第七章----沸腾换热
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（2）罗森诺公式：
c pl Δt rPrls
Cwl
q
l r
0.33
g(l
v
)
q
lr
g(l
v ) 1/ 2
c pl Δt Cwl rPrls
3
l 为饱和液体的动力粘度（Pas）；
r 为沸腾液体的汽化潜热（kJ/kg）；
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33％ 100％
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沸腾曲线：沸腾时热流通量（热流密度）q随沸腾温差变 化的关系曲线
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6
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7
大容器饱和沸腾的特点：加热表面上有汽泡生成，随着汽泡 长大和脱离壁面，容器内的液体受到剧烈扰动，换热强度很高。
饱和沸腾曲线:
qw~t
4个阶段： （1）自然对流 （2）核态沸腾A~C （3）过渡沸腾C~D
（4）膜态沸腾D～
气泡受到两种力作用： 表面张力σ、压强 p 表面张力σ使气泡表面积缩小 要使气泡长大，气泡内压力需 克服表面张力对外做功
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假设：气泡体积膨胀了微元体积dV， 相应地表面积增加了dA. 作功量为：
dW ( pv pl )dV dA
当气泡处于平衡状态时：
dW 0
( pv pl )dV dA
2
pv pl R
pv pl
与pl相对应的是饱和温度为ts：tv>ts
tw >tl >tv >ts
tl >ts 气泡存在和长大的动力条件是液体的过热度
气泡膨胀长大，受到的浮升力也增加；当浮升力大于气泡与 壁面的附着力时，气泡就脱离壁面升入液体，附着力与液体 对壁面的湿润能力有关。
《传热学》第七章 凝结与沸腾换热
适用范围：
水平管：
适用范围：
（由于管径不会很大， 一般不会到达紊流）
进行修正后，得到：
垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
垂直壁与水平管凝结换热强度的比较—— 由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能 更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。
垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：
层流膜状凝结换热 速度变化规律：
蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用
层流膜状凝结换热 温度变化规律：
ts为蒸气饱和温度
可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究
1.X方向液膜动量方程： 将： 代入，得：
v为蒸汽密度
假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：
一般情况下：
从而：
已知壁温：
二、管内沸腾换热
特征：由于流体温度随流向逐渐 升高，沸腾状态随流向不断改变
液相单相流 h较低
垂 直 管 内 沸 腾
Байду номын сангаас
泡状流
h升高
块状流
h高
环状流
h高
气相单相流
h急剧降低
水平管内沸腾
液 相 单 相 流
泡 状 流
块 状 流
波 浪 流
环 状 流
气 相 单 相 流
汽水分层，管上半部局部换热较差
第七章重点： 1.膜状凝结换热特征和计算方法
2.沸腾换热的四个阶段 3.热管的工作原理
谢谢观看
三、水平管束管外凝结换热
上一层管子的凝液流到下一层管 子上，使下一层管面的膜层增厚
下层管上的h比上层管的h低
计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式
凝结与沸腾换热PPT课件
(2)珠状凝结
凝结液面不能很好地润湿壁面，在 壁面上形成一个个小的液珠，且不断 发展，到一定程度后，重力大与依附 力，向下运动
特点：凝结放出的潜热不须穿过 g 液膜的阻力即可传到冷却壁面上。
tw ts
3. 两种凝结方式换热系数的大小
膜状凝结：由于壁面被一层液膜覆盖，因而凝结放 出的热量首先必须穿过这层液膜（以导热形式），后 才传至壁面。主要热阻为液膜层。（导热因液膜层内 速度很小，热阻大）
珠状凝结：由于大部分冷壁面总是直接暴露在蒸气 中，不存在液膜层。（热阻小）
所以h珠>h膜
虽然，珠状凝结的表面传热系数远远大于膜状凝结， 从换热角度考虑，希望采用珠状凝结，但要维持珠状凝 结是非常困难的，所以在实际工业应用上都只能实现膜 状凝结。玻璃器皿洗干净有一层水膜。
第二节 膜状凝结分析解及实验关联式
——厚度薄、热阻小。
2. 准则方程
• 液膜的流动方式也有层流和紊流之分，还是 采用雷诺数（膜层）来判断。
Re de ul
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。
无波动层 流
Re 20
有波动层 流
Rec 1600
湍流
如图
de 4Ac / P 4b / b 4
1. 纯净蒸气层流膜状凝结分析解 • 努赛尔通过一系列的假设后，得到了纯净蒸
气层流膜状凝结的分析解，具体假设有： （1）常物性（物性参数不随温度变化）； （2）蒸气静止不动，对液层无粘滞应力； （3）液膜的惯性力可以忽略； （4）气液界面无温差（即凝液温度等于蒸气温
度）；
(5)膜内温度分布是线性的（液膜内的热量传 递只有导热，而无对流作用）； （6）液膜的过冷度可以忽略； （7）蒸气密度远远小于凝结液体的密度ρl； （8）液膜表面平整无波动。
第七章—凝结和沸腾换热
第七章 凝结与沸腾换热（Condensation and Boiling Heat Transfer ）本章重点：① 凝结与沸腾换热机理及其特点；② 大空间饱和核态沸腾及临界热流密度。
第一节 凝结换热现象（condensation heat transfer phenomena ）1-1 基本概念1．凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度 (saturated temperature) 的壁面接触时，蒸气会在壁面上凝结成液体并向壁面放出凝结潜热，这种现象称为凝结换热现象。
