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第六章凝结与沸腾换热1、重点内容：①凝结与沸腾换热机理及其特点；②膜状凝结换热分析解及实验关联式；③大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：伴随有相变的对流换热。工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。6-1凝结换热现象一、基本概念1.凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。2.凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种：（1）膜状凝结：①定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。②特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻。（2）珠状凝结①定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。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，因受重力作用，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，另一方面也扫治了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。图6－3是珠状凝结的照片，从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。θ小则液体湿润能力强，就会铺展开来。一般情况下，工业冷凝器，形成膜状凝结，但珠状凝结的形成比较困难且不持久。特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。3.产生的条件：固体壁面温度wt必须低于蒸气的饱和温度st，即wstt。实验查明，几乎所有的常用蒸气，包括水蒸气在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。在大多数工业冷凝器中，例如动力与制冷装置的冷凝器上，实际上都得到膜状凝结。6-2膜状凝结分析解及关联式一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解1.努塞尔微分方程组根据：液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻。1916年，努塞尔在理论分析中作了若干合理假设，从而揭示了有关物理参数对凝结换热的影响。2.假设条件：除在标题中已明确的纯净饱和蒸气层流液膜的假定外，还有：（1）常物性；（2）蒸气静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力，即0ydudy。（3）液膜的惯性力可以忽略；（4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，stt；（5）膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用；（6）液膜的过冷度可以忽略；（7）Vl，V相对于l可忽略不计；（8）液膜表面平整无波动。根据以上9个假设从边界层微分方程组推出努塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。以竖壁的膜状凝结为例，x坐标为重力方向，如图6－4所示。在稳态情况下，式（5-14）、（5-15）（加上体积力g）以及（5-16）适用，则凝结液膜流动的微分方程组为：0uxy（5-14）22llluudpuugxydxy（5-15a）22lttuuaxyy（5-16）其中角码“l”表示液相。应用简化假定（3），式（5-15a）左边可舍去。dpdx为液膜在x方向的压力梯度，可按y处液膜表面蒸汽的压力梯度计算。据假设（2），若以V表示蒸汽密度，则有：Vdpgdx根据假设（7），相对于lg，Vg可忽略。根据假设（5），式（5-16）左边舍去。由此可见，方程（5-15a）及（5-16）只有u、t两个未知量，不必补充其他方程即可进行求解。所以方程（5-14）可舍去。由此，微分方程组可简化为：220llugy（a）图6-4努塞尔理论分析的坐标系与边界条件220dudy（b）其边界条件为：0y时：0,wutt（c）y时：0ydudy，stt（d）这一组简化了的方程组是努塞尔推导的出发点。2.努塞尔微分方程组理论解的求解方法（1）求解的基本思路①先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度δ在内的流速u及温度t分布的表达式；②再利用dx一段距离上凝结液体的质量平衡关系取得液膜厚度的表达式；③最后利用傅立叶定律与牛顿冷却公式的联系求出表面传热系数的表达式。（2）求解过程详见附录4（3）求解结果：（液膜层流时竖壁膜状凝结换热）①液膜厚度：1424lllswttxgr（6-1）②局部表面传热系数：14234llxlswgrhttx（6-2）③整个竖壁的平均传热系数：注意到，在高为l的整个竖壁上牛顿冷却公式中的温差swttt为常数，因而整个竖壁的平均表面传热系数为：14230140.94334lllVxxllswgrhhdxhltt（6-3）式（6-3）就是液膜层流时竖壁膜状凝结努塞尔的理论解，其中h的角码“V”表示竖壁。（4）努塞尔的理论分析的推广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，平均表面传热系数为：14230.729llHlswgrhdtt（6-4）14230.826llSlswgrhdtt（6-5）其中：①H、S、d分别表示水平圆管、球及直径；②除相变热按蒸汽饱和温度st确定外，其他物性温度均取膜层平均温度/2mswttt为定性温度；③横管、竖壁的平均表面传热系数的不同点：特征长度和系数。特征长度横管用d，而竖壁用l；在其他条件相同时，横管平均表面传热系数Hh与竖壁平均表面传热系数Vh的比值为：140.77HVhlhd（6-6）④当/50ld时，横管的平均表面传热系数是竖管的2倍，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案。