對流換熱教程

1第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式┄┄┄┄┄┄┄（5）單元7對流換熱7.1.1對流換熱的概念┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）單元7對流換熱┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（4）7.1.2對流換熱的機(jī)理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（7）7.1.3牛頓冷卻公式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（11）7.1.4影響對流換熱系數(shù)的主要因素┄┄┄┄┄（13）7.2對流換熱計算概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（18）7.2.1對流換熱準(zhǔn)則數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（19）7.2.2準(zhǔn)則數(shù)之間的關(guān)系┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（23）7.2.3定性溫度與特征尺寸┄┄┄┄┄┄┄┄┄（25）7.2.4換熱計算的一般步驟┄┄┄┄┄┄┄┄┄（28）7.3單相流體對流換熱計算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（29）7.3.1管內(nèi)流體強(qiáng)制對流換熱計算┄┄┄┄┄┄（29）7.3.2管外流體強(qiáng)制對流換熱計算┄┄┄┄┄┄（36）2第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.3.3自然對流換熱的計算┄┄┄┄┄┄┄┄┄（43）7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（51）單元7對流換熱7.4.1沸騰換熱┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（51）7.4.2凝結(jié)換熱┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（64）7.4.3熱管技術(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（72）3第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日【知識點】牛頓冷卻公式，強(qiáng)制對流換熱，自然對流換熱，凝結(jié)換熱，沸騰換熱?！灸芰δ繕?biāo)】掌握：各種對流換熱的基本概念。理解：強(qiáng)制對流換熱和自然對流換熱及其特征。熟悉：各公式的適用范圍以及各種相關(guān)參數(shù)的合理選擇。應(yīng)用：能應(yīng)用相關(guān)概念和公式進(jìn)行對流換熱分析和計算。單元7對流換熱4第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日對流換熱是指流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象。在這一過程中，不僅有離壁面較遠(yuǎn)處流體的對流作用，同時還有緊貼壁面薄層流體的導(dǎo)熱作用。因此，對流換熱實際上是一種由熱對流和導(dǎo)熱共同作用的復(fù)合換熱形式。對流換熱按流體流動原因分為強(qiáng)制對流換熱和自然對流換熱；按流體是否有相變分為相變對流換熱和無相變對流換熱；相變對流換熱又分為凝結(jié)換熱和沸騰換熱?？梢园褜α鲹Q熱分成以下幾類，如圖7.1所示：7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式7.1.1對流換熱的概念5第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日圖7.1對流換熱分類

7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式6第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日流體的流動狀態(tài)可以分為兩種類型：一種是流體質(zhì)點始終沿流向作直線運(yùn)動，質(zhì)點和流層間彼此不摻混，這種流動狀態(tài)稱為層流；另一種是流體質(zhì)點不僅有沿流向的運(yùn)動，還有垂直于流向的運(yùn)動，流層間相互摻混，這種流動狀態(tài)稱為紊流。在紊流中，由于流體的質(zhì)點相互摻混，碰撞更為強(qiáng)烈，因此對流換熱效果會更強(qiáng)。當(dāng)具有粘性的流體流過壁面時，就會在壁面上產(chǎn)生粘滯力。粘滯力阻礙了流體的運(yùn)動，使靠近壁面流體的速度降低，使直接貼附于壁面的流體近于停滯不動，流體速度u=0。一般地，把從緊貼壁面速度u=0至速度等于來流速度u=u∞之間的流體薄層稱為流體的速度邊界層。邊界層的厚度一般很小，如圖7.2所示。7.1.2對流換熱的機(jī)理7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式7第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日以流體在管內(nèi)流動為例，流體的流動狀態(tài)在沿流向x軸方向和與流向垂直的y軸方向都有變化。如圖7.3所示。圖7.2速度邊界層

圖7.3流體的流態(tài)

