傳熱學(xué)-7-凝結(jié)和沸騰傳熱課件

第七章凝結(jié)和沸騰傳熱1、重點內(nèi)容：

①凝結(jié)與沸騰換熱機(jī)理及其特點；②膜狀凝結(jié)換熱分析解及實驗關(guān)聯(lián)式；③大容器飽和核態(tài)沸騰及臨界熱流密度。2、掌握內(nèi)容：掌握影響凝結(jié)與沸騰換熱的因素。3、了解內(nèi)容：相變傳熱的強(qiáng)化措施。第七章凝結(jié)和沸騰傳熱相變換熱的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實驗關(guān)聯(lián)式。相變對流傳熱凝結(jié)傳熱（氣相變液相）沸騰傳熱（液相變氣相）凝結(jié)傳熱：夏天出空調(diào)房間后的眼鏡表面膜狀凝結(jié)沸騰傳熱：燒開水相變對流傳熱的重點在于確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，然后由牛頓冷卻公式計算熱流量7-1凝結(jié)傳熱凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給壁面的過程。凝結(jié)傳熱產(chǎn)生的必要條件：gg膜狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)7-1凝結(jié)傳熱珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)的表面換熱系數(shù)>>膜狀凝結(jié)，但是一般無法長久保持。

2.55×1055000～250007-1凝結(jié)傳熱凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點（1）凝結(jié)可以膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)的形式發(fā)生；（2）冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻；（3）層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式；（4）影響膜狀凝結(jié)換熱的因素；（5）會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結(jié)理論。凝結(jié)換熱實例：汽輪機(jī)中的凝汽器

寒冷冬天窗戶上的冰花

許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程7-1凝結(jié)傳熱凝結(jié)換熱中的重要參數(shù)（1）蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差（ts-tw）；（2）汽化潛熱r；（3）特征尺度；（4）其他標(biāo)準(zhǔn)的熱物理性質(zhì)，如動力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等7-1凝結(jié)傳熱一凝結(jié)過程膜狀凝結(jié)沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)（可能大幾倍，甚至一個數(shù)量級）gg7-1凝結(jié)傳熱接觸角小則液體潤濕能力強(qiáng)，液體會鋪展在壁面上。7-1凝結(jié)傳熱膜狀凝結(jié)是工程設(shè)計的依據(jù)幾乎所有的常用蒸氣，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結(jié)在大多數(shù)工業(yè)冷凝器中，特別是動力冷凝器上，實際上都得到膜狀凝結(jié)從設(shè)計的觀點出發(fā)，為了保證凝結(jié)效果，只能用膜狀凝結(jié)的計算式作為設(shè)計的依據(jù)7-1凝結(jié)傳熱二膜狀凝結(jié)傳熱努塞爾純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)理論分析解：液體膜層的熱阻為主要因素?；炯僭O(shè)：二維、穩(wěn)態(tài)、常物性、層流；蒸汽靜止，汽液界面無對液膜的粘滯力；忽略慣性力，液膜的運動僅取決于重力和粘滯力；4.壁溫tw＝const，汽液界面無溫差tδ＝ts5.

液膜內(nèi)部無對流而只有導(dǎo)熱，溫度分布為線性；6.忽略液膜的過冷度，即認(rèn)為液膜僅存在潛熱；7.蒸汽密度<<液體密度；8.液膜表面平整無波動。7-1凝結(jié)傳熱局部對流換熱系數(shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實驗值比上述得理論值高20％左右修正后：定性溫度：注意：r

按ts

確定7-1凝結(jié)傳熱對于傾斜壁，則用gsin

代替以上各式中的g

即可。水平圓管式中：do為水平管或球的直徑，定性溫度與前面的公式相同。球表面水平管束7-1凝結(jié)傳熱三膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài)無波動層流有波動層流湍流凝結(jié)液體流動分層流和湍流，其判斷依據(jù)仍然是Re。7-1凝結(jié)傳熱實驗證明：

（1）膜層雷諾數(shù)Re=1600時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎?/p>

（2）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。對水平管，用代替上式中的H

即可。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)。四影響膜狀凝結(jié)的因素工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因素的影響。1.不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力?t；2.蒸氣流速流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，h增大；反之使h減小。7-1凝結(jié)傳熱7-1凝結(jié)傳熱3.過熱蒸氣要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。4.液膜過冷度及溫度分布的非線性如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的r，5.管子排數(shù)管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(jié)換熱。6.凝結(jié)表面的幾何形狀

7-1凝結(jié)傳熱7.管內(nèi)冷凝此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。

蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部；流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。7-1凝結(jié)傳熱五凝結(jié)傳熱的強(qiáng)化（1）減薄液膜的厚度基于表面張力減薄液膜厚度（低肋管、鋸齒管、微肋管）；增加順液膜流動方向的蒸汽流速；水平放置單管或管束。（2）加速液膜的排出分段排泄管、溝槽管、離心力、靜電引力等。（3）減少不凝結(jié)氣體

抽吸、引射等，或者增加蒸氣的流速。（4）凝結(jié)表面實現(xiàn)珠狀凝結(jié)7-2沸騰傳熱沸騰：液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程。沸騰的特點：1）液體汽化吸收大量的汽化潛熱；2）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。沸騰換熱分類：

