第7章 相变对流传热
平均传热： 伽利略数： 定性温度：
Nu hl
Ga gl 3 2
ts
(r , Prs )
( , , )
( Prw )
tm tw
特征长度：竖壁高度 l
P309习题7-1 压力为1.013×105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结，壁 的尺寸为30cm×30cm，壁温保持98oC。试计算每小时的传热量及 凝结蒸气量。
内侧微肋管：
分段排液：
有效减少热阻。
控制液膜厚度。
7.4
7.4.1
沸腾传热的模式
大容器饱和沸腾的三个区域
汽化的两种形式： 蒸发：液体表面上的汽化过程。
沸腾：液体表面和内部剧烈的汽化，同时产生大量的汽泡。
根据流体运动的动力分类： 大容器沸腾：由于液体内温差和汽泡扰动，引起流体运动。 管内沸腾：外加压力差作用，引起流体流动并维持沸腾。 实验：不锈钢电加热棒，置于盛水的大烧杯中， 将水加热到饱和温度，产生沸腾——饱和沸腾。 提高加热棒电流密度，可增大过热度
（6）忽略液膜过冷度； （7）忽略蒸气密度
V 0
（8）液膜表面平整无波动。
2. 边界层方程组的简化 凝结液膜的流动具有边界层的特征，
稳态时，符合边界层微分方程组： （液膜体积力
Fx l g ）
u v 0 x y
u u dp 2u l u x v y l g dx l y 2
2. 管子排数
竖管管束：相互之间不影响凝结，只增大传热面积。 横管管束：不重叠时，不相互影响； 重叠时，上排管子凝结液滴下落时，有飞溅作用。 会减薄下排管子液膜，同时产生冲击扰动，
