传热学第七章

第6章复习纲要物理现象相似及其基本特征、充要条件推导相似特征数的两种方法：方程分析法、量纲分析法相似准则数的物理意义表6-1、相似原理的应用管内流动：入口段、充分发展段、流态，两类边界条件下流体温度与壁面温度温差的变化，沿程局部对流换热系数变化规律常规流体管内强制对流传热关联式的修正：长度、温度、弯头，为何长度修正和弯头修正都大于1管内强制对流传热的计算：定性温度、特征长度外掠单管：边界层理论，沿程局部对流换热系数变化规律，定性温度、特征长度，横掠单管相关计算横掠管束：管排数目对换热的影响，管排的修正，相关计算，定性温度、特征长度、最窄处流速的计算自然对流：边界层理论、速度分布、温度分布，自然对流关联式计算时的特征长度和定性温度（竖圆柱、竖壁、横圆柱、横板、有限空间夹层）。7.1凝结传热的模式7.2膜状凝结分析解及计算关联式7.3膜状凝结的影响因素及其传热强化7.4沸腾传热模式7.5大容器沸腾传热的实验关联式7.6沸腾传热的影响因素及其强化第7章凝结与沸腾换热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、水冷壁等。第7章凝结与沸腾换热第7章凝结与沸腾换热相变换热属于对流换热，基本计算公式仍为牛顿冷却公式沸腾换热：凝结换热：相变换热的主要任务:确定h与各影响因素之间的函数关系。相变换热的研究：（1）相变换热的机理及数学描述方法；（2）特殊应用领域的相变换热规律，如：微重力条件下的沸腾换热微槽道沸腾换热低温工程中制冷剂的混合工质相变换热等。

（3）传统工业领域中相变换热的强化技术。

动力工程、低温制冷、环境工程，过程工程等第7章凝结与沸腾换热7-1凝结传热的模式

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，称为凝结换热现象。2、分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分为两种珠状凝结与膜状凝结7.1.1珠状凝结和膜状凝结

(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。

(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。7.1.1珠状凝结和膜状凝结

(3)其他凝结方式7.1.1珠状凝结和膜状凝结珠状凝结珠状凝结的表面换热系数>>膜状凝结，但是一般无法长久保持。

2.55×1055000～250007.1.1珠状凝结和膜状凝结膜状凝结特点：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。珠状凝结特点：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。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。7.1.2凝结液构成了蒸汽与壁面间的主要热阻如何在凝结换热设备里长时间地保持珠状凝结是强化凝结换热的重要研究课题。

7.1.2凝结液构成了蒸汽与壁面间的主要热阻膜状凝结是工程设计依据实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。工业时间应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。强化膜状凝结的途径－减薄液膜的厚度7.1.37-2膜状凝结分析解及试验关联式

7.2.1层流膜状凝结分析解

努塞尔（1916）首先建立了层流膜状凝结换热的简化热物理模型和数学模型.WILHELMNUSSELT1882-1957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，并形成了各种实用的计算方法。首先了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。假设：1）常物性；2）蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力；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1）对实际问题的简化图7-4努赛尔理论分析的坐标系与边界条件7.2.1层流膜状凝结分析解2）边界层方程组的简化在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为：以竖壁的膜状凝结为例：x坐标为重力方向，如图所示。

图7-4努赛尔理论分析的坐标系与边界条件7.2.1层流膜状凝结分析解7.2.1层流膜状凝结分析解

适用条件：研究证明，如果满足7.2.2

竖直管与水平管的比较与实验验证努塞尔理论解还可以推广到水平单圆管及球体外表面的膜状凝结（一般为层流）：

1、水平圆管及球表面的凝结传热表面系数对于水平管束，

n为垂直方向上管子的数目。因为上排管子的凝结液流下来会有冲击和飞溅效应，所以上式计算值偏低。7.2.2

竖直管与水平管的比较与实验验证3、分析解的实验验证和假设条件竖壁当Re<20时，实验数据与理论解相符；当Re>20时，实验数据越来越高于理论解，最高大于20%图7-7竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果比较对竖壁的修正：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。Pr数接近1或大于1的流体，只要无量纲量时，微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响均可忽略。