对于与水平轴的倾斜角为（0）的倾斜壁，只需将式（6-3）中的g改为sing就可应用。3.膜层中凝结液的流动状态根据膜层雷诺数的大小，其流动状态分：层流：Re1600c湍流：Re1600c（1）膜层雷诺数Re①膜层雷诺数是根据膜层的特点取当量直径为特征长度的雷诺数。②数学表达式：如图6-5所示，以竖壁为例，在离开液膜起始处为xl处的膜层雷诺数为：Reeldu（6-7）其中：lu为xl处液膜层的平均流速；ed为该截面处液膜层的当量直径；参看图6-5，当液膜宽为b时，润湿周边Pb，截面积cAb，于是4/4ecdAp，代入式（6-7）得：图6-5竖壁上层流液膜的质量流量44Relmluq（6-8）式中：mllqu是xl处宽为1m的截面上凝结液的质量流量，kg/(m.s)。mlq乘以汽化潜热r就等于高l、宽1m的整个竖壁的换热量，故有：swmlhttlrq将此关系式中的mlq代入式（6-8）得：4Reswhlttr（6-9）值得指出，式（6-7）～（6-9）中的物性参数都是指液膜的，为书写简单略去了角码。对于水平管，用r代替上式中的l，即为其膜层雷诺数。（2）理论解与实验结果的比较分析①对于水平圆管、横管，实验数据与理论解相符。②对于竖壁：当Re20时，实验数据与理论解相符；当Re20时，实验数据越来越高于理论解，最高大于20%（在层流向紊流转折点处，原因是膜层表面波动的结果），所以，应对理论解修正之，则14231.13lswgrhttl（6－10）对于Pr数接近于1或大于1的流体，只要无量纲量（雅各布数）1pswrJactt时，微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响才可忽略。二、紊流膜状凝结换热实验证明：（1）膜层雷诺数Re1600c时，液膜由层流转变为紊流；（2）横管均在层流范围内，因为管径较小。1.特征对于紊流液膜，热量的传递：（1）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（2）层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。2.计算方法对于竖壁，紊流膜状换热，沿整个壁面上的平均表面传热系数可按下式求取：1ccltxxhhhll（6—11）其中：lh——层流段的平均表面传热系数；th——紊流段的平均表面传热系数；cx——层流转变为紊流时转折点的高度；l——竖壁面总高度。以下实验关联式，可供计算整个壁面的平均表面传热系数用：13141234RePr58PrRe2539200PrwssNuGa（6－12）其中：hlNu，32glGa，称伽利略数。除Prw用壁温wt计算外，其它物理量的定性温度为st，且物性参数均是指凝结液。6-3影响膜状凝结的因素上节讨论了理想条件下饱和蒸汽膜状凝结换热的计算，但在工程中不是如此理想的条件，它受很多复杂因素的影响，主要有以下几个方面：一、不凝结气体蒸汽中含有不凝结的气体，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分有害的影响。如：水蒸汽中质量含量占1%的空气能使表面传热系数下降60%。原因：（1）在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结，蒸汽分压力下降，而不凝结气体的分压力上升，液体在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过积聚在界面附近的不凝结气体层。因此，它的存在增加了传递过程（凝结）的阻力。（2）蒸汽分压力的下降，使相应的饱和温度下降，则减小了凝结的驱动力，也使凝结过程削弱。二、蒸汽流速努塞尔的理论分析忽略了流速的影响。因此，其结论只适于流速较低的场合。当蒸汽流速高时（对于水蒸汽，流速大于10m/s），蒸汽流对液膜表面会产生明显的粘滞应力。其影响程度与蒸汽流向与重力场方向及流速大小是否撕破液膜有关。若流动方向与液膜重力场一致，使液膜拉薄，h增加；若流动方向与液膜重力场相反，则阻滞液膜流动，使其增厚，h下降。三、过热蒸汽前述是针对饱和蒸汽的，对于过热蒸汽，应进行修正，只须用过热蒸汽与饱和液的焓差代替式中的潜热即可。四、液膜过冷度及温度分布的非线性努塞尔的理论分析忽略了液膜过冷度及温度分布的非线性影响，只须用r代替r（对汽化潜热应进行修正）即消除二者的影响。0.68pswrrctt（6-13）五、管子排数前述横管凝结换热公式只适于单根横管，对于沿流动方向有n排管应予以修正：理论上：用nd代替特征长度d；实际上：计算结果应大于理论结果。原因：上排凝结液落在下排管子上时，要产生飞溅及对液膜的冲击扰动，其程度取决于管束的几何位置、流体物性等。六、管内冷凝对于冷凝器（如冰箱中的制冷剂蒸汽冷凝器）蒸汽在压差作用下流经管子内部时，会产生凝结，此时的换热与蒸汽的流速有关。以水平管为例：（a）当蒸汽流速低时，凝结液主要积聚在管子下部，蒸汽位于上部，h较大；（b）当流速增大时，凝结液则分布于管子周围，形成环状流动，而中心则为蒸汽核，随着流动的进行，液膜厚度不断增厚以致凝结完时占据整个截面，h急剧下降。七、凝结表面的几何形状凝结换热表面的几何形状不同，其换热能力差别很大。如何提高凝结换热的效果。（1）强化膜状凝结换热的基本原则：尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜厚度。（2）实现的方法：①用各种带有尖锋的表面使凝结的液膜减薄；②使已凝结的液体尽快从表面上排泄掉。（3）提高水平管对凝结换热的方法①采用低肋或锯齿管这类高效冷凝表面；②使液膜在下流过程中分段排泄或采用加速排泄法。6-4沸腾换热现象一、沸腾换热的基本概念1.沸腾的定义沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。2.沸腾的特点（1）液体汽化吸收大量的汽化潜热；（2）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。3.沸腾换热分类：（1）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称大容器沸腾。此时产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由表面进入容器