《傳熱學(xué)》第7章 凝結(jié)與沸騰傳熱

第七章

凝結(jié)與沸騰傳熱CondensationAndBoilingHeatTransfer1一、凝結(jié)傳熱蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的傳熱。各種液體二、凝結(jié)傳熱的分類

1.膜狀凝結(jié)(filmwisecondensation):

在壁面形成完整的液膜的凝結(jié)。

2.珠狀凝結(jié)(dropwisecondensation)：凝結(jié)液以液珠的形式向下滾落時(shí)形成的對(duì)流傳熱。§7-1凝結(jié)傳熱現(xiàn)象2是否形成膜狀凝結(jié)主要取決于凝結(jié)液的潤濕能力，而潤濕能力又取決于表面張力。表面張力小的潤濕能力強(qiáng)。實(shí)踐表明，幾乎所有的常用蒸氣在純凈條件下在常用工程材料潔凈表面上都能得到膜狀凝結(jié)。3珠狀凝結(jié)的特點(diǎn)是小液珠在壁面形成、長大、脫落，沿途清掃液珠，壁面裸露，蒸氣直接與壁接觸，凝結(jié)成新的液珠。在珠狀凝結(jié)時(shí)，蒸氣與冷卻壁之間沒有液膜熱阻，故傳熱大的加強(qiáng)，一般

在工業(yè)中常用流體的潤濕能力都比較強(qiáng)。凝結(jié)時(shí)，先在壁面上凝結(jié)成液體，沿壁面下流，逐漸形成液膜。膜狀凝結(jié)時(shí)，壁面總被液膜覆蓋，凝結(jié)時(shí)放出的潛熱必須穿過液膜才能傳到壁面上，故液膜是換熱的主要熱阻。珠狀凝結(jié)好難于獲得4一、純凈蒸氣層流膜狀凝結(jié)分析解

凝結(jié)傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，如要考慮所有因素將無法進(jìn)行分析。傳熱學(xué)中慣用的方法是進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略次要因素，突出主要因素，使理論分析可以進(jìn)行。Nusselt1916年成功地用理論分析法求解了膜狀凝結(jié)問題。下面即為此理論：

1.物理問題：蒸氣在冷壁面凝結(jié)，形成液膜，蒸氣凝結(jié)將熱量傳給冷壁面，求傳熱系數(shù)。

§7-2膜狀凝結(jié)分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式51）常物性；2）蒸氣是靜止的，汽液界面上無對(duì)液膜的粘滯應(yīng)力；3）液膜慣性力可以忽略；4）汽液界面上無溫差，界面上液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度分布是線形的，即認(rèn)為液膜內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱，而無對(duì)流作用；6）液膜的過冷度可以忽略；7）v<<l，l可忽略不計(jì)；8）液膜表面平整無波動(dòng)。2.基本假設(shè)：6

取如右圖所示的坐標(biāo)系，因?yàn)橐耗ぞ哂羞吔鐚拥奶匦裕蕽M足邊界層微分方程組，但要加上重力項(xiàng)。Bernoulli方程邊界層外3.數(shù)學(xué)描述：74.求解8？x

處的質(zhì)量流量X+dx

處質(zhì)量流量的增加對(duì)微元體應(yīng)用熱力學(xué)第一定律即9得液膜厚度分離變量積分10豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：5.局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)NewtoncoolingLaw

（忽略過冷度）11傾斜壁水平管Nusselt

采用圖解積分得球表面12定性溫度，除r用ts

外其余皆為(tw+ts)/2公式使用范圍，層流Re<1600ReynoldsNumber當(dāng)量直徑橫管：用d代替L6.幾點(diǎn)說明13GalileoNumberJacobNumber7.準(zhǔn)則關(guān)系14CondensationNumber橫管15慣性力項(xiàng)及液膜過冷度的影響均可略而不計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)為1600。對(duì)于Pr數(shù)接近于1或大于1的流體，只要8.理論公式的修正橫管吻合很好。豎壁，Re<20時(shí)吻合好，Re>20時(shí)，實(shí)驗(yàn)值高20%16

