传热学7第七章

第七章 凝结与沸腾传热气态工质在饱和温度下，由气态转变为液态的过程称为凝结或冷凝；而液态工质在饱和温度下以产生气泡的形式转变为气态的过程称为沸腾。

第一节 凝结传热二、膜状凝结传热 1.层流膜状凝结理论解图7-1 膜状凝结传热膜内温度及速度场在建立并求解液膜运动微分方程及能量微分方程中，努氏对液膜的速度场和温度场，如图7-1（a ）所示，作了若干合理的设定，把它简化为图7-1（b ）的情况，这些设定是：(1) 纯蒸气在壁上凝结成层流液膜，且物性为常量；(2) 液膜表面温度t δ = t s （饱和温度），即蒸气—液膜交界面无温度梯度，这样，在交界面上仅发生凝结传热而无对流传热与辐射传热； (3) 蒸气是静止的，且认为蒸气对液膜表面无黏滞应力作用，故液膜表面0y u y δ=⎛⎫∂= ⎪∂⎝⎭； (4) 液膜很薄且流动速度缓慢，可忽略液膜的惯性力和对流作用； (5) 凝结热以导热方式通过液膜，因为液膜薄，膜内温度视为线性分布； (6) 忽略液膜的过冷度，即凝结液的焓为饱和液体的焓H'，（实际凝结液的温度将低于饱和温度t s ，故蒸气不但释放出潜热，还有显热，但两者中潜热远大于显热，以致可以忽略显热）。

在建立并求解液膜运动微分方程及能量微分方程中，努氏对液膜的速度场和温度场，如图7-1（a ）所示，作了若干合理的设定，把它简化为图7-1（b ）的情况，这些设定是：（1）纯蒸气在壁上凝结成层流液膜，且物性为常量；（2）液膜表面温度t δ = t s （饱和温度），即蒸气—液膜交界面无温度梯度，这样，在交界面上仅发生凝结传热而无对流传热与辐射传热；（3）蒸气是静止的，且认为蒸气对液膜表面无黏滞应力作用，故液膜表面0y u y δ=⎛⎫∂= ⎪∂⎝⎭； （4）液膜很薄且流动速度缓慢，可忽略液膜的惯性力和对流作用； （5）凝结热以导热方式通过液膜，因为液膜薄，膜内温度视为线性分布； （6）忽略液膜的过冷度，即凝结液的焓为饱和液体的焓H'，（实际凝结液的温度将低于饱和温度t s ，故蒸气不但释放出潜热，还有显热，但两者中潜热远大于显热，以致可以忽略显热）。

22d d u u pu u v g x y x y ρρμ⎛⎫⎛⎫∂∂∂+=-+ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭（1）d d px= ρv g ()2v 2d 0d ug yμρρ+-= 因为在一般压力条件下，ρ≫ρv ，上式变为22d 0d ug yμρ+= （2）y = 0， u =0 y = δ，d 0d uy= 212g u y y ρδμ⎛⎫=- ⎪⎝⎭（3） y = 0， u =0 y = δ，d 0d uy=212g u y y ρδμ⎛⎫=- ⎪⎝⎭（3） 22d 0d ty = （4） y = 0； t = t w y = δ； t = t s t = t w +（t s - t w ）yδ（5）y = 0， u =0 y = δ，d 0d uy= 212g u y y ρδμ⎛⎫=- ⎪⎝⎭（3） 22d 0d ty = （4） y = 0； t = t w y = δ； t = t s t = t w +（t s - t w ）yδ（5） 23d 3g M u y δρδρμ==⎰（kg/s ） （6）d d d d d d d d d d d M M Mx x x x δδδδ== 将式（6）代入得 22d d g M ρδδμ= （7）wd d d d d d d t M H M MH x H M x y x λ⎛⎫⎛⎫''''+=++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22s w d =()d t t g r x ρδδλμδ-3s w 2()d d t t xgrλμδδρ-=（8）()1/4s w 24x t t gr μλδρ-⎡⎤=⎢⎥⎣⎦ （9）s w x s w ()()d d t t h t t x x λδ--=∴ xh λδ=1/423x s w 4()g r h x t t ρλμ⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦ （7-1a ）1/423s w 014d 0.9433()lx x l g r h h x h l l t t ρλμ=⎡⎤===⎢⎥-⎣⎦⎰ [W/(m 2·K)] （7-1b ） 1/423s w 0.725()g r h d t t ρλμ⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦[W/(m 2·K)] （7-2a ） 2. 层流膜状凝结传热准则关联式图7-2 液膜的流动图7-3 垂直壁膜状凝结理论解与实验关联式的比较图7－4 层流液膜表面波动凝结液膜雷诺数c ReRe c =e md u ν=e m d u ρμ（10）∴ Re c =m 4u δρμ=4Mμ（7-3）s w ()h t t l rM -= （11）Re c =s w 4()hl t t rμ- （7-4）凝结准则CoCo =1/3322g h λρμ-⎡⎤⎢⎥⎣⎦为无量纲数群Co =1/332hl gl λν-⎡⎤⎢⎥⎣⎦=Nu ·Ga -1/3，Ga 称伽利略（Galileo ）准则垂直壁理论解 Co =1.47 Re c -1/3 （7-1c ） 水平管理论解 Co =1.51 Re c -1/3 （7-2b ）1/423s w 1.13()g r h l t t ρλμ⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦ [W/（m 2·K ）] （7-5a ） 或 1/31.76c Co Re -= （7-5b ）c1.22c 1.08 5.2Re Co Re =- （7-6）3. 紊流膜状凝结当c Re >1800时c0.50.75c 875058(253)Re Co Pr Re -=+- （7-7）c c t (1)lx xh h h l l=+- （12） 4.水平管内凝结传热图7－5 水平管内低速蒸气凝结v m,v v v v v=u d G dRe ρμμ=当Re v < 35000时，可采用下式估算平均表面传热系数1/43v s w ()0.555()g r h d t t ρρρλμ⎡⎤'-=⎢⎥-⎣⎦ （7-8）p s w3()8r r c t t '=+- （7-9） 5. 水平管束管外平均表面传热系数图7－6 水平管束凝结液三、影响膜状凝结的因素及增强传热的措施 1. 影响因素 (1)蒸气速度 (2)蒸气含不凝气体 (3)表面粗糙度 (4)蒸气含油 (5)过热蒸气2. 增强凝结传热的措施 (1)改变表面几何特征 (2)有效地排除不凝气体(3)加速凝液的排除 加装中间导流装置、使用离心力、低频振动和静电吸引等方法加速凝液的排泄。