7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式8第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（1）流體在流動方向x上的流態(tài)變化在流體入口處，粘滯力起主導(dǎo)作用，速度梯度相當(dāng)大，流體呈現(xiàn)層流狀態(tài)，形成層流段。流體繼續(xù)流動，層流邊界點開始逐漸偏離壁面，向y方向移動。當(dāng)流體到達(dá)一定距離時，流體的慣性力逐漸強(qiáng)于流體的粘滯力，使邊界層內(nèi)的流動變得不穩(wěn)定起來，流態(tài)朝著紊流方向過渡，形成過渡段。隨著流動的距離繼續(xù)增加，流體呈現(xiàn)旺盛紊流狀態(tài)，形成紊流段。（2）紊流段中流體在y方向上的流態(tài)變化由于緊貼壁面處的粘滯力仍起主導(dǎo)作用，致使貼附于壁面的極薄層的流體仍保持層流的狀態(tài)，這一薄層流體稱為層流底層。底層之上即為紊流層。7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式9第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)流體在壁面上流動時，其緊貼壁面的極薄的層流底層相對于壁面幾乎是不流動的。壁面與流體間的熱量傳遞必須通過這個層流底層，熱量傳遞的方式只能是導(dǎo)熱這種方式，因此對流換熱量實際上就等于層流底層的導(dǎo)熱量。在層流段，沿壁面法線方向上的熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱作用；在紊流段，層流底層內(nèi)的熱量傳遞方式仍然是導(dǎo)熱，這是紊流段主要的熱阻；但在層流底層以外，對流的作用仍然占主導(dǎo)作用。因此，對流換熱實際上是依靠層流底層的導(dǎo)熱和層流底層以外的對流共同作用的結(jié)果。對流換熱的熱阻主要集中在流體的層流內(nèi)層內(nèi)，因此減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對流換熱的主要途徑。7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式10第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.1.3牛頓冷卻公式7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式11第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式12第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日如前所述，對流換熱是對流和導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果，那么所有支配這兩種作用的因素，諸如流動的起因、流動狀態(tài)、流體物性、物相變化、壁面的幾何參數(shù)、管路的振動等等，都會影響對流換熱系數(shù)α。（1）流體流動的起因流體在壁面上流動的原因有兩種：一種是自然對流，另一種是強(qiáng)制對流。一般地說，強(qiáng)制對流的流速較自然對流高，因而對流換熱系數(shù)也高。例如空氣自然對流換熱系數(shù)約為5～25W/（m2·℃），強(qiáng)制對流換熱系數(shù)可達(dá)10～100W/（m2·℃）；再如受風(fēng)力影響，房屋墻壁外表面的對流換熱系數(shù)比內(nèi)表面高出一倍以上。7.1.4影響對流換熱系數(shù)的主要因素7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式13第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（2）流體的流態(tài)流體的流動存在著兩種不同形式的流態(tài)，即層流和紊流。層流時，流體沿壁面法線方向的熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱，故對流換熱系數(shù)的大小取決于流體的導(dǎo)熱系數(shù)。紊流時，紊流核心的熱阻較小，對流換熱系數(shù)的大小主要取決于層流底層的熱阻。因此，要強(qiáng)化對流換熱效果，應(yīng)該在一定程度上提高流體的流速，這樣可以使流體的流態(tài)由層流變?yōu)槲闪?，減小層流底層的厚度，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（3）流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)如密度ρ、動力粘度ν、導(dǎo)熱系數(shù)λ以及定壓比熱容cp等，對對流換熱有很大的影響。流體的導(dǎo)熱系數(shù)越大，流體與壁面之間的熱阻就越小，換熱就越強(qiáng)烈；7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式14第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日流體的比定壓熱容和密度越大，單位質(zhì)量攜帶的熱量就越多，傳遞熱量的能力就越強(qiáng)；流體的粘度越大，粘滯力就越大，這就阻礙了流體的流動，加大了層流邊界層的厚度，不利于對流換熱。（4）流體的相變流體是否發(fā)生了相變，對對流換熱的影響很大。流體不發(fā)生相變的對流換熱，是由流體顯熱的變化來實現(xiàn)的。而對流換熱有相變時，流體吸收或放出汽化潛熱。對于同種流體，潛熱換熱要比顯熱換熱劇烈得多。因此，有相變時的對流換熱系數(shù)要比無相變時的大。