第七章凝结与沸腾换热

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Chapter 7 Condensation and Boiling

Heat Transfer(凝结与沸腾换热)

本章主要内容

1 Condensation Heat Transfer 凝结换热

2 Boiling Heat Transfer 沸腾换热

3 Heat Pipe 热管

学习本章的基本要求

了解凝结换热的Nusselt理论解、相似准则意义，理

解主要影响因素及掌握凝结换热关联式的应用。理解沸腾换热机理、沸腾曲线。了解主要影响因素及沸腾换热的计算方法，了解热管工作原理及其主要特点。

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§1Condensation Heat Transfer

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(condensation)，而在饱和温度下，由液态转变为气态的过程称为沸腾(boiling)。

1-1 Introduction

1、The process of condensation

If the temperature of the wall is bellow the saturation temperature of the

vapor, condensate will form on the surface. (壁温低于蒸汽饱和温度时)

（1）Film condensation 膜状凝结

If the liquid wets the surface, a smooth film is formed, and the process is

called film condensation 膜状凝结。这是最常见的凝结形式。例如，水蒸气在洁净无油的表面上凝结。

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）要穿过液膜才能传到冷却壁面上去，且蒸气凝结只能在膜的表面

进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传到壁。液膜层是换热的主要

热阻，故液膜的厚薄及其运动状态（层流或紊流）对换热的影响很

大。

这些又取决于壁的高度（液膜流程长度）以及蒸气与壁的温差。一

般，层流膜状凝结表面传热系数是随壁的高度及温度差的增加而降

低，而紊流膜状凝结则与此相反。

3（2）Dropwise condensation 珠状凝结

If the liquid does not wet the surface, droplets are formed which

fall down the surface in some random fashion. This process is called dropwise condensation 珠状凝结，例如水蒸气接触到油膜的壁面。

珠状凝结时，壁面除液珠占住的部分外，其余裸露于蒸气中，因此，可

认为换热是蒸气与液珠表面和裸露的壁之间进行的。由于液珠的表面积比它所占的壁面面积大很多，而且裸露的壁上无液膜形成的热阻，故珠状凝结具有很高的表面传热系数。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。

2、润湿能力

凝结液润湿壁的能力取决于它的表面张力和对壁的附着力。

若附着力大于表面张力，则会形成膜状凝结；反之，则形成珠状凝结。

1-2 Film Condensation Heat Transfer 膜状凝结换热

一、Analytical solution of laminar film condensation

层流膜状凝结理论解是Nusselt 于1916年最先导得的。他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度场，从而得出表面传热系数的理论解。

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在建立并求解液膜运动微分方程及能量微分方程中，Nusselt 对液膜的速度场和温

度场作了若干合理的假定，这些假定是：

（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等于饱和温度t s ，即蒸气-液膜交界面无温度梯度，仅发生

凝结换热而无对流换热与辐射换热；（3）蒸气是静止的，且认为蒸气对液膜表面无粘滞应力作用，故液膜表面（4）液膜很薄且流动速度缓慢，可忽略液膜的惯性力；

（5）凝结热以导热方式通过液膜，膜内温度为线性；

（6）忽略液膜的过冷度，即液膜的焓为饱和液体的焓H ’。

0=??????????=δy y u y

w t δt s t v u 液膜蒸气x

g y

w

t t t =δ0=????=δy dy du x

5

1、Velocity distribution in the liquid film

根据上述假定，把第五章动量微分方程式应用于液膜中的微元体。因重力方向与坐标x 方向一致，在稳态情况下，方程为：

???

???????+?=??+??22)(y u dx dp g y u x u u μρυρ其中，ρ为液膜密度，kg/m 3

根据边界条件，将动量微分方程式应用于蒸气，设蒸气密度ρv 为，根据（3）和（4）的假定，则有

v y y u u y ρρυδδ

==??????????====,0,0,0,代入动量微分方程式可得

g dx dp v ρ=根据假定（4），在忽略惯性力后，得到液膜运动微分方程式

——液膜表面蒸气压强梯度

0)(22=?+??????????g y u v ρρμ0)(22=?+????????g dy u d v ρρμ

6y

w t t t =δ0=????=δy dy du x 上式表明，作用在微元体上的力就只有粘滞力和重力，两力达到平衡。

,0==u y 边界条件：0,==dy du y δ在一般压力条件下，ρ>>ρv ，例如：一个大气压下，

100℃的饱和水ρ=958.4kg/m 3，

100 ℃的水蒸气ρ=0.5977kg/m 3。

022=+????????g dy u d ρμ积分可得：)2

1(2y y g u ?=δμρ2122C y C y g u ++?=μ

ρ利用边界条件求解可得：动量微分方程式可简化为2、Temperature distribution in the liquid film

7

当对流项为0，由能量微分方程式可得到液膜能量微分方程式为

22y

t a y t x t u ??=??+??υ层流边界层能量微分方程式022=dy

t d w

t t y ==,0s t t y ==,δ边界条件：凝结液液膜内温度分布为δ

y t t t t w s w )(?+=3、Liquid film thickness δ( kg/s )μδρρδ3320g udy M ==∫x 处断面1m 宽壁面的凝液质流量为：L δm