两者都会使传热增强。
3. 管内冷凝 蒸气流速不同，管内液膜形状不同，热阻不同。 低速时： 聚在底部 高速时：
分布在四周
边界条件：
y 0 时： u 0 ， t t w du y 时： 0 ， t ts dy
3. 主要求解过程与结果(过程略）
4 l l t s t w x 液膜厚度： 2 g r l
（
14
r ——汽化潜热）
3 l 2 l 14
14
7.2.3
湍流膜状凝结
流动状态判别：膜层雷诺数 Re 对竖壁：高 l ，膜厚
，膜宽 b
平均流速 雷诺数：
ul （ l 处流速）
Re
ul d e
ul d e
当量直径：
4 Ac 4b de 4 P b
Re
4ul
4qml
注意：
质量流量
换热量
qml ul 1
t t 2t u v al 2 x y y
简化：
① 动量方程
u 竖直方向无惯性力，流动慢 0 x dp 压力梯度 0 dx
② 能量方程 液膜无对流 u
液膜层流 v 0
t t v 0 x y
边界层方程组：
d2u l 2 l g 0 dy
d2t 0 2 dy
gr 局部表面传热系数： hx 4 t t x w l s
平均表面传热系数：
3 l
gr hV 0.943 l l t s t w
2 l
14
（ l ——竖壁高度）
7.2.2
竖直管与水平管的比较及实验验证 努塞尔的理论分析可推广， 水平圆管，平均表面传热系数：（ d ——外径）
2 R pV pS
液体过热度
t l t S 越大： pV pS 越大， R 越小， 越易形成汽泡。
① 加热面过热度最大，最易形成汽泡； ② R 减小，使得较小残留汽泡 成为汽化核心，汽化核心数量增大。
7.5
7.5.1
大容器沸腾传热的实验关联式
大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式
1. Rohsenow基本思想：汽泡的产生与脱离造成强烈的扰动。 无量纲关联式： h 随温度剧烈变化， q h ?
蒸汽可与换热壁面直接接触，
热阻较小， 并且液珠逐渐长大，
到一定程度会沿壁面滚下，
清除沿途的液珠，有利传热。
因此：珠状凝结比膜状凝结传热效果好。
7.1.3
膜状凝结是工程设计的依据
工程实践表明：
纯净条件下，平整传热表面，都是膜状凝结。 工程设计中： 常用膜状凝结进行分析计算， 并在此基础上，采用特殊方法强化传热 。
2. 库珀公式 对制冷介质：
m lg pr h Cq0.67 Mr0.5 pr 0.55
C 90 W0.33 m0.66 K
c pl Δt r
q C wl l r
g l V
0.33
Prls
c pl ——饱和液体的比定压热容 ； Δt ——壁面过热度， r ——汽化潜热 ；
——液体-蒸汽界面的表面张力 ；
C wl ——加热表面-液体组合的经验系数 ； s ——经验指数，对水 s 1 ，其他液体 s 1.7
1. 水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数
gr hH 0.729 l d t s t w
3 l 2 l
14
球表面，平均表面传热系数：（ d ——直径）
gr hS 0.826 d t t w l s
3 l 2 l
因此：横管可强化换热。例如：冷凝器常用横管布置。
3. 分析解的实验验证和假设条件的影响
实验表明： Re 20 时，实验结果与理论相符；
Re 20 时，有偏差；转折点高 20% 。
工程修正：
gr hV 1.13 l l t s t w
3 l 2 l
4. 蒸气流速 在竖壁上，两种情形： 蒸气流速与液膜流动同方向，拉薄液膜，增大传热； 蒸气流速与液膜流动反方向，增厚液膜，减弱传热。
5. 蒸气过热度
过热蒸气在换热器中放热，两个阶段：
过热蒸气
饱和蒸气
饱和液体
因此，过热蒸气冷却会增大传热量，但减少了凝结液的产生。 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性 可对相变热进行修正：
958.4 kg m3 ， 282.5 106 Pa s 0.68 W m K
层流液膜：
gr h 1.13 l t t s w
3 l 2 l
14
1.57 104 W m 2 K
膜层雷诺数：
换热量：
7.4.3
气泡动力学简介
1. 为什么沸腾传热有那样高的传热强度 对水的核态沸腾：
q 105 ~ 106 W m2
比强制对流至少高一个数量级。
原因：① 汽化时，吸收汽化潜热
r ；
② 汽泡运动，引起流体剧烈扰动。 强化沸腾传热：增大汽泡数量，即增加汽化核心。
2. 加热表面上什么地点最容易成为汽化核心 工程实践表明： 加热壁面上凹坑、细缝、裂穴等最可能成为汽化核心。 两方面原因： ① 狭缝处加热面积比平直处大，传递热量多； ② 狭缝处容易残留气体，成为产生汽泡的核心。
7.2
7.2.1
膜状凝结分析解及计算关联式
努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解
1. 对实际问题的简化假设 纯净、饱和蒸气、均匀壁温、层流、膜状凝结
u 0 （2）蒸气静止，无粘滞力，即； y
（1）常物性； （3）液膜薄且流速缓慢，忽略惯性力和对流； （4）气液界面无温差
t t s
（5）液膜导热无对流，温度线性分布；
润湿能力：
分子作用力的表现。
液体分子之间有内聚力， 液体与壁面分子有附着力。
附着力大于内聚力时，
液体润湿壁面的能力强。 例如： 干净的玻璃表面， 水容易铺展成膜， 而水银形成液珠。
7.1.2
凝结液构成了蒸气与壁面间的主要热阻
膜状凝结：凝结液膜覆盖整个壁面， 液膜将蒸汽与壁面隔开， 形成较大热阻。 珠状凝结：凝结液珠覆盖部分壁面，
解：流动状态，无法确定：
4hl t s t w Re r
假设为层流：
，
h?