另外，沸騰時液體中氣泡的產(chǎn)生和運(yùn)動增加了液體內(nèi)部的擾動，從而強(qiáng)化了對流換熱。7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式15第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（5）換熱表面的幾何因素幾何因素是指換熱表面的形狀、大小、狀況（光滑或粗糙程度）以及相對位置等。幾何因素影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對流換熱的效果。如圖7.4（a）所示，流體在管內(nèi)強(qiáng)制流動與管外強(qiáng)制流動，由于換熱表面不同，流體流動產(chǎn)生的邊界層也不同，其換熱規(guī)律和對流換熱系數(shù)也不相同。在自然對流中，流體的流動與換熱表面之間的相對位置，對對流換熱的影響較大，圖7.4（b）所示的平板表面加熱空氣自然對流時，熱面朝上氣流擾動比較激烈，換熱強(qiáng)度大；熱面朝下時流動比較平靜，換熱強(qiáng)度較小。7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式16第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（6）管路的振動當(dāng)換熱介質(zhì)流經(jīng)換熱器管路時，會或多或少地引起管路的振動，尤其是蒸汽介質(zhì)，會使振動更加明顯。以前人們只認(rèn)識到振動對于管路使用壽命的負(fù)面影響，近來有的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，振動實際上也是對流換熱過程中一種能量轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移的方式，振動本身加強(qiáng)了換熱介質(zhì)的擾動，增強(qiáng)了換熱效果；另外振動也減弱了污垢在管壁處的積累，減小了熱阻。圖7.4換熱表面幾何因素對對流的影響(a)強(qiáng)迫對流；(b)自然對流7.1對流換熱的概念及牛頓冷卻公式17第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日前邊我們學(xué)過的對流換熱牛頓冷卻公式：Q=AαΔt，雖然揭示了對流換熱量與溫差、換熱面積以及對流換熱系數(shù)之間的關(guān)系，但是并不能應(yīng)用此公式去解決實際的換熱問題。因為公式中的對流換熱系數(shù)α與換熱過程中的許多因素有關(guān)，進(jìn)行對流換熱計算的主要任務(wù)，就是確定對流換熱系數(shù)α。研究的方法大致有以下四種：分析法、實驗法、比擬法、數(shù)值法。由于對流換熱過程十分復(fù)雜，不管依靠哪種方法來求得對流換熱系數(shù)都是非常困難的?？紤]到高職學(xué)生的需要，在這里我們并不打算詳細(xì)介紹各計算公式的由來及推導(dǎo)，只是介紹計算對流換熱系數(shù)的一般方法以及公式的選擇及應(yīng)用。7.2對流換熱計算概述7.2對流換熱計算概述18第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2.1對流換熱準(zhǔn)則數(shù)7.2對流換熱計算概述19第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2對流換熱計算概述20第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2對流換熱計算概述21第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2對流換熱計算概述22第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2.2準(zhǔn)則數(shù)之間的關(guān)系7.2對流換熱計算概述23第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2對流換熱計算概述24第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（1）定性溫度在使用上述公式計算準(zhǔn)則數(shù)時，往往要用到流體的物性參數(shù)，比如流體的密度ρ、運(yùn)動粘度ν等，這些參數(shù)的大小一般都與溫度有關(guān)，而在工程計算中，同一計算流體各部分的溫度是不一樣的，比如油水換熱器進(jìn)口和出口的水溫是不一樣的。因此大多數(shù)基于試驗分析的經(jīng)驗公式都給出了一個決定公式中其他物理參數(shù)的溫度，這個溫度就叫做定性溫度。其他隨溫度變化的物理參數(shù)的取值，應(yīng)該由定性溫度決定。7.2.3定性溫度與特征尺寸7.2對流換熱計算概述25第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2對流換熱計算概述26第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（2）特征尺寸參與對流換熱的換熱表面幾何尺寸往往有幾個，準(zhǔn)則數(shù)公式中所用的尺寸參數(shù)，一般是實驗中發(fā)現(xiàn)其中對換熱有顯著影響的幾何尺寸，稱為特征尺寸。如流體在圓形管內(nèi)對流換熱時，特征尺寸一般為管內(nèi)徑，而在非圓形管內(nèi)對流換熱時，則常用當(dāng)量直徑作為特征尺寸。在使用準(zhǔn)則數(shù)公式時，要按準(zhǔn)則公式的要求來確定。具體應(yīng)用情況如下：①流體在圓管內(nèi)流動時，取管內(nèi)徑作為特征尺寸。②流體在非圓管道內(nèi)流動時，如橢圓管道、矩形管道等，取當(dāng)量直徑de作為特征尺寸，即(7.12)

