传热学教学课件第六章 第一、二、三节

1、第六章 凝结与沸腾换热,凝结与沸腾换热,蒸汽遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。不过，与前面讨论的单项流体的对流换热相比，它们有一个新的特点，即他们都是伴随有相变的对流换热。凝结与沸腾换热广泛应用于各种冷凝器和蒸发器中，如电站汽轮机装置中的冷凝器、锅炉炉膛中的水冷壁，冰箱与空调器制冷剂的冷却器与蒸发器，化工装置中的再沸器等都是实例。本章先讨论凝结换热、然后再讨论沸腾换热。最近20年中，在凝结与沸腾换热的强化表面的研究方面取得了长足的进步，本章对此也将作些介绍。,第一节 凝结换热,定义：当蒸汽与低于其压力所对应的饱和温度的壁面接触时，蒸汽会在壁面上产生凝结，这时蒸汽与壁面之间的换热称为凝

2、结换热。 分类：根据蒸汽在壁面上形成的情形，凝结换热可分为 膜状凝结和珠状凝结 膜状凝结：当凝结液体能很好地润湿壁面时，它就会在壁面上铺展成膜。这种凝结成为膜状凝结。 珠状凝结：当液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上会形成一个个小液珠，这时的凝结称为珠状凝结。 实验查明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸气在内，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。,膜状凝结与珠状凝结的换热特点,膜状凝结时，蒸汽与壁面之间的传热，要经过凝结液膜层，相当于有一附加热阻，因此，蒸汽与壁面不能直接接触，所以，换热情况较差； 珠状凝结时，蒸汽能与壁面较好接触，换热情况较好； 珠状凝结换热情况较膜状

3、凝结要好。,第二节膜状凝结分析及相关实验关联式,物理模型 数学模型 数学求解 解的分析,物理模型,一个竖壁其温度低于蒸汽压力所对应的饱和温度，所以当蒸汽与该壁面接触时，便发生凝结换热，并在该壁面上形成如图所示的边界层。从边界层内取微元体，可建立其能量方程、动量方程和换热方程，并可写出其定解条件。,数学模型,微分方程组 边界条件,分析求解,1916年，努塞尔首先提出了纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解。他抓住了液体膜层的导热热阻是凝结过程主要热阻这一特点，忽略次要因素，从理论上揭示了有关物理参数对凝结换热的影响，长期以来被公认为是运用理论分析求解换热问题的一个典范。 在分析中，努塞尔作了若干个合理的假

4、设，以简化实际问题的复杂性。这些基本假设有,努塞尔的基本假设,常物性； 蒸汽是静止的，汽液界面上没有对液膜的粘滞应力； 液膜的惯性力可以忽略； 汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度， ； 液膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用； 液膜的过冷度可以忽略； ，即 相对于 可以忽略不计； 液膜表面平整无波动。,微分方程组简化过程,根据假设（3）液膜的惯性力可以忽略，所以动量方程中的惯性力可以忽略，即 由于液膜很薄，所以液膜内x方向的压力梯度可取液膜边界上，即 处液膜表面的压力梯度。 根据假设（2）蒸汽是静止的，汽液界面上没有对液膜的粘滞力。所以液膜表面上的流体可

5、视为理想流体，遵从理想流体的伯努力方程，所以有,微分方程组简化过程,此时动量方程可简化为 根据假设（7）， ，所以 所以动量方程可简化为 根据假设（5），液膜内的温度分布是线性的，即认为液膜内的热量传递只有导热，而没有对流，所以能量方程可简化为,简化后的换热方程组,由于只有两个未知数，因此只需要两个方程即可求解，所以简化后的方程组为 相应的边界条件为,方程组的求解,求解的思路是：先从简化的方程组获得包括液膜厚度在内的速度 u 分布及温度 t 分布的表达式； 再利用 dx 一段距离上凝结液体的质量平衡关系获得液膜厚度的表达式； 最后利用换热方程解出表面传热系数 h 的表达式。,求解结果,液膜厚度

6、计算式 局部表面传热系数计算式 平均表面传热系数计算式,对解的说明,上面的式子中，除了相变潜热按饱和温度 确定外，其他物性均取膜层平均温度为定性温度，膜层平均温度为 上述分析解就是按照努赛尔基本假设导出的，所以适用于满足上述条件的竖壁凝结换热,即层流膜状凝结换热。 上述计算式称为竖壁凝结换热的分析解。,水平圆管与球的凝结换热分析解,水平圆管外膜状凝结换热时平均表面传热系数的计算式 球壁外膜状凝结换热时平均表面传热系数的计算式 计算式中的定性温度与竖壁相同。,横管与竖壁平均表面传热系数计算式的比较,公式形式相同； 计算式的系数不同； 特征尺寸不同，横管与球用直径，竖壁用高度； 所以，在其他条件相

