凝结及沸腾换热传热学分享资料
《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
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。
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。
《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
传热学课件第七章 凝结与沸腾换热
第一节
二、膜状凝结换热
凝
结
换
热
1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结） 3>.实用关系式 上式结果与实验相较，实验h值比上式计算值高20%左右，故 在实际使用时，将系数0.943修改成1.13。 对于水平放臵的圆管外壁的凝结换热，若以外径d定型， 1 其h为： 2 g3r 4 h 0.725 d t t s w 上列各表中定性温度均为：tm=（ts+tw）/2 对于竖放管外壁凝结换热，其计算可用竖壁公式计算，此 时定型尺寸为管长l，故只要管子不是很短，横放时管外凝结 表面的换热系数将高于竖放，如当l/d=50时，h横>2h竖，故冷 凝设计多用横管。
第二节
沸
腾
换
热
三、管内沸腾（有限空间沸腾）换热简介
换热一般经历： 单相流体对流换热→过冷沸腾→泡态沸腾→液膜对流沸腾 →单相换热（湿蒸汽换热→ 过热蒸汽换热）
流动一般经历： 液相单相流→泡状流→块状流→环状流→气相单相流。
第三节
热
管
力管注 式壳入 热 热、工 管 管管作 就 利芯液 是 用和体 将 重工后 通 力作密 的 场介封 金 回质的 属 流三管 管 ，部子 子 不分。 抽 设组通 成 管成常 真 芯。是 空 。重由 ， 热 管 的 构 造 和 简 单 原 理
第二节
一、沸腾分类
沸
腾
换
热
大空间沸腾：指加热壁面被沉浸在无宏观流速的液体表面 （自由表面）下所发生的沸腾。 有限空间沸腾（管内沸腾、受迫对流沸腾等）：液体在压 差作用下以一定的速度流过加热管（或其它形状通道）内部 时，在管内表面上发生的沸腾。 另根据液温与壁温的关系可分为： 过冷沸腾：通常tw>ts，而tl<ts，目前研究不充分。 饱和沸腾：tw>ts，且tl>ts，从壁面产生的气泡不再被凝结。 通常有三种基本的沸腾状态： ①自然对流沸腾：只有少量气泡产生； ②泡态沸腾（核沸腾）：大量产生气泡； ③膜态沸腾：壁与液体间产生气体隔膜。
传热学第六章凝结与沸腾换热
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，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，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
第六章 凝结与沸腾换热
grρl2λ3l
µll(ts − tw
1/
)
4
推广应用到水平圆管外的膜状凝结，平均表面传
热系数为 hH
=
0.729
µl
grρl2λ3l
d (ts − t
w
1/
)
4
hH = 0.77 l 1/4
hV
d
注意：竖壁的计算公式同样适用于竖圆管，比较
圆管竖放和水平放置的效果，为什么？
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
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传热学 Heat Transfer
1、分析解的简化假定
（1）常物性； （2）蒸汽是静止的，对液膜表面无粘性力作用；
（3）液膜流速缓慢，忽略液膜的惯性力； （4）汽液界面上无温差；
（5）液膜内部的热量传递只靠导热；
（6）忽略液膜的过冷度；
（7）ρv << ρl ；
（8）液膜表面无波动。
有影响。
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传热学 Heat Transfer
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二、凝结换热的强化
通过上述分析可知，液膜的导热热阻是膜状凝 结换热的主要热阻。因此，强化膜状凝结换热的关 键措施就是设法将凝结液从换热面排走、尽可能减 小液膜厚度。例如，目前工业上由水平管束构成的 冷凝器都采用低肋管或锯齿形肋片管，利用凝结液 的表面张力将凝结液拉入肋间槽内，使肋端部表面 直接和蒸气接触，达到强化凝结换热的目的。
传热学第7章汇总
0
积分两次，并将边界条件代入，得到液膜内温度分布： t tw
ts tw
y
3.液膜微元段热平衡：
MH ——凝液带入热量
M dM dx H ——凝液带出热量
dx
H dM ——蒸气带入热量
t y
w
dx——墙壁导热出热量
H ——凝液焓（饱和液体）
H ——蒸气焓（饱和气体）
M ——凝液质流量
蒸气含不凝气体
影 响
膜层表面蒸气分压降低，ts降低，ts -tw降低
因 素
低Rec→凝液积聚，液膜增厚→h减小
表面粗糙度
高Rec→凸出点对凝液产生扰动→h增大
蒸气含油→壁上形成油垢→ h减小
h减小
过热蒸气→蒸气与凝液焓差增大→ h增大（计算时潜热修正为实际焓差）
增强凝结换热的措施：
1.改变表面几何特征： 采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
0.943
lts
tw
定性温度：ts tw 2
定型尺寸：x(l)
注意点：以上两式并非最后的正确结果，计算中不得直接使用！
水平圆管层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
2 g3r
14
h
0.725
d
ts
tw
定性温度：ts tw 2
定型尺寸：d
将平均表面传热系数表达式写为准则方程：
垂直壁：
Co
1.47
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：