7.2對流換熱計算概述27第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.2.4換熱計算的一般步驟7.2對流換熱計算概述28第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

管內(nèi)強(qiáng)制流動換熱量計算公式的選用管內(nèi)流體與管壁之間的對流換熱系數(shù)α受多種因素的影響，比如流體的流態(tài)、流體與壁面的溫差、流體的粘度等，要通過努謝爾數(shù)Nu求出對流換熱系數(shù)α,就必須根據(jù)適用范圍選擇出正確計算Nu的公式。表7.1列出了管內(nèi)強(qiáng)制流動努謝爾數(shù)Nu的計算公式。7.3單相流體對流換熱計算7.3.1管內(nèi)流體強(qiáng)制對流換熱計算7.3單相流體對流換熱計算29第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日表7.1管內(nèi)強(qiáng)制流動努謝爾數(shù)Nμ的計算公式

7.3單相流體對流換熱計算30第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日續(xù)表7.17.3單相流體對流換熱計算31第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日續(xù)表7.17.3單相流體對流換熱計算32第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正7.3單相流體對流換熱計算33第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.3單相流體對流換熱計算34第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

對流換熱系數(shù)的求解步驟①先由已知條件計算Re，再根據(jù)Re值判斷管內(nèi)流態(tài)；②根據(jù)管內(nèi)流態(tài)（層流、紊流或過渡流）和適宜范圍，選用相應(yīng)的實用計算式，并注意特征尺寸和定性溫度的確定；③由已知條件計算或選取有關(guān)修正系數(shù)；④由實用計算式計算Nu；⑤由Nu值求得對流換熱系數(shù)α。【例7.1】水流進(jìn)長度為L=5m的直管，從t′f＝25℃被加熱到t″f＝35℃。管內(nèi)徑d=20mm，水在管內(nèi)的流速為2m/s。求平均對流換熱系數(shù)α。7.3單相流體對流換熱計算35第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

流體強(qiáng)制橫向流過單管的換熱量計算7.3.2管外流體強(qiáng)制對流換熱計算圖圖7.5流體橫向流過單管表7.2

7.3單相流體對流換熱計算36第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日【例7.2】已知管外徑d＝20mm，水溫tf＝20℃，管壁溫tw＝30℃，水流速u=0.5m/s。試求冷卻水橫向流過單管時的對流換熱系數(shù)。表2-2流體橫掠單管計算式中的C，n值7.3單相流體對流換熱計算37第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

流體強(qiáng)制橫向流過管束在實際工程中，流體往往不是掠過單管，而是流過由許多管子組成的管束，例如在管式換熱設(shè)備中，管外流體一般從垂直于管軸心的方向沖刷管束。管束排列方式很多，但以圖7.6所示的順排與叉排兩種最為普遍。從圖7.6中可以看出，順排時流體的流道相對平直，而且當(dāng)流速較低或管間距較小時，易在管的尾部形成滯流區(qū)。叉排時流體的流道是交替收縮和擴(kuò)張的，流體擾動性較好，只要管的間距設(shè)計合理，其換熱就比順排強(qiáng)烈，但流體的阻力損失大于順排。影響對流換熱系數(shù)的因素除了排列方式之外，還有管子排數(shù)、管徑以及管子間距等。流體強(qiáng)制橫向流過管束的各種實用計算式見表7.3。7.3單相流體對流換熱計算38第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日圖7.6流體在圓管束間的流動狀態(tài)(a)順排；(b)叉排表

見圖7.6

7.3單相流體對流換熱計算39第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日表7.3流體強(qiáng)制橫向流過管束的換熱計算式

7.3單相流體對流換熱計算40第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.3單相流體對流換熱計算41第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.3單相流體對流換熱計算42第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日流體自然對流換熱是指流體與固體壁面相接觸，由于兩者溫度不同，靠近壁面的流體受壁面溫度的影響，造成流體溫度和密度的改變，流體主體與固體壁面附近的流體間因存在密度的差異而形成浮力，結(jié)果導(dǎo)致固體壁面附近的流體上升（或下降）和流體主體的流體下降（或上升）的自然對流。因此，流體與壁面之間的溫度差是流體產(chǎn)生自然對流的根本原因?？臻g自然對流換熱主要分為兩種類型：一類是流體在較大空間中自然對流，因為空間大，自然對流不受干擾，稱為大空間的自然對流換熱，如室內(nèi)暖氣片與室內(nèi)空氣的換熱；另一類是流體在封閉狹小空間內(nèi)自然對流，冷熱流體相互干擾，稱為有限空間的自然對流換熱，如雙層玻璃窗之間空氣的對流換熱等。7.3.3自然對流換熱的計算7.3單相流體對流換熱計算43第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

