第7章 凝结与沸腾换热

1、第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer1第七章第七章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热Condensation and Boiling Heat TransferCondensation and Boiling Heat TransferGod helps those who help themselves !God helps those who help themselves !第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer2第第五、六章五、六章我们分析了无相变我们分析了无相变(

2、single phase)的对流的对流换热，包括换热，包括强制对流换热强制对流换热和和自然对流换热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，也称之为相变换热相变换热，本章介绍，本章介绍凝结凝结换热和换热和沸腾沸腾换热。换热。相变换热的相变换热的特点特点：由于有潜热释放和相变过程的复：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。上也只能助于经验公式和实验关联式。第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling He

3、at Transfer3第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer4工质在饱和温度下由气态转变成液态的过程工质在饱和温度下由气态转变成液态的过程凝结或冷凝凝结或冷凝(Condensation) 沸腾沸腾(Boiling) 在饱和温度下，由液态转变为气态的过程在饱和温度下，由液态转变为气态的过程第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer57.1 7.1 凝结换热凝结换热 condensation heat transfercondensation heat transfer凝结换热

4、现象凝结换热现象(condensation phenomena) 冬季由室外进入室内冬季由室外进入室内,眼镜结露眼镜结露 制冷剂在冰箱的冷凝器中冷凝制冷剂在冰箱的冷凝器中冷凝 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer6第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer7欧洲“火星快车”探测器在火星北极拍摄到水凝结成的冰 第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat

5、 Transfer81 凝结过程凝结过程沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。了热量传递。当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面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）（可能大几倍，甚至一个数量级）gswttgswtt 膜状凝结膜

6、状凝结珠状凝结珠状凝结第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer9 虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠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多属于膜状凝结第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer102 2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析 1916年，年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代提出的简单

7、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。膜状凝结理论和传热分析的基础。 自自1916年以来，各种修正或发展都是针对年以来，各种修正或发展都是针对Nusselt分析分析的限制性假设而进行，并形成了各种实用的计算方法。的限制性假设而进行，并形成了各种实用的计算方法。 所以，我们首先了解所以，我们首先了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。换热的分析。第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer11物理模型物理模型 physical model假定假定：（）单一组分纯蒸气在壁上凝结成层流液膜，气、液

8、物性为常量；（）相变发生在气液交界面上，液膜表面温度t等于ts（饱和温度），即蒸气-液膜交界面无温度梯度，仅发生凝结换热而无对流换热与辐射换热；第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer12（）蒸气是静止的，即无宏观速度，且认为蒸气对液膜表面无粘滞应力作用，故液膜表面 （）液膜很薄且流动速度缓慢，忽略液膜的惯性力；（）液膜内仅有导热作用，即认为向下流动的液膜好似一个变厚度的导热平壁，膜内任何高度处的温度分布都是线性的；0yyu第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer13（）忽略

9、液膜的过冷度，即凝液的焓为饱和液体的焓H（实际凝结液的温度总低于饱和温度ts，故蒸气不但放出潜热，还放出显热）；（7）蒸气的密度相对于凝结液密度可忽略不计；（8）液膜表面没有波动。动量微分方程 )yx(ypY)yxu)yuxu(xpX)yuxuuu22222222（凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质 22yudxdpgyuxuulll液膜 gdxdpV蒸气 考虑假定（）和（）为液膜在x方向的压强梯度，此压强梯度可按y=处液膜表面蒸气压强梯度计算 dxdp第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transf

10、er15假设(4),忽略惯性力 22yudxdpgyuxuulll0)(22gdyudvgdxdpV微元体上的力只有粘滞应力和重力 边界条件 0y0uy0dydu221yyguintegrationV液膜动量微分方程 考虑假定（7）第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer1622ytaytxtul能量微分方程Energy equation 假设（5） 022dytdwtt stt 边界条件B.C. 0yyyttttwsw)(integration我们关心的问题：h第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling

11、 Heat Transfer17液膜微元段热平衡关系式为 dxdxdMMHdxdydtHMdMHwdxttdgrws22grdxt -td2ws3)(4/12(4grttxws分离变量积分 dgdM22yttttwsw)(HHr 不同高度（不同高度（x x）处的液膜厚度）处的液膜厚度( () )？取壁宽1m，高度dx第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer18221yygu3320gudyMintegration0yx处断面1m宽壁面的凝液质流量 质流量M在dx距离内的增量为 dddMdxdxdddMdxdxdMdgdM22不同高度（