有两种凝结形式。
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（film-wise condensation ）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。
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（drop-wise condensation ）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小液珠的凝结形式。
② 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。
问：在其它条件相同时，珠状凝结和膜状凝结，哪个换热系数高？为什么？答：实验证明，同种蒸气珠状凝结时的表面传热系数比膜状凝结的高一个数量级。
例如，大气压下水蒸气珠状凝结时的表面传热系数约为)/(10~104254K m W ⋅⨯，膜状凝结约为)/(10~106243K m W ⋅⨯。
珠状凝凝结中，蒸汽与壁面直接接触，而膜状凝结时，蒸汽要通过凝结液膜与壁面传热，所以珠状凝结比膜状凝结的换热系数高。
如图，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，珠状凝结的形成比较困难且不持久。
3、凝结产生的条件：固体壁面温度w t 必须低于蒸气的饱和温度s t ，即 s w t t <。
1-2 膜状凝结一、层流膜状凝结分析解 努谢尔抓住液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻，忽略次要因素，从理论上揭示了有关物理参数对凝结换热的影响。
《传热学》第7章-凝结与沸腾换热
补充例题3
v 思路： 膜态沸腾换热套用公式计算即可。
稳定的膜态沸腾时，金属丝的电流的发热量 一部分通过沸腾换热传给了水，其余部分则 使金属丝的内能增加（温度升高），这是一 个能量平衡。
补充例题3
v 解：膜态沸腾换热系数的计算套教材中的公式，略 去。结果为： h=236.70 W/(m2.℃)
每米长金属丝的传热量为:
理论解的修正
h
=
0.943
gγρ
µH (ts
2λ3 − tw
1/ 4
)
实验证实： Re < 20
时，实验结果与理论解相吻合
Re > 20 时，实验结果比理论解高20%
所以在工程计算时将该式的系数加大20%
h
=
1.13
gγρ 2λ3
µl(ts − tw
)
1/
4
定性温度
tm
传热学
第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and boiling
简介
蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为凝结换热； 液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程称为沸腾换热
——有相变的对流换热
一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相 流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。
7-1 凝结换热现象
膜状凝结换热 的主要阻力
=
1 2
(ts
+
tw
)
其他
单根水平圆管外壁面上的层流膜状凝结换热平均表面传热系数
h=
( ) 紊流膜状凝结换热
0.729
gγρ µd ts
2λ3 − tw
1/ 4
( ) 整个垂直壁面的平均表面传热系数
第七章凝结及沸腾换热_传热学
23
3 大空间饱和沸腾曲线：
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、泡态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾， 如图所示：
qmax
qmin
24
4.几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界 热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作 为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度 可控的两种情况都非常重要。 （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较 大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
25
三. 大空间泡态沸腾表面传热系数计算
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
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式 影响泡态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽 化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所 以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较 大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一 种是广泛适用于各种液体的。
与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热 得到某种程度的强化 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，
h (tw， 因t f 此)n ，过冷会强化换热。
30
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)。
2t y 2
5
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l (u
u x
v
u y
)
0
考虑（7）忽略蒸汽密度
dp 0 dx
考虑（5） 膜内温度线性分布， 即热量转移只有导热
沸腾换热(课堂PPT)
7-2 沸腾换热现象 (Boiling Heat Transfer) 蒸发：液－汽界面上液体汽化的相变过程 沸腾：液体内部产生汽泡的剧烈汽化过程
.
