传热学-第七章凝结与沸腾换热

1、第七章,boiling and condensation,凝结与沸腾换热,第5、6章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热,下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热，目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种,相变换热的特点：流体温度保持不变，在相对较小的温差下，达到较高的换热。由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式,7-1 凝结换热,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,凝结换热实例 锅炉中的水冷壁

2、寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程,凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts - tw） 汽化潜热 r 特征尺度 其它标准的热物理性质，如动力粘度、导热系数、比热容等,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膜状凝结理论,一、概述,1、冷凝条件：壁面温度低于相应压力下的饱和温度,当蒸汽在与低于相应压力下饱和温度的冷壁面接触时，在冷壁面上就会发生凝结现象。蒸汽释放出汽化潜热，凝结成液体，并依附在壁面,2、分类,膜状凝结,沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动。这层液膜把蒸汽与壁面分开，因此，蒸汽的凝结只能在液膜表面发生，凝结放出的汽化

3、潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递，即热阻增加,膜层,当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级,珠状凝结,产生两种不同形式的凝结原因在于凝结液体与壁面润滑情况不同。在干净末被污染的表面通常是膜状凝结；当涂有润滑油壁面，往往产生珠状凝结,润湿角,膜状凝结,珠状凝结,水,煤油,水银,虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了珠状凝结,1916年，nusselt提出的简单膜状凝结换热分

4、析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或发展都是针对nusselt分析的限制性假设而进行的，并形成了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析,7-2 膜状凝结分析解及实验关联式,竖直冷壁面遇到高温蒸汽就会形成液膜，液膜受重力作用向下流动，这种流动也有层流和紊流之分。当液膜形成时，厚度较小，随流动方向厚度增大；流速也由小增大，流动由层流变为紊流,一、层流,假定：1）常物性的纯蒸气且静止；2）液膜的惯性力忽略；3）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；4）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；5）忽略蒸汽密度；6）液膜表面

5、平整无波动,nusselt 在以上假定条件下，运用边界层微分方程组，导出了液膜层流动的微分方程组： 方法：在液膜层内取一微元体，写出连续性方程、动量方程、能量方程,1、层流换热系数表达式,边界层微分方程组,x,下脚标 表示液相,将以上假设代入，边界层微分方程可简化为,边界条件,求解步骤：求出内的速度及温度分布，利用质量守恒方程求出液膜厚度，再利用导热公式和牛顿冷却公式求出表面传热系数h的表达式,求解上面方程可得速度、温度分布，利用质量守恒求,1) 液膜厚度,定性温度,注意：汽化潜热 r 按 ts 确定,液膜厚度沿流动方向增加,2) 由换热量导热量 求局部对流换热系数,带入,有,整个竖壁的平均表

6、面传热系数,定性温度,注意：汽化潜热 r 按 ts 确定,3) 修正：实验表明，对竖壁或竖管其理论解在re20,实验值大于理论值。由于液膜表面波动，液膜的有效厚度减小，凝结换热得到强化，在层流转变为紊流时实验值比上述得到的理论值高20左右，故需进行修正,修正后,对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可 另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的研究，如当 并且,时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略,4) 水平圆管和球,努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结,式中：下标“ h ”表示水平管，“ s ”表示球; d 为水平管或球的直径。定性温度与前面的公式

7、相同,横管与竖管的对流换热系数的比较,1）横管的特征尺寸用d，而竖管特征尺寸用l； 2）系数不同。在相同条件下，两者的对流换热系数之比,当,只要 横管的 hh 大于竖管的 hv 。故工程上的冷凝器多采用横管布置,2、 用无量纲数表示 hv,由,有,式中,伽利略准则,雅各布准则,普朗特准则,3、 边界层内的流态,凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然是re,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,当量直径定义,故雷诺数为,qml为 x=l 处、宽为1m 的截面上凝结液的质量流量，由热平衡,r qml 为高 l 、宽 1m 竖壁的换热量,故雷诺

8、数为,对水平管，用 代替上式中的 即可,对于横管一般都处于层流状态，（一般直径不够大，温差也不大等）无需修正,实践表明，判别层流变为紊流的临界雷诺数为,竖壁（板,二、湍流膜状凝结换热,当竖壁足够高或凝结液足够多时，液膜的流动由层流转变为紊流，仍用雷诺数来判别流态。对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，而且波动现象随 re的增大而加强，故h增大，换热大为增强。所以提高膜状凝结换热的关键在于减小液膜厚度和增强液膜波动。通常采用粗糙壁面或用肋管来代替光管，还可增大冷凝量qm，以达到增大 h 的目的,对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计

