凝结与沸腾换热(II)

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1、第七章凝结与沸腾换热BoilingandCondensation1第七章凝结与沸腾换热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。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。2第七章凝结与沸腾换热§7-1凝结换热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

2、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3第七章凝结与沸腾换热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4第七章凝结与沸腾换热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

3、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。gg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。5第七章凝结与沸腾换热润湿情况见图（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

4、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。6第七章凝结与沸腾换热7-2纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析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。

5、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1纯净蒸气层流膜状凝结分析解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。7第七章凝结与沸腾换热gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体边界层微分方程组：对应于p.141页(

6、5-14)，(5-15)，(5-16)下脚标l表示液相x8第七章凝结与沸腾换热考虑（3）液膜的惯性力忽略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：考虑(2)（7）忽略蒸汽密度9第七章凝结与沸腾换热边界条件：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10第七章凝结与沸腾换热(2)局部对流换热系数整个竖壁的平均表面传热系数(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：定性温度：注意：r按ts确定11第七章凝结与沸腾换热时

7、，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。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，(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12第七章凝结与沸腾换热横管与竖管的对流换热系数之比：3边界层内的流态无波动层流有波动层流湍流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。13第七章凝结与沸腾换热如图由热平衡所

8、以对水平管，用代替上式中的即可。并且横