1
根据热力学理论：只要液体内部的温度等于或高于对应压 力下液体的饱和温度，该处液体就会发生相变，并可能产 生沸腾现象 液体沸腾可以分为两大类：容积沸腾、表面沸腾 容积沸腾（均相沸腾，homogeneous boiling):沸腾直接发生 在液体容积内部，且不存在固体加热壁面 表面沸腾（非均相沸腾，heterogeneous boiling):沸腾发生在 与液体接触的加热面上
表面沸腾（非均相沸腾）分类： 大空间沸腾（或大容器沸腾、池沸腾）：
热表面沉浸在具有自由表面的液体中的沸腾
有限空间沸腾（或受迫对流沸腾、管内沸腾）：
.
2
.
3
饱和沸腾：液体主体温度为ts，而壁面温度 tw> ts 即： tw> tf＝ts
壁面附近有很大的温度梯 度；绝大部分液体的温度 略高于饱和温度
.
22
Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
.
23
33％ 100％
.
24
（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：
h C q 0 .6 7 M r 0 .5p rm lgp r 0 .5 5
C90W 0.33(m 0.66K)
m0.120.2lgRpμm
Mr为液体的相对分子质量（分子量） pr为对比压力，即液体压力与其临界压力之比。 Rp为表面平均粗糙度，单位为m。对于一般工业用材料表面， Rp=0.3~0.4 m。
.
25
7.5.2 大容器沸腾的临界热流密度计算公式
朱伯（N.Zuber）给出了大空间核态饱和沸腾临界热流密度 的计算公式 ：
.
1
根据热力学理论：只要液体内部的温度等于或高于对应压 力下液体的饱和温度，该处液体就会发生相变，并可能产 生沸腾现象 液体沸腾可以分为两大类：容积沸腾、表面沸腾 容积沸腾（均相沸腾，homogeneous boiling):沸腾直接发生 在液体容积内部，且不存在固体加热壁面 表面沸腾（非均相沸腾，heterogeneous boiling):沸腾发生在 与液体接触的加热面上
表面沸腾（非均相沸腾）分类： 大空间沸腾（或大容器沸腾、池沸腾）：
热表面沉浸在具有自由表面的液体中的沸腾
有限空间沸腾（或受迫对流沸腾、管内沸腾）：
.
2
.
3
饱和沸腾：液体主体温度为ts，而壁面温度 tw> ts 即： tw> tf＝ts
壁面附近有很大的温度梯 度；绝大部分液体的温度 略高于饱和温度
.
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Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
.
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（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：
h C q 0 .6 7 M r 0 .5p rm lgp r 0 .5 5
C90W 0.33(m 0.66K)
m0.120.2lgRpμm
Mr为液体的相对分子质量（分子量） pr为对比压力，即液体压力与其临界压力之比。 Rp为表面平均粗糙度，单位为m。对于一般工业用材料表面， Rp=0.3~0.4 m。
.
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7.5.2 大容器沸腾的临界热流密度计算公式
朱伯（N.Zuber）给出了大空间核态饱和沸腾临界热流密度 的计算公式 ：
沸腾换热 对流换热现象
沸腾换热对流换热现象
沸腾换热是指两个物质在彼此之间通过温度和压力耦合的动力学过程
而进行热传递的一种特殊热传递形式。
它是指当其中一个物质处于沸点时，由于其蒸汽压力较大，蒸汽中的能量可以穿过低温的另一个物质，从而使
它的温度上升，从而达到换热的目的。
传统的沸腾换热，典型的热源只有
液体，如水，而物质汇热只有气体，如汽水。
例如在一个真空环境下，水
在沸点时，沸气会通过物质层，把热量传给气体层，起到换热的作用，从
而使得低温的气体温度上升。
沸腾换热是一种高效换热方式，具有很高的换热系数，可以大大减少
换热所需的时间，从而提高整个换热系统的整体性能，同时也可以一定程
度上降低能耗。
然而，沸腾换热的温差也比较高，它的换热效率也会随着
温差的增大而降低，因此沸腾换热只适用于温差较大的情况。
对流换热是指一种热传递方式，即由于热源和物质汇热之间的温度差，彼此之间的空气层形成热对流，使热量从高温物质向低温物质传递，从而
达到换热的目的。
对流换热的特点是其换热效率较高、所需温差较小，换
热过程中涉及体积和能量变化较小，不需要利用任何额外的机械装置即可
实现换热。
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tw ts
g
根据以上 8 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 图所示。 在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ：
u v x y 0 u u dp 2u v ) l g l 2 l (u x y dx y t t 2t u v al 2 y y x
gr hV 1.13 l l( t s t w )
2 l 3 l 1/ 4
（4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时， 其平均表面传热系数为：
水平管：
gr hH 0.729 d( t t ) s w l
2 l 3 l
g
tw ts
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
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。
g
tw ts
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。
考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量 转移只有导热
t t u v 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方 程组化简为：
2u l g l y 2 0 2 t a 0 l 2 y
边界条件： y 0 时， u 0, t t w
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
xc xc h hl ht 1 l l
式中：hl为层流段的传热系数；ht为紊流段的传热系数；
xc为层流转变为紊流时转折点的高度 l为竖壁的总高度
利用上面思想，整理的实验关联式：
Re 58 Pr
1 / 2 s
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。
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。
2
汽化核心的分析
(1) 汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在 加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些
产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法
认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最
好的汽化核心，如图所示。
汽泡动力学简介：
1. 汽泡稳定存在条件： 设有一个容器，底面加热，上面压力ps 对应ts， 如中间有汽泡，其内压力pv，温度tv， 周围流体对应pl , tl 。 稳定条件：热平衡 力平衡 热平衡 tl= tv tl < tv 汽泡向流体传热，汽泡中的汽要凝结缩小； tl > tv 液体向汽泡传热，汽泡中的汽要膨胀长大。 力平衡 取半个汽泡为控制体，受两个力
式中：
d e ul
无波动层流
Re 30
有波动层流
Rec 1800
湍流
ul
de
为 x = l 处液膜层的平均流速； 为该截面处液膜层的当量直径。
如图
de 4 Ac / P 4b / b 4
Re 4 ul
4qml
由热平衡
h( ts tw )l rqml
1/ 4
球：
gr hS 0.826 d( t t ) s w l
2 l 3 l
1/ 4
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH l 0.77 hV d
14
2
膜层中凝结液的流动状态
凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据 仍然时Re，