(4)采用能形成珠状凝结的表面第二节 沸 腾 传 热2－1 大空间沸腾传热一、饱和沸腾过程和沸腾曲线图7-7 大空间沸腾曲线（水,1.013Pa 510 ）二、泡态沸腾机理图7-8气泡上的作用力图7-9气泡在核化点上生成图 7-10气泡在壁上的形状c h 及随p 的变化图7-11 大空间沸腾水的c q 、c t ∆、v d ()d d l W p p V A σ=-- v l ()d d p p V A σ-=对于球形 343V R π=，24A R π=，代入上式，微分，得到v l 2()p p Rσ-=（1） v l 2()p p Rσ->（2） 近似表达v s v s d ()()d l pp p t t T-=- （3） v s s v d ()=d ()l l r p T T ρρρρ- （4） 式中，p v 及p l 分别为气泡内蒸气和沸腾液体的密度，kg/m 3。

当沸腾远离临界点时，p v ≪p l ，则式（4）简化为v s sd ()=d r pT T ρ （5）式中，r 为饱和温度下的汽化潜热，J/kg 。

将式（5）代入式（3），再由式（1）可得sv v s2()T R r t t σρ=- （6）sm i n v 2T R r tσρ=∆ （7）三、大空间泡态沸腾表面传热系数的计算()1/41/2c v l v 24q r g πρσρρ=-⎡⎤⎣⎦ （7-10）l v p w ,(),,,,,,h f t g r c C ρρσλμ⎡⎤=∆-⎣⎦（8） 0.70.10.533h q p = [W/（m 2·K ）] （7-11a ） 由q ＝h △t ，上式亦可写为2.3300.122h t p =∆ [W/（m 2·K ）] （7-11b ） 式中 p －沸腾绝对压强，Pa ； q －热流密度，W/m 2； △t －沸腾温差t w －t s ，℃。

2．罗森瑙（Rohsennow ）关联计算式：31/2p ,w s v sw,()()Pr l l l l l c t t g q r C r ρρμσ⎡⎤--⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦（W/m 2） （7-12） 水s ＝1.0；对其他液体s =1.7。

C w,l 值 表7-1图7-12 多孔表面的沸腾2-2 管内沸腾传热简述图7-13 垂直管内沸腾图7-14 水平管内沸腾ht07 .doc 第七章11第三节热管图7-15 热管工作原理1-蒸发段；2-绝热段；3-凝结段；4-管芯；5-液态工质；6-气态工质蒸气1热管的加热区（蒸发段）；2蒸汽输送区（绝热段）；3散热区（凝结段）。