1、本章作业：本章作业：7-6 7-13 7-17 7-25相变换热与非相变换热的对比相变换热与非相变换热的对比换热形式换热形式单相单相相变相变交换热量交换热量显热显热mcmct t显热显热+潜热潜热mcmct+mrt+mr相对单位质量热容量相对单位质量热容量1 1100100相对表面传热系数相对表面传热系数1 11010由于有潜热释放和相变过程，比单相对流换热更复杂，因此，由于有潜热释放和相变过程，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。目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。第七章 相变对流换热7.1 凝结传热结传热的模式7.2 膜状状凝结结的分析解及计计算
2、关联关联式7.3 膜状状凝结结的影响响因素及其传热传热强化6-1 6-1 凝结换热凝结换热 膜状凝结膜状凝结当凝结液体能很好的浸润壁面时，沿整当凝结液体能很好的浸润壁面时，沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作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过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。量传递。珠状凝结珠状凝结当凝结液体不能很好的浸润壁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面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速蒸汽直
3、接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结率远大于膜状凝结gswttgswtt 在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。在壁面上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要必须穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻热阻珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的
4、液珠。扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大的加强，一般的加强，一般fdhh105但珠状凝结很不稳定，目前还难于获得实用的持久性珠状凝但珠状凝结很不稳定，目前还难于获得实用的持久性珠状凝结过程。一般工业设备中均为膜状凝结。结过程。一般工业设备中均为膜状凝结。膜状凝结是工程设计依据膜状凝结是工程设计依据 实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面
5、上得到膜状凝结。得到膜状凝结。工业实际应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计工业实际应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。计算式作为设计的依据。强化膜状凝结的途径减薄液膜的厚度强化膜状凝结的途径减薄液膜的厚度 纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析19161916年，年，NusseltNusselt提出的纯蒸汽层流膜状凝结换提出的纯蒸汽层流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。热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自自19161916年以来，
6、对膜状凝结关联式的各种修正或发展年以来，对膜状凝结关联式的各种修正或发展都是针对都是针对NusseltNusselt分析的限制性假设而进行了，并形成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。了各种实用的计算方法。根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液膜运动微根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液膜运动微分方程式和能量方程式，然后求解液膜内的速度场和温分方程式和能量方程式，然后求解液膜内的速度场和温度场，从而得出表面传热系数的理论解。度场，从而得出表面传热系数的理论解。1）纯蒸气在壁面上凝结成层流液膜，常物性；2）蒸气静止，且认为蒸气对液膜表面无粘滞力；3）气液界面上无温差，即液
7、膜温度等于饱和温度；4）液膜薄流速慢，忽略液膜的惯性力和对流作用；5）凝结热以导热通过液膜，膜内温度视为线性分布；6）液膜的过冷度忽略；7）相对于液体可忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动。假设条件：假设条件：边界层微分边界层微分方程组：方程组：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll4）液膜的惯性力忽略 0)(yuvxuul5）膜内热量转移只有导热 7）忽略蒸汽密度0vgdxdp0ytvxtu只有u 和 t 两个未知量，于是，上面方程组化简为：002222ytayuglll002222ytyugll边界条件：swttyuyttuy ,0dd 0,0时，时，2
8、21yygull求解上面方程可得：yttttwsw2）1）0323gudyqmdgdqm22dxttdgrws226 6）不考虑液膜过冷释放的显热）不考虑液膜过冷释放的显热1/4llsw2l4(tt)xgr(1)液膜厚度dxttdgrws22(2)局部对流换热系数1/423llxlswgrh4(tt)x lwsxwslhdxtthdxtt求解的基本思路求解的基本思路 （1 1）先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度）先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度在内的流速在内的流速u u及温度及温度t t分布的表达式；分布的表达式；（2 2）再利用）再利用dxdx一段距离上凝结液体的质量平衡关系一
