热工原理·第10章凝结与沸腾换热
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。
凝结换热名词解释
凝结换热名词解释
凝结换热是指将气体或蒸汽中的热量传递给冷却介质，使其凝结成液
体的过程，常用于蒸汽发生器、冷凝器、空调系统等领域。
下面详细
解释一下其中的一些名词。
1.凝结：凝结是指气态物体（如蒸汽、气体）经过冷却后，分子间的热运动减缓，原本分布在空间中的分子团逐渐聚集成为液态物质的过程。
凝结产生的热量被传递给冷却介质，从而使液态介质热量增加。
2.换热：换热是指热能从一个物体传递到另一个物体的过程。
在凝结换热中，热能从蒸汽传递到冷却介质中。
3.冷却介质：冷却介质是指用于吸收蒸汽或气体中的热能使其凝结成液态的物质。
常见的冷却介质包括空气、水、冷凝剂等。
4.蒸汽发生器：蒸汽发生器是利用各种能源（如电、煤、油气等）加热水或其他液体，使其蒸发为蒸汽的设备。
5.冷凝器：冷凝器是将气相物质中的热量传递给冷却介质，并使其冷却成液态的设备。
在凝结换热过程中，冷凝器用于将蒸汽中的热量传递
给冷却介质，使其凝结成液态。
6.空调系统：空调系统是指利用冷凝换热原理，将室内热量传递至室外，从而达到降温、升温、调节室内湿度等效果的设备。
其中，凝结换热
用于冷凝室内空气中的水蒸气，使其凝结成水，并释放热量，以达到
降温效果。
凝结换热是一种非常重要的热传递过程，广泛应用于工业生产、医疗、住宅等各个领域。
通过深入理解其中的关键名词，我们可以更好地掌
握凝结换热的原理和应用，为未来的工作和生活提供更好的解决方案。
第19次--沸腾与凝结换热
沸腾与凝结换热液体的沸腾和蒸汽的凝结均伴随着相变，因此又称为相变传热。
这是一个很重要的传热领域，在许多工程中均有应用。
例如锅炉、蒸发器、再沸器、冷凝器、水冷核反应堆等的设备中均发生相交传热过程。
这些相变传热过程均与流体的流动有关，因而同属于对流传热范畴。
两者的共同特点是具有很高的换热系数，例如常压下水沸腾的换热系数可高速2500-25000W／(m2K)，水蒸汽凝结时的亦可达5000-15000W ／(m2K)，可以以很小的温差来达到很高的传热速率。
但沸腾和凝结又是一种特殊的对流换热过程，有各自独特的特征。
凝结换热凝结是蒸气(气体)转变为液态或固态的过程。
实践中经常会遇到燕气的凝结。
在蒸汽涡轮的冷凝器里蒸汽在冷却管表面凝结。
蒸气的疑结在一些蒸发装置以及大量的热交换器设备中实现。
相变时热量的释放与蒸气凝结的换热过热密切相关。
1、凝结方式：凝结既可以在蒸气空间里，也可以在换热冷却表面上进行。
在第一种情况下，当蒸气相对于饱和温度明显过冷时，在蒸气内包含的冷的液体质点或固体质点上蒸气可自发地形成冷凝相。
在第二种情况下，当蒸气和低于该蒸气压力下饱和温度的壁面接触时，不管蒸气是饱和的或过热的，都会发生蒸气的凝结过程。
2、膜状凝结与珠状凝结如果凝结液体能润湿壁面，则它将在壁而上形成一层连续的液膜，这样的凝结过程称为膜状凝结，如果液体不能润湿壁面，那么将发生珠状凝结过程。
膜状凝结过程中，蒸气的显热和汽化潜热通过汽液分界面经液膜传纷冷却壁面。
在纯饱和蒸气凝结的情况下汽液分界面的温度恰好是它的饱和温度T s 。
凝结只能在膜表面进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传递给固体壁面。
液膜形成凝结换热的主要热阻。
当蒸汽在壁面上凝成大小不等的许多液滴时，随着时间增加，由于继续凝结或与其它液滴合并，小液珠变成大浓珠，并在重力作用或蒸汽流动力的推动下往下掉落，在它往下掉落的过程中，会把一路上所遇到的液滴一起带走，在这些液珠被清扫掉的地方，蒸汽直接与壁面接触，随之又产生众多的小波滴。
热工基础 第十章对流换热
u u u xv u y F x x p x 2 u 2 y 2 u 2
v u v xv v y F y p y x 2 v 2 y 2 v 2
u t v t a 2t x y y2
25
10-3 外掠等壁温平板层流换热分析解简介
1. 对流换热特征数关联式 特征数是由一些物理量组成的量纲一（无量纲）的数， 例如毕渥数Bi和付里叶数Fo。对流换热的解也可以表示 成特征数函数的形式，称为特征数关联式。
综上所述，边界层具有以下特征： (a) 、t l
(b) 流场划分为边界层区和主流区。流动边界层内存 在较大的速度梯度，是发生动量扩散（即粘性力作用） 的主要区域。主流区的流体可近似为理想流体；热边 界层内存在较大的温度梯度，是发生热量扩散的主要 区域，热边界层之外温度梯度可以忽略；
(c) 根据流动状态，边界层分为层流边界层和湍流边 界层。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心 三层结构。层流底层内的速度梯度和温度梯度远大于 湍流核心；
6
5）体胀系数V，K－1。
V 1vvtp 1tp
对于理想气体，pv=RT，代入上式，可得V =1/T。
体胀系数影响重力场中的流体因密度差而产生的浮升 力的大小，因此影响自然对流换热。
定性温度
对于同一种不可压缩牛顿流体，其物性参数的数 值主要随温度而变化。用来确定物性参数数值的温度。 称为定性温度。在分析计算对流换热时，定性温度的 取法取决于对流换热的类型。
20
局部表面传热系数的变化趋势：
流动边界层厚度 与热边界层厚度t的比较 ：
两种边界层厚度的相对大小取决于流体运动粘度 与
热扩散率a的相对大小。令
热工基础第十章张学学思考题答案
热工基础第十章思考题答案1 何谓表面传热系数？写出其定义式并说明其物理意义。
答：q=h（t w-t f），牛顿冷却公式中的h为表面传热系数。
表面传热系数的大小反映对流换热的强弱。
2 用实例简要说明对流换热的主要影响因素。
答：（1）流动起因室内暖气片周围空气的流动是自然对流。