對(duì)于Re>1600的湍流液膜，熱量的傳遞除了靠近壁面極薄的層流底層仍依靠導(dǎo)熱方式外，層流底層以外以湍流傳遞為主，換熱比層流時(shí)大為增強(qiáng)。對(duì)于底部已達(dá)到湍流狀態(tài)的豎壁凝結(jié)傳熱，其沿整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按下式計(jì)算：除Prw

的定性溫度用tw

外，其余均用ts，物性為凝結(jié)液的

二、湍流膜狀凝結(jié)傳熱17

例題7-1壓力為1.013×103Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)。壁的尺寸為30cm×30cm，壁溫保持98℃。計(jì)算每小時(shí)的熱換量及凝結(jié)蒸汽量。解：先假設(shè)液膜為層流。根據(jù)ts=100℃，查得r=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均溫度tm=(100+98)/2=99℃查取，得： ρ=958.4kg/m3,μ=2.825×10-4kg/(m.s),λ=0.68W/(m.K)則有：18核算Re準(zhǔn)則：說明原來假設(shè)液膜為層流成立。換熱量可按牛頓冷卻公式計(jì)算：凝結(jié)蒸汽量為：191.不凝結(jié)氣體：由于不凝結(jié)氣體形成氣膜，故：1).蒸氣要擴(kuò)散過氣膜，形成阻力；2).氣膜導(dǎo)致蒸氣分壓力降低，從而使ts

降低：嚴(yán)重性：1%的不凝結(jié)氣體能使h降低60%凝汽器§7-3影響膜狀凝結(jié)因素的討論202.蒸氣流速

前面的理論分析忽略了蒸氣流速的影響。

u向上液膜增厚h

；u

液膜破裂h

u

向下液膜減薄h；u

液膜破裂h

3.過熱蒸氣

實(shí)驗(yàn)證實(shí)h-h’代替

r即可4.液膜過冷度及溫度分布的非線形

只要用r’代替計(jì)算公式中的r，即可：215.管子排數(shù)

n排,特征長度d

nd

由于凝結(jié)液落下時(shí)要產(chǎn)生飛濺以及對(duì)液膜的沖擊擾動(dòng)，會(huì)使h

增大。6.管內(nèi)冷凝227.凝結(jié)表面情況

凝結(jié)傳熱的放熱系數(shù)一般比較大，故在常規(guī)冷凝器中其熱阻不占主導(dǎo)地位。但實(shí)際運(yùn)行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空氣的漏入使冷凝器平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯下降。實(shí)踐表明，采用強(qiáng)化措施可以收到實(shí)際效益。某些制冷劑的冷凝器中，強(qiáng)化有更大現(xiàn)實(shí)意義。強(qiáng)化的原則：盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚度。

實(shí)現(xiàn)的方法：尖鋒的表面使凝結(jié)液盡快從換熱表面上排泄掉如低肋管、縱向溝槽等表面改性，使膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié)表面涂層（油脂、納米技術(shù)）、離子注入2324(Boilingheattransferphenomena)一、定義：物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)發(fā)生的換熱叫沸騰傳熱。應(yīng)用：電站中的水冷壁；工業(yè)鍋爐中的省煤器；燒開水；冰箱中氟里昂的蒸發(fā)等。沸騰與前面介紹的凝結(jié)正好是正反兩個(gè)過程許多學(xué)科中正反過程的（物理機(jī)制）公式是一樣的傳熱有時(shí)不一樣（管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流）沸騰比凝結(jié)復(fù)雜得多§7-4沸騰傳熱現(xiàn)象251.按流動(dòng)動(dòng)力分

a).大容器(或池)沸騰(Poolboiling)：加熱壁面沉浸在有自由表面液體中所發(fā)生的沸騰。

b).強(qiáng)制對(duì)流沸騰(Forcedconvectionboiling)：液體在外力的作用下，以一定的流速流過壁面時(shí)所發(fā)生的沸騰傳熱。工業(yè)上的沸騰傳熱多屬于此。例如冰箱的蒸發(fā)器。自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面？

