第七章 凝结与沸腾换热

1. 第七章 凝结与沸腾换热 Boiling and Condensation 第七章 凝结与沸腾换热

2. 蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。但它们都是伴随有相变的对流换热，例如：空调器中的冷凝器和蒸发器。蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。但它们都是伴随有相变的对流换热，例如：空调器中的冷凝器和蒸发器。 第五章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热 下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热，目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种。 相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。 第七章 凝结与沸腾换热

3. §7-1 凝结换热 • 凝结换热实例 • 锅炉中的水冷壁 • 寒冷冬天窗户上的冰花 • 许多其他的工业应用过程 凝结换热的关键点 • 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结 • 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻 • 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 • 影响膜状凝结换热的因素 • 会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论 第七章 凝结与沸腾换热

4. 凝结换热中的重要参数 • 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts - tw） • 汽化潜热 r • 特征尺度 • 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 • 数、密度等 第七章 凝结与沸腾换热

5. g g 蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结方式。 1 凝结过程 膜状凝结 凝结液体能很好的润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结方式称为膜状凝结。凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去，液膜层就成为换热的主要热阻 珠状凝结 当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠。称为珠状凝结。产生珠状凝结时，所形成的液珠不断发展长大，在非水平的壁面上，受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也扫除了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。 第七章 凝结与沸腾换热

6. 润湿情况见图（7-1），润湿角θ小时润湿能力强。 珠状凝结时，由于蒸气与壁面之间没有液膜的阻隔，热阻大为减少，换热系数是膜状凝结的5~10倍。 一般对纯净蒸气在洁净表面上易得到膜状凝结。器具表面上能形成一层液膜被认为是洁净的标志。 2 设计依据 珠状凝结不能持久的保持（现在有对紫铜管进行表面改性处理，可连续运行3800小时），在工业冷凝器中不能广泛使用。在工程中从设计的观点出发，为保持凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。 第七章 凝结与沸腾换热

7. 7-2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析 1 纯净蒸气层流膜状凝结分析解 1916年，Nusselt首先提出了纯净蒸气层流膜状凝结的分析解，他抓住了液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻。作出了若干合理的假设以忽略次要因素。除了纯净蒸气层流膜状凝结的假设外，还有： 假定：1）常物性；2）蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力。3）液膜的惯性力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量传递只有导热，而无对流作用。6）液膜的过冷度忽略； 7）ρv＜＜ρL，ρv相对于ρL可忽略不计；8）液膜表面平整无波动 下面将介绍从边界层微分方程组到努塞尔所用的简化方程组的导出过程，以保持对流换热理论的统一体系。凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。 第七章 凝结与沸腾换热

8. g 微元控制体 t(y) Thermal boundary layers u(y) Velocity boundary layers 边界层微分方程组： x 对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16) 下脚标l 表示液相 第七章 凝结与沸腾换热

9. 考虑（3）液膜的惯性力忽略  考虑(2)（7）忽略蒸汽密度 考虑（5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热  只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组化简为： 第七章 凝结与沸腾换热

10. 边界条件： 求解上面方程（参考附录4）可得： (1) 液膜厚度 定性温度： 注意：r 按 ts确定 第七章 凝结与沸腾换热

11. 定性温度： (2) 局部对流换热系数 整个竖壁的平均表面传热系数 注意：r 按 ts确定 (3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右 修正后： 第七章 凝结与沸腾换热

12. 对于倾斜壁，则用 gsin代替以上各式中的 g即可 另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的 研究，如当 并且， 时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。 (4) 水平圆管 努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结 式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 为水 平管或球的直径。 定性温度与前面的公式相同 第七章 凝结与沸腾换热

13. 无波动层流 有波动层流 湍流 横管与竖管的对流换热系数之比： 3 边界层内的流态 凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时Re， 式中： ul为 x = l处液膜层的平均流速； de 为该截面处液膜层的当量直径。 第七章 凝结与沸腾换热

14. 式中：qmL=ρuLδ表示x=L 处宽为1m的截面上凝结液的质量流量。 qmL乘上气化潜热r就等于高为L 、宽为1m的整个竖壁的换热量， 如图 由热平衡 所以 对水平管，用 代替上式中的 即可。 并且横管一般都处于层流状态 第七章 凝结与沸腾换热