u l

8

质流量M 在d x 距离内的增量为：22

g dM d ρδδμ=''''w dt dM H dM MH H M dx dy dx λ????+=++????????y w

t t t =δ0=????=δy dy du x 4/12)(4???????=gr t t x w s ρμλδ进去的液体焓值

出去的液体焓值与壁面

导热量蒸气的焓值液膜微元段热平衡关系式为：x 处液膜厚

度：32()s w t t dx d gr

λμδδρ?=dM dM d dM dx dx d dx d dx d δδδδ==

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4、Local heat transfer coefficient of convection

由于液膜层厚度随x 的增加与液膜表面凝结换热量有关，而dx 微元段内的凝结换热量等于该段膜层的导热量，故

1

)

(1)(??=??dx t t dx t t h w s w s x δλδ

λ=x h 将δ的表达式代入可得4/132)(4??

?????=w s x t t x r g h μλρ设壁的长度为l ，则液膜的平均表面传热系数为：4/1320)(943.0431???????====∫w s l x l x t t l r g h dx h l h μλρW/

（㎡.K ）

10对于与水平面夹角为θ的倾斜壁(inclined surface)，其局部表面传热系数和平均表面传热系数为：4/132)(4sin ??

?????=w s x t t x r g h μθλρ4/132)(sin 943.0??

?????=w s t t l r g h μθλρ对于水平圆管外壁的平均凝结表面传热系数，可在倾斜壁表面的传热系数理论解的基础上导出，定型尺寸为管径d ，4/132)(725.0??

?????=w s t t d r g h μλρW/（㎡.K ）W/（㎡.K ）W/（㎡.K ）公式中各项物性数据按液膜层平均温度r 为气化潜热，其值按蒸气饱和温度t s 确定，ρ、μ、λ均是液膜层内液体的物性参

数。

2w s m t t t +=确定。

定性温度

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通常，在相同的条件下，只要不是很短的管子，横放时管外的凝结表面传热系数将高于竖放。例当长径比l/d=50时，水平管的平均表面传热系数是垂直管的2倍多（按层流分析），故冷凝器设计中，通常多采用水平布置。

04.2)50(943

.0725.0943.0725.04/14/1====）（垂水d l h h h h l d 当l/d>50时，277.04/1>??

????=d l h h l d ，则有l

d h h 2>竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加还是减小，为什么？

Question 1

解：竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重力，而是重力的一个分量，液膜流动变慢，液膜加厚，从而热阻增加，表面传热系数减小。Question 2

发生凝结换热的前提条件是什么？

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二、Empirical relations of laminar film condensation heat transfer

层流膜状凝结换热准则关系式

1、Condensate film Reynolds number 凝结液膜雷诺数Re c ，

由Re 的定义式，考虑到液膜的流动特点，表达式为L δm

u l μ

ρ

υm e m

e c u d u d ==Re 式中，u m ——壁的底部液膜断面平均流速，m/s ；de——该膜层断面的当量直径hydraulic diameter ，m

*求膜层断面的当量直径

设液膜宽为L ，则润湿周边长U=L ，

液膜断面积δ

L f =则膜层断面的当量直径

δδ444===L L U f d e μμδ

ρμρ

M

u d u m e m c 44Re ===

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其中，δρm u M =是单位时间通过单位宽度的壁底部断面的凝液质量，kg/(s.m)凝液M 的潜热=长为l 、宽为1m 的壁的冷凝换热量，即

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)(??=l t t h Mr w s r

l t t h M w s )(?=r t t hl w s c μ)(4Re ?=定型尺寸：垂直壁为高度；水平管管外凝结为周长πd ，m

2、Condensation number 凝结准则Co 3/1223???????=μρλg h Co 为无量纲数群，其大小反映凝结换热的强弱。3/13/123.??=??????=Ga Nu gl hl Co νλ其中，Ga 称伽利略Galileo 准则

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4/132)(943.0???????=w s t t l r g h μλρ4

/132)(725.0??