Re
③工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发
器、再沸器、水冷壁等。
§7-1 凝结换热现象 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
tw ts
凝结换热的关键点
状凝结
g
• 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠
• 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
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。有两种凝结形式。
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
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。
du y 时， dy
0, t t s
求解上面方程可得： (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
1/ 4
ts tw 定性温度： t m 2
注意：r
按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
gr hx 4l ( t s t w )x
几点说明：
（ 1 ）上述热流密度的峰值 qmax 有重大意义，称为 临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾 转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对 热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重 要。 （ 2 ）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热 阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
4hl( ts t w ) Re r
所以
横管：用d 代替 L 并且横管一般都处于层流状态
3
湍流膜状凝结换热
实验证明： （ 1 ）膜层雷诺数 Re=1800 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。 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。
4 ）稳定膜态沸腾
从 qmin 开始，随着 t 的上升，气泡生长速 度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳 定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致 t 使 上升时，热流密度 q 上升，此阶段称为稳
定膜态沸腾。
其特点： （ 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 ）辐射热量随着t 的加大而剧增，使热流密度大 大增加； （ 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必 须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较 小的液膜。
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。
§ 7-2 膜状凝结分析解及关联式
1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解
假定：1）常物性；2）蒸气静止；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）膜内温度线性分布，即热量转移只
有导热；6）液膜的过冷度忽略； 7）忽略蒸汽密 度；8）液膜表面平整无波动
3 ）过渡沸腾
从峰值点进一步提高 t ，热流密度 q 减小； t q 当 增大到一定值时，热流密度减小到 ，这 min 一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳 定过程。 原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的 速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层 蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 q m 下降。
2 ）强制对流沸腾（管内沸腾）
上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1）液体必须过热； 2）要有汽化核心
1
大容器饱和沸腾曲线
（1）大容器沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中 所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面 进入容器空间。 （2）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 特点 : 随着壁面过热度的增高，出现 4 个换热 规律全然不同的区域。
§6-4 沸腾换热现象
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。 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。
沸腾换热分类：
1 ）大容器沸腾（池内沸腾） ；
第七章
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 大容器饱和核状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：
①了解强化凝结与沸腾换热的措施及发
展现状、动态。
②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。
下脚标 l 表示液相
考虑假定（3）液膜的惯性力忽略 u u l (u v ) 0 x y 将动量方程应用于边界层外的蒸汽,并考虑假定 （7）忽略蒸汽密度，边界层外的压力变化更大 dp v g 0 dx u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
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 r ，
g
根据以上 8 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 图所示。 在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ：
u v x y 0 u u dp 2u v ) l g l 2 l (u x y dx y t t 2t u v al 2 y y x
gr hV 1.13 l l( t s t w )
2 l 3 l 1/ 4
（4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时， 其平均表面传热系数为：
水平管：
gr hH 0.729 d( t t ) s w l
2 l 3 l
g
tw ts
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
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。
g
tw ts
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。
考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量 转移只有导热
t t u v 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方 程组化简为：
2u l g l y 2 0 2 t a 0 l 2 y
边界条件： y 0 时， u 0, t t w
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
xc xc h hl ht 1 l l
式中：hl为层流段的传热系数；ht为紊流段的传热系数；
xc为层流转变为紊流时转折点的高度 l为竖壁的总高度
利用上面思想，整理的实验关联式：
Re 58 Pr
1 / 2 s
