福州大學化工原理電子教案傳熱福州大學化工原理電子教案傳熱--2-沸騰給熱與冷凝給熱液體沸騰和蒸汽冷凝必需伴有流體的流淌，故沸騰給熱和冷凝給熱同樣屬于對流傳熱。但與前面所講的對流不同，這兩種給熱過程伴有相變化。相變化的存在，使給熱過程有其特有的規律。沸騰給熱按設備的尺寸和外形可分為：大容器沸騰：加熱壁面浸入液體，液體被加熱而引起的無強制對流的沸騰現象。管內沸騰：在確定壓差下流體在流淌過程中受熱沸騰〔強制對流而且加熱面上氣泡不能自由上浮，被迫隨流體一起流淌，消滅了簡潔的氣液兩相的流淌構造。工業上有再沸器、蒸發器、蒸汽鍋爐等都是通過沸騰傳熱來產生蒸汽。管內沸騰的傳熱機理比大容器沸騰更為簡潔。本節僅爭論大容器的沸騰傳熱過程。〔1〕大容積飽和沸騰依據管內液流的主體溫度是否到達相應壓力下的飽和溫度，沸騰給熱還有過冷沸騰與飽和沸騰之分。假設液流主體溫度低于飽和溫度，而加熱外表上有氣泡產生，稱為過冷沸騰。此時，加熱面上產生的氣泡或在脫離之前、或脫離之后在液流主體中重分散，熱量的傳遞就是通過這種汽化——冷凝過程實現的。當液流主體溫度到達飽和溫度，則離開加熱面的氣泡不再重分散。這種沸騰稱為飽和沸騰。氣泡的生成和過熱度由于外表張力的作用，要求氣泡內的蒸氣壓力大于液體的壓力。而氣泡生成和長大都需要從四周液體中吸取熱量，要求壓力較低的液相溫度高于汽相的溫度，故液體必需過熱，即液體的溫度必需高于氣泡內壓力所對應的飽和溫度。在液相中緊貼加熱面的液體具有最大的過熱度。液體的過熱是相——小氣泡生成的必要條件。粗糙外表的氣化核心開頭形成氣泡時，氣泡內的壓力必需無窮大。這種狀況明顯是不存在的，因此純潔的液體在確定光滑的加熱面上不行能產生氣泡。氣泡只能在粗糙加熱面的假設干點上產生，這種點稱為氣化核心。無氣化核心則氣泡不會產生。過熱度增大，氣化核心數增多。氣化核心是一個簡潔的問題，它與外表粗糙程度、氧化狀況、材料的性質及其不均勻性質等多種因素有關。大容積飽和沸騰曲線如以下圖，以常壓水在大容器內沸騰為例，說明t對的影響。①AB段，t=tw－ts，t很小時，僅在加熱面有少量汽化核心形成汽泡，長大速度慢，所以加熱面與液體之間主要以自然對流為主。在此階段，汽化現象僅發生在液體外表，嚴格說還不是沸騰，而是外表汽化。此階段，較小，且隨t上升得緩慢。②BC段，t>2.2C時，加熱面上有氣泡產生，給熱系數隨t急劇上升。這是由于汽化核心數增大，汽泡長大速度增快，對液體擾動增加，對流傳熱系數增加，由汽化核心產生的氣泡對傳熱起主導作用，此時為核狀沸騰。③CD段，t，。當t進一步增大到確定數值，加熱面上的汽化核心大大增加，以至氣泡產生的較小，使，此階段稱為不穩定膜狀沸騰。DE段，t>250C時，氣膜穩定，由于加熱面t 高，熱輻射影響增大，對流傳熱系數增大，此時為穩W定膜狀沸騰。工業上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，其優點是：此階段下大，tW