?????=w s t t d r g h μλρ改写为Re c 、Co 准则，则有

垂直壁：垂直壁理论解3/1Re

47.1?=c Co 水平管理论解3

/1Re 51.1?=c

Co 水平管：将Nusselt 理论解与实验关联式进行比较，垂直壁的理论解在

Re c >30以后就逐渐偏低于实验关联式。原因是：在较小时，

实验观察表明凝结液膜表面光滑，无波纹，如图所示，故理

论与实际相符。

但当30

之间的粘滞应力的作用，层流膜表面发生了波动，它促进膜

内热量的对流传递，

15垂直壁层流膜状凝结换热的实用计算式：

4/132)(13.1???????=w s t t l r g h μλρ3

/1Re 76.1?=c

Co 或在实际计算中，还可以采用Kutateladze 推荐的准则关联式

2

.5Re 08.1Re 22.1?=c c Co 对于水平管，理论解与实验结果非常接近，故不需要修正。

因此，在实际计算中，当30

实验证明：对于垂直壁，当Re c >1800后，液膜流态将转变为紊流。对于水平管，凝结液从管壁两侧向下流，层流到紊流的转变点为Re c =3600，但一般因水平管直径均比较小，不会出现紊流。

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三、Turbulent film condensation (紊流膜状凝结)

蒸气在壁面形成凝结液膜，壁的上部仍将维持层流，只有当壁的高度足够时，在壁的下部才逐渐转变为紊流，因此，整个壁面将分成层流段和紊流段。垂直壁紊流液膜段的平均表面传热系数的准则关联式为

)

253(Re Pr 588750Re 75.05.0?+=?c c Co )

1800(Re >c 整个壁面的平均凝结表面传热系数应按加权平均计算：)1(l

x h l x h h c t c l ?+=式中x c 是由层流转变为紊流的临界高度；下标l 为层流，t 为紊流；h l 和h t 分别为层流与紊流段的平均凝结表面传热系数。

因凝结换热准则关联式都是表面传热系数的隐函数，使用这些关联式计算表面传热系数，都必须采用试算的方法。

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四、Condensation inside horizontal tubes (水平管内凝结换热)

蒸气在水平管内凝结时，凝液在管内聚集并随蒸气一起流动，因

此，蒸气流速对换热的影响很大。当蒸气流速很小时，凝液将顺管壁两侧向下流动，其方向与蒸气流动方向垂直，如图所示。

管内蒸气流动雷诺数Re V （按管子进口参数计算）为

V

v V V m V V d G d u μμρ==,Re 当Re V <35000时，可采用下式估算平均表面传热系数：

4/13)()(555.0??

?????′?=w s V t t d r g h μλρρρ考虑到靠壁的凝液是过冷液，采用潜热修正值r'，其计算式为：)(8

3w s p t t c r r ?+=′式中c p 为凝液比热容，J/（kg.K

）

18五、Mean heat transfer coefficient on outside horizontal tube bank

卧式冷凝器由多排管子组成，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。故下一层管上的h 比上一层低。

对于沿凝液流向有n 排管的管束，一种近似但较方便的方法是以nd 作为定型尺寸代入水平单管的凝结表面传热系数公式，即

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/132)(725.0???????=w s t t nd r g h μλρ?前提条件是：管间距离较小，凝液是平

静地由上一根管流到下一根管面上，且保

持与高度l =nd 的垂直壁相当的层流状态。

Question 3

空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，而蒸气在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度越低，为什么？

解：空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，气流扰动增加，换热越强，而蒸气在管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热

阻越来越大，因而换热强度越低。

19例7-1：一台卧式蒸汽热水器，黄铜管外径d=16mm ，表面温度t w =60℃，水蒸气饱和温度t s =140℃，热水器垂直列上共有12根管，求凝结表面传热系数。

解：t s =140℃时蒸汽潜热r=2144.1kJ/kg

液膜平均温度C

t t t w s m 01002/)60140(2/)(=+=+=查得水的物性数据：324/4.958;/.10825.2);./(683.0m

kg m s N K m W =×==?ρμλ)./(4449)60140(016.01210825.2101.2144683.08.94.958725.0)(725.024

/143324/132K m W t t nd r g h w s =??

?????××××××××=??

?????=?μλρ代入公式可得讨论：如果是单排管子，则h=8280W/（㎡.K ）。为此在工业设备中有时要采取措施，使凝液能及时排泄走。

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1-3 Influence factors of film condensation and enhancing

heat transfer measures

影响膜状凝结的因素及增强换热的措施

一、Influence factors 影响因素

除液膜流态（层流、紊流）、凝结壁面位置（水平壁、竖壁、倾斜壁，管束排列数），壁面形状（管内、管外）等因素外，还有：

1、蒸气速度

Nusselt 理论分析忽略了蒸气流速的影响，因此只适用于流速较低的场合，如电站冷凝器等。对水蒸气一般低于10m/s ，大的流速会在液膜表面产生明显的粘滞应力。当蒸气向下吹时，加速了液膜流动，使之变薄，换热强化，但如果速度过大，则不论是向下或向上运动，液膜将脱离壁，都能增强凝结换热。