大空間自然對流換熱的計算表7.6

7.3單相流體對流換熱計算44第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日表7.6大空間自然對流換熱方程式中的c、n值7.3單相流體對流換熱計算45第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日續(xù)表7.6

7.3單相流體對流換熱計算46第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

有限空間自然對流換熱的計算有限空間的自然對流換熱是指在封閉的夾層內(nèi)由高溫壁到低溫壁的換熱過程，且其換熱過程是熱壁和冷壁兩個自然對流過程的組合。封閉夾層的幾何位置可分垂直、水平等情況，如圖7.7所示。圖7.7有限空間自然對流換熱

7.3單相流體對流換熱計算47第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.3單相流體對流換熱計算48第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日表7.7有限空間的自然對流換熱Nu的計算式

7.3單相流體對流換熱計算49第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日【例7.5】冷、熱兩個豎直壁面之間夾層的厚度為25mm，高度為500mm，熱壁面的溫度為15℃，冷壁面的溫度為－15℃，求夾層之間空氣單位面積的傳熱量。續(xù)表7.7

7.3單相流體對流換熱計算50第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)液體與高于其飽和溫度的壁面接觸時，液體就被加熱而沸騰。工質(zhì)在飽和溫度下吸收熱量由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為沸騰。沸騰的特征是液體內(nèi)部不斷地產(chǎn)生氣泡，這些氣泡在換熱表面上的某些地點（稱汽化核心）不斷地產(chǎn)生、長大，脫離壁面，并穿過液體層進(jìn)入上部的氣相空間，使換熱表面和液體內(nèi)部都受到強(qiáng)烈擾動。對同一種流體而言，沸騰對流換熱系數(shù)一般要比無相變的對流換熱系數(shù)高得多，例如在常壓下水的沸騰對流換熱系數(shù)可達(dá)5×104W/(m2·K)，而強(qiáng)制對流時的對流換熱系數(shù)最高值才為104W/(m2·K)。7.4.1沸騰換熱7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱51第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日沸騰按發(fā)生的場合可分為大容器沸騰（或稱池內(nèi)沸騰）和管內(nèi)沸騰（或稱有限空間沸騰、受迫流動沸騰）兩種。大容器沸騰時，液體內(nèi)一方面存在著由溫度差引起的自然對流，另一方面又存在著因氣泡運(yùn)動所導(dǎo)致的液體運(yùn)動。管內(nèi)沸騰是液體在一定壓差作用下，以一定的流速流經(jīng)加熱管時所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，又稱為強(qiáng)制對流沸騰。管內(nèi)沸騰時，液體的流速對沸騰過程產(chǎn)生影響，而且在加熱面上所產(chǎn)生的氣泡不是自由上浮的，而是被迫與液體一起流動的，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相流動。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱52第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日無論是大容器沸騰還是管內(nèi)沸騰，都有過冷沸騰和飽和沸騰之分。當(dāng)液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，而加熱面溫度又高于飽和溫度時，將產(chǎn)生過冷沸騰。此時，在加熱面上產(chǎn)生的氣泡將在液體主體重新凝結(jié)，熱量的傳遞是通過這種汽化凝結(jié)的過程實現(xiàn)的。當(dāng)液體主體的溫度達(dá)到其相應(yīng)壓力下的飽和溫度時，離開加熱面的氣泡不再重新凝結(jié)，這種沸騰稱為飽和沸騰。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱53第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

大容器沸騰換熱圖7.8水在常壓下的飽和沸騰曲線

7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱54第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱55第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱56第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日圖7.8

7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱57第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

