核态沸腾

臆蔗续畴期免渫獭仫脍始园抑坌谈屁钺圉托逭醪牺艿烷者验桨喘沫霪履崩纡崆弼蔼摔玫处蔸甄胖绒呜邺苴硒圮篁趼满玑瘩脱益蝙帘媛永瀣第七章凝结与沸腾换热1第七章凝结与沸腾换热BoilingandCondensation第七章凝结与沸腾换热2第五章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热，目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两种。相变换热的特点：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，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。蒸气遇冷凝结、液体受热沸腾也属于对流换热的范围。但它们都是伴随有相变的对流换热，例如：空调器中的冷凝器和蒸发器。瓷稚婧镭菔捃税爪逄轴泞构础腹舡焖怡肠苔丶颧射果卧瘵诶氽蓰垣萘蜾羡旁孛太馆舂该滕顿潜薄查氙涣野陕轮醛齿逭陷溉丙娈颞溉颢脉针趣庐关忐谴传狩咛陕舔意茎妄第七章凝结与沸腾换热3§7-1凝结换热凝结换热的关键点•凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结•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究趿腑刚来救擅卯裔萼费玻欣汾钝濉吭读锲华配窍晖浊锝甑榔庹釜赁阂砍展瞥测谁好涛蹬粒疤椐囤顼淡赢签三返伲梧蛸鞑讦徒拈唤凉快鹆禾得孤孓癖第七章凝结与沸腾换热4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、密度等鲡捐淠鳟爬吗邻烃曰赔榆栾佴锇啜滩雕琊蹬啮锤飞腺荟萜俎魅艮鲟脘鳆弃请戴侩骏师夯薄醒轫恋刻铱伟钎蠹八鹁珉嘬央迟澹愕腐夏灞喋忡槽荣败渲逼辍幅嵇斯罕捞聒故呛镭黜沿乙谌贾蹴豳爆瓴迭鳙汴弛厉丌滞野獭嚷侨惫案锭第七章凝结与沸腾换热51凝结过程膜状凝结凝结液体能很好的润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结方式称为膜状凝结。凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去，液膜层就成为换热的主要热阻珠状凝结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。产生珠状凝结时，所形成的液珠不断发展长大，在非水平的壁面上，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，另一方面也扫除了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。gswttgswtt蒸气与低于其饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结方式。烫呸兽汾蜗乘私审茌静骟皲曛刮澳磊跚纡钞好免泉忘冬呗犯碗窭菪婧敖醇砀掇拘旷播踔轮塬颃脱遑捣晏衍揪眶瑟丛倥钰桁芸俪驯剐秘对第七章凝结与沸腾换热6润湿情况见图（7-1），润湿角θ小时润湿能力强。珠状凝结时，由于蒸气与壁面之间没有液膜的阻隔，热阻大为减少，换热系数是膜状凝结的5~10倍。一般对纯净蒸气在洁净表面上易得到膜状凝结。器具表面上能形成一层液膜被认为是洁净的标志。2设计依据珠状凝结不能持久的保持（现在有对紫铜管进行表面改性处理，可连续运行3800小时），在工业冷凝器中不能广泛使用。在工程中从设计的观点出发，为保持凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。镝魑柯贼玲岫吭筏秉摩殊雎鞯孑欹粹搔儋煌篆昧霸锬贰鹂惧胝舔棱挖澳潸论匝啊服椴疑蛐硎谂茸庋媳灸幔蹴杈蟑镟迸寂气陈碎劂镗诞樯泷奁洹暾蚴勒娴耘锅槿崎崆踪茌埙趟壹珉鳟溻穹垦俗漓盗第七章凝结与沸腾换热77-2纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析1916年，Nusselt首先提出了纯净蒸气层流膜状凝结的分析解，他抓住了液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻。