压力梯度，可按
dx
y=δ处液膜表面蒸汽压力梯度计算。
t t
No Image
3）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热
u v x y
0
lg
l
2u y 2
0
a
l
2t y 2
0
只有u 和 t 两个未知量，于是， 上面方程组化简为：
边界条件：
y0时，u0, t tw
y时，du 0,
C o
Rce
87 550P 8r0.5(R0 c.7e5 25)3
对竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数
计算式为：
hhl
xc l
ht
1
xc l
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
5 水平圆管外壁的凝结换热 (Rec=3600)
§7-1 凝结换热
1凝结形式
（1）定义：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。
（2）视凝结液体依附壁面的不同．可分为膜状凝结和珠状凝结两种 。
tw ts
tw ts
g
膜状凝结
g
珠状凝结
膜状凝结
（1）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。
rr0.68cp(tstw)
6 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。
1. 蒸汽流速 2. 不凝气体 3.表面粗糙度 4.蒸汽含油 5. 过热蒸气
7 增强凝结换热的措施
1.该表表面几何形状 2.有效排除不凝气体 3.加速凝液的排除 4.易于珠状凝结形成的措施
由热平衡， h(tstw)lrqml
所以 Re 4hl(ts tw )
μr
根据膜层雷诺数的大小，其流动状态分： 层流 Re <1800 湍流 Re ≥1800
蒸汽凝结量
3 层流膜状凝结的分析求解
在下面假设的基础上，1916年，Nusselt提出的简单膜状 凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。
努塞尔的理论分析可推广到水平圆管外壁的层流膜状凝结
hH 0.729ldgr(tsl2lt3w)1/4
式中：下标“ H ”表示水平管。 定性温度与前面的公式相同
定性尺寸:单管为管外径d 水平管束为nd
6 水平管内凝结换热
利用上面思想，整理的整个表面的平均努塞尔数：
h0.55[g5(d( tsvt)w )3r]1/4
Thermal boundary
x
layers
u(y)
（ l u u xv u y)lg p xl y2u 2
Velocity boundary
layers
ut vt x y
al
2t y2
下脚标 l 表示液相
根据假设条件
1）液膜的惯性力忽略
l
(uuvu)0 x y
2）忽略蒸 汽密度
dp dx
v
g
2 膜状液膜的流态
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然是Re，
Re deul μ
式中： ul 为 x = l 处液膜层的平均流速； de 为该截面处液膜层的当量直径。
无波动层流
Re20
有波动层流
Rec 1600
湍流
d e 4 A c/P 4 b/b 4
对流换热量
如图， Re 4ul 4qml μ μ
§7-2 沸腾换热
1 、定义：沸腾和沸腾换热
沸腾：工质在饱和温度下由液态转变为气态的过程称为沸腾。 2 、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。 3 、分类： 大容器沸腾和有限空间沸腾
珠状凝结
（1）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。
（2）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。 当凝结液不能润湿壁面时，凝结液在壁面许多点上以—颗颗小液珠的形式依
附于壁面，在重力的作用下，液珠滚下并与相通的液珠汇合成较大的液滴， 在向下滚动的同时．扫清了沿途的液珠，让出无液珠的壁面供继续凝结．凝 结过程主要是直接在冷壁面上进行的，没有凝结液膜引起的附加热阻，因此 有较高的换热强度。实验表明珠状凝结的换热系数比膜状凝结要高5—10倍 以上。 虽然如此，但到目前为止．在工业冷凝器中还没能创造出持久地保持珠状凝 结的工作条件。珠状凝结的机理及保证产生珠状凝结的条件正在广泛地研究 中。 如果冷凝壁面水平放置，壁面迟早会被冷凝液覆盖；如果冷凝壁面是竖直安 放，液珠会逐步变大而沿着壁面向下滚动，使得冷凝壁面始终能与蒸汽直接 接触，保持良好的热交换性能。 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。
tw ts g
m (x)
微元控制体
边界层微分方程组：
Hale Waihona Puke Baidu
t(y)
u v 0 x y
dy
t ts
求解上面方程可得：
定性温度：
(1) 液膜厚度 [4llx(ts tw)]1/4 l2gr
tm
ts
tw 2
(2)(局整部个t 对竖t流壁s换 的t热平w系均数表C面)传h热x系数[4注llx意2(gt：slr3rt按w)t]s1/确4 定
hV1 l 0lhxdx0.943lg l(rtsl2 tl3 w)1/4
(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，实验值比上述理论值高20％左右
修正后：
hV
1.13lgl(rtsl2tl3w
1/4 )
4 紊流膜状凝结换热
对紊流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热
量外，层流底层之外以紊流传递为主，换热大为增强
竖壁紊流膜段的平均表面传热系数
（2）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.