15. 4 湍流膜状凝结换热 液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横管因直径较小，实践上均在层流范围。 对湍流液膜，除了靠近壁面的极薄的层流底层仍依靠导热来传递热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强 对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数计算式为： 式中：hl为层流段的传热系数；ht为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l为竖壁的总高度 第七章 凝结与沸腾换热

16. 式中： 。除 用壁温 计算外，其余物理量的定性温度均为 利用上面思想，整理的实验关联式： 第七章 凝结与沸腾换热

17. §7-3 影响膜状凝结的因素 上面介绍了在比较理想的条件下饱和蒸气膜状凝结换热的计算式。工程中所发生的膜状凝结过程往往更为复杂，例如：蒸气中可能有不凝性的气体。这些因素对膜状凝结换热的影响在下面讨论。（计算时引入修正系数）。 1. 不凝结气体 蒸气中含有不凝性气体对凝结换热非常有害。当水蒸气中含1％的空气时，对流换热系数降低60％。分析如下：在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减少而不凝性气体的分压力增大，蒸气在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过不凝结气体层。因此，不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力。同时蒸气分压力的下降，使相应的饱和温度下降，减小了凝结的驱动力，也使凝结过程消弱。因此，在冷凝器的工作中，排除不凝结气体成为保证设计能力的重要关键。 2.蒸气流速 努塞尔的理论分析忽略了蒸气流速的影响，只适用于流速较低的场合，当蒸气流速较高时（对于水蒸气＞10m/s）蒸气流对液膜产生明显的粘滞应力。其影响又随蒸气流向与重力场同向或异向、流速的大小以及是否撕破液膜等而不同。当蒸气流向与液膜向下的流动同向时，对流换热系数增大；反之对流换热系数减小。 第七章 凝结与沸腾换热

18. 3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。 4. 液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替 计算公式中的 ， 5. 管子排数 对于沿液膜流方向由n 排横管组成的管束的换热，理论上只要将横管计算式（式7-4）中的特征长度d换成nd即可计算。但计算比较保守，没有考虑上排凝结液落下时产生飞溅以及对液膜的冲击扰动。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布置、流体物性等，情况比较复杂。 第七章 凝结与沸腾换热

19. 6. 管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。 流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。 第七章 凝结与沸腾换热

20. 7. 凝结表面的几何形状 • 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。 • 可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉。 对水平管已开发了两种方法：低肋管和锯齿管（利用凝结液的表面张力使肋顶或沟槽脊背的凝结液膜拉薄），锯齿管更好。微肋管是光管换热系数的2-4倍。 第七章 凝结与沸腾换热

21. §7-4 沸腾换热现象 1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉 • 做饭 • 许多其它的工业过程 • 定义： • a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程 • b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式 3 分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器沸腾(池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。 第七章 凝结与沸腾换热

22. Liquidflow Bubble flow Slug flow Annular flow Mist flow Heated Surface a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾； b 强制对流沸腾：强制对流＋沸腾 加热表面 第七章 凝结与沸腾换热

23. c 过冷沸腾：指液体主体温度尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾 d 饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾 第七章 凝结与沸腾换热

24. 4 大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示： qmax qmin 第七章 凝结与沸腾换热

25. 在饱和沸腾时，随着壁面过热度△t=tw-ts的增高会出现四个换热规律全然不同的区域。（见图6-11） ①△t＜4℃时，沸腾尚未开始，为单相自然对流换热。 ②从起始沸腾开始，在加热面的某些特定点上（汽化核心）产生汽泡。开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区。 随着△t的进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，合并成汽块及汽柱（汽块区）。 这两个区域，汽泡的扰动剧烈，换热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对换热起决定性的影响，这两个区域称为核态沸腾。核态沸腾有温压小、换热强的特点。工业应用都设计在这个范围。核态沸腾的终点为图6-11中热流密度的峰值。 ③从峰值点进一步提高△t，换热规律出现了异互寻常的变化。△t增高，热流密度反而下降。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸气排除过程越趋恶化，一直到最终达到最低热流密度qmin为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。 第七章 凝结与沸腾换热