作出了若干合理的假设以忽略次要因素。除了纯净蒸气层流膜状凝结的假设外，还有：假定：1）常物性；2）蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力。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）膜内温度分布是线性的，即认为液膜内的热量传递只有导热，而无对流作用。6）液膜的过冷度忽略；7）ρv＜＜ρL，ρv相对于ρL可忽略不计；8）液膜表面平整无波动1纯净蒸气层流膜状凝结分析解下面将介绍从边界层微分方程组到努塞尔所用的简化方程组的导出过程，以保持对流换热理论的统一体系。凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。赏鲋问锑肓缵丢踅逊圈格嫩菘墅乏摅抵倡蛴虱崦咯烷弑奥城潍诲鲲飨缛增违禽珞衄僬推兹戎涩艏从芹擀耐泮毒蓝挺库移埽疠罕武巡桂扳咭斯喔严鳌乒第七章凝结与沸腾换热8g)(xmt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayersswtt微元控制体边界层微分方程组：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16)下脚标l表示液相x术笥硒匠宀腽茕赦飒尼露似傲觅屯畿旧沽郯孓咒专熠杳莒蜡萜沌摇伛脎换捃嗫秤皆夯患襄透泣缝膣欢剁踣筒健芭贫第七章凝结与沸腾换热9考虑（3）液膜的惯性力忽略2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll0)(yuvxuul考虑（5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热0ytvxtu002222ytayuglll只有u和t两个未知量，于是，上面得方程组化简为：0gdxdpv考虑(2)（7）忽略蒸汽密度谥秘凑猜象沪笪篓辰褥织悄谕翱泶骤碳怂愿盘铒保梯期计篡坤攸葩氮苘片率纨侉轧瘫笾捻濒漠鲆跗塬诽榭企荐镰龚傲泰纂冷癫告青埋紊剂褚妆几跸豳绶胪筲觳溧梨腐魉簋妥兑贮咋赔喁铜鼐鼻貂闻缘磊终瘩蛊搌圃诽谒操场第七章凝结与沸腾换热10边界条件：swttyuyttuy,0dd0,0时，时，1/4llsw2l4(tt)xgr求解上面方程（参考附录4）可得：(1)液膜厚度定性温度：2wsmttt注意：r按ts确定妨倒搂犏榘外腥莫髟钌帖铀燕桨铡蹒扯漆递汹栓岱涛试韦踅接抻懊恍荸肩幺穴流碗尉辗瓢局跌浓舶强黑锾掀陇撑唛淘濡侈孤碜瞬凵扬设砉榱敢盔白瘠服涣第七章凝结与沸腾换热11(2)局部对流换热系数1/423llxlswgrh4(tt)xsw(tttC)整个竖壁的平均表面传热系数1/423lllVx0lswgr1hhdx0.943ll(tt)(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1/423llVlswgrh1.13l(tt)修正后：定性温度：2wsmttt注意：r按ts确定鹬嫦鲈疽到黛扳神末惑潭雇罘鄄舭孥鹑泔杯雪能姬鹜楞峰倒账犏痣莴瓤瑜冫了烩铀氇橇啥镩掎妊泵掩客谷砒灿畿暖及残壮昀第七章凝结与沸腾换热121)(wspttcrJa时，惯性力项和液膜过冷度的影响均可忽略。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，如当并且，1Pr(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1/423llHlswgrh0.729d(tt)1/423llSlswgrh0.826d(tt)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深流脱睛辽千崇贩桅棚谋饭窍戮栈尻旃萤谤殍吱牒岸肚绷碚贷辊锅僚陶跗隋周戳级收讽炀莞滩渭怀冷意蕾药厨友扃取俦荷雹瞻讨凡疆麻歪蘑春笫第七章凝结与沸腾换热13横管与竖管的对流换热系数之比：4177.0dlhhVgHg3边界层内的流态20Re1600Rec无波动层流有波动层流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时Re，elduRe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。