凝結與沸騰換熱演示文稿1目前一頁\總數三十六頁\編于十二點優選凝結與沸騰換熱目前二頁\總數三十六頁\編于十二點3第五章我們分析了無相變的對流換熱，包括強制對流換熱和自然對流換熱下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結換熱和沸騰換熱兩種。相變換熱的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復雜性，比單相對流換熱更復雜，因此，目前，工程上也只能助于經驗公式和實驗關聯式。目前三頁\總數三十六頁\編于十二點4§6-1凝結換熱凝結換熱的關鍵點凝結可能以不同的形式發生，膜狀凝結和珠狀凝結冷凝物相當于增加了熱量進一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結換熱的實驗關聯式影響膜狀凝結換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結理論凝結換熱實例鍋爐中的水冷壁寒冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業應用過程目前四頁\總數三十六頁\編于十二點5凝結換熱中的重要參數蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差（ts-tw）汽化潛熱r

特征尺度其他標準的熱物理性質，如動力粘度、導熱系數、比熱容等目前五頁\總數三十六頁\編于十二點61凝結過程

膜狀凝結沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動，凝結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。珠狀凝結當凝結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，換熱速率遠大于膜狀凝結（可能大幾倍，甚至一個數量級）gg目前六頁\總數三十六頁\編于十二點7雖然珠狀凝結換熱遠大于膜狀凝結，但可惜的是，珠狀凝結很難保持，因此，大多數工程中遇到的凝結換熱大多屬于膜狀凝結，因此，教材中只簡單介紹了膜狀凝結2純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結換熱的分析1916年，Nusselt提出的簡單膜狀凝結換熱分析是近代膜狀凝結理論和傳熱分析的基礎。自1916年以來，各種修正或發展都是針對Nusselt分析的限制性假設而進行了，并形成了各種實用的計算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對純凈飽和蒸汽膜狀凝結換熱的分析。假定：1）常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱；6）液膜的過冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動目前七頁\總數三十六頁\編于十二點8gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制體邊界層微分方程組：下腳標

l表示液相x目前八頁\總數三十六頁\編于十二點9考慮（3）液膜的慣性力忽略

考慮（5）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱考慮（7）忽略蒸汽密度只有u和t兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為：目前九頁\總數三十六頁\編于十二點10邊界條件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：r

按ts

確定目前十頁\總數三十六頁\編于十二點11(2)局部對流換熱系數整個豎壁的平均表面傳熱系數(3)修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結換熱得到強化，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

確定目前十一頁\總數三十六頁\編于十二點12時，慣性力項和液膜過冷度的影響均可忽略。對于傾斜壁，則用gsin代替以上各式中的g即可另外，除了對波動的修正外，其他假設也有人做了相關的研究，如當并且，(4)水平圓管努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結式中：下標“H”表示水平管，“S”表示球;d為水平管或球的直徑。定性溫度與前面的公式相同目前十二頁\總數三十六頁\編于十二點13橫管與豎管的對流換熱系數之比：3邊界層內的流態無波動層流有波動層流湍流凝結液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據仍然時Re，式中：ul

為x=l

處液膜層的平均流速；de為該截面處液膜層的當量直徑。目前十三頁\總數三十六頁\編于十二點14如圖由熱平衡所以對水平管，用代替上式中的即可。并且橫管一般都處于層流狀態目前十四頁\總數三十六頁\編于十二點154湍流膜狀凝結換熱液膜從層流轉變為湍流的臨界雷諾數可定為1600。橫管因直徑較小，實踐上均在層流范圍。對湍流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導熱來傳遞熱量外，層流底層之外以湍流傳遞為主，換熱大為增強對豎壁的湍流凝結換熱，其沿整個壁面的平均表面傳熱系數計算式為：式中：hl

為層流段的傳熱系數；ht

為湍流段的傳熱系數；

xc為層流轉變為湍流時轉折點的高度

l

為豎壁的總高度目前十五頁\總數三十六頁\編于十二點16利用上面思想，整理的實驗關聯式：式中：。除用壁溫

計算外，其余物理量的定性溫度均為目前十六頁\總數三十六頁\編于十二點17§6-3影響膜狀凝結的因素

工程實際中所發生的膜狀凝結過程往往比較復雜，受各種因素的影響。1.不凝結氣體不凝結氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結的驅動力2.蒸氣流速流速較高時，蒸氣流對液膜表面產生模型的粘滯應力。如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，增大；反之使減小。目前十七頁\總數三十六頁\編于十二點18