d 2u dy 2
v
g
0
一般情况下： v 从而： v
积分两次，得到液膜内速度分布：
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倾斜壁: 用 gsin 代替以上各式中的 g 即可
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
4
(2)理论解的推导
tw ts
g
m(x)
微元控 制体
t(y)
Thermal boundary layers
x
u(y)
Velocity boundary layers
下脚标 l 表示液相
边界层微分方程组：
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
并且横管一般都处于层流状态
12Leabharlann (2) 凝结准则CoC oh(322g)1/3N•uGa 1/3
(3) 准则关联式
Ga
gl 3 2
竖壁: 水平管:
Co1.76Rce1/3 Co1.08RR1ec.2ec25.2 Co1.51Rce1/3
13
三. 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1800。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 竖壁湍流液膜段的平均表面传热系数:
al
2t y 2
5
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
考虑（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
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
l g
l
2u y 2
0
a
l
2t y 2
0
6
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
7
(2) 局部对流换热系数
(ttstwC)
hx
4lg(rts l2tlw 3
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH g hV g
0.77
l d
1 4
9
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 Pr并1且，
Ja r 1 时，惯性力项和液膜过冷度
cp(ts tw)
的影响均可忽略。
10
2. 层流膜状凝结换热准则关联式 (1) 凝结液膜雷诺数Rec
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时Rec，
17
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。
Rec
deum
式中：
um 壁的底部液膜断面平均流速；
de 液膜层的当量直径。
无波动层流
Re20
有波动层流
Rec 1600
湍流
11
如图 d e 4 A c/P 4 b/b 4
Rec 4um4M
由热平衡 h(tstw)lrqml
h(ts tw)lrM
所以
Rec
4hl(ts tw)
r
对水平管，用 r代替上式中的 即l 可。
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，
rr0.68cp(tstw)
5. 管子排数
管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。
前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。
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。
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，
增h 大；反之使 减h 小。
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
16
4. 液膜过冷度及温度分布的非线性
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，凝结换热得到强化， 因此，实验值比上述得理论值高20％左右
竖壁:
hV 1.13lgl(rtsl2tl3w)1/4
C o87 5508 PR r0.5c(eR0 c.7e5 25)3
14
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
xc l
ht 1xlc
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
15
四. 影响膜状凝结的因素
第七章 凝结与沸腾换热
§7-1 凝结换热 §7-2 沸腾换热
1
一.概述
§7-1 凝结换热
1.凝结 工质在饱和温度下由气态转化为液态的过程称为凝结.
2.凝结形式
tw ts
(1) 膜状凝结:
当凝结液能很好地润湿壁面时,凝结液将 tw ts 形成连续的膜向下流动
g
(2) 珠状凝结
当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在
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.
3
二.膜状凝结换热
1. 层流膜状凝结换热理论解 (1)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
g
壁面上形成许多小液珠
2
(3) 两种凝结形式的比较 膜状凝结:由于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， 液膜厚度及运动状态直接影响了热量传递。
珠状凝结:由于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）