12、不同高度（x x）处的液膜厚度处的液膜厚度( () )？dxdxdMMHdxdydtHMdMHw第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer19dx微元段内的凝结换热量等于该段膜层的导热量 dxttdxtthdqwswsxx)()(xh4/132)(4wsxttxrgh4/1032)(943. 0431lwslxxttlrghdxhlh对于与水平面夹角为 的倾斜壁 ,将 g改为gsin4/12(4grttxws不同高度（不同高度（x x）处的）处的h hx x及平均及平均h h？第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and B

13、oiling Heat Transfer20水平圆管 4/1ws32)tt (drg725. 0h定性温度 2)(wsmttt定型尺寸 垂直壁:高度l 水平管:直径d 因此，只要不是很短的管子，横放时管外的凝结表面传热系数将高于竖放，例如，在相同条件下，当l/d=50时，水平管的平均表面传热系数是垂直管的2倍多（按层流分析），故冷凝器设计中，通常多采用水平布置 横管与竖管的对流横管与竖管的对流换热系数之比：换热系数之比：4177.0dlhhVgHg垂直壁流态判断垂直壁流态判断: :um底部液膜断面的平均流速，底部液膜断面的平均流速，m/s；de该膜层断面的当量直径，该膜层断面的当量直径，m。二

14、、层流膜状凝结换热准则关联式memecudvudRe对水平管，用对水平管，用d代替上式中的代替上式中的l 即即可。并且横管一般都处于层流状态可。并且横管一般都处于层流状态rtthlwsc)(4ReMumc44RerMl )tt ( hws14L/L4U/f4de(热平衡热平衡)(1)(2)Re的另一种形式rtthlwsc)(4Re4/1032)(943. 0431lwslxxttlrghdxhlh水平圆管 4/1ws32)tt (drg725. 0h垂直壁 Co=1.47Rec-1/3 Co=1.51Rec-1/3 凝结准则 Co3/1223ghCo反映凝结换热的强弱反映凝结换热的强弱 Co,

15、Rec Co,Rec (7-1b)(7-2a)第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer23垂直壁膜状凝结理论解与实验关联式的比较垂直壁膜状凝结理论解与实验关联式的比较 垂直壁的理论解在Rec30以后就逐渐偏低于实验关联式。 这是前述理论解的假定条件（）、（）造成的 4/132)(13. 1wsttlrgh实用计算式：实用计算式： 或 Co=1.76Rec-1/3 第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer24 Rec1800液膜流态将转变为紊流 垂直壁垂直壁: 水平管水平管:

16、Rec3600液膜流态将转变为紊流 流态判断水平管理论解与实验结果非常接近，可直接应用式（7-2） 第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer25三三 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热五五 水平管束管外平均表面传热系数水平管束管外平均表面传热系数四四 水平管内凝结换热水平管内凝结换热Self-studySelf-studySelf-study第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer26【例7-1】一台卧式蒸汽热水器，黄铜管外径d=16mm，表面温度tw=60,，水蒸汽饱和温度t

17、s=140 ，热水器垂直列上共有12根管，求凝结表面传热系数。【例7-2】略【例7-3】略第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer277-1-3 7-1-3 影响膜状凝结的因素及增强换热的措施影响膜状凝结的因素及增强换热的措施*Self-study第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer287-1-3 7-1-3 影响膜状凝结的因素及增强换热的措施影响膜状凝结的因素及增强换热的措施一、影响因素一、影响因素 工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因工程实际中所发生的

18、膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。素的影响。1. 1. 不凝结气体不凝结气体 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降，减小了凝结的驱动力ht 。2. 2. 蒸气流速蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。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，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 减小。减小。h第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transf