p 1.013 105 Pa 时，
P565附录10
.1 kJ kg t s 100o C ， r 2257
定性温度：
t m t w t s 2 99o C
物性参数：（液膜） P563附录9
r r 0.68c p t s t w
7.3.2
膜状凝结的强化原则和技术
1. 尽量减薄液膜厚度是强化膜状凝结的基本原则 两种方法：① 减薄液膜厚度；② 及时排除液体。 2. 强化技术简介
竖壁、竖管：
降低传热面高度， 竖管改为横管； 利用尖峰： 液膜表面张力 减薄尖峰上液膜厚度。
Δt t w t s
。
① 自然对流区：
Δt 4o C
沸腾还未开始，
加热壁面上无气泡，
水绕加热棒作自然对流。 ② 核态沸腾区：
4o C Δt 25o C
在加热面的特殊点上 产生气泡——汽化核心； 开始气泡较小，互不干扰 ——孤立气泡区；
过热度增加，气泡合并， 成为气块、气柱， 产生气泡的速度小于 气泡脱离加热面的速度；
14
① 相变潜热：饱和温度
t s ；② 定性温度： t m t s t w 2
2. 水平管外凝结与竖直管外凝结的比较 两者不同处：特征长度 横管——外径 d ，竖壁——高度 l
在其他条件相同时：
hH l 0.77 hV d
在
14
l d 50 时： hH 2hV
3. 加热面上要产生汽泡液体必须过热 汽泡形成条件： 汽泡内外压力差
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(完整版)《传热学》第7章_相变对流传热
1. 产生原因不同（液体与壁面浸润程度） 2. 换热强度不同 3. 珠状凝结不持久，工程中主要采用膜状凝结作为设计依据。
5
第7章 相变对流传热
7.2 膜状凝结分析解及计算关联式
7.2.1 努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解(温度、传热系数及动量分布)
1. 对实际问题的简化假设
努塞尔的分析是对纯净的饱和蒸气在均匀壁温的竖直表面上的层流
x
1/
4
整个竖壁上的温差ts-tw为常数，因此，整个
竖壁的平均表面传热系数为：
hV
1 l
l 0
hx dx
34hxl
0.943lgl rts 3ltl2w
1/ 4
液膜层流时竖壁膜状凝结的努塞尔理论解，
如果有倾角φ的话，直接改为gsin φ即可。
8
第7章 相变对流传热
7.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证
第7章 相变对流传热
7.1 凝结传热的模式 7.2 膜状凝结分析解及计算关联式 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热
强化 7.4 沸腾传热的模式 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式 7.6 沸腾传热的影响因素及强化 7.7 热管简介
1
第7章 相变对流传热
引入：
对流传热
强制对流传热 自然对流传热 无相变
膜状凝结的热阻通常比珠状凝结大一个数量级以上，
膜状凝结的表面传热系数的数量级为“成千上万”，而
珠状凝结的表面传热系数可以高达几十万！
g
tw ts
tw ts
4
第7章 相变对流传热
珠状凝结的关键问题是在常规金属表面上难 以产生与维持！！ 7.1.3 膜状凝结是工程设计的依据 常用蒸气在洁净的条件下都能得到膜状凝结。 实现起来较容易且计算简单，因此，采用膜状 凝结的计算式作为设计的依据。 强化传热的主要途径是减薄液膜的厚度！！！ 珠状和膜状凝结的异同：
5
第7章 相变对流传热
7.2 膜状凝结分析解及计算关联式
7.2.1 努塞尔的蒸气层流膜状凝结分析解(温度、传热系数及动量分布)
1. 对实际问题的简化假设
努塞尔的分析是对纯净的饱和蒸气在均匀壁温的竖直表面上的层流
x
1/
4
整个竖壁上的温差ts-tw为常数，因此，整个
竖壁的平均表面传热系数为：
hV
1 l
l 0
hx dx
34hxl
0.943lgl rts 3ltl2w
1/ 4
液膜层流时竖壁膜状凝结的努塞尔理论解，
如果有倾角φ的话，直接改为gsin φ即可。
8
第7章 相变对流传热
7.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证
第7章 相变对流传热
7.1 凝结传热的模式 7.2 膜状凝结分析解及计算关联式 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热
强化 7.4 沸腾传热的模式 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式 7.6 沸腾传热的影响因素及强化 7.7 热管简介
1
第7章 相变对流传热
引入：
对流传热
强制对流传热 自然对流传热 无相变
膜状凝结的热阻通常比珠状凝结大一个数量级以上，
膜状凝结的表面传热系数的数量级为“成千上万”，而
珠状凝结的表面传热系数可以高达几十万！
g
tw ts
tw ts
4
第7章 相变对流传热