而风机中的流体由于受到外力的作用属于强迫对流。
强迫对流和自然对流的换热效果是不同的。
（2）流动的状态流动状态有层流和湍流，层流和湍流的对流换热强度不同，输水管路，水流速度不同，会导致水的流动状态由层流到湍流，那么这两种流动状态对流换热效果是不同的。
（3）流体有无相变水在对流换热过程中被加热变成水蒸气，蒸气在对流换热过程中被冷却变成水，这个过程会吸收和放出汽化潜热，两个换热过程的换热量不同。
（4）流体的物理性质流体的物理性质对对流换热影响很大，对流换热是导热和对流两种基本导热共同作用的结果。
因此，比如水和油，金属和非金属对流换热效果不同。
（5）换热表面的几何因素换热器管路叉排和顺排换热效果不同，换热管线直径大小对换热效果也有影响。
3 对流换热微分方程组有几个方程组组成，各自到处的理论依据是什么？答：（1）连续性微分方程（2）热量平衡方程（1）ρ∂u∂τ+u∂u∂x+v∂u∂y=Fx-∂p∂x+η(∂2u∂x2+∂2u∂y2)动量平衡方程连续性微分程的依据是根据质量守恒导出的热量平衡方程是根据能量守恒导出的动量平衡方程是根据动量守恒导出的4 何谓流动边界层和热边界层？它们的厚度是如何规定的。
∞处的y值作为边界层的厚度，用δ表示。
当温度均匀的流体与它所流过的固体壁面温度不同时，在壁面附近会形成一层温度变化较大的流体层，称为热边界层。
过于温度t-tw=0.99（t∞-tw）处到壁面的距离为热边界层的厚度。
5 简述边界层理论的基本内容。
答：（1）边界层的厚度与壁面特征长度L相比是很小的量。
（2）流场划分为边界层区和主流区。
流动边界层内存在较大的速度梯度，是发生动量扩散的主要区域。
沸腾换热
气泡能够存在而不消失的条件： 2 pv pl R 如果压强差作用力大于表面张力，气泡就能继续长大 2 pv pl R ( pv pl ) R2 2 R
15
（2）气泡被加热的途径 热量一方面由壁面与 气泡直接接触的表面 传给气泡；另一方面 热由壁面传给液体， 再由液体传到气泡表 面
38
CPU纯铜热管散热器
North China Electric Power University
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显卡热管散热器·
North China Electric Power University
40
热管在高寒地区的应用
North China Electric Power University
41
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 Cq
0.67
M
0.5 r
p
m r
lg pr
0.55
C 90W0.33 ( m0.66 K)
m 0.12 0.2lg Rp
μm
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。
27
7.6 沸腾传热的影响因素及其强化
1.不凝结气体 与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体会使传热得 到某种强化。 2.过冷度 如果大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的 饱和温度，则这种沸腾称为过冷沸腾。 3.液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾传热表面传热系数与 液位无关。 当液位降低到一定值时，沸腾传热的表面传热系数会明显 地随液位降低而升高。
凝结与沸腾传热知识点总结
凝结与沸腾传热知识点总结一、凝结传热1. 基本概念凝结传热是指气体或蒸汽在与冷凝器或凝析器接触时，由于在高温高压下从气态转变为液态而释放出的潜热，使得冷却表面获得热量，达到热交换的目的。
凝结传热广泛应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统、核电站等领域。
2. 传热机理凝结传热的机理主要包括蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态的过程。
蒸汽接触冷却表面后，从气态开始逐渐降温，当温度降至饱和温度时，蒸汽开始冷凝成液态，同时向冷凝器表面释放潜热。
这一过程中，冷凝器表面得到了传热，达到冷却的效果。
3. 影响因素凝结传热的影响因素主要包括冷凝器表面的特性、冷却介质的流动情况、冷凝器的结构设计等。
其中，冷凝器表面的特性对传热性能影响较大，如表面粗糙度、表面材质等都会对凝结传热产生影响。
二、沸腾传热1. 基本概念沸腾传热是指在液体受热时，液体表面发生气泡并从表面蒸发的过程，通过气泡与液体间传热的方式，将热量传递给液体。
沸腾传热广泛应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。
2. 传热机理沸腾传热的机理主要包括液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，同时气泡与液体之间发生传热。
气泡在液体中的形成、生长、脱离和再次形成的过程构成了沸腾传热的基本机理。
3. 影响因素沸腾传热的影响因素主要包括液体的性质、加热表面的特性、液体的流动情况等。
其中，液体的性质对沸腾传热产生较大影响，如液体的表面张力、黏度、温度等都会对沸腾传热产生影响。
三、凝结与沸腾传热的比较凝结传热与沸腾传热在传热机理、应用领域等方面存在显著差异。
凝结传热是气体或蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态，释放潜热的过程，适用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域。
