沸腾给热与冷凝给热

福州大学化工原理电子教案传热福州大学化工原理电子教案传热--2-沸腾给热与冷凝给热液体沸腾和蒸汽冷凝必需伴有流体的流淌，故沸腾给热和冷凝给热同样属于对流传热。但与前面所讲的对流不同，这两种给热过程伴有相变化。相变化的存在，使给热过程有其特有的规律。沸腾给热按设备的尺寸和外形可分为：大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而引起的无强制对流的沸腾现象。管内沸腾：在确定压差下流体在流淌过程中受热沸腾〔强制对流而且加热面上气泡不能自由上浮，被迫随流体一起流淌，消灭了简洁的气液两相的流淌构造。工业上有再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等都是通过沸腾传热来产生蒸汽。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾更为简洁。本节仅争论大容器的沸腾传热过程。〔1〕大容积饱和沸腾依据管内液流的主体温度是否到达相应压力下的饱和温度，沸腾给热还有过冷沸腾与饱和沸腾之分。假设液流主体温度低于饱和温度，而加热外表上有气泡产生，称为过冷沸腾。此时，加热面上产生的气泡或在脱离之前、或脱离之后在液流主体中重分散，热量的传递就是通过这种汽化——冷凝过程实现的。当液流主体温度到达饱和温度，则离开加热面的气泡不再重分散。这种沸腾称为饱和沸腾。气泡的生成和过热度由于外表张力的作用，要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。而气泡生成和长大都需要从四周液体中吸取热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温度，故液体必需过热，即液体的温度必需高于气泡内压力所对应的饱和温度。在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。液体的过热是相——小气泡生成的必要条件。粗糙外表的气化核心开头形成气泡时，气泡内的压力必需无穷大。这种状况明显是不存在的，因此纯洁的液体在确定光滑的加热面上不行能产生气泡。气泡只能在粗糙加热面的假设干点上产生，这种点称为气化核心。无气化核心则气泡不会产生。过热度增大，气化核心数增多。气化核心是一个简洁的问题，它与外表粗糙程度、氧化状况、材料的性质及其不均匀性质等多种因素有关。大容积饱和沸腾曲线如以下图，以常压水在大容器内沸腾为例，说明t对的影响。①AB段，t=tw－ts，t很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。在此阶段，汽化现象仅发生在液体外表，严格说还不是沸腾，而是外表汽化。此阶段，较小，且随t上升得缓慢。②BC段，t>2.2C时，加热面上有气泡产生，给热系数随t急剧上升。这是由于汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增加，对流传热系数增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。③CD段，t，。当t进一步增大到确定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的较小，使，此阶段称为不稳定膜状沸腾。DE段，t>250C时，气膜稳定，由于加热面t 高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳W定膜状沸腾。工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下大，tW

小。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点C称为临界点〔此后传热恶化tc

、q。对于常压水在大容器内沸腾时：c ct=25C、q=1.25×106W/m2。c ct不大于其临界直径tc状沸腾，使急剧下降。即不适当地提高热流体温度，反而使沸腾装置的效率降低。对于由恒热流热源〔电加热等〕qqq，将使加热面温度急c c剧上升，甚至将设备烧毁。沸腾的计算沸腾给热的影响因素：cp L和 等。v②加热外表的粗糙状况和外表物理性质，特别是液体与外表的润湿性。③操作压力和温差。关于沸腾给热至今尚没有牢靠的一般阅历关联式。但已积存了大量的试验资料，这些资料说明沸腾给热系数的试验数据可按以下函数形式关联：At2.5Bts或 lglgA2.5lgtts式中t——蒸汽的饱和温度，C。s

lgBa2.5lgtbtsa和b通过试验测定的两个参数，不同的外表与液体的组合，其值不同。沸腾给热过程的强化在沸腾给热中，气泡的产生和运动状况影响极大。气泡的生成和运动与加热外表状况及液体的性质两方面因素有关。因此，沸腾给热的强化也可以从加热外表和沸腾液体两方面入手。①将金属外表粗糙化，这样可供给更多汽化核心，使气泡运动加剧，给热过程得以强化。②在沸腾液体中参与少量添加剂，转变沸腾液体的外表张力，添加剂还可提高沸腾液体的临界热负荷。③气、液、固三相流：在气液相中参与固体粒子。④EHD〔Electrohydrodynamics〕强化传热。蒸汽冷凝给热冷凝给热过程的热阻蒸汽冷凝作为一种加热方法在工业生产中得到广泛应用。在蒸汽冷凝加热过程中，加热介质为饱和蒸汽。饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时，将分散为液体，释放出汽化潜热。在饱和蒸汽冷凝过程中，汽液两相共存，对于纯物质蒸汽的冷凝，系统的自由度为fc2f1221汽相：p给定→ts，即只能有一个汽相温度。或者说，在冷凝给热时汽相不行能存在温度梯度。在传热过程中，温差是由热阻造成的。汽相主体不存在温差，汽相内不存在任何热阻。这是由于蒸汽在冷凝给热过程中，蒸汽分散而产生的冷凝液形成液膜将壁面掩盖。因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液外表上发生，冷凝时放出的潜热必需通过这层液膜才能传给冷壁。冷凝给热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝给热过程的一个主要特点。假设加热蒸汽是过热蒸汽，而且冷壁温度高于相应的饱和温度，则壁面上不会发生冷凝现象，蒸汽与壁面之间只是一般的对流给热。此时，热阻将集中于壁面四周的层流层内。因蒸汽的导热系数比冷凝液的给热系数小得多，故冷凝