26. ④从qmin起换热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸气膜层，产生的蒸气有规则地排离膜层，q随着△t增加而增大，此段称为膜态沸腾。与膜状凝结规律类同，由于汽膜的热阻比液膜的热阻大，所以换热系数比凝结时小的多。④从qmin起换热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸气膜层，产生的蒸气有规则地排离膜层，q随着△t增加而增大，此段称为膜态沸腾。与膜状凝结规律类同，由于汽膜的热阻比液膜的热阻大，所以换热系数比凝结时小的多。 几点说明： （1）热流密度的峰值qmax有重大意义，称为临界热流密度（CHF）。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，如电加热器、对冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过峰值，工况将沿虚线跳至稳定膜态沸腾线，△t将猛升至近1000℃，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内（一般在核态沸腾区）。qmax又称为烧毁点。 (2)在烧毁点附近有个q上升缓慢的核态沸腾的转折点DNB（即偏离核态沸腾规律）点。它作为监视接近qmax的警戒，是很可靠的。因为一旦q超过转折点之值，就可能导致膜态沸腾，在相同的壁温下使换热量大大减少。 以上规律对不同工质、不同压力类似。 第七章 凝结与沸腾换热

27. 5 汽化核心的分析 在核态沸腾区，汽泡扰动对换热起支配作用，汽泡产生在汽化核心，对汽化核心产生的条件以及汽化核心与壁面过热度的依变关系的分析，将有助于我们对核态沸腾现象及换热规律的理解。 壁面的凹缝、裂穴最可能成为汽化核心，这些凹穴中的残留的气体（包括蒸气），由于液体表面张力的原因，很难彻底逐出，它们就成为孕育新生汽泡的有利场所。 （1）下面对汽化核心的形成作一番分析 假设在流体中存在一个球形汽泡，它与周围液体处于力平衡和热平衡条件下。 ①力平衡 由于表面张力的作用，汽泡内的压力必然大于汽泡外的压力。汽泡内外压差与汽液界面上的表面张力平衡：（见图7-17） 第七章 凝结与沸腾换热

28. 式中：σ—汽液界面上的表面张力 pv—汽泡内的压力 pL—汽泡外液体的压力，忽略液注静压的影响，可以pL认 为近似等于沸腾系统的环境压力，既pL ≈ps。 ②热平衡 界面内外的温度相等。即tv(pv)=tL 所以汽泡外的液体必然是过热的，过热度为tv-ts 贴壁处液体具有最大过热度tw-ts,加上凹穴处有残留气体，壁面凹处最先能满足汽泡生成的条件 故汽泡都在壁面上产生。 第七章 凝结与沸腾换热

29. 但平衡态的汽泡很不稳定，汽泡半径稍小于式（7-15）所示半径，表面张力大于压差，则汽泡内蒸气凝结，汽泡瓦解。只有当半径大于式（7-15）所示半径时，界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。 综上所述 ①在一定壁面过热度条件下，壁面上只有满足式（7-15）条件的那些地方，才能成为工作的汽化核心。 ②随着壁面过热度的提高，压差pv-ps值越来越高，汽泡的平衡半径R将递减。因此，壁温tw提高时，壁面上越来越小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心，从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。 （2）沸腾换热的基本观点 关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中的长大与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾换热的基本机理以及开发沸腾换热的表面都具有十分重要的意义。在沸腾表面上的微小凹坑最易产生汽化核心是沸腾换热理论的基本观点。近几十年来强化沸腾换热的研究主要是按照这一思路进行的。 第七章 凝结与沸腾换热

30. 6 管内沸腾简介 管内强制对流沸腾时，由于产生的蒸气混入液流，出现多种不同形式的两相流结构，换热机理很复杂。见图7-20 过冷沸腾（液体主流尚未达到饱和温度）→饱和核态沸腾（饱状流和块状流）→液膜对流沸腾（液膜逐渐变薄的环状流）→单相流（液膜消失的湿蒸气换热和过热蒸气换热）。 在管内沸腾中，最主要的影响参数是蒸气的干度、质量流量和压力。 第七章 凝结与沸腾换热