1）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰）；2）強(qiáng)制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）。上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰。特點：隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn)4個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。過冷沸騰：液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱。7-2沸騰傳熱7-2沸騰傳熱產(chǎn)生沸騰的條件：

理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件：

1）液體必須過熱；

2）要有汽化核心。一汽泡動力學(xué)簡介1汽泡的成長過程實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心。7-2沸騰傳熱2汽泡的存在條件汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活(克拉貝龍方程)可見，(tw–ts

),Rmin同一加熱面上，汽化核心的凹穴數(shù)量增加汽化核心數(shù)增加換熱增強(qiáng)7-2沸騰傳熱二大容器沸騰1飽和沸騰曲線大容器沸騰：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰。特點：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進(jìn)入容器空間。大容器飽和沸騰曲線：表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。7-2沸騰傳熱7-2沸騰傳熱1）自然對流

當(dāng)沸騰溫差

比較小時（一般<5℃），加熱面上只有少量汽泡產(chǎn)生，并且不脫離壁面，看不到明顯的沸騰現(xiàn)象，熱量傳遞主要靠液體的自然對流傳遞，因此可近似地按自然對流換熱計算。7-2沸騰傳熱2）核態(tài)沸騰加熱面上產(chǎn)生的汽泡迅速增多，在浮升力的作用下脫離加熱面，進(jìn)入液體。此時液體具有一定的過熱度。由于加熱面處液體的大量汽化以及液體被汽泡劇烈地擾動，換熱非常強(qiáng)烈，熱流密度q隨⊿t

迅速增加，直至出現(xiàn)峰值qmax

，這一階段為核態(tài)沸騰（或泡態(tài)沸騰）。

其汽泡的生成、長大及運動對換熱起決定作用。核態(tài)沸騰的溫差?。?℃<t<50℃）、換熱強(qiáng)，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。7-2沸騰傳熱3）臨界點的沸騰當(dāng)壁面過熱度達(dá)到某一程度時，出現(xiàn)氣泡來不及脫離加熱面而連成不穩(wěn)定的氣膜，即從核態(tài)沸騰開始向膜態(tài)沸騰過渡。這時出現(xiàn)了臨界點，其熱流密度稱為臨界熱負(fù)荷qc，也就是圖中的qmax。7-2沸騰傳熱4）過渡沸騰從臨界點繼續(xù)提高沸騰溫差

⊿t（>50℃）

，則熱流密度

q不僅沒有增加，反而迅速降低至一極小值qmin

。這是由于產(chǎn)生的汽泡過多且連在一起形成了汽膜，覆蓋在加熱面上不易脫離，使換熱條件惡化所致。這時的汽膜不斷破裂成大汽泡脫離壁面，其換熱狀態(tài)是不穩(wěn)定的，這一階段為過渡沸騰。7-2沸騰傳熱5）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰隨著溫差

⊿t的繼續(xù)提高，加熱面上開始形成一層穩(wěn)定的汽膜，此時的汽化在汽液界面上進(jìn)行，熱量除了以導(dǎo)熱和對流的方式從加熱面通過汽膜傳到汽液界面外，熱輻射傳熱方式的作用也隨著

溫差的增加而加大，因此熱流密度q也隨之增大。此后的沸騰換熱狀態(tài)稱為膜態(tài)沸騰。7-2沸騰傳熱工業(yè)應(yīng)用中要求保持在核態(tài)沸騰區(qū)，而不能進(jìn)入過渡沸騰區(qū)。過渡沸騰區(qū)壁溫增加，熱流密度卻下降，設(shè)備易燒毀。qmax

臨界熱流密度（燒毀點）設(shè)置監(jiān)控溫度點DNB（核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點）沸騰換熱：換熱溫差?t

越大≠熱流密度大沸騰換熱的兩種加熱方式：（a）控制壁溫（b）控制熱流（大于qmax

時，工況沿虛線直接跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，?t

猛增到1000℃，需要避免）7-2沸騰傳熱三沸騰換熱計算1大容器飽和核態(tài)沸騰影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了有關(guān)計算公式的分歧較大。常用的關(guān)于核態(tài)沸騰換熱的經(jīng)驗計算公式有兩個：（1）對于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，推薦采用米海耶夫公式，適用壓力范圍：105～4106Pa7-2沸騰傳熱7-2沸騰傳熱（2）羅森諾公式——廣泛適用的強(qiáng)制對流換熱公式考慮到沸騰換熱屬于強(qiáng)制對流換熱，其換熱規(guī)律可整理成Nub=f(Reb,Pr)形式。羅森諾通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式：7-2沸騰傳熱四影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是所有換熱現(xiàn)象中最復(fù)雜的、影響因素最多的換熱過程。這里只針對大容器沸騰換熱現(xiàn)象討論影響沸騰換熱的因素。1不凝結(jié)氣體與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)氣體存在會使沸騰換熱得到某種程度的強(qiáng)化；2過冷度只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時有，因此，過冷會強(qiáng)化換熱。7-2沸騰傳熱3液位高度液位足夠高時，沸騰換熱表面?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，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液位的降低而升高(臨界液位)。4重力加速度研究表明：從0.1~1009.8m/s2

的范圍內(nèi)，g對核態(tài)沸騰換熱規(guī)律沒有影響，但對液體自然對流換熱有顯著影響。介質(zhì)為一個大氣壓下的水5