【CN110068238A】池沸腾旋转射流换热装置【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910231138.5 (22)申请日 2019.03.26 (71)申请人 华北电力大学 地址 102206 北京市昌平区朱辛庄北农路2 号 (72)发明人 谢剑　徐进良　佘青汀　梁聪　 李文霄　 (74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理 有限公司 11246 代理人 李全旺 (51)Int.Cl. F28D 21/00(2006.01) (54)发明名称 池沸腾旋转射流换热装置 (57)摘要 本发明公开了属于换热设备技术领域的一 种池沸腾旋转射流换热装置。该装置在加热面设 置倒U形的环状蒸汽腔，蒸汽腔外侧底部开液体 入口孔，蒸汽腔内侧顶部开蒸汽射流孔，蒸汽射 流孔中心线与环状蒸汽腔径向呈15度-75度夹 角。该装置引导局部加热面产生的蒸汽产生旋转 射流，强化对流效应与沸腾传热性能，加快气泡 脱落、防止气泡聚集及发热元件烧毁，同时有效 缓解加热面的结垢，从而低成本地实现整体加热 面的性能提升，是沸腾换热器领域的革新技术与 关键技术。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 110068238 A 2019.07.30 C N 110068238 A

权　利　要　求　书1/1页CN 110068238 A 1.一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，主要包括：容器、加热面、蒸汽腔、液体入口孔、蒸汽射流孔，所述加热面位于容器底部，所述液体从入口孔进入蒸汽腔并加热成蒸汽，蒸汽通过蒸汽射流孔从蒸汽腔排出，带动容器内的液体旋转，产生旋流。 2.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽腔为环状，容器与蒸汽腔形成间隙，间隙内的液体从入口孔进入蒸汽腔。 3.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽腔外侧壁面底部开有液体入口孔，蒸汽腔内侧壁面顶部开有蒸汽射流孔。 4.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，加热面上加工有环形台阶，蒸汽腔扣在加热面上的环形台阶上。 5.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，蒸汽腔通过磁铁的引力与加热面连接在一起，蒸汽腔的横截面为倒U形。 6.根据权利要求5所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，蒸汽腔的材质为磁性材料。 7.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述液体入口孔与蒸汽射流孔个数均大于4，以旋转阵列的方式均匀地排布在蒸汽腔壁面，所述蒸汽射流孔中心线与蒸汽腔径向不平行、呈夹角。 8.根据权利要求7所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽射流孔中心线与蒸汽腔径向夹角为15度-75度。 9.根据权利要求1所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，所述蒸汽射流孔位于加热面上方，蒸汽射流孔与加热面的高度差与加热面上气泡脱落半径相当。 10.根据权利要求1-9之一所述的一种池沸腾旋转射流换热装置，其特征在于，蒸汽腔上液体入口孔与蒸汽射流孔的直径大小及个数根据发热元件的热流密度进行调整。 2

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。

强化沸腾传热的方法

沸腾传热强化技方法及比较 摘要针对强化沸腾传热方法，本文主要主要对粉末烧结法、喷涂法进行了介绍，分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 关键词沸腾传热；强化传热；喷涂多孔表面；粉末多孔表面 Boiling heat transfer enhancement techniques and comparison Abstract:To the enhanced boiling heat transfer method, this paper mainly focuses on introducing the powder sintering method, spray method .analyzing the advantages and disadvantages of various methods, and comparing the various methods of heat transfer enhancement effect. Key words: Boiling heat transfer Heat transfer enhancement Spraying porous surface Powder porous surface 1 前言 在常规能源不断减少, 节约和有效使用能源的要求不断提高的形势下, 强化传热技术已经成为传热研究领域的一个重要课题. 强化传热研究, 特别是强化沸腾传热研究, 对提高能源的有效利用率, 新能源开发和高热负荷下材料的热保护等有重要意义. 目前强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构。常用的表面结构有各种形状的沟槽、肋片和多孔表面。其中自20 世纪60 年代发展起来的多孔表面换热器以其高效沸腾换热、低温差沸腾、高临界热流密度和良好的反堵塞能力, 已成为一种工业应用前景广泛的换热装置。本文主要进行喷涂多孔表面、粉末多孔表面等沸腾传热研究, 分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 2沸腾强化传热技术 对汽泡的成因和运动规律的研究是掌握沸腾原理和探讨沸腾传热强化方法的基础, 已有的研究表明, 影响汽泡状沸腾传热的主要因素有： ( 1) 流体特性参数的影响汽体压力增高能使汽化核心增多, 汽泡脱离频 率增大, 因而能使沸腾传热增强。流体与换热表面的接触角小, 则汽泡脱离频率增高, 因而能增强沸腾传热。 ( 2) 换热面特性的影响换热面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新旧程度都能影响沸腾传热的强弱。试验表明, 同一液体在抛光壁面上沸腾传热时, 其传热系数比在粗糙壁面上沸腾传热时低,这主要是由于光洁表面上汽化核心较少的缘故。液体在新的换热面上沸腾时, 传热系数较高, 随着运行时间增长, 一部分汽化核心丧失了汽化能力, 于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。传热面材料能否被液体湿润, 对传热系数也有相当影响, 同样条件下, 液体和材料特性组