7、同时，横管的平均表面传热系数 与竖壁平均表面传热系数 的比值为 在 时，横管的平均表面传热系数是竖壁的2倍，所以冷凝器通常都采用横管的布置。,竖壁的计算式,水平管的计算式,球的计算式,倾斜壁面膜状凝结平均表面传热系数的计算式,对于与水平轴的倾斜角为 的斜壁，只需将竖壁计算公式中的g改写为 ，即 其他条件相同时，倾斜壁与竖壁平均表面传热系数的比值为 即在相同条件下，竖壁的凝结换热强度比倾斜壁要大。,膜层内流动状态的判断,膜层中凝结液的流态也有层流与湍流之分。 判别依据为膜层雷诺数。 膜层雷诺数的定义为：根据液膜的特点取当量直径为特征长度的雷诺数。 当Re1600时，上部为层流，下部为湍流。,液膜

8、雷诺数的计算,对于竖壁，在离开液膜起始处为 处的膜层雷诺数为 式中： 为壁底部 处液膜层的平均流速； 为该截面处液膜的当量直径。当液膜宽度为b时，湿周边 ，截面积 于是 带入液膜雷诺数的计算式，有,液膜雷诺数的计算,上式中， 是 处宽度为1m的截面上凝结液的质量流量，kg/(ms)。 该质量流量乘以汽化潜热就等于高l、宽1m的整个竖壁的换热量，即 将此关系式带入液膜雷诺数的计算式，有 上式中的物性参数都是指液膜的，为书写方便略去了角标。对于水平管只要用 代替上式中的l即可。,膜状层流凝结换热实验关联式,竖壁的计算式,水平管的计算式,球的计算式,膜状湍流凝结换热实验关联式,对于 湍流液膜，热量的

9、传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外的湍流区，热量传递以对流为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿着整个壁面的平均表面换热系数可按下式计算： 式中， 为层流段的平均表面传热系数； 为湍流段的平均表面传热系数； 为层流转变为湍流时转折点的高度； 为平板的总高度。,膜状湍流凝结换热实验准则关联式,方程式的形式 式中 定性温度：除 用壁温 外，其余均用流体的饱和温度，且物性参数均用凝结液的参数。 上式可用来计算整个壁面的平均表面传热系数。,第三节 影响膜状凝结的因素,不凝气体的影响 蒸汽流速 过热蒸汽 液膜过冷度及温度分布的非线形性 管子排数

10、管内冷凝 凝结表面的几何尺寸,不凝气体的影响,蒸汽中含有不凝结的气体，如空气，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分有害的影响。 例如，水蒸气中空气的含量为1，此时凝结换热的表面传热系数要降低60，后果非常严重。 对此现象可作如下解释。在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结，蒸汽分压力逐渐减小而不凝气体的分压力却逐渐增大。这样，蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散的方式穿越聚集在界面附近的不凝结气体层。因此，不凝气体层的存在增加了传热过程的阻力。同时蒸汽分压力的下降，使相应的饱和温度下降，减小了凝结的驱动力，也使凝结过程消弱。因此，在冷凝器的工作中，排除不凝结气体成为保证设计能力的重要关键。

11、,蒸汽速度的影响,努塞尔的理论分析忽略了蒸汽流速的影响，因此只适用于流速较低的场合，如电站的冷凝器等。 蒸汽流速较高时（对于水蒸气，流速大于10m/s时），蒸汽流动对液膜表面将会产生明显的粘滞应力。其影响又随蒸汽流向与重力场同向或异向、流速大小以及是否撕破液膜等而不同。 一般来说，当蒸汽流动方向与液膜向下的流动方向同方向时，使液膜拉薄，换热增强；反之，当蒸汽流动方向与液膜向下的流动方向相反时，蒸汽流动会使液膜厚度变厚，从而使换热减弱。,液膜过冷度及温度分布非线性的影响,努塞尔的理论分析忽略了液膜的过冷度影响，并假定液膜中的温度呈线性分布。 当蒸汽为过冷蒸汽时，分析表明，只要用 代替计算公式中的

12、 ，就可以照顾到这两个因素的影响。 此时 的计算公式为,过热蒸汽的影响,前面的讨论都是针对饱和蒸汽的凝结而言的。 对于过热蒸汽，实验证实，只要把计算式中的潜热用过热蒸汽与饱和液体的焓差即可； 此时 的计算可用 代替，并且 即可用前述饱和蒸汽的实验关联式计算过热蒸汽的凝结换热,管子排数的影响,前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。 对于沿液流动方向由 n 排横管组成的管束的换热，理论上只要将相应公式中的特征长度 d 换成 nd 即可。 实际上，这是过分保守的估计，因为上排凝结液并不是平静地落在下排管子上，而在落下时会产生飞溅以致对液膜产生冲击和扰动。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布置、流体的物性等，情况比较复杂。设计时最好参考适合设计条件的实验资料。,管内凝结的影响,在不少工业冷凝器中，蒸汽在差压作用下流经管子内部，同时产生凝结，此时换热的情形与蒸汽流速有很大的关系。 以水平管中的凝结为例，当蒸汽流速低时，凝结液主要集聚在管子的底部，蒸汽则位于管子上半部，其界面形状如图所示。 如果蒸汽流速比较高，则形成所谓的环状流，凝结液较