二、沸騰傳熱的分類262.從主體溫度分：

a).過冷沸騰(Subcooledboiling)：液體的主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸騰傳熱。

b).飽和沸騰(Saturatedorbulkboiling)：液體的主體溫度等于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸騰傳熱。例如燒開水27

4個(gè)區(qū)域(電阻絲加熱)A區(qū)t<4℃自然對(duì)流

pureconvection

過熱液體對(duì)流到自由液面后蒸發(fā)

B,C核態(tài)沸騰區(qū)

Nucleateboiling

B孤立汽泡區(qū)

individualbubbleregime

汽泡彼此不干擾,對(duì)液體擾動(dòng)大,換熱強(qiáng)

C汽塊區(qū)

Continuouscolumnregime擾動(dòng)更強(qiáng)q上升F

ABCDE三、大容器飽和沸騰曲線28

D過度沸騰Transitionboilingregime

汽泡迅速形成，許多汽泡連成一片，在壁面上形成一層汽膜，汽膜的導(dǎo)熱系數(shù)低，q

穩(wěn)定膜態(tài)沸騰Stablefilmboilingregime

汽泡的產(chǎn)生和脫離速度幾乎不變，在壁面上形成穩(wěn)定的汽膜,和h幾乎是常數(shù);q=ht;tq

E區(qū)，輻射比例小，F(xiàn)區(qū)輻射所占比例越來越大臨界熱通量（熱流密度）(Criticalheatflux)：

恒熱流（加熱）q=const.熱流密度與換熱條件無關(guān)

一旦熱流密度超過峰值，工況將沿qmax

虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，t

將猛升至近1000oC，可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀，所以亦稱燒毀點(diǎn)（Burnoutpoint）

電加熱、反應(yīng)堆恒熱流、實(shí)用中設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。29

1.汽泡穩(wěn)定存在條件：設(shè)有一個(gè)容器，底面加熱，上面壓力ps

對(duì)應(yīng)ts，如中間有汽泡，其內(nèi)壓力pv，溫度tv，周圍流體對(duì)應(yīng)pl,tl

。

穩(wěn)定條件：熱平衡力平衡熱平衡tl=tv

tl

<tv

汽泡向流體傳熱，汽泡中的汽要凝結(jié)縮??；

tl

>tv

液體向汽泡傳熱，汽泡中的汽要膨脹長大。力平衡取半個(gè)汽泡為控制體，受兩個(gè)力壓力差

表面張力四、汽泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介：30平衡時(shí)如略去液柱壓力，則討論：1).相對(duì)應(yīng)同上

這說明在液體發(fā)生相變時(shí)，實(shí)際上是一種近似的說法，其實(shí)，即有過熱的。312).汽泡起始于壁面：即

汽泡總是由小至大生長的，R越小，越易形成。其實(shí)液體中tl

也有分布，在壁面處tl=tw

最高，R最小,故汽泡在壁面上形成，而壁面凹處常有殘存氣體，故最先能滿足汽泡形成條件，這樣的地方稱為汽化核心（Nucleationsite）。3).tw

汽泡增多壁面附近32鍋爐水冷壁管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰時(shí)，由于產(chǎn)生的蒸氣混入液流，出現(xiàn)多種不同形式的兩相流結(jié)構(gòu)。