沸腾传热

沸腾传热 开放分类：物理、热量 沸腾传热 boiling heat transfer 热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的对流传热过程。化工生产中常用的蒸发器、再沸器和蒸气锅炉，都是通过沸腾传热来产生蒸气的。 类型按液体所处的空间位置，沸腾可以分为：①池内沸腾。又称大容器内沸腾。液体处于受热面一侧的较大空间中，依靠汽泡的扰动和自然对流而流动。如夹套加热釜中液体的沸腾。②管内沸腾。液体以一定流速流经加热管时所发生的沸腾现象。这时所生成的汽泡不能自由上浮，而是与液体混在一起，形成管内汽液两相流。如蒸发器加热管内溶液的沸腾。 机理沸腾传热与汽泡的产生和脱离密切相关。汽泡形成的条件是:①液体必须过热;②要有汽化核心。这些条件是由汽泡与周围液体的力平衡和热平衡所决定的。根据表面张力，可算出汽泡内的蒸气压力pv 为： 式中pe为周围液体的压力,忽略液柱静压时,即为饱和蒸气压ps；σ为汽液界面张力；R为汽泡半径。由于pv>ps，汽泡内蒸气的饱和温度Tv必然大于与ps对应的饱和温度Ts。汽泡周围的液体若要汽化进入汽泡，则它的温度Te必须大于或至少等于汽泡内蒸气的饱和温度，即Te≥Tv。从上式可知，当R=0时，pv将趋于无限大。因此在一个绝对光滑的平面上是不可能产生汽泡的，必须有汽化核心。加热表面上的划痕或空穴中含有的气体或蒸气，都可作为汽化核心。紧贴这些核心的液体汽化后，形成汽泡并逐渐长大，然后脱离表面，接着又有新的汽泡形成。在汽泡形成与脱离表面时造成液体对壁面的强烈冲击和扰动，所以对同一种液体来说，沸腾传热的传热分系数要比无相变时大得多。常压下水沸腾时的传热分系数一般为1700～51000W/(m2·K)。 沸腾曲线池内沸腾根据过热度（加热壁面温度TW与液体饱和温度Tm之差,ΔT=TW-Tm）的大小,分为泡核沸腾和膜状沸腾（见图）。当过热度很小时，传热取决于单相液体的自然对流。当过热度增大时，汽泡不断在壁面上产生，并在液体中上升和长大,这对液体对流起着显著作用,称为泡核沸腾。此阶段中传热分系数h，随ΔT增大而明显上升。当过热度超过某临界值时，汽泡大量产生，在壁面连结成汽膜，称为膜状沸腾。在此阶段初期，汽膜不稳定，随时破裂变成大汽泡，离开加热面。随过热度的增大，汽膜渐趋稳定。由于汽膜的热导率很低，使传热分系数下降。当过热度很大时，辐射传热起了重要作用，使传热分系数重新上升。由于泡核沸腾具有传热分系数大和壁温低的优点，故工业设备中的沸腾传热多在此状况下进行。 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热过程的因素很多，包括液体和蒸气的性质、加热面的表面物理性质和粗糙程度，尤其重要的是液体对表面的润湿性以及操作压力和温度差。在泡核沸腾范围内，温度差越大，传热分系数也越大。加热壁面粗糙和能被液体润湿时，也能使传热分系数增大。据此，将细小金属颗粒沉积于金属板或管上，制成金属多孔表面，可使沸腾传热分系数提高十几倍至几十倍。

沸腾换热计算式

沸腾换热计算式 沸腾换热计算式 (1)大容器饱和核态沸腾 前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。 对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为 (3-4) 按q=h△t的关系,上式也可转换成 (3-5) 以上两式中 h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K) p:沸腾绝对压力,Pa; △t:壁面过热度,℃; q:热流密度,W/m2。 基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式: (3-6) 式中 c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K); C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数; r:汽化潜热,J/kg; g:重力加速度,m/s2; Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l; μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s); ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3; γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m; s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=1.7。 由实验确定的C wl值见表3-1。