其他假设修正>>>17.2.3湍流膜状凝结换热7.2.3湍流膜状凝结换热7.2.3湍流膜状凝结换热7.2.3湍流膜状凝结换热P309习题7-1压力为1.013×105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结，壁的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98oC。试计算每小时的传热量及凝结蒸气量。7-3凝结换热的影响因素及传热强化7.3.1膜状凝结的影响因素1.不凝结气体来源：蒸气带入、蒸气分解、系统漏入等。危害：含有1%空气，表面传热系数降低60%。原因：不凝结气体将蒸气与液膜隔开，增大了传热阻力；不凝结气体还使蒸气分压力下降，饱和温度降低，温差减小，使凝结过程削弱。措施：断绝来源，去除不凝结气体。如抽气器、空气分离器等。7-3凝结换热的影响因素及传热强化7.3.1膜状凝结的影响因素2.管子排数竖管管束：相互之间不影响凝结，只增大传热面积。横管管束：不重叠时，不相互影响；重叠时，上排管子凝结液滴下落时，有飞溅作用。会减薄下排管子液膜，同时产生冲击扰动，两者都会使传热增强。3.管内冷凝蒸气流速不同，管内液膜形状不同，热阻不同。低速时：聚在底部高速时：分布在四周7-3凝结换热的影响因素及传热强化7.3.1膜状凝结的影响因素4.蒸气流速在竖壁上，两种情形：蒸气流速与液膜流动同方向，拉薄液膜，增大传热；蒸气流速与液膜流动反方向，增厚液膜，减弱传热。5.蒸气过热度过热蒸气在换热器中放热，两个阶段：过热蒸气饱和蒸气饱和液体因此，过热蒸气冷却会增大传热量，但减少了凝结液的产生。6.液膜过冷度及温度分布的非线性可对相变热进行修正：7-3凝结换热的影响因素及传热强化7.3.2膜状凝结的强化原则和技术1.尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则两种方法：①减薄液膜厚度；②及时排除液体。2.强化技术简介竖壁、竖管：降低传热面高度，竖管改为横管；利用尖峰：液膜表面张力减薄尖峰上液膜厚度。7-3凝结换热的影响因素及传热强化7.3.2膜状凝结的强化原则和技术内侧微肋管：有效减少热阻。分段排液：控制液膜厚度。7-3凝结换热的影响因素及传热强化1.竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加还是减小，为什么？竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重力而是重力的一部分，液膜流动变慢，从而热阻增加，表面传热系数减小。另外，从表面传热系数公式知，公式中的g亦要换成gsinθ（gcosθ），从而h减小。2.在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介质是水蒸汽，而在制冷剂（氟里昂）的冷凝器中，冷凝介质是氟里昂蒸汽。在工程实际中，常常要强化制冷设备中的凝结换热，而对电厂动力设备一般无需强化。试从传热学的角度加以解释。相变对流换热主要依靠潜热传递热量，而氟利昂的汽化潜热只有水的约1/10，因此电厂动力冷凝器中水蒸气的凝结表面换热系数很大，凝结侧热阻不占主导地位。而制冷设备中氟利昂蒸气的凝结表面传热系数较小，主要热阻往往在凝结侧，因而其强化就有更大现实意义。4、压力0.7＊105Pa的饱和蒸汽，在高0.3m,壁温为70℃的竖壁直平板上发生膜状凝结，求平均表面传热系数及平板每米宽的凝液量。5，一竖管，管长为管径的64倍，为使管子竖放与水平放置时的凝结表面传热系数相等，必须在竖管上安装多少泄液盘？设相邻泄液盘之间的距离相等。管子竖直放置时其表面传热系数6．压力为1.h013*105Pa的饱和水蒸气，用壁温为90℃的水平铜管来凝结。方案一是用一根直径为10cm的铜管，方案二是用10根直径为1cm的铜管。其他条件都相同，哪个方案产生的凝液量多?7-4沸腾传热的模式生活工业生产中的例子工业：电站中的水冷壁；冰箱中氟里昂的蒸发等。生活：烧开水7-4沸腾传热的模式汽化的两种形式：

蒸发：液体表面上的汽化过程。

沸腾：根据流体运动的动力分类：

大容器沸腾：

管内沸腾：液体温度超过相应压力下的饱和温度时所发生的汽化现象，伴随大量汽泡(bubble)产生。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：气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。

流体的运动需加外加的压差才能维持。(池沸腾)(强迫流动沸腾)7-4沸腾传热的模式饱和沸腾：将水加热到饱和温度，产生沸腾过冷沸腾：流体处于末饱和状态即低于饱和温度的沸腾现象