2.管內(nèi)沸騰簡(jiǎn)介33流動(dòng)類型單相水泡狀流塊狀流環(huán)狀流單相汽換熱類型單相對(duì)流傳熱過冷沸騰液膜對(duì)流沸騰濕蒸汽傳熱過熱蒸汽傳熱蒸干：液膜消失傳熱惡化（危機(jī)）：處341.大容器飽和核態(tài)沸騰影響核態(tài)沸騰的因素主要是：壁面過熱度汽化核心數(shù)（復(fù)雜）（楊工作）1）對(duì)于水，米海耶夫推薦的在105-4×106Pa壓力下大容器飽和沸騰的計(jì)算式為：由q=t，消去t式中：p沸騰絕對(duì)壓力

t=tw

-ts

壁面過熱度

q熱流密度§7-5沸騰傳熱計(jì)算式352）基于核態(tài)沸騰傳熱主要是汽泡高度擾動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱的設(shè)想，推薦以下適用性廣的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：36該式還可以改寫成以下便于計(jì)算的形式說明：該式實(shí)際也是Nu=f(Re,Pr)或St=f(Re,Pr)的形式特征質(zhì)量流速：特征尺度：復(fù)雜，當(dāng)由t求q時(shí)誤差可達(dá)100%；而由q

求t時(shí)，誤差為33%373）制冷介質(zhì)，庫珀(Cooper)公式目前用得較多式中：Mr

為液體的分子量；pr對(duì)比壓力（液體的壓力與其臨界壓力之比；Rp為表面粗糙度。38例題7-2圖7-11為1大氣壓下飽和水的沸騰曲線，試求此加熱系統(tǒng)的Cwl值。解：按式(7–17)確定Cwl已知：s=1,飽和溫度，而飽和水的物性從附錄查得為：39于是：從圖7-11讀得：時(shí)。于是：實(shí)際要幾個(gè)平均40例題7-3在1.013×105Pa的絕對(duì)壓力下，水在tw=113.9℃的鉑質(zhì)加熱面上作大容器內(nèi)沸騰，試求單位加熱面積的汽化率。解：壁面過熱度△t=113.9-100℃，從圖6-6知處于核態(tài)沸騰區(qū)，因而可按式(6–18)求取q

。從附錄查得，時(shí)水和水蒸氣的物性為：從表7-1查得：對(duì)于水-鉑組合：41代入式(7–18)得：?jiǎn)挝患訜崦娴钠蕿椋?2應(yīng)用汽膜的泰勒不穩(wěn)定性原理導(dǎo)得大容器沸騰的臨界熱流密度的半經(jīng)驗(yàn)公式：

例題7-5：計(jì)算水在1.013×105Pa壓力下沸騰時(shí)的臨界熱流密度，并與圖6-11比較。解：水及水蒸氣的物性同例題6-3。得：圖7-11知誤差7%

2.大容器沸騰的臨界熱流密度43

膜態(tài)沸騰中，汽膜的流動(dòng)和換熱在許多方面類似于膜狀凝結(jié)中液膜的流動(dòng)和換熱，適宜用簡(jiǎn)化的邊界層作分析。對(duì)于橫管的膜態(tài)沸騰，有以下公式：定性溫度l

和r由ts

決定，其余為0.5(tw+ts)

由于汽膜熱阻較大，而壁溫在膜態(tài)沸騰時(shí)很高，壁面的凈換熱量除了按沸騰計(jì)算的以外，還有輻射傳熱。輻射傳熱的作用會(huì)增加汽膜的厚度，因此不能認(rèn)為此時(shí)的總換熱量是按對(duì)流傳熱與輻射換熱方式各自計(jì)算所得之值的簡(jiǎn)單疊加。勃洛姆來建議采用以下超越方程來計(jì)算考慮對(duì)流傳熱與輻射傳熱相互影響在內(nèi)的復(fù)合傳熱的3.大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式44解：由確定。從附錄查得：、r按從附錄查得：膜態(tài)沸騰傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按式(7-21)計(jì)算，得：例題7-6水平鉑線通電加熱，在1.013×105Pa的水中產(chǎn)生穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。已知tw–ts=654C，導(dǎo)線直徑為1.27mm，求沸騰傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。45

1.不凝結(jié)氣體與膜狀凝結(jié)不同，溶解于液體中的不凝結(jié)氣體會(huì)使沸騰傳熱得到某種