管內(nèi)沸騰換熱過程（1）豎直管內(nèi)沸騰換熱圖7.9是豎直管內(nèi)液體的沸騰情況。若進(jìn)入管內(nèi)液體的溫度低于飽和溫度，這時流體與管壁之間的換熱是液體的對流換熱。之后液體在壁面附近被加熱到飽和溫度ts，但此時管內(nèi)中心溫度尚低于ts,僅管壁有氣泡產(chǎn)生，屬于過冷沸騰。圖7.9豎直管內(nèi)沸騰過程

7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱58第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日隨后液體在整個截面上達(dá)到飽和溫度，進(jìn)入飽和核態(tài)沸騰。這時流動狀態(tài)先是泡狀流，漸變成塊狀流，進(jìn)入泡態(tài)沸騰。隨著液體被加熱和氣泡的繼續(xù)增多，在管中心形成氣體芯，液體被壓成環(huán)狀，緊貼管壁呈薄膜流動，出現(xiàn)環(huán)狀流。此時的汽化過程主要發(fā)生在液氣交界面上，熱量主要以對流方式通過液膜，屬于液膜的對流沸騰。繼而液體薄膜受熱進(jìn)一步汽化，中間氣相的流速繼續(xù)增加。由于氣液界面的摩擦，氣流能將液面吹離壁面，并攜帶于蒸汽流中，這樣液膜變成了小液珠分散在氣流中，似霧狀，故稱為霧狀流。此時管壁接觸的是蒸汽，因此對流換熱系數(shù)驟然下降，管壁溫度升高。若霧狀的小液珠再進(jìn)一步汽化，就發(fā)展成單一的氣相了，從而進(jìn)入單相蒸汽流的對流換熱過程。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱59第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（2）水平管內(nèi)沸騰換熱對于發(fā)生在水平管內(nèi)的沸騰換熱，如果流速較高時，管內(nèi)的情形與豎直管基本相似。但在流速較低時，受重力的影響，氣體和液體分別集中在管的上、下兩半部分，如圖7.10所示。進(jìn)入環(huán)狀流后，管道上半部容易過熱而燒壞。圖7.10

水平管內(nèi)沸騰過程

7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱60第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