而沸腾传热是液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，通过气泡与液体间传热的方式，适用于锅炉、蒸馏器等领域。
在传热特性上，沸腾传热的传热系数通常比凝结传热高，因此在某些情况下，沸腾传热更适于热交换。
此外，在应用领域上，凝结传热主要应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域，而沸腾传热主要应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。
精品课件-凝结与沸腾换热原理
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。
§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。
②随着 t的上升，汽化核心增加，生成的汽泡
数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。
③随着 的t 增大， q 增大，当 增大t 到一定值时，
q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换 热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸 腾）。
其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密 度 q 达最大值 。工业设计中应用该段。
dp 0 dx
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
l
2u y 2
u
t x
v
t y
al
2t y 2
考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量转 移只有导热
u t v t 0 x y
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组 化简为：
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
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
x
v y
0
l (u
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第七章 凝结与沸腾换热
11
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH g hV g
0.77
l d
1 4
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，
Re deul
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。
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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
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第七章 凝结与沸腾换热
6
tw ts g
m (x)
微元控制体
边界层微分方程组：
式中：Nuhl/;Gagl3 /2 。除 P r w 用壁温 t w
计算外，其余物理量的定性温度均为 t s 。
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第七章 凝结与沸腾换热
15
§7-3 影响膜状凝结的因素
工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种 因素的影响。
1. 不凝结气体
不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下
第七章 凝结与沸腾换热
13
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：
hhl
4
1 凝结过程
tw ts
g
膜状凝结
沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力 的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必 须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响 了热量传递。
珠状凝结
当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面 上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸 汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结 （可能大几倍，甚至一个数量级）
第七章 凝结与沸腾换热
7
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l(uux vuy)0
考虑（7）忽 略蒸汽密度
dp 0 dx
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
l
2u y 2
u
t xBiblioteka vt yal
2t y 2
考虑（5） 膜内温度线性分布，即热量转移只有导热
u
t x
v
t y
0
只有u 和 t 两个未知量，于 是，上面得方程组化简为：