表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值 图3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。 式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式: (3-7) 这里要着重指出两点： 1）式（3-6）实际上也是形如Nu=f（Re，Pr）或St=f（Re，Pr）的主则式。其中： 是以单位面积上的蒸汽质量流速q/r为特征速度的Re数；为特征长度，它正比于旗 袍脱离加热面时的直径。不难证明，r/c pl△t就是St数，其中Nu数也以为特征长度。 2）由于沸腾换热的复杂性，目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热准回式与实验数据的偏差程度最大。以图3-5所示情形为例，当已知△t计算q时，计算值与实验值的偏差可达±100％；而由于q～△t3，因而已知q计算△t时，则偏差可缩小到±33％左右。 对于制冷介质而言，以下的库珀(Cooper）公式目前得到教广泛的应用： （3-8） 式中，M r为液体的分子量；p r为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；R p为表面平均粗糙度，μm（对一般工业用管材表面，R p为0.3～0.4μm）；q为热流密度，W/m2；h的单位为W/（m2·K）。

7.4 沸腾传热的模式

7.4 沸腾传热的模式 液体的汽化（vaporization）可区分为蒸发（evaporation）和沸腾（boiling）两种。前者指发生在液体表面上的汽化过程，后者则指在液体内部以产生汽泡的形式进行的汽化过程。就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，又称池沸腾（pool boiling）和管内沸腾（in-tube boiling）两种。大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的，而管内沸腾则需外加的压差作用才能维持。本节通过大容器沸腾的介绍阐明沸腾传热的机理和基本特点，管内沸腾则留待到沸腾传热的影响因素中去介绍。 7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域 现在来做一个观察沸腾传热现象的实验。在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生汽泡。烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢管表面上进行的沸腾称为饱和沸腾（saturated boiling）。随着电流密度的加大，亦即表面温度与饱和温度的温差Δt = t w - t s（称为过热度）的增加，烧杯中的水与不锈钢管表面之间的热交换会依次出现以下区域（如图7-14所示）：

图7-14饱和水在水平加热面上沸腾的q~Δt曲线(p = 1.013×105Pa) （1）自然对流区：壁面过热度较小（对于水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt < 4℃）时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。 （2）核态沸腾区（nucleate boiling）：当加热壁面的过热度Δt > 4℃后，壁面上个别地点（称为汽化核心）开始产生汽泡，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区，其沸腾景象如图7-15a所示。随着Δt进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成气块及气柱，图景如图7-15b所示。在这两个区中，汽泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对传热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称泡状沸腾）。核态沸腾有温压小、传热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。核态沸腾区的终点为图7-14中热流密度的峰值点。 （3）过渡沸腾区（transition boiling）：从峰值点进一步提高Δt，传热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随Δt的升高而提高，反而越来越降低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这种情况持续到到达最低热流密度为q min为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。 （4）膜态沸腾区（film boiling）：从q min起传热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，q随Δt的增加