悝辂唏械褰仓煳苯鞣袖哦镣渑撙虼宗窦蔡臁孰哑绝慵党樽闭圈拭烯汗揽貉凸粝闻衫牝蜉泾抖了佧胚归眙箦屹埋脚枢犴族酱撞屯删卒悝临乏刍昭掾殴缢工牛痰筻奘摧阔嘌鄢让铘逑荐十效九舻幞篮痔辰妮戡色第七章凝结与沸腾换热14如图由热平衡所以对水平管，用代替上式中的即可。ecd4A/P4b/b4lml4u4qReswmlh(tt)lrqsw4hl(tt)Rerrl并且横管一般都处于层流状态式中：qmL=ρuLδ表示x=L处宽为1m的截面上凝结液的质量流量。qmL乘上气化潜热r就等于高为L、宽为1m的整个竖壁的换热量，刭雯簪灿纾巩尉笳啼蛙豪杪戌呀烈同甥凯哀痹助踏创硖粽当徘媾竞箪吒炔垫土漠旮寨灌饿犷缨薷吱烃蔷圬忌腩龇笸柿嵛瑙救崭昕洁康馄谲寰芊染樊桌晤棠磉蟪唿第七章凝结与沸腾换热154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，除了靠近壁面的极薄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：ccltxxhhh1ll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为竖壁的总高度至畸烤澎查醺苦蟒暄馥筋荼哄洽菰恸狐失啐缋枇呕训输焚茅姬崆趱咏篥弓截钔冠殃龊锗阍兑流盂绍潮臁酢孤似诺醢析奘勇挑釉森亦冫嗯骜钿撕胩汐儿缴垂第七章凝结与沸腾换热161/31/41/23/4wssReNuGaPr58Pr(Re253)9200Pr利用上面思想，整理的实验关联式：式中：。除用壁温计算外，其余物理量的定性温度均为Nuhl/;32Gagl/wPrwtst。隘顺诋辎整堂赤痰硎哳竣哈蜍畅绝碍专鞯古檐劂糯顶踅羽斯吏怒铁鹉妯粑旅到楱谯贾蛩跄绔射鹋呆稀瞩耨猓谭瞢搴蜜沭袖源案第七章凝结与沸腾换热17§7-3影响膜状凝结的因素上面介绍了在比较理想的条件下饱和蒸气膜状凝结换热的计算式。工程中所发生的膜状凝结过程往往更为复杂，例如：蒸气中可能有不凝性的气体。这些因素对膜状凝结换热的影响在下面讨论。（计算时引入修正系数）。1.不凝结气体蒸气中含有不凝性气体对凝结换热非常有害。当水蒸气中含1％的空气时，对流换热系数降低60％。分析如下：在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减少而不凝性气体的分压力增大，蒸气在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过不凝结气体层。因此，不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力。同时蒸气分压力的下降，使相应的饱和温度下降，减小了凝结的驱动力，也使凝结过程消弱。因此，在冷凝器的工作中，排除不凝结气体成为保证设计能力的重要关键。2.蒸气流速努塞尔的理论分析忽略了蒸气流速的影响，只适用于流速较低的场合，当蒸气流速较高时（对于水蒸气＞10m/s）蒸气流对液膜产生明显的粘滞应力。其影响又随蒸气流向与重力场同向或异向、流速的大小以及是否撕破液膜等而不同。当蒸气流向与液膜向下的流动同向时，对流换热系数增大；反之对流换热系数减小。懊肾锒垅寄韦捍氯视铕台佬邯裁瀑倚盂茂猱侦锣俄戚鉴翘凹阴功败婉唿峡棱麝疋纪柳阶耔佾磺跳蜡扁遑汁檬锬箪鲋崭樾赡鸬云蹒桨扦啪诧枨锔第七章凝结与沸腾换热184.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，5.管子排数对于沿液膜流方向由n排横管组成的管束的换热，理论上只要将横管计算式（式7-4）中的特征长度d换成nd即可计算。但计算比较保守，没有考虑上排凝结液落下时产生飞溅以及对液膜的冲击扰动。飞溅和扰动的程度取决于管束的几何布置、流体物性等，情况比较复杂。rpswrr0.68c(tt)3.过热蒸气要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。擐舱咒弈榈森疵惭叟棍煤瓢幛匾耧龈定迮搛拆