化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右
修正后：
hV
1.13lgl(rtsl2tl3w
1/ 4
)
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第七章 凝结与沸腾换热
10
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 Pr1并且，
Ja
r
1 时，惯性力项和液膜过冷度
x
t(y)
Thermal boundary layers
u(y)
Velocity boundary layers
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u ) y
dp dx
l g
l
2u y 2
u
t x
v
t y
al
2t y 2
下脚标 l 表示液相
对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16)
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(2) 局部对流换热系数
(ttstwC)
hx
4lg(rts l2tlw 3
1/ )x
4
整个竖壁的平均表面传热系数
hV1 l 0 lhxdx0.943 lg l(rtsl2 tl3 w) 1/4
定性温度：
tm
ts
tw 2
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
l
g
l
2u y 2
0
a
l
2t y 2
0
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第七章 凝结与沸腾换热
8
边界条件：
y0时，u0, t tw
y时，du 0,
dy
t ts
求解上面方程可得：
(1) 液膜厚度
4llg(tsl2rtw
)x1/
4
定性温度：
tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
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第七章 凝结与沸腾换热
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第七章 凝结与沸腾换热
tw ts
g
5
虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝 结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属 于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结
2 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析
1916年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状 凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或 发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成 了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解Nusselt对 纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。
第七章 凝结与沸腾换热
无波动层流
Re20
有波动层流
Rec 1600
湍流
12
如图 d e 4 A c/P 4 b/b 4
Re4ul 4qml
由热平衡
所以 h(tstw)lrqml
Re 4hl(ts tw )
r
对水平管，用 r 代替上式中的 l 即可。
并且横管一般都处于层流状态
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xc l
ht
1
xc l
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
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第七章 凝结与沸腾换热
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利用上面思想，整理的实验关联式：
N uG a1/358P rs1/2 P P r rw s 1/4R (R ee3/4253)9200
降，减小了凝结的驱动力 t 。
2. 蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，
cp(ts tw)
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
hH 0.729ldgr(tsl2lt3w)1/4
hS 0.826ldgr(tsl2lt3w)1/4
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
10-7 凝结与沸腾换热
Boiling and Condensation
第七章 凝结与沸腾换热
1
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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、比热容等
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第七章 凝结与沸腾换热