表面芯吸性对淬火过程中沸腾传热特性的影响

第52卷第5期2018年5月浙 江 大 学 学 报(工学版)J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y (E n g i n e e r i n g S c i e n c e )V o l .52N o .5M a y 2 018收稿日期:20170521.网址:w w w.z j u j o u r n a l s .c o m /e n g /f i l e u p /H T M L /201805001.h t m 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51206142).作者简介:牟林巍(1992 ),男,硕士生,从事气液相变传热研究.o r c i d .o r g /0000-0002-0963-8348.E -m a i l :m o u l i n w e i @z j u .e d u .c n 通信联系人:范利武,男,研究员.o r c i d .o r g /0000-0001-8845-5058.E -m a i l :l i w u f a n @z j u .e d u .c n D O I :10.3785/j .i s s n .1008-973X.2018.05.016表面芯吸性对淬火过程中沸腾传热特性的影响 牟林巍1,张宇鸿1,李佳琦1,张嘉懿1,蒋平2,范利武1(1.浙江大学热工与动力系统研究所,浙江杭州310027;2.北京宇航系统工程研究所,北京101300 )摘 要:研究表面芯吸性对淬火过程中的冷却速率和沸腾传热特性的影响.采用质量分数约为50%的氢氟酸溶液 对不锈钢球表面进行化学腐蚀,在恒温50?C 时通过改变腐蚀时间得到具有不同芯吸性的试样并对表面芯吸量和初 始芯吸通量进行定量表征.在常压下的饱和水中对所制备的芯吸表面进行可视化淬火实验.结果表明,原始不锈钢表 面不具有芯吸性,随着腐蚀时间的增加表面芯吸能力也逐渐增强.经过腐蚀3m i n 之后,表面芯吸通量达到20μL /(m m 2四s ).该芯吸表面使淬火冷却时间相较于原始表面缩短约80%,临界热流密度提高了约84%. 构建表面芯吸性可以有效地增大固液接触面积并加剧表面汽膜波动,抑制了稳定膜态沸腾的出现,强化了过渡态沸腾传热.关键词:芯吸表面;淬火;沸腾传热;临界热流密度;过渡沸腾 中图分类号:T K124 文献标志码:A 文章编号:1008973X (2018)05096006S u r f a c ew i c k i n g e f f e c t o nb o i l i n g h e a t t r a n s f e r d u r i n gq u e n c h i n g MO U L i n -w e i 1,Z H A N G Y u -h o n g 1,L I J i a -q i 1,Z H A N GJ i a -y i ,J I A N GP i n g 2,F A NL i -w u 1(1.I n s t i t u t e o f T h e r m a lS c i e n c e a n dP o w e rS y s t e m s ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,H a n g z h o u 310027,C h i n a ;2.B e i j i n g I n s t i t u t e o f A s t r o n a u t i c a lS y s t e m E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g 1 01300,C h i n a )A b s t r a c t :T h e e f f e c t o f s u r f a c ew i c k i n g o n t h e c o o l i n g r a t e a n db o i l i n g h e a t t r a n s f e r d u r i n gq u e n c h i n g w a s a n a l y z e d .S t a i n l e s s s t e e l s p h e r e s a m p l e sw i t h v a r i o u s s u r f a c ew i c k i n g a b i l i t i e sw e r e p r e p a r e d b y v a r y i n g t h e e t c h i n g t i m e i n a h y d r o f l u o r i c a c i d s o l u t i o n (m a s s c o n c e n t r a t i o n o f a b o u t 50%)a t a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e o f 50?.T h ew i c k i n g v o l u m ea n d i n i t i a lw i c k i n g f l u xo nt h e s e s a m p l es u r f a c e sw e r e q u a n t i f i e d .V i s u a l i z e d q u e n c h i n g e x p e r i m e n t sw e r e p e r f o r m e do nt h e s e s a m p l e s i ns a t u r a t e dw a t e r a t t h ea t m o s p h e r i c p r e s s u r e .W a t e r c o u l dn o t b ew i c k e db y t h e o r i g i n a l s t a i n l e s s s t e e l s u r f a c e ,a n d s u r f a c ew i c k i n g a b i l i t y w a s g r a d u a l l y e n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n g t h ee t c h i n g t i m e .A f t e rb e i n g e t c h e db y 3m i n u t e s ,t h es u r f a c e w i c k i n g f l u x r e a c h e d 20μL /(m m 2四s ).A sc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a ls u r f a c e ,t h eu s eo ft h i s w i c k i n g s u r f a c e w a s e x h i b i t e d t o s h o r t e n t h e c o o l -d o w n t i m eb y a b o u t 80%,a n d t h e c r i t i c a l h e a t f l u xw a s i m p r o v e db y a b o u t 84%.T h ec o n s t r u c t i o no fs u r f a c e w i c k i n g c a ni n c r e a s et h es o l i d -l i q u i dc o n t a c ta r e a sa n di n t e n s i f y t h e f l u c t u a t i o n so fv a p o rf i l m ,s u p p r e s st h ee m e r g e n c eo fs t a b l ef i l m b o i l i n g ,a n dl e a dt os i g n i f i c a n th e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t d u r i n g t r a n s i t i o nb o i l i n g .K e y w o r d s :w i c k i n g s u r f a c e ;q u e n c h i n g ;b o i l i n g h e a t t r a n s f e r ;c r i t i c a l h e a t f l u x ;t r a n s i t i o nb o i l i n g 淬火是较高温度的固体直接接触后较低温度的 液体工质后所发生的快速冷却现象.当固体壁面温 度远高于冷却工质的饱和温度时,工质中的传热过程一般将依次经历膜态沸腾二过渡沸腾以及核态沸

传热学重点、题型讲解第七章 凝结与沸腾换热

第七章 凝结与沸腾换热 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 凝结换热 一、概 述 二、膜状凝结换热 1.层流膜状凝结理论解 图7-1 膜状凝结换热膜内温度及速度场 (1) 纯蒸气层流液膜，物性为常量 (2) 液膜表面温度δt 等于s t （饱和温度） (3)蒸气是静止的 (4)液膜很薄且流动速度缓慢 (5)凝结热以导热方式通过液膜 (6)忽略液膜的过冷度 ???? ????+-=???? ????+??22y u dx dp g y u v x u u μρρ (1) dx dp = v ρg

()022=-+g dy u d v ρρμ (2) y = 0, u = 0； y = δ, 0=dy du ρ》v ρ ?? ? ??-= 221y y g u δμρ (3) 02 2=dy t d (4) y = 0； t = w t y = δ； t = s t t = w t + ( s t - w t ) δ y (5) ?= =δ μδ ρρ0 3 23g dy u M kg / s (6) dx dx d d dM dx dx dM δ δ= δδ d d dM = dM = δμ δρd g 2 2 (7) ??? ??+'+???? ??='+''dx dx dM M H dx dy dt H M dM H w λ r ＝ H H '-'' r δμδρd g 2 2 = dx t t w s )(δ λ- r g dx t t d w s 2 3)(ρμλδδ-= (8) ()4 /12 4?? ????-=r g t t x w s ρλμδ (9)