19、er29、蒸气含油、蒸气含油 如果油不溶于凝结液（如水蒸气和氨蒸气中的润如果油不溶于凝结液（如水蒸气和氨蒸气中的润滑油），则油可能沉积在壁上形成油垢，增加了热滑油），则油可能沉积在壁上形成油垢，增加了热阻。阻。 5. 5. 过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。 、表面粗糙度当凝结雷诺数较低时，凝液易于积存在、表面粗糙度当凝结雷诺数较低时，凝液易于积存在粗糙的壁上，从而使液膜增厚表面传热系数可低于光滑粗糙的壁上，从而使液膜增厚表面传热系数可低于光滑壁壁30%；但当；但当Rec140后后，表面传热系数又可高于光滑壁，这，表面传热系数又可高于光滑壁，这种现象

20、类似于粗糙壁对单相流体对流换热的影响。种现象类似于粗糙壁对单相流体对流换热的影响。第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer30 1. 改变表面的几何形状改变表面的几何形状强化凝结换热的原则是强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。面上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体者使已凝结的液体 尽快从换热表面上尽快从换热表面上 排泄掉。排泄掉。二、增强换热的措施二、增强换热的措施第7章 凝结与沸腾换热 Cond

21、ensation and Boiling Heat Transfer31、有效地排除不凝气体为此应使设备正压运行，对于负压运行的冷凝器（如发电厂冷凝器），则需加装抽气装置。、加速凝结液的排除加装中间导流装置、使用离心力、低频振动和静电吸引等方法加速凝结液的排泄。、关于形成珠状凝结的方法，目前正在研究的主要有：在凝结壁面上涂镀凝结液附着力很小的材料（如聚四氟乙烯、镀金）；在蒸气中加促进剂（如油酸）以促进珠状凝结的形成。 第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer327-2 沸腾换热沸腾换热 boiling heat transfer 蒸汽

22、锅炉蒸汽锅炉 烧开水烧开水 制冷剂在蒸发器中蒸发制冷剂在蒸发器中蒸发1 生活中的例子生活中的例子2 分类分类大空间沸腾大空间沸腾池沸腾池沸腾(pool boiling) 有限空间沸腾有限空间沸腾受迫对流沸腾受迫对流沸腾(forced flow boiling)， 当壁温高于液体的饱和温度时,发生沸腾过程每种又分为每种又分为: 过冷沸腾过冷沸腾(subcooled boiling) 饱和沸腾饱和沸腾(saturated boiling)。第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer33大空间沸腾大空间沸腾(池内沸腾池内沸腾)： 高于饱和温度

23、的热壁面沉浸在具有自由表面高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾，称为大空间沸腾。的液体中所发生的沸腾，称为大空间沸腾。加热表面加热表面此时产生的此时产生的汽泡能自由汽泡能自由浮升，穿过浮升，穿过液体自由表液体自由表面进入容器面进入容器空间。空间。5301205001050103410510610710210103自然对流泡态过渡态膜态ABCDEq (W/m )2tct = t - t ()s一、大空间饱和沸腾过程和沸腾曲线一、大空间饱和沸腾过程和沸腾曲线壁温与饱和温度之差称为过热度或沸腾温差t。 水的大空间饱和沸腾 Pure freeconvectionNucleate

24、boilingTransitionfrom nucleateboiling to filmboilingStable film boiling沸腾温差沸腾时的热流密度第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer35大空间饱和沸腾过程动画演示大空间饱和沸腾过程动画演示AB段段自然对流沸腾自然对流沸腾Pure free convection 加热壁面的过热度t很小（t5），壁面上只有少量气泡产生，而且这些气泡不能脱离壁面而浮升。因此，看不到沸腾现象，热量依靠自然对流由壁面传递到液体主体，蒸发在液体自由表面进行。 可近似按单相流体自然对流换热计

25、算其表面传热系数。5301205001050103410510610710210103自然对流泡态过渡态膜态ABCDEq (W/m )2tct = t - t ()sBC段段泡泡(核核)态沸腾态沸腾(nucleate boiling) 在加热面上的一些固定位置(核化点nucleation site)生成越来越多的气泡,并长大或发生合并,向上浮升，最后至容器自由液面,进入气相空间。换热热流密度q随t急剧增大，直到达到它的峰值qc（称做临界热流密度 critical heat flux）。 在这个区段的沸腾换热，气泡的生成及运动起着决定性的影响，对应壁面过热度约530。 5301205001050