9、算式为,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,7-3 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。 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,不凝结气体,液膜,ts,tw,实践表明，1%的不凝结气体可使 h 下降60,2. 蒸气流速 当蒸汽具有一定的流速时，蒸汽与液膜之间会产生力的作用。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，力的作用使液膜拉薄， 增大；反之使 减小,3. 过热蒸气 对于过热蒸汽，要把计算式中的潜热用过热蒸气与饱和

10、液的焓差代替，来计算凝结传热系数,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,对于n排管凝结液落下时会产生飞溅和对液膜的冲击扰动，会影响换热,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,强化换热的原则： 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；及时将冷凝液体排走。 强化换热的方法： 对于竖壁

11、或竖管，尽量降低传热面的高度，或将竖管改为横管；可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄；在立式冷凝器中采用分段排泄；在卧式冷凝器中采用泄流板使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉,压力为1.013105pa的水蒸气在方形竖壁上凝结，壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。试计算每小时的传热量及凝结蒸汽量,假设：液膜为层流,根据ts=100，从附录中查得r=2257kj/kg。其他物性按液膜平均温度tm=(100+98 )/2=99 从附录查取，得=958.4kg/m3，=2.825104pas，=0.68w/(mk,选用层流液膜平均表面传热系数计算式计算,校核re准则,说明假设液膜为层流

12、成立,传热量按牛顿冷却公式计算,凝结蒸汽量为,作业： 7-6 7-8 （只计算第一种压力,7-4 沸腾换热现象,蒸汽锅炉、做饭、许多其它的工业过程,1 生活中的例子,2 定义： a 沸腾：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 b 沸腾换热：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,3 分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大,容器沸腾(池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾,沸腾,大容器沸腾,强制对流沸腾,饱和沸腾,过冷沸腾,竖管,水平管强制,自然循环,强制循环,饱和沸腾,过冷沸腾,饱和沸腾,过冷沸腾,饱和沸腾,过冷沸腾,沸腾分类,a 大容器

13、沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由,加热表面,b 强制对流沸腾：强制对流沸腾,表面的液体中所发生的沸腾；是由于液体与加热面上的温差以及气泡干扰引起的沸腾。如烧开水,液体受迫流过加热面而产生沸腾，此时既有液体受迫流动，也有液体在高温壁面上所产生的气泡流动，属于两相流动。液体沿途吸热，使流速和含气量不断增加,d 过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡， tl ts称之为过冷沸腾。汽泡只在加热面附近形成，故称为局部沸腾,c 饱和沸腾：液体主体温度 tl=ts 达到饱和温度，而壁面温度 tw 高于饱和温度 ts 所发生的沸腾，即 tl=ts tw ts 称之为

14、饱和沸腾，此时，汽泡增大，上升至液面,4 大容器饱和沸腾曲线,仔细观察烧开水的过程：水加热到一定时间后，加热面上会不断的产生一些小汽泡，随后汽泡越来越大越来越多，到100时，容器中的液体全部沸腾，此后液体温度保持100不变，液体不断地吸收汽化潜热发生相变。称此不变温度为饱和温度ts。然而，实际沸腾时液体的主体温度略大于饱和温度，即液体略有过热，容器中的过热温度如图,加热面上过热度很大t=tw-ts，加热面只有在过热条件下才会产生汽泡，故壁面过热度是壁面产生沸腾换热的推动力,在饱和沸腾时随着壁面过热度的增大，有四个不同的区域,自然对流 核态沸腾,过渡沸腾,稳定膜态沸腾,1、单相自然对流区域：t

15、4 在加热表面上没有汽泡产生，换热服从单相自然对流规律,2、核态沸腾区域：4 t 25 在加热表面上某些特定点上产生汽泡，产生汽泡的速度小于汽泡脱离加热,面的速度。开始这些汽泡互不干扰，称孤立汽泡区；随着t的增加，汽泡核心增加，汽泡合并成汽块或汽柱。汽泡的剧烈扰动使表面传热系数 h 和热流密度 q 急剧增加。汽化核心对换热起决定性的作用，一般工程应用都设计在此区域,3、过渡沸腾区域：25 t 200 随着过热度的增加，热流密度不升反降，这是由于加热面上产生汽泡的速度大于汽泡脱离的速度，在加热面上形成不稳定汽膜汽膜使换热热阻增加，故换热量减小,4、稳态膜态沸腾区域：t 200 在加热面上形成稳定