>> 。液膜液膜中间层s假设壁温小于t，则过热蒸汽温度从tsv

降到饱和温度，在壁面冷凝，同样形tts vtt成液膜。即过热蒸汽t

t t,t>tw s >tw

t ts w

tw ts

过热蒸汽v tw

t不会冷凝，无相变s膜状冷凝和滴状冷凝饱和蒸汽冷凝给热过程的热阻主要集中在冷凝液液膜内，因此，冷凝液的流淌状态对给热系数必有极大的影响。冷凝液在壁面上的存在和流淌方式有两种类型：膜状冷凝和滴状冷凝。膜状冷凝：假设冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流淌。滴状冷凝：假设冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上分散成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。通常滴状冷凝时蒸汽不必通过液膜传热，可直接在传热面上冷凝，其对流传热系数比膜状冷凝的对流5～10倍。但滴状冷凝难于把握，因此工业上冷凝器的设计大多是按膜状冷凝考虑。冷凝给热系数〔数学模型法〕液膜流淌与局部给热系数有一垂直平壁，饱和蒸汽在其上冷凝，冷凝液借重力沿壁流下。因整个高度上都存在冷凝，故越往下凝液流量越大，液膜越厚。液膜厚度沿壁高的变化必定导致热阻或给热系数沿高度分布不均匀。上部液膜。假设壁足够高，冷凝量较大，则壁下部液膜发生湍流流淌，此时局部给热系数反而有所提高。蒸汽在垂直管外或板侧冷凝①冷凝液膜为层流时的平均假设：液膜为等速流淌，蒸汽存在不影响液膜流淌，且为纯导热过程，理论上可推导出C

r2g31 Lt

1/4试验结果验证了这一关系的正确性，同时测出C1113，即r2g3 Lt Lt

1/4注：aReM20234LtReM rbL为管长或板高；c、各物性参数是凝液的物性，定性温度取t M

tw s；2sd、rts

时的汽化潜热；twse、t=t－。tws②湍流时的给热系数M适用范围：Re>2023；定性温度：膜温MLH

2g3 20 2

1/3

Re0.4MM 注：Re 是指板或管最低处的值〔此时Re M M在计算过程中，因未知，Re 未知，所以须假设，先假设为层流，用层流公式求出，再进展验证。M蒸汽在单根水平管外的冷凝给热系数蒸汽在水平管外冷凝，液膜厚度薄，全是层流，其给热系数为式中d——圆管外径，mt t

r2g3 dt dt

1/4定性温度：膜温t

s w，用膜温查冷凝液的物性、和rt2 s

查；此时认为主体无热阻，热阻集中在液膜中。在其他条件一样时，水平圆管的给热系数和垂直圆管的给热系数之比是垂直 0.64(L d水平

)1/4由于 >水平

，所以工业冷凝器大局部是卧式的，但蒸发器是立式的。水平管束外的冷凝给热系数就第一排管子而言，其冷凝状况与单根水平管一样。但是，对其他各排管子来说，冷凝状况必受到其上各排管流下的冷凝液的影响。如假定从上排管流下的冷凝液只是平稳地流至下排管使液膜增厚，热阻增加，而且各排管温差一样， dt 则水平管束的平均给热系数只要将式 dt

1/4

dndn为管束在垂直方向上的管排数。但是冷凝液下流时不行避开地会撞击和飞溅，使下排液膜扰动增加。考虑到扰动的影响，将上式改为r2g30.725

1/4n2/3dt 液膜气膜对于右图所示的管束，n液膜气膜影响冷凝给热的因素及强化措施不凝气体的影响在实际的工业冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性气体，如空气。当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜外表浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到达液膜外表冷凝前，必需先以集中的方式通过这层气膜。这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数小，使蒸汽冷凝1%时，60%左右。因此，在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放不凝气体，削减不凝气体对的影响。蒸汽过热的影响蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。

tw ts tv过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触〔tw

>ts热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触〔tw

<t，由两个串联的传热过程组成：冷却和冷凝。s整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却到饱和温度，然后在液膜外表连续冷凝，冷凝的推动力仍为t=t－t。s w一般过热蒸汽的冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理，所以前面的公式仍适用。但此时应把显热和潜热都考虑进来rc(t t)r，为过热蒸汽的比热和温度。工业中过热蒸汽显热增加较小，可近似用饱和p v s蒸汽计算。蒸汽流速与流向的影响前面介绍的公式只适用于蒸汽静止或流速不大的状况。蒸汽的流速对有较大的影响，蒸汽流速较小u<10m/s时，可不考虑其对u>10m/s时，还要要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。蒸汽与液膜流向一样时，会加速液膜流淌，使液膜变薄,；蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流淌，使液膜变厚，；但u时，会吹散液膜，。一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上