珠状凝结的关键问题是在常规金属表面上难 以产生与维持！！ 7.1.3 膜状凝结是工程设计的依据 常用蒸气在洁净的条件下都能得到膜状凝结。 实现起来较容易且计算简单，因此，采用膜状 凝结的计算式作为设计的依据。 强化传热的主要途径是减薄液膜的厚度！！！ 珠状和膜状凝结的异同：
西安交通大学传热学课件
（3）主要热阻
（4）凝结传热设备的设计依据：膜状凝结
9/76
传热学 Heat Transfer
四、膜状凝结传热的应用
1、蒸汽压缩制冷循环 2、电厂的凝汽器 3、电子元器件冷却
10/76
传热学 Heat Transfer 11/76
传热学 Heat Transfer
§7-2 层流膜状凝结传热
凝结传热是一个非常复杂的现象
§7-1 凝结传热的模式
一、凝结的定义
蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时形成 液体的过程。
二、两种存在形态
浸润性液体；非浸润性液体。
5/76
传热学 Heat Transfer
三、凝结传热的两种模式
tw ts
1、膜状凝结(film condensation)
沿整个壁面形成一层薄膜，并且在
g
重力的作用下流动。
传热学 Heat Transfer 38/76
传热学 Heat Transfer
§7-4 沸腾传热简介
一、液体汽化的两种方式
1、蒸发（evaporation） 2、沸腾（boiling） （1）定义
工质内部形成大量气泡并由液态转 换到气态的一种剧烈的汽化过程
39/76
（2）分类
传热学 Heat Transfer
一、不凝结气体
增加了传递过程的阻力 减小了凝结的驱动力 二、蒸气流速 使液膜变厚 使液膜变薄
31/76
三、过热蒸汽
传热学 Heat Transfer
四、液膜过冷度及温度分布的非线性
五、管子排数 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管
六、管内冷凝
32/76
传热学 Heat Transfer
（4）凝结传热设备的设计依据：膜状凝结
9/76
传热学 Heat Transfer
四、膜状凝结传热的应用
1、蒸汽压缩制冷循环 2、电厂的凝汽器 3、电子元器件冷却
10/76
传热学 Heat Transfer 11/76
传热学 Heat Transfer
§7-2 层流膜状凝结传热
凝结传热是一个非常复杂的现象
§7-1 凝结传热的模式
一、凝结的定义
蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时形成 液体的过程。
二、两种存在形态
浸润性液体；非浸润性液体。
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传热学 Heat Transfer
三、凝结传热的两种模式
tw ts
1、膜状凝结(film condensation)
沿整个壁面形成一层薄膜，并且在
g
重力的作用下流动。
传热学 Heat Transfer 38/76
传热学 Heat Transfer
§7-4 沸腾传热简介
一、液体汽化的两种方式
1、蒸发（evaporation） 2、沸腾（boiling） （1）定义
工质内部形成大量气泡并由液态转 换到气态的一种剧烈的汽化过程
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（2）分类
传热学 Heat Transfer
一、不凝结气体
增加了传递过程的阻力 减小了凝结的驱动力 二、蒸气流速 使液膜变厚 使液膜变薄
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三、过热蒸汽
传热学 Heat Transfer
四、液膜过冷度及温度分布的非线性
五、管子排数 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管
六、管内冷凝
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传热学 Heat Transfer
7第七章 相变对流传热
• 珠状凝结好 • 难于获得
§7-2 膜状凝结分析解及计算关联式
一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解(1916年努塞尔首先提出)
1.对实际问题的简化假设
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。
定性温度：tm
ts
tw 2
二、竖直管与水平管的比较及实验验证
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：
hH
0.729
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4 )
球：
hS
0.826
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4 )
横管与竖管的对流传热系数之比：
hH
0.77