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。
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。
2
汽化核心的分析
(1) 汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在 加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些
产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法
认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最
好的汽化核心，如图所示。
汽泡动力学简介：
1. 汽泡稳定存在条件： 设有一个容器，底面加热，上面压力ps 对应ts， 如中间有汽泡，其内压力pv，温度tv， 周围流体对应pl , tl 。 稳定条件：热平衡 力平衡 热平衡 tl= tv tl < tv 汽泡向流体传热，汽泡中的汽要凝结缩小； tl > tv 液体向汽泡传热，汽泡中的汽要膨胀长大。 力平衡 取半个汽泡为控制体，受两个力
式中：
d e ul
无波动层流
Re 30
有波动层流
Rec 1800
湍流
ul
de
为 x = l 处液膜层的平均流速； 为该截面处液膜层的当量直径。
如图
de 4 Ac / P 4b / b 4
Re 4 ul
4qml
由热平衡
h( ts tw )l rqml
1/ 4
球：
gr hS 0.826 d( t t ) s w l
2 l 3 l
1/ 4
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH l 0.77 hV d
14
2
膜层中凝结液的流动状态
凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据 仍然时Re，
Re
③工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发
器、再沸器、水冷壁等。
§7-1 凝结换热现象 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
tw ts
凝结换热的关键点
状凝结
g
• 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠
• 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
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。有两种凝结形式。
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
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。
du y 时， dy
0, t t s
求解上面方程可得： (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
1/ 4
ts tw 定性温度： t m 2
注意：r
按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
gr hx 4l ( t s t w )x
几点说明：
（ 1 ）上述热流密度的峰值 qmax 有重大意义，称为 临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾 转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对 热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重 要。 （ 2 ）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热 阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
4hl( ts t w ) Re r
所以
横管：用d 代替 L 并且横管一般都处于层流状态
3
湍流膜状凝结换热
实验证明： （ 1 ）膜层雷诺数 Re=1800 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。 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。
4 ）稳定膜态沸腾
从 qmin 开始，随着 t 的上升，气泡生长速 度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳 定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致 t 使 上升时，热流密度 q 上升，此阶段称为稳
定膜态沸腾。
其特点： （ 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 ）辐射热量随着t 的加大而剧增，使热流密度大 大增加； （ 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必 须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较 小的液膜。
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。
§ 7-2 膜状凝结分析解及关联式
1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解
假定：1）常物性；2）蒸气静止；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）膜内温度线性分布，即热量转移只
有导热；6）液膜的过冷度忽略； 7）忽略蒸汽密 度；8）液膜表面平整无波动
3 ）过渡沸腾
从峰值点进一步提高 t ，热流密度 q 减小； t q 当 增大到一定值时，热流密度减小到 ，这 min 一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳 定过程。 原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的 速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层 蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 q m 下降。
2 ）强制对流沸腾（管内沸腾）
上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1）液体必须过热； 2）要有汽化核心
1
大容器饱和沸腾曲线
（1）大容器沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中 所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面 进入容器空间。 （2）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 特点 : 随着壁面过热度的增高，出现 4 个换热 规律全然不同的区域。
§6-4 沸腾换热现象
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。 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。
沸腾换热分类：
1 ）大容器沸腾（池内沸腾） ；
第七章
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 大容器饱和核状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：
①了解强化凝结与沸腾换热的措施及发
展现状、动态。
②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。
下脚标 l 表示液相
考虑假定（3）液膜的惯性力忽略 u u l (u v ) 0 x y 将动量方程应用于边界层外的蒸汽,并考虑假定 （7）忽略蒸汽密度，边界层外的压力变化更大 dp v g 0 dx u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
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 r ，