9、段距离上凝结液体的质量平衡关系取得液膜厚度的表达式；取得液膜厚度的表达式；（3 3）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律求出表面传热系数的表达式求出表面传热系数的表达式。sw(tttC)1/423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll(tt)(4)修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述理论值高20左右1/423llVlswgrh1.13l(tt)修正后：(3)平均对流换热系数对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可定性温度：2wsmttt注意：r 按 ts 确定(5)(5)水平圆管水平圆管努
10、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。以上所有公式中：横管与竖管的对流换热系数之比：4177.0dlhhVH当 l/d 50时，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案VHhh2边界层内的流态边界层内的流态20Re 1600Rec无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据膜层膜层ReRe，式中：式中：u ul l 为为 x=lx=l 处
11、液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de de 为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。leudRe444bbPAdcemlquRe44mwsrqltth)(rtthlRews)(4横管：用横管：用 d d 代替代替 L LelduReLxhLxhhctcl11600Re9200)253(584/34/12/131Re/PrPrPrReGaNusw除除PrPrw w 的定性温度用的定性温度用 t tw w 外，其余均用外，其余均用t ts s，物性为凝结液的，物性为凝结液的 23glGa 影响膜状凝结因素的讨论影响膜状凝结因素的讨论1.1.不凝结气体：不凝结气体：由于不凝结气
12、体形成气膜，故由于不凝结气体形成气膜，故：1).1).蒸气要扩散过气膜，形成阻力；蒸气要扩散过气膜，形成阻力；2).2).气膜导致蒸气分压力降低，从而使气膜导致蒸气分压力降低，从而使 t ts s 降低降低,降降低了有效冷凝温差，使凝结换热表面传热系数和换低了有效冷凝温差，使凝结换热表面传热系数和换热量降低。热量降低。=严重性：严重性：1%1%的不凝结气体能使的不凝结气体能使 h h降低降低 60%60%2.2.蒸气流速蒸气流速 前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。=u u 向上向上 液膜增厚液膜增厚 h h ；u u 液膜破裂液膜破裂 h h =u u 向
13、下向下 液膜减薄液膜减薄 h h ；u u 液膜破裂液膜破裂 h h 3.3.过热蒸气过热蒸气 实验证实实验证实 h-hh-h 代替代替 r r 即可即可4.4.液膜过冷度及温度分布的非线形液膜过冷度及温度分布的非线形 只要用只要用r r 代替计算公式中的代替计算公式中的 r r，即可：，即可：)(68.0wspttcrr5.5.管子排数管子排数 n n排排,特征长度特征长度d d nd nd 由于凝结液落下时要产生飞溅以及对由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使液膜的冲击扰动，会使 h h 增大。增大。6.6.管内冷凝管内冷凝7.7.凝结表面情况凝结表面情况强化的原则：尽量减薄
14、粘滞在换热表面上液膜的厚度。强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。实现的方法实现的方法：=尖锋的表面尖锋的表面=使凝结液尽快从换热表面上排泄掉使凝结液尽快从换热表面上排泄掉=表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结 表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入饱和水蒸汽在长饱和水蒸汽在长2m2m，外径，外径19mm19mm的管外凝结，如气压的管外凝结，如气压为为0.074bar(0.074bar(绝对绝对)，管壁平均温度为，管壁平均温度为2525，求将管，求将管横放和竖放时的平均凝结换热系数及凝结液量。横放和竖放时的平均凝结换热系数
15、及凝结液量。918919.015105.764102407*81.9*8.994*622.013.113.14/163234/1023dttgrkhwslllWth ldQo5.1644615*9189*2*019.0*14.33310833.6102407/5.16446rQG横放情况，假设流动为层流横放情况，假设流动为层流:传热量传热量 凝液流量凝液流量 假设正确假设正确16009.17)(4rtthLRews竖放情况，假设流动为层流竖放情况，假设流动为层流:传热量传热量 凝液流量凝液流量 假设正确假设正确16006.291)(4rtthLRews5.4471215105.76410240
16、781.98.994622.013.1lttgrk13.1h4/163234/1wsl2l3lW8003155.44712019.014.3th ldQo3310325.3102407/8003rQG凝结换热的关键点凝结换热的关键点 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，及会分析竖壁和横管的换热过程，及NusseltNuss
17、elt膜状凝结理论膜状凝结理论凝结换热中的重要参数凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-twts-tw）汽化潜热汽化潜热 r r 特征尺度特征尺度 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 数、比热容等数、比热容等 是否形成膜状凝结主是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能要取决于凝结液的润湿能力，而润湿能力又取决于力，而润湿能力又取决于表面张力。表面张力小的表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明，润湿能力强。实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状洁净表面上都能得到膜状凝结。凝结。4/123)(13.1wslllttLrgh4/34/123)(13.1)(wslllwsttLrgtthq qts