如果冷凝壁面是水平放置，那么随着凝结过程的进行液膜厚度会 逐步增加，热阻也就越来越大；
如果冷凝壁面是竖直安放，那么液膜会在重力作用下向下流动， 形成一个流动的液膜层，随着沿途蒸汽的不断凝结液膜也会逐步 增厚，变成一个类似于流体边界层的流动换热的模式。显然，竖 直壁面上部的换热性能要好于竖直壁面的下部。
0
dp 为液膜在x方向的压力梯度，可按
dx
y=δ处液膜表面蒸汽压力梯度计算。
t t
No Image
3）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热
u v x y
0
lg
l
2u y 2
0
a
l
2t y 2
0
只有u 和 t 两个未知量，于是， 上面方程组化简为：
边界条件：
y0时，u0, t tw
y时，du 0,
C o
Rce
87 550P 8r0.5(R0 c.7e5 25)3
对竖壁的紊流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数
计算式为：
hhl
xc l
ht
1
xc l
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
5 水平圆管外壁的凝结换热 (Rec=3600)
§7-1 凝结换热
1凝结形式
（1）定义：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。
（2）视凝结液体依附壁面的不同．可分为膜状凝结和珠状凝结两种 。
tw ts
tw ts
g
膜状凝结
g
珠状凝结
膜状凝结
（1）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。
rr0.68cp(tstw)
6 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。
1. 蒸汽流速 2. 不凝气体 3.表面粗糙度 4.蒸汽含油 5. 过热蒸气
7 增强凝结换热的措施
1.该表表面几何形状 2.有效排除不凝气体 3.加速凝液的排除 4.易于珠状凝结形成的措施
由热平衡， h(tstw)lrqml
所以 Re 4hl(ts tw )
μr
根据膜层雷诺数的大小，其流动状态分： 层流 Re <1800 湍流 Re ≥1800
蒸汽凝结量
3 层流膜状凝结的分析求解
在下面假设的基础上，1916年，Nusselt提出的简单膜状 凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。
努塞尔的理论分析可推广到水平圆管外壁的层流膜状凝结
hH 0.729ldgr(tsl2lt3w)1/4
式中：下标“ H ”表示水平管。 定性温度与前面的公式相同
定性尺寸:单管为管外径d 水平管束为nd
6 水平管内凝结换热
利用上面思想，整理的整个表面的平均努塞尔数：
h0.55[g5(d( tsvt)w )3r]1/4
Thermal boundary
x
layers
u(y)
（ l u u xv u y)lg p xl y2u 2
Velocity boundary
layers
ut vt x y
al
2t y2
下脚标 l 表示液相
根据假设条件
1）液膜的惯性力忽略
l
(uuvu)0 x y
2）忽略蒸 汽密度
dp dx
v
g
2 膜状液膜的流态
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然是Re，
Re deul μ
式中： ul 为 x = l 处液膜层的平均流速； de 为该截面处液膜层的当量直径。
无波动层流
Re20
有波动层流
Rec 1600
湍流
d e 4 A c/P 4 b/b 4
对流换热量
如图， Re 4ul 4qml μ μ
§7-2 沸腾换热
1 、定义：沸腾和沸腾换热
沸腾：工质在饱和温度下由液态转变为气态的过程称为沸腾。 2 、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。 3 、分类： 大容器沸腾和有限空间沸腾
珠状凝结
（1）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。
（2）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。 当凝结液不能润湿壁面时，凝结液在壁面许多点上以—颗颗小液珠的形式依
附于壁面，在重力的作用下，液珠滚下并与相通的液珠汇合成较大的液滴， 在向下滚动的同时．扫清了沿途的液珠，让出无液珠的壁面供继续凝结．凝 结过程主要是直接在冷壁面上进行的，没有凝结液膜引起的附加热阻，因此 有较高的换热强度。实验表明珠状凝结的换热系数比膜状凝结要高5—10倍 以上。 虽然如此，但到目前为止．在工业冷凝器中还没能创造出持久地保持珠状凝 结的工作条件。珠状凝结的机理及保证产生珠状凝结的条件正在广泛地研究 中。 如果冷凝壁面水平放置，壁面迟早会被冷凝液覆盖；如果冷凝壁面是竖直安 放，液珠会逐步变大而沿着壁面向下滚动，使得冷凝壁面始终能与蒸汽直接 接触，保持良好的热交换性能。 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。