影響沸騰換熱的因素沸騰對流換熱系數(shù)除了與液體的物理性質(zhì)參數(shù)有關(guān)外，還受到沸騰液體的潤濕能力、導(dǎo)熱性能以及壁面材料、表面形狀等因素的影響。（1）液體表面壓力液體表面壓力的大小決定了液體的沸點（飽和溫度）的高低。在飽和狀態(tài)下，壓力越低，沸點就越低，換熱溫差就越大，越有利于沸騰換熱。（2）液體的性質(zhì)液體沸騰時，其內(nèi)部的擾動程度，氣、液兩相的導(dǎo)熱能力，以及形成氣泡的脫離與液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度和表面張力有關(guān)，所以這些因素對沸騰換熱有重要的影響。一般情況下，對流換熱系數(shù)隨著液體的導(dǎo)熱系數(shù)和密度的增加而增大，隨液體的粘度和表面張力的增大而減小。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱61第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（3）不凝性氣體在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器管路內(nèi)，不凝性氣體如空氣的存在會使蒸發(fā)器內(nèi)的總壓力升高，導(dǎo)致沸點升高，換熱溫差降低，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的吸熱制冷。因此應(yīng)嚴(yán)禁不凝性氣體混入制冷系統(tǒng)內(nèi)。（4）液位高度在大容器沸騰中，當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時，沸騰對流換熱系數(shù)會明顯地隨液位的降低而升高，這一特定的液位值稱為臨界液位。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱62第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（5）沸騰表面的結(jié)構(gòu)熱壁面的材料不同，粗糙度不同，則形成氣泡核心的條件不同，對沸騰換熱將產(chǎn)生顯著的影響。通常是新的或清潔的加熱壁面對流換熱系數(shù)的值較高，當(dāng)加熱壁面被油垢玷污后，對流換熱系數(shù)急劇下降。壁面越粗糙，氣泡核心越多，越有利于沸騰換熱。換熱器表面上的微小凹坑最容易產(chǎn)生汽化核心。為加強(qiáng)換熱，可采用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)的方法，在換熱器表面上形成一層多孔或多溝槽結(jié)構(gòu)，也可采用機(jī)械加工的方法在換熱器表面形成溝槽結(jié)構(gòu)，或在沸騰管路上設(shè)置散熱肋片。如圖7.11所示,W-TX管管壁加工出很多細(xì)小的凹槽，GEWA-T管加工出細(xì)密的螺紋，而多孔管表面形成了多孔結(jié)構(gòu)，通過這些措施，既可以增加汽化核心，也可以增加表面換熱面積，當(dāng)然前者的作用是主要的。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱63第六十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日工質(zhì)在飽和溫度下釋放熱量由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為凝結(jié)（冷凝）。凝結(jié)換熱是伴隨相變的對流換熱。蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面相接觸時，就會放出汽化潛熱，凝結(jié)成液體附著在壁面上。在制冷系統(tǒng)中冷凝器內(nèi)制冷劑蒸氣與管壁之間的換熱、在發(fā)電廠中凝汽器內(nèi)水蒸氣與管壁之間的換熱等都是凝結(jié)換熱。7.4.2凝結(jié)換熱圖7.11強(qiáng)化沸騰換熱的表面結(jié)構(gòu)7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱64第六十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)凝結(jié)液潤濕壁面的性能不同，蒸汽凝結(jié)分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種。如果凝結(jié)液能夠很好地潤濕壁面，就會在壁面上形成連續(xù)的液體膜，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)，如圖7.12所示。隨著凝結(jié)過程的進(jìn)行，液體層在壁面上逐漸增厚，達(dá)到一定厚度以后，凝結(jié)液將沿著壁面流下或墜落，但在壁面上覆蓋的液膜始終存在。在膜狀凝結(jié)中，純蒸汽凝結(jié)時氣相內(nèi)不存在溫度差，所以沒有熱阻。而蒸汽凝結(jié)所放出的熱量，必須以導(dǎo)熱的方式通過液膜才能到達(dá)壁面，又由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)不大，所以液膜幾乎集中了凝結(jié)換熱的全部熱阻。因此，液膜越厚，其熱阻越大，對流換熱系數(shù)就越小。膜狀凝結(jié)的對流換熱系數(shù)主要取決于凝結(jié)液的性質(zhì)和液膜的厚度。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱65第六十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日如果凝結(jié)液不能很好地潤濕壁面，則因表面張力的作用將凝結(jié)液在壁面上集聚為許多小液珠，并隨機(jī)地沿壁面落下，這種凝結(jié)稱為珠狀凝結(jié)，如圖7.12所示。圖7.12膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱66第六十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日隨著凝結(jié)過程的進(jìn)行，液珠逐漸增大，待液珠增大到一定程度后，則從壁面上落下，使得壁面重新露出，可供再次生成液珠。由于珠狀凝結(jié)時蒸汽不必通過液膜的附加熱阻，而直接在傳熱面上凝結(jié)，故其對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)比膜狀凝結(jié)時的大，有時大到幾倍甚至幾十倍。工程實際中采用的冷凝器中，大多數(shù)為膜狀凝結(jié)，即使采取了產(chǎn)生珠狀凝結(jié)的措施，也往往因為傳熱面上結(jié)垢或其他原因，難以持久地保持珠狀凝結(jié)。所以，工業(yè)冷凝器的設(shè)計均以膜狀凝結(jié)換熱為計算依據(jù)。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱67第六十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日

影響凝結(jié)換熱的因素（1）蒸汽所受的壓力蒸汽所受壓力的大小決定了氣體冷凝溫度（飽和溫度）的高低。在飽和狀態(tài)下，壓力越大，冷凝溫度就越高，與壁面換熱溫差就越大，越有利于凝結(jié)換熱。（2）蒸汽的流速和流向如果蒸汽流動方向與液膜流動方向一致可加速液膜流動，使之變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。當(dāng)流動方向相反時，會增加液膜厚度，對流換熱系數(shù)減小。但如果蒸汽流速較高時，將會把液膜吹離表面，不論流向如何，都會使對流換熱系數(shù)增大。7.4沸騰換熱與凝結(jié)換熱68第六十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期日（3）蒸汽中含有不凝性氣體當(dāng)蒸汽中含有不凝性氣體（如空氣、氮?dú)猓r，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響。例如水蒸氣中含有1％的空氣能使凝結(jié)對流換熱系數(shù)降低60%。因為不凝結(jié)氣體層的存在，使蒸汽在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)之前，必須以