实验证明： （1）膜层雷诺数 Re=1600 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。
2.边界层方程组的简化
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 传热理论的统一性。同样的，凝结液膜的 流动和传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。
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
u x
v
u ) y
Rec 1600
湍流
如图 de 4 Ac / P 4b / b 4
Re 4ul 4qml
由热平衡
h( ts tw )l rqml
§7-2 膜状凝结分析解及计算关联式
一、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解(1916年努塞尔首先提出)
1.对实际问题的简化假设
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。
定性温度：tm
ts
tw 2
二、竖直管与水平管的比较及实验验证
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：
hH
0.729
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4 )
球：
hS
0.826
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4 )
横管与竖管的对流传热系数之比：
hH
0.77
实验证明： （1）膜层雷诺数 Re=1600 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。
2.边界层方程组的简化
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 传热理论的统一性。同样的，凝结液膜的 流动和传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。
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
u x
v
u ) y
Rec 1600
湍流
如图 de 4 Ac / P 4b / b 4
Re 4ul 4qml
由热平衡
h( ts tw )l rqml
相变对流传热2015简化版
竖直圆管表面层流膜状凝结
1
hH
0.729l
rg3l
D(ts
l2
t
w
)
4
水平圆管表面层流膜状凝结
hV
0.943引 满lrL申 足g(t思 何s3l 考 种lt2w【 条)
1 14】:采用与 件 ？
竖
壁
相
同
的
公
式，需
01
添加标题
引申思考【2】：试定性分析工程应 用中冷凝管常采用横管布置的原因。
0 2 hH 0.77L / D1/4
tw
Re2
gl 3 v2
cp tsat
r
tw
Ga
Ja
膜 状 凝 结 换 热 特U征＋关V联＝式0 函 数 形
式
X Y
○ 无量纲化控制方程组 ○ 参考速度
U U V U 1 X Y Ja
1 2u Ga Ja y2
U V X Y
1
2
Ga Ja Pr Y 2
Nu f Ga, Ja, Pr
Re 20
湍流
Nu
hV L
l
1.13定定lrL性 ，g(t温 rs3l 除度lt2外w ))
1
4膜温
tf
i
lm
=
(
tw
+
ts
)
/
2
，Re(按 ,ct
sa1t6确00
1
1.13Ga
1 Ja
Pr
4
7.2.4 湍 流膜状凝
待定准则
结换热
Re ,x
u
xde,
l
x能
量守de恒,x
4b x
b
4
第七章相变对流传热
2020/5/18
1
第七章 相变对流传热
5.凝结换热的强化
当凝结热阻是传热过程主要分热阻时，强化效果较好。强化的原则 是破坏或减薄液膜层，强化技术是减薄液膜厚度、加速液膜的排泄。
二、沸腾换热
1.特点
基本概念：蒸发与沸腾，大容器沸腾与管内沸腾，饱和沸腾，过热 度。汽化核心数是衡量强化沸腾的重要参数。
凝结传热 （气相变液相） 沸腾传热 （液相变气相）
凝结传热： 夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结 沸腾传热： 烧开水
相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程伴随吸热、放热的相变潜热
相变传热的特点： 由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂。
相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公式计算热流量
7-1 凝结传热的模式 凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。 珠状凝结
珠状凝结的表面换热系数 >> 膜状凝结，但是一般无法长久保持。