16、的汽膜，相变过程不是发生在壁面上而是发生在汽液交界面上。由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数,因此表面传热系数 h 大大降低，而此时壁温 tw 远高于液体的饱和温度 ts ，需考虑汽膜内的辐射换热，故换热强度 q 又随 t 的增大而增大。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,确定临界点qmax的意义,由于核态沸腾具有温差小，换热强的特点，因此临界热流qmax具有十分重要的意义,1）对热流可控的加热方式：当热流达到或超过qmax时工况将沿 qmax 跳至稳定膜态沸腾区， t 将猛增至1000，可能导致设备烧毁,2）对壁温可控的加热方式：超过qmax点意味

17、着尽管 t 增加，但由于表面传热系数 h 的减小，因而使热流密度 q 反而下降。因此，工业应用中一般尽量,控制加热的热流密度或壁温，使设备不至于烧毁或换热效率下降。将 qmax 称为烧毁点，为了安全运行和提高热效率，往往在 qmax 点之前设一个警戒点，图中dnb点，用来提示将达到烧毁点qmax,5 汽化核心分析： 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,在沸腾液体中取一个半径 r 的球形汽泡,若汽泡在液体中能

18、平衡存在，则必须同时满足力平衡和热平衡,pl液体压力 pv 蒸汽压力,ps饱和压力,r单位长度的表面张力,由力平衡条件：压力差表面张力,若不考虑液柱高度的影响,故,由此可知,此式说明：由于表面张力的存在，汽泡内的压力大于液体的压力。（汽泡存在条件,由热平衡条件：界面内外温度相等，有,若 tv tl, 汽泡将向液体放热，汽泡直径会缩小，若 tv tl ,液体将向汽泡加热，汽泡直径会增大，故汽泡直径即不增大也不缩小的条件是 tv = tl,由力平衡条件得到 tv ts，由热平衡得到 tv= tl，故有 tl ts, 即沸腾液体是处于过热状态，在加热面上过热度最大,汽化核心的条件：壁面要有一定的过热

19、度；汽泡直径 满足 的那些点，才能成为汽化核心,7-5 沸腾换热计算式,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,但对于沸腾换热的 h 却有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也比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的,为此，推荐两个计算式 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，米海耶夫公式，压力范围：1054106 pa （见第三版,按,或,2）罗森诺公式广泛适用的强制对流换热公式,既然沸腾换热

20、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,式中,r 汽化潜热； cpl 饱和液体的比定压热容 g 重力加速度 l 饱和液体的动力粘度 cwl 取决于加热表面液体 组合情况的经验常数(表7-1) q 沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7,上式可以改写为,可见， ，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达100，但已知q计算 时，则可以将偏差缩小到33。这一点在辐射换热中更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度,2 大容器沸腾的临界热流密度,书中推荐适用如下经验公式,物性按饱和温

21、度取,加热面为无限大平壁,3 大容器膜态沸腾的关联式,1）横管的膜态沸腾,式中，除了r 和 l 的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平均温度 tm ( twts ) / 2 为定性温度，特征长度为管子外径d, 如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为0.67,勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算,其中,2）考虑热辐射作用,由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应,辐射换热,7-6 影响沸腾换热的因素,沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素

22、也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热,1 不凝结气体,与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化,2 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时， 因此，过冷会强化换热,3 液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位,图中介质为一个大气压下的水,4 重力加速度 随着航空航天技术的发展， 超重力和微重力条件下的 传热规律得到蓬勃发展， 但目前还远没到成熟的地 步，就现有的成果表明,从0.1 1009.8 m/s2

23、的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，gr nu 换热加强,5 沸腾表面的结构 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：(1) 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。(2) 机械加工方法,7-7 热管简介,一、热管的工作原理,是将热量从热管一端的热流体通过热管传给位于热管另一端的冷流体的传热元件,组成：金属管壳、丝网状吸液芯,工作原理：将管内抽真空，灌入适当工作液体并将两端封死。工作液体在蒸发段被管外的热流体加热，吸取潜热蒸发，其蒸汽经绝热段流向冷凝段，蒸汽释放潜热凝结成液体，释放出的潜热加热管外的冷流体，冷凝物通过吸液芯回到蒸发段,为了强化换热，在