26、103410510610710210103自然对流泡态过渡态膜态ABCDEq (W/m )2tct = t - t ()s沸腾临界点,相应的t称临界温度差 泡态沸腾具有过热度较小和换热强烈的特点，是工程应用中最重要、最常见的沸腾形态，一般工业设备的沸腾换热都设计在这个范围内。CD段段过渡沸腾过渡沸腾 点以后，随着过热度t继续增高，热流密度q呈降低趋势。这是因为生成的气泡越来越多，气泡汇聚而形成气膜覆盖在加热面上，而且气膜不稳定，会突然破裂变成大气泡跃离壁面，这种气膜阻碍了传热，使换热状况恶化。这种情况持续到最低热流密度qmin为止（见图7-7中D点，D点对应的温差约为120）。53012050

27、01050103410510610710210103自然对流泡态过渡态膜态ABCDEq (W/m )2tct = t - t ()sDE段段膜态沸腾膜态沸腾 形成稳定气膜盖。汽化只能在气液界面上进行，汽化所需热量除依靠导热和对流方式通过气膜传递外，还以辐射方式传递。此时加热面温度很高，辐射换热量将随热力学温度4次幂急剧增加，使D点以后的沸腾换热热流密度又继续随t增大。此区段称为稳定的膜态沸腾(film boiling)。 膜态沸腾与膜状凝结比较，共同之处是热量传递都必须通过膜层，但前者的膜层为气膜，后者为液膜，气膜热阻较大，故膜态沸腾换热系数要比膜状凝结小。 53012050010501034

28、10510610710210103自然对流泡态过渡态膜态ABCDEq (W/m )2tct = t - t ()s以上过程是依靠控制壁温以改变沸腾工况实现的。大多数沸腾换热设备是靠控制热流密度作为调节工况的基本手段，例如电加热器、核反应堆（加热循环冷却水）以及大型高压锅炉的炉内辐射加热等，这时必须特别注意防止发生事故。5301205001050103410510610710210103自然对流泡态过渡态膜态ABCDEq (W/m )2tct = t - t ()s沸腾临界点故一般热力设备的热流密度设计必须低于qc的峰值，以免烧毁。烧毁点 设用来做容器的纸的耐热设用来做容器的纸的耐热温度为温度为

29、180，导热系数为，导热系数为0.93 W/mK 。容器中装有水，。容器中装有水，在容器底下用在容器底下用1100的火焰的火焰加热，使水在大气压下沸腾。加热，使水在大气压下沸腾。设火馅侧的表面传热系数为设火馅侧的表面传热系数为93 W/m2K，水侧表面传热系，水侧表面传热系数为数为2330 W/m2K，纸的厚度，纸的厚度为为0.2mm。 在山区或者海滨野营，当没有锅盆等容器的时候，常用纸做成盒子煮开水。为什么这种装了水的纸制容器能耐火？请对其中的道理给予说明。An interesting question:第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Tr

30、ansfer42二、泡态沸腾机理二、泡态沸腾机理 略!第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer43三、大空间泡态沸腾表面传热系数的计算三、大空间泡态沸腾表面传热系数的计算影响泡态沸腾的因素主要是过热度和核影响泡态沸腾的因素主要是过热度和核化中心数，而核化中心数又受到壁面材料化中心数，而核化中心数又受到壁面材料及其表面状况、压力、物性的支配。及其表面状况、压力、物性的支配。由于影响的因素复杂，文献中提出的计由于影响的因素复杂，文献中提出的计算式算式分歧较大分歧较大，本节给出两种类型的计算式本节给出两种类型的计算式第7章 凝结与沸腾换热

31、Condensation and Boiling Heat Transfer441对于水，米海耶夫推荐在（140）105Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为15. 07 . 0533. 0pqh W/（m2K） 5 . 033. 2122. 0pththq2.罗森瑙（Rohsenow）热流密度计算式-不同工质 23,2/1/Pr)()(mWrcttcgrqsllwswlpvll第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and Boiling Heat Transfer45四、四、 泡态沸腾换热的增强泡态沸腾换热的增强一般来说,沸腾属于强对流换热,表面传热系数相对 较高。例如，水的沸腾表面传热系