2.55×105
5000～25000
2020/5/18
6
第七章 相变对流传热
7-2 膜状凝结分析解及实验关联式 层流膜状凝结
努塞尔纯净饱和蒸汽层流膜状凝结理论分析解： 液体膜层的热阻为主要因素。
微元体热平衡
d x
ts tw
(x)
dx
rdM
rd (
0
l udy)
u l g (y 1 y2 )
l
2
t
tw
(ts
tw
)
y
导热公式+牛顿冷却公式
1/ 4
4l
l (
g
ts
l2 r
传热学考研题库【名校考研真题】(相变对流传热)【圣才出品】
第7章相变对流传热一、填空题1．沸腾危机是指______。
[浙江大学2010研]【答案】在大容器饱和沸腾中，核态沸腾与过渡沸腾中间对应的热流密度的峰值q，max即临界热流密度2．凝结换热的主要热阻是______。
[浙江大学2010研]【答案】凝结液的热阻【解析】无论是膜状凝结还是珠状凝结，凝结液体都是构成蒸气与壁面交换热量的热阻载体。
3．核态沸腾能够发生的两个主要基本条件是______、______。
[浙江大学2012研]【答案】存在汽化核心；有过热度【解析】加热表面上形成汽化核心引起的扰动使沸腾增强，传热强度增大；沸腾液的过热度是气泡存在和长大的动力。
4．临界热流密度是指______，对于通过控制热流密度来改变工况的加热设备，一旦超过临界热流密度将导致设备______，对于壁温可控的加热设备，一旦超过临界热流密度可能导致______。
[浙江大学2012研]【答案】在大容器饱和沸腾中，核态沸腾向过渡沸腾转变的热流密度的最大值；烧毁；传热量减少【解析】在高温下恒热流密度加热时，当热流密度超过临界热流密度，壁温会突然剧烈上升，使设备烧毁；对于恒壁温加热，超过临界热流密度时，进入过度沸腾阶段，热流密度和表面传热量都会下降。
5．沸腾的临界热流密度是从______沸腾过渡到______沸腾的转折点。
[重庆大学2014研]【答案】核态；过渡6．大容器核态沸腾的主要传热特点是______；强化沸腾传热的基本原则是______。
[重庆大学2014研；浙江大学2005研]【答案】温压小，换热强度大；增加加热表面的汽化核心数【解析】在核态沸腾区，汽化核心增加，气泡扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。
高的传热强度主要是由于气泡的形成、成长、以及脱离加热壁面所引起的各种扰动所造成的。
7．凝结换热的两种形式是_______和_________。
[浙江大学2006研]【答案】珠状凝结；膜状凝结二、判断题1．蒸汽在低于饱和温度的壁面接触时所可能出现的膜状凝结形式或珠状凝结形式主要取决于接触壁面表面的湿润能力。
相变对流传热课件
1第7章相变对流传热7.1凝结传热的模式7.2膜状凝结的计算关联式7.3膜状凝结的影响因素及其传热强化7.4沸腾传热的模式7.5沸腾传热的影响因素及其强化7.6热管简介蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾是伴随有相变的对流传热，其基本规律与单相对流传热有重大的区别。
凝结与沸腾传热广泛地应用于各种工程领域中：电站汽轮机装置中的凝汽器、锅炉炉膛中的水冷壁、冰箱与空调器中的冷凝器与蒸发器、化工装置中的再沸器等都是应用实例。
本章应掌握的重点是凝结与沸腾过程的基本特点、计算关联式的选择与使用以及强化凝结与沸腾传热过程的基本思想和主要的实现技术。
23蒸气与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结形式。
如果凝结液体能很好地润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜。
这种凝结形式称为膜状凝结(film condensation)。
膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热(潜热)必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去。
这时，液膜层就成为传热的主要热阻。
当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠，称为珠状凝结(dropwise condensation)。
7.1 凝结传热的模式4珠状凝结膜状凝结无论是膜状凝结还是珠状凝结，凝结液体都是构成蒸气与壁面交换热量的热阻载体。
显然，将蒸气与冷壁面隔开的液体层的面积越大、越厚，热阻越大。
在减小凝结热阻方面，珠状凝结相比于膜状凝结具有很大的优越性：在产生珠状凝结时大量的液珠的直径是很小的(在100μm以下)，空出了大量的壁面可与蒸气直接接触；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，并在滚下的过程中，一方面会和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，使壁面重复液珠的形成和成长过程。
5而膜状凝结时，在冷壁面上始终存在一层连续的液膜，其厚度沿着重力的方向增加，所以膜状凝结的热阻常常比珠状凝结大一个数量级以上。