小。從核狀沸騰到膜狀沸騰的轉折點C稱為臨界點〔此后傳熱惡化tc

、q。對于常壓水在大容器內沸騰時：c ct=25C、q=1.25×106W/m2。c ct不大于其臨界直徑tc狀沸騰，使急劇下降。即不適當地提高熱流體溫度，反而使沸騰裝置的效率降低。對于由恒熱流熱源〔電加熱等〕qqq，將使加熱面溫度急c c劇上升，甚至將設備燒毀。沸騰的計算沸騰給熱的影響因素：cp L和 等。v②加熱外表的粗糙狀況和外表物理性質，特別是液體與外表的潤濕性。③操作壓力和溫差。關于沸騰給熱至今尚沒有牢靠的一般閱歷關聯式。但已積存了大量的試驗資料，這些資料說明沸騰給熱系數的試驗數據可按以下函數形式關聯：At2.5Bts或 lglgA2.5lgtts式中t——蒸汽的飽和溫度，C。s

lgBa2.5lgtbtsa和b通過試驗測定的兩個參數，不同的外表與液體的組合，其值不同。沸騰給熱過程的強化在沸騰給熱中，氣泡的產生和運動狀況影響極大。氣泡的生成和運動與加熱外表狀況及液體的性質兩方面因素有關。因此，沸騰給熱的強化也可以從加熱外表和沸騰液體兩方面入手。①將金屬外表粗糙化，這樣可供給更多汽化核心，使氣泡運動加劇，給熱過程得以強化。②在沸騰液體中參與少量添加劑，轉變沸騰液體的外表張力，添加劑還可提高沸騰液體的臨界熱負荷。③氣、液、固三相流：在氣液相中參與固體粒子。④EHD〔Electrohydrodynamics〕強化傳熱。蒸汽冷凝給熱冷凝給熱過程的熱阻蒸汽冷凝作為一種加熱方法在工業生產中得到廣泛應用。在蒸汽冷凝加熱過程中，加熱介質為飽和蒸汽。飽和蒸汽與低于其溫度的冷壁接觸時，將分散為液體，釋放出汽化潛熱。在飽和蒸汽冷凝過程中，汽液兩相共存，對于純物質蒸汽的冷凝，系統的自由度為fc2f1221汽相：p給定→ts，即只能有一個汽相溫度。或者說，在冷凝給熱時汽相不行能存在溫度梯度。在傳熱過程中，溫差是由熱阻造成的。汽相主體不存在溫差，汽相內不存在任何熱阻。這是由于蒸汽在冷凝給熱過程中，蒸汽分散而產生的冷凝液形成液膜將壁面掩蓋。因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液外表上發生，冷凝時放出的潛熱必需通過這層液膜才能傳給冷壁。冷凝給熱過程的熱阻幾乎全部集中于冷凝液膜內。這是蒸汽冷凝給熱過程的一個主要特點。假設加熱蒸汽是過熱蒸汽，而且冷壁溫度高于相應的飽和溫度，則壁面上不會發生冷凝現象，蒸汽與壁面之間只是一般的對流給熱。此時，熱阻將集中于壁面四周的層流層內。因蒸汽的導熱系數比冷凝液的給熱系數小得多，故冷凝

>> 。液膜液膜中間層s假設壁溫小于t，則過熱蒸汽溫度從tsv

降到飽和溫度，在壁面冷凝，同樣形tts vtt成液膜。即過熱蒸汽t

t t,t>tw s >tw

t ts w

tw ts

過熱蒸汽v tw

t不會冷凝，無相變s膜狀冷凝和滴狀冷凝飽和蒸汽冷凝給熱過程的熱阻主要集中在冷凝液液膜內，因此，冷凝液的流淌狀態對給熱系數必有極大的影響。冷凝液在壁面上的存在和流淌方式有兩種類型：膜狀冷凝和滴狀冷凝。膜狀冷凝：假設冷凝液能潤濕壁面，形成一層完整的液膜布滿液面并連續向下流淌。滴狀冷凝：假設冷凝液不能很好地潤濕壁面，僅在其上分散成小液滴，此后長大或合并成較大的液滴而脫落。通常滴狀冷凝時蒸汽不必通過液膜傳熱，可直接在傳熱面上冷凝，其對流傳熱系數比膜狀冷凝的對流5～10倍。但滴狀冷凝難于把握，因此工業上冷凝器的設計大多是按膜狀冷凝考慮。冷凝給熱系數〔數學模型法〕液膜流淌與局部給熱系數有一垂直平壁，飽和蒸汽在其上冷凝，冷凝液借重力沿壁流下。因整個高度上都存在冷凝，故越往下凝液流量越大，液膜越厚。液膜厚度沿壁高的變化必定導致熱阻或給熱系數沿高度分布不均勻。上部液膜。假設壁足夠高，冷凝量較大，則壁下部液膜發生湍流流淌，此時局部給熱系數反而有所提高。蒸汽在垂直管外或板側冷凝①冷凝液膜為層流時的平均假設：液膜為等速流淌，蒸汽存在不影響液膜流淌，且為純導熱過程，理論上可推導出C