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，

5.管子排數管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結換熱。前面推導的橫管凝結換熱的公式只適用于單根橫管。3.過熱蒸氣要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。目前十八頁\總數三十六頁\編于十二點19

6.管內冷凝此時換熱與蒸氣的流速關系很大。蒸氣流速低時，凝結液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。流速較高時，形成環狀流動，凝結液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。目前十九頁\總數三十六頁\編于十二點20

7.凝結表面的幾何形狀強化凝結換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度?？捎酶鞣N帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結的液體盡快從換熱表面上排泄掉。目前二十頁\總數三十六頁\編于十二點21§6-4沸騰換熱現象

蒸汽鍋爐做飯許多其它的工業過程1生活中的例子定義：

a沸騰：工質內部形成大量氣泡并由液態轉換到氣態的一種劇烈的汽化過程

b沸騰換熱：指工質通過氣泡運動帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式3分類：沸騰的分類很多，書中僅介紹了常見的大容器沸騰(池內沸騰)和強制對流沸騰，每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。目前二十一頁\總數三十六頁\編于十二點22a

大容器沸騰(池內沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發生的沸騰；b強制對流沸騰：強制對流＋沸騰加熱表面HeatedSurfaceLiquid

flowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow目前二十二頁\總數三十六頁\編于十二點234汽泡動力學簡介

(1)汽泡的成長過程實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。c過冷沸騰：指液體主流尚未達到飽和溫度，即處于過冷狀態，而壁面上開始產生氣泡，稱之為過冷沸騰d飽和沸騰：液體主體溫度達到飽和溫度，而壁面溫度高于飽和溫度所發生的沸騰，稱之為飽和沸騰我們這本書僅介紹大容器的飽和沸騰目前二十三頁\總數三十六頁\編于十二點24(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)式中：—表面張力，N/m；r—汽化潛熱，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面溫度，Cts—對應壓力下的飽和溫度，C可見，(tw–ts),Rmin同一加熱面上，稱為汽化核心的凹穴數量增加汽化核心數增加換熱增強目前二十四頁\總數三十六頁\編于十二點255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個換熱規律不同的階段：自然對流、核態沸騰、過渡沸騰和穩定膜態沸騰，如圖所示：qmaxqmin目前二十五頁\總數三十六頁\編于十二點26幾點說明：（1）上述熱流密度的峰值qmax

有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態沸騰轉折點DNB作為監視接近qmax的警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對穩定膜態沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數比凝結小得多。目前二十六頁\總數三十六頁\編于十二點27§6-5沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計算公式1大容器飽和核態沸騰影響核態沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數，而汽化核心數受表面材料、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雜，導致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是，一種是針對某一種液體，另一種是廣泛適用于各種液體的。目前二十七頁\總數三十六頁\編于十二點28為此，書中分別推薦了兩個計算式（1）對于水的大容器飽和核態沸騰，教材推薦適用米海耶夫公式，壓力范圍：105～4106Pa按

目前二十八頁\總數三十六頁\編于十二點29（2）羅森諾公式——廣泛適用的強制對流換熱公式既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st=f(Re,Pr)也應該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關聯式：式中，

r—汽化潛熱；

Cpl—飽和液體的比定壓熱容

g—重力加速度

l—飽和液體的動力粘度

Cwl—取決于加熱表面－液體組合情況的經驗常數(表6)q—沸騰傳熱的熱流密度

s—經驗指數，水s=1,否則，s=1.7目前二十九頁\總數三十六頁\編于十二點30上式可以改寫為：可見，，因此，盡管有時上述計算公式得到的q與實驗值的偏差高達100％，但已知q計算時，則可以將偏差縮小到33％。這一點在輻射換熱更為明顯。計算時必須謹慎處理熱流密度。2大容器沸騰的臨界熱流密度書中推薦適用如下經驗公式：目前三十頁\總數三十六頁\編于十二點313大容器膜態沸騰的關聯式（1）橫管的膜態沸騰式中，除了r和l

的值由飽和溫度ts決定外，其余物性均以平均溫度tm＝(tw＋ts)/2為定性溫度，特征長度為管子外徑d,如果加熱表面為球面，則上式中的系數0.62改為0.67目前三十一頁\總數三十六頁\編于十二點32勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算：其中：（2）考慮熱輻射作用由于膜態換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應。目前三十二頁\總數三十六頁\編于十二點33§6-6影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學過的換熱現象中最復雜的，影響因素也最多，由于我們只學習了大容器沸騰換