第7章_相变对流传热讲解
5、6、蒸气过热与液膜过冷
（只要对潜热项进行适当修正即可） 蒸汽过热: r" r c p,v (tv ts ) 液膜过冷:
r ' r 0.68c p (ts tw ) r (1 0.68Ja)
7.3.2 膜状凝结传热的强化
1. 基本原则: 尺量减薄液膜厚度(膜层热阻是主要热阻) 2. 强化技术——增加尖突物、及时排液 (1)采用高效冷凝面——原理：利用表面张力使肋顶 或沟槽脊背的液膜拉薄，从而增强换热。 ①低肋高、小节距横管；②锯齿管； (2)使液膜在下流过程中分段泄出或采用其他加速排 泄的措施，保持开始段δ较薄的条件 ——①加泄出罩; ②顺液流方向开沟槽的竖管 (3)采用微肋管(强化管内换热)
1、不凝结气体的影响 影响机理：
(1)冷壁面附近形成一不凝结气体层，增加了一项热阻 (2)不凝结气体的存在使壁面附近的蒸气分压下降，相
应的饱和温度下降，从而使凝结换热的驱动力下降
影响结果：使表面传热系数大大下降，换热削弱 影响程度：与压力、热负荷、运动速度等有关 例：纯净水蒸汽膜状凝结，h=5820-11630W/m•℃， 含有1%空气时，实验证明 h值将下降60%左右
7-2 膜状凝结分析解及计算关联式
主要内容：分析求解思路、求解结果、适用条件(场合)
7.2.1 努塞尔蒸气层流膜状凝结分析解(1916年提出) 1、基本依据：液膜热阻为过程的主要热阻 2、简化假设（详见P303） (1)常物性； (3)忽液膜惯性力； (7)ρ v<< ρ l; (2)蒸汽静止； (4)汽液界面无温差，tδ=ts； (8)液膜表面平整无波动。
7-5 大容器沸腾传热的实验关联式
一 、大容器饱和核态沸腾
表面传热系数或热流密度的计算
传热学第七章相变对流传热
多组分凝结
2021年5月12日7时43分 杨祥花
表面凝结： 按浸润能力分（气液分界面 对壁面形成的接触角）：
膜状凝结
珠状凝结 表面张力与附着力的相对大小
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
2021年5月12日7时43分 杨祥花
表面凝结
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
2021年5月12日7时43分 杨祥花
2021年5月12日7时43分 杨祥花
方程组的求解
对 方 程
l
d 2u dy 2
l g
0
进 行 两
d 2t dy2 0
次
u l g ( y 1 y2 )
l
2
t
tw
(ts
tw
)
y
积
分
求解关键： f (x)
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微元段质量守恒
§7-4 沸腾传热的模式 §7-5 大容器沸腾传热的实验关联式
§7-6 沸腾传热的影响因素及强化
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2021年5月12日7时43分 杨祥花
主要特点:
(1) 流体温度基本保持不变，在相对较小温 差下达到较高放热和吸热目的的传热过程;
(2) 换热量主要是潜热r。r 比较大，故h 大。 如：1个大气压下r= 2257 kg/kJ；
hx（ts-tw）= λl(ts-tw) /δ
hx
(ts
l
tw)
(ts
tw)
gr l2l3 4l (ts tw
)
x
1
4
（7-2）
（3）平均表面传热系数
第7章相变对流传热2014-凝结沸腾课堂
无波动层流
Re = 20
有波动层流
层流 Re<1600
η
Re c = 1600
湍流
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。
4 A 4bδ de = c = = 4δ P b
⇒ Re =
4δρul
η
=
4qml
η
h(t s − t w )l = rqml
第 7 章 相变对流传热
• 相变传热： 凝结传热——由气态变为液态 沸腾传热——由液态变为气态 • 主要应用 凝结传热：电站的凝汽器，空调冷凝器、 镜片起雾。。。 沸腾传热：冰箱空调蒸发器、锅炉水冷壁 烧开水。。。。
凝结传热
主要内容： • 凝结的形式 • 主要传热热阻是什么？ • 膜状凝结换热的规律 凝结传热系数h • 影响凝结传热的主要因素 • 根据凝结换热的机理，强化凝结换热的措施0 0δδ Nhomakorabeaδ
0
ρl 2 g ρ l 2 gδ 3 1 2 δy − y dy = ηl 2 3ηl
则，x+dx 处质量流量的增量 dqm = gρ l δ 2
2
ηl
dδ dx
qm dq m qm + dqm
（4）液膜厚度
根据能量守恒定律，微元体：
rdqm = dΦ x
dqm =
注意：r 按 ts 确定
努塞尔纯净饱和蒸气层流膜状凝结表面传热系数理论分析解 竖壁 hV = 倾斜竖壁
gr ρ λ 4 hx = l 0.943 = η 3 l( t t ) − l s w
2 l 3 l
2 3 1/4
1/ 4
g sin θ r ρl λl hV = 0.943 ηll(ts − tw )