31. §7-5 沸腾换热计算式 沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即 但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式 1 大容器饱和核态沸腾 影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状况（氧化程度、表面污染）、压力、物性的支配。由于情况复杂，仅介绍简单的计算式。一种是针对水的，另一种类型是广泛适用于各种液体的。 。 第七章 凝结与沸腾换热

32. 为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：105～4106 Pa 按 第七章 凝结与沸腾换热

33. （2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式（2）罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式 既然核态沸腾主要是汽泡高度扰动的强制对流换热，那么，st = f ( Re, Pr )也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式： 式中，r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容 g — 重力加速度 l —饱和液体的动力粘度 Cwl — 取决于加热表面－液体 组合情况的经验常数(表6) q — 沸腾传热的热流密度 s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7 第七章 凝结与沸腾换热

34. 上式可以改写为： 可见， ，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 时，则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。 2 大容器沸腾的临界热流密度 书中推荐适用如下经验公式： 第七章 凝结与沸腾换热

35. 3 大容器膜态沸腾的关联式 （1）横管的膜态沸腾 式中，除了r 和 l 的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平均温度 tm＝( tw＋ts ) / 2 为定性温度，特征长度为管子外径d, 如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为0.67 第七章 凝结与沸腾换热

36. （2）考虑热辐射作用 由于汽膜的热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，还必须考虑辐射换热。辐射换热的作用会增加汽膜的厚度，从而减少了沸腾换热量。不能简单的认为总换热量是辐射换热量与沸腾换热量的简单叠加。 考虑对流换热与辐射换热相互影响在内的复合换热的换热系数 勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算： 其中： 第七章 凝结与沸腾换热

37. §7-6 影响沸腾换热的因素 沸腾换热现象中影响因素最多，是最复杂的换热过程。本节仅就影响大容器沸腾的主要因素展开讨论，着重介绍如何从表面结构对沸腾换热影响的角度来设计强化沸腾换热的表面。 1 不凝结气体对膜状凝结换热的影响？ 与膜状凝结不同，溶解于液体的不凝性气体会使沸腾换热得到某种强化。因为随着工作温度的升高，不凝性气体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽泡的胚芽，从而使q~△t曲线向着△t减小的方向移动，即在相同的△t下产生更高的热流密度，强化了换热。对稳定的工况，除非不断地向工作液中注入不凝性气体，否则它们一经逸出，也就起不到强化作用了。 2 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时， ，因此，过冷会强化换热。 见p.183 第七章 凝结与沸腾换热

38. 3 液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液 位的降低而升高(临界液位)。 4 重力加速度 随着航空航天技术的发展， 超重力和微重力条件下的 传热规律得到蓬勃发展， 但目前还远没到成熟的地 步，就现有的成果表明： 图中介质为一个 大气压下的水 第七章 凝结与沸腾换热

39. 从0.1 ~ 1009.8 m/s2的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，g   Nu   换热加强。 5 沸腾表面的结构 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：(1) 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。(2)采用机械加工方法在换热管表面上造成多孔结构。 第七章 凝结与沸腾换热

40. 第七章 凝结与沸腾换热

41. 思考题： 1.膜状凝结和珠状凝结的概念. 2.纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的基本推导方法. 在这个推导方法中 最基本的假设是什么? 4.对于单根管子, 有那些因素影响层流膜状凝结换热? 它们 起什么作用? 5.对于实际凝结换热器, 有那些方法可以提高膜状凝结换热 系数? 6.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域? 有那些特性点? 各 个区域在换热原理上有何特点? 7.气化核心的概念. 沸腾气泡产生的物理条件. 8.画出水的池内饱和沸腾曲线. 掌握特性点的基本数值范围. 第七章 凝结与沸腾换热

42. 9.什么是临界热流密度? 什么是烧毁点? 如果是定壁温加热 条件, 还会有烧毁现象出现吗? 10.为什么对于不同的表面粗糙度, 核态沸腾换热系数有很 大的不同? 11.那些因素影响核态沸腾换热? 12.沸腾换热的基本计算方法? 第七章 凝结与沸腾换热

43. 作业： 7-7，7-13，7-17，7-23，7-26，7-42， 第七章 凝结与沸腾换热