均相沸腾：因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加热面。非均相沸腾：因表面加热产生的沸腾现象。根据沸腾过程是否有加热面分类：根据沸腾过程流体温度分类：是液氮、液氧等低温流体在输送过程中一类易发的物理现象，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。1.大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾的特点：加热表面上有汽泡生成，随着汽泡长大和脱离壁面，容器内的液体受到剧烈扰动，换热强度很高。饱和沸腾曲线:qw~

t7.4.1大容器饱和沸腾的三个区域实验：不锈钢电加热棒，置于盛水的大烧杯中，将水加热到饱和温度，产生沸腾——饱和沸腾。提高加热棒电流密度，可增大过热度。7.4.1大容器饱和沸腾的三个区域7.4.1大容器饱和沸腾的三个区域过热度增加，汽泡合并，成为气块、气柱，产生气泡的速度小于气泡脱离加热面的速度；气泡的剧烈扰动，使传热急剧增大；沸腾特点：温压小，传热强，工业设计都在此范围。7.4.1大容器饱和沸腾的三个区域7.4.1大容器饱和沸腾的三个区域核态沸腾过渡沸腾膜态沸腾7.4.2临界热流密度及其工程意义61思考：

两滴完全相同的水珠分别落在120℃和400℃的铁板上，哪一滴先汽化掉？落在120摄氏度铁板上水先汽化掉，因为水珠在120摄氏度铁板上的沸腾换热是核态沸腾，换热强烈。而水珠在400摄氏度的铁板上的沸腾换热是膜态沸腾，换热较弱落在120摄氏度铁板上水先汽化掉，因为水珠在120摄氏度铁板上的沸腾换热是核态沸腾，换热强烈。而水珠在400摄氏度的铁板上的沸腾换热是膜态沸腾，换热较弱7.4.3气泡动力学简介1.为什么沸腾传热有那样高的传热强度对水的核态沸腾：比强制对流至少高一个数量级。原因：①汽化时，吸收汽化潜热；②汽泡运动，引起流体剧烈扰动。强化沸腾传热：增大汽泡数量，即增加汽化核心。7.4.3气泡动力学简介2.加热表面上什么地点最容易成为汽化核心工程实践表明：加热壁面上凹坑、细缝、裂穴等最可能成为汽化核心。两方面原因：①狭缝处加热面积比平直处大，传递热量多；②狭缝处容易残留气体，成为产生汽泡的核心。7.4.3气泡动力学简介3.加热面上要产生汽泡，液体必须过热汽泡形成条件：汽泡内外压力差=表面张力7.4.3气泡动力学简介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。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比较复杂，导致了各个计算公式分歧较大。目前存在两种计算式，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。7-5大容器沸腾传热的实验关联式7-5大容器沸腾传热的实验关联式（1）米海耶夫公式（适用于水在105～4×106压力下大容器饱和沸腾）：7.5.1大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式（2）罗森诺Rohsenow公式——多种液体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：7.5.1大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式Cwl

为根据加热面与液体种类选取的经验常数；朱伯（N.Zuber）给出了大空间核态饱和沸腾临界热流密度的计算公式

：适用条件：大空间核态饱和沸腾，加热表面的特征尺寸远大于汽泡平均直径。临界热流密度的数值与压力密切相关，在比压力（液体的压力与其临界压力之比）大约等于0.3处临界热流密度具有极大值。7.5.2大容器沸腾的临界热流密度计算公式3.大容器膜态沸腾换热的计算公式7.6沸腾传热的影响因素及其强化7.6.1影响沸腾传热的因素1.不凝结气体与膜状凝结不同，不凝结气体，往往成为汽化核心，可强化传热。但实现困难，需用设备不断注入不凝结气体。2.过冷度在核态沸腾起始阶段，过冷度可增大自然对流强度，传热增强。在其他沸腾传热阶段基本无影响。3.液位高低液位低于“临界液位”，沸腾传热会增强，临界液位：对常压下水，其值约为5mm

。液位较高时，液位对传热无影响。4.重力加速度重力加速度会影响自然对流传热，但对核态沸腾几乎无影响。7.6.1影响沸腾传热的因素5.管内沸腾竖管管内沸腾（水冷壁管子），沿液体流动方向依次出现：对流传热过冷沸腾饱和核态沸腾液膜对流沸腾湿蒸汽传热过热蒸汽传热7.6.1影响沸腾传热的因素强化沸腾换热的措施（1）提高壁面过热度

t;（2）采用强迫对流沸腾;（3）改变加热壁面状况等;7.6.2强化沸腾传热的原则和技术热管技术简介1.热管的工作原理热管技术简介1.热管的工作原理热管工作过程动画注意：热管中的水会因为内部低压而在100℃以下就沸腾蒸发。水蒸汽流热量输入液态水蒸发液体由于重力或吸附力回流水蒸汽冷凝热量