r2g31 Lt

1/4試驗結果驗證了這一關系的正確性，同時測出C1113，即r2g3 Lt Lt

1/4注：aReM20234LtReM rbL為管長或板高；c、各物性參數是凝液的物性，定性溫度取t M

tw s；2sd、rts

時的汽化潛熱；twse、t=t－。tws②湍流時的給熱系數M適用范圍：Re>2023；定性溫度：膜溫MLH

2g3 20 2

1/3

Re0.4MM 注：Re 是指板或管最低處的值〔此時Re M M在計算過程中，因未知，Re 未知，所以須假設，先假設為層流，用層流公式求出，再進展驗證。M蒸汽在單根水平管外的冷凝給熱系數蒸汽在水平管外冷凝，液膜厚度薄，全是層流，其給熱系數為式中d——圓管外徑，mt t

r2g3 dt dt

1/4定性溫度：膜溫t

s w，用膜溫查冷凝液的物性、和rt2 s

查；此時認為主體無熱阻，熱阻集中在液膜中。在其他條件一樣時，水平圓管的給熱系數和垂直圓管的給熱系數之比是垂直 0.64(L d水平

)1/4由于 >水平

，所以工業冷凝器大局部是臥式的，但蒸發器是立式的。水平管束外的冷凝給熱系數就第一排管子而言，其冷凝狀況與單根水平管一樣。但是，對其他各排管子來說，冷凝狀況必受到其上各排管流下的冷凝液的影響。如假定從上排管流下的冷凝液只是平穩地流至下排管使液膜增厚，熱阻增加，而且各排管溫差一樣， dt 則水平管束的平均給熱系數只要將式 dt

1/4

dndn為管束在垂直方向上的管排數。但是冷凝液下流時不行避開地會撞擊和飛濺，使下排液膜擾動增加。考慮到擾動的影響，將上式改為r2g30.725

1/4n2/3dt 液膜氣膜對于右圖所示的管束，n液膜氣膜影響冷凝給熱的因素及強化措施不凝氣體的影響在實際的工業冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性氣體，如空氣。當蒸汽冷凝時，不凝氣體會在液膜外表濃集形成氣膜。這樣冷凝蒸汽到達液膜外表冷凝前，必需先以集中的方式通過這層氣膜。這相當于額外附加了一熱阻，而且由于氣體的導熱系數小，使蒸汽冷凝1%時，60%左右。因此，在冷凝器的設計中，在高處安裝氣體排放口；操作時，定期排放不凝氣體，削減不凝氣體對的影響。蒸汽過熱的影響蒸汽溫度高于操作壓強下的飽和溫度時稱為過熱蒸汽。

tw ts tv過熱蒸汽與比其飽和溫度高的壁面接觸〔tw

>ts熱蒸汽與比其飽和溫度低的壁面接觸〔tw

<t，由兩個串聯的傳熱過程組成：冷卻和冷凝。s整個過程是過熱蒸汽首先在氣相下冷卻到飽和溫度，然后在液膜外表連續冷凝，冷凝的推動力仍為t=t－t。s w一般過熱蒸汽的冷凝過程可按飽和蒸汽冷凝來處理，所以前面的公式仍適用。但此時應把顯熱和潛熱都考慮進來rc(t t)r，為過熱蒸汽的比熱和溫度。工業中過熱蒸汽顯熱增加較小，可近似用飽和p v s蒸汽計算。蒸汽流速與流向的影響前面介紹的公式只適用于蒸汽靜止或流速不大的狀況。蒸汽的流速對有較大的影響，蒸汽流速較小u<10m/s時，可不考慮其對u>10m/s時，還要要考慮蒸汽與液膜之間的摩擦作用力。蒸汽與液膜流向一樣時，會加速液膜流淌，使液膜變薄,；蒸汽與液膜流向相反時，會阻礙液膜流淌，使液膜變厚，；但u時，會吹散液膜，。一般冷凝器設計時，蒸汽入口在其上