第七章凝结与沸腾换热

1 Chapter 7 Condensation and Boiling Heat Transfer(凝结与沸腾换热) 本章主要内容 1 Condensation Heat Transfer 凝结换热 2 Boiling Heat Transfer 沸腾换热 3 Heat Pipe 热管 学习本章的基本要求 了解凝结换热的Nusselt理论解、相似准则意义，理 解主要影响因素及掌握凝结换热关联式的应用。理解沸腾换热机理、沸腾曲线。了解主要影响因素及沸腾换热的计算方法，了解热管工作原理及其主要特点。

2 §1Condensation Heat Transfer 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(condensation)，而在饱和温度下，由液态转变为气态的过程称为沸腾(boiling)。 1-1 Introduction 1、The process of condensation If the temperature of the wall is bellow the saturation temperature of the vapor, condensate will form on the surface. (壁温低于蒸汽饱和温度时) （1）Film condensation 膜状凝结 If the liquid wets the surface, a smooth film is formed, and the process is called film condensation 膜状凝结。这是最常见的凝结形式。例如，水蒸气在洁净无油的表面上凝结。 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）要穿过液膜才能传到冷却壁面上去，且蒸气凝结只能在膜的表面 进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传到壁。液膜层是换热的主要 热阻，故液膜的厚薄及其运动状态（层流或紊流）对换热的影响很 大。 这些又取决于壁的高度（液膜流程长度）以及蒸气与壁的温差。一 般，层流膜状凝结表面传热系数是随壁的高度及温度差的增加而降 低，而紊流膜状凝结则与此相反。

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。珠状凝结过程中，蒸气部分直接将潜热传递给壁面；液珠部分换热机理与膜状凝结相同，但液珠几何尺寸比液膜要小得多。实验表明，珠状凝结的换热系数可比同样条件下膜状凝结的换热系数高一个数量级。在相同的温差下换热系数将增加2—20倍，可高达106W ／(m 2K)。但是、工业设 备很难实现珠状凝结，因此几乎所有的凝结设备均按膜状凝结理论设计。学者们正在寻求在蒸气中或壁面上附加某些“添加剂”，以促使珠状凝结实现的方法。 一、努谢尔特层流膜状凝结理论 1916年努谢尔特首先对层流膜状凝结进行了理论上的分析，他所得出的一系列结论和实验结果基本上是吻合的。 在分析稳态层流膜状凝结问题，努谢尔特作了下列假设： (1)蒸气是静止的。图中汽、液交界处即y ＝δ处的切应力为零，即0/=??=δ y y u ，此处的δ为任一 x 截面上凝结液膜的总厚度。 (2)忽略凝液薄膜加速度的影响，即液膜很薄，可忽略液膜的惯性力。 (3)任一x 截面上，汽、液交界面即y ＝δ处的温度为蒸汽的饱和温度T s （即全部热阻集中于凝结液膜

沸腾换热进展

沸腾换热进展 当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，液体被加热汽化而产生大量汽泡的现象称为沸腾。 液体在加热面上沸腾时的换热过程，是具有相变点的两相流换热。当加热壁 面温度T W 超过液体的饱和温度 T S 并达到一定数值时，液体即在加热面的某些点 上形成汽泡。这些点称为汽化核心，通常出现在加热表面的凹坑上。汽泡形成后不断长大、脱离、上浮。汽泡在成长大过程中吸收大量汽化潜热，汽泡的脱离和上升动又产生剧烈扰动，所以沸腾换热比单相流体的对流换热强烈得多。一．沸腾换热 1.沸腾换热分类 沸腾有多种形式。如果液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体壁面上生成、长大，脱离壁面后又会在液体中凝结消失，这样的沸腾称为过冷沸腾；若液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体表面，这样的沸腾称为饱和沸腾。如果液体具有自由表面，不存在外力作用下的整体运动，这样的沸腾又称为大容器沸腾（或池沸腾）；如果液体沸腾时处于强迫对流运动状态，则称之为强迫对流沸腾，如大型锅炉和制冷机蒸发器的管内沸腾。 （1）大空间沸腾与有限空间沸腾 高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾，称为大空间沸腾，又称池沸腾；沸腾过程受到沸腾空间的限制，沸腾产生的蒸汽和液体混合在一起，构成汽液两相混合物（两相流），称为有限空间沸腾，又称受迫对流沸腾或管内沸腾。 图1 加热表面 （2）过冷沸腾与饱和沸腾 流体处于末饱和状态即流体温度低于饱和温度的沸腾现象，称为过冷沸腾；而液体温度始终保持大于液体的饱和温度，则称为饱和沸腾。 2. 沸腾换热机理 （1）气泡的成长过程 实验表明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面，这些产生气泡的点称为汽化核心，一般认为，壁面的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心。