相變對流換熱第一頁，共六十六頁，2022年，8月28日1、重點內容：①凝結與沸騰換熱機理及其特點；②膜狀凝結換熱分析解及實驗關聯(lián)式；③大容器飽和核態(tài)沸騰及臨界熱流密度。2、掌握內容：掌握影響凝結與沸騰換熱的因素。3、了解內容：①了解強化凝結與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動態(tài)。②蒸汽遇冷凝結，液體受熱沸騰屬對流換熱。其特點是：伴隨有相變的對流換熱。③工程中廣泛應用的是：冷凝器及蒸發(fā)器、水冷壁等。第二頁，共六十六頁，2022年，8月28日第六章我們分析了無相變的對流換熱，包括強制對流換熱和自然對流換熱下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結換熱和沸騰換熱兩種。相變換熱的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復雜性，比單相對流換熱更復雜，因此，目前，工程上也只能借助于經驗公式和實驗關聯(lián)式。第三頁，共六十六頁，2022年，8月28日

7.1.1珠狀凝結與膜狀凝結

蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結液的過程，稱凝結換熱現(xiàn)象。有兩種凝結形式。凝結換熱的分類根據凝結液與壁面浸潤能力不同分兩種

7.1凝結傳熱的模式第四頁，共六十六頁，2022年，8月28日(1)膜狀凝結

定義：凝結液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結形式，稱膜狀凝結。

g(2)珠狀凝結

定義：凝結液體不能很好地濕潤壁面，凝結液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結形式，稱珠狀凝結。

g第五頁，共六十六頁，2022年，8月28日凝結傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給壁面的過程。珠狀凝結珠狀凝結的表面換熱系數>>膜狀凝結，但是一般無法長久保持。

2.55×1055000～25000第六頁，共六十六頁，2022年，8月28日

7.1.2凝結液－主要熱阻膜狀凝結特點：壁面上有一層液膜，凝結放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時液膜成為主要的換熱熱阻。珠狀凝結特點：凝結放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。gg在其它條件相同時，珠狀凝結的表面?zhèn)鳠嵯禂刀ù笥谀钅Y的傳熱系數。第七頁，共六十六頁，2022年，8月28日

7.1.3膜狀凝結是工程設計依據實驗證明，幾乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在內，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結。工業(yè)時間應用上都只能實現(xiàn)膜狀凝結，所以從設計的觀點出發(fā)，為保證凝結效果，只能用膜狀凝結的計算式作為設計的依據。強化膜狀凝結的途徑－減薄液膜的厚度第八頁，共六十六頁，2022年，8月28日1916年，Nusselt提出的簡單層流膜狀凝結換熱分析是近代膜狀凝結理論和傳熱分析的基礎。自1916年以來，各種修正或發(fā)展都是針對Nusselt分析的限制性假設而進行了，并形成了各種實用的計算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對純凈飽和蒸汽膜狀凝結換熱的分析。7-2膜狀凝結分析解及關聯(lián)式

第九頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.2.1純凈蒸汽層流膜狀凝結分析解

假設：1）常物性；2）蒸氣靜止，氣液界面上無對液膜的粘滯應力；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱；6）液膜的過冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動1、對實際問題的簡化圖7-4努賽爾理論分析的坐標系與邊界條件第十頁，共六十六頁，2022年，8月28日下腳標l表示液相在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結液膜流動的微分方程組為：以豎壁的膜狀凝結為例：x坐標為重力方向，如圖所示。

2、邊界層方程組的簡化第十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日考慮假設（3）液膜的慣性力忽略

考慮假設（7）忽略蒸汽密度dp/dx為可按y=δ處液膜表面蒸汽壓力梯度計算，將動量方程應用于蒸汽。由假設（2）蒸汽的靜止的，若以ρV表示蒸汽密度：第十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日只有u和t兩個未知量，不需補充其他方程?？紤]假設（5）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱方程組化簡為：第十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日邊界條件：求解的基本思路（1）先從簡化的微分方程組出發(fā)獲得包括液膜厚度δ在內的流速u及溫度t分布的表達式；（2）再利用dx一段距離上凝結液體的質量平衡關系取得液膜厚度的表達式；（3）最后根據對流換熱微分方程式利用傅立葉定律求出表面?zhèn)鳠嵯禂档谋磉_式。

第十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日3.主要求解過程與結果(1)液膜厚度定性溫度：注意：r按ts確定(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂嫡麄€豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂等襞c水平軸有夾角（φ>0）的傾斜壁，式中g改為gsinφ。

第十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日1、水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂担?/p>

水平管：球：7.2.2豎直管與水平管的比較及實驗驗證

定性溫度：注意：r按ts確定第十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、水平管外凝結與豎直管外凝結的比較在其他條件相同時（直徑為d和高為l的圓管），橫管與豎管的對流換熱系數之比：不同：特征長度不同；系數不同當l/d=50時，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂凳秦Q管的的2倍。第十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、分析解的實驗驗證和假設條件豎壁當Re<20時，實驗數據與理論解相符；當Re>20時，實驗數據越來越高于理論解，最高大于20%圖7-7豎壁上水蒸汽膜狀凝結的理論式與實驗結果比較第十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日對豎壁的修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高20％左右。修正后：水平圓管、橫管：實驗數據與理論解相符。Pr數接近1或大于1的流體，只要無量綱量時，微分方程中的慣性力項，液膜過冷度的影響均可忽略。

其他假設修正第十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日膜層中凝結液的流動狀態(tài)

無波動層流有波動層流湍流凝結液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據為膜層Re。7.2.3湍流膜狀凝結換熱膜層雷諾數：根據液膜的特點取當量直徑為特征長度的雷諾數。以豎壁為例ul為處液膜層的平均流速；de為該截面處液膜層的當量直徑。第二十頁，共六十六頁，2022年，8月28日對水平管，用代替上式中的。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)如圖由熱平衡所以豎壁上層流液膜的質量流量x＝l處寬為1m的截面上的凝結液的質量流量第二十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日實驗證明：（1）膜層雷諾數Re=1600時，液膜由層流轉變?yōu)橥牧?；?）橫管均在層流范圍內，因為管徑較小。

湍流特征:對于湍流液膜，熱量的傳遞：（1）靠近壁面極薄的層流底層依靠導熱方式傳遞熱量；（2）層流底層以外的湍流層以湍流傳遞的熱量為主。因此，湍流液膜換熱遠大于層流液膜換熱。

無波動層流有波動層流湍流第二十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日式中：hl為層流段的傳熱系數；ht為湍流段的傳熱系數；

xc為層流轉變?yōu)橥牧鲿r轉折點的高度

l為豎壁的總高度計算方法對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂档诙摚擦摚?022年，8月28日可供計算整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂档膶嶒炾P聯(lián)式式中：。除用壁溫

計算外，其余物理量的定性溫度均為第二十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日§6-3膜狀凝結的影響因素及其傳熱強化2.管子排數

前面推導的橫管凝結換熱的公式只適用于單根橫管。橫管管束凝結換熱情況比較復雜。工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結過程往往比較復雜，受各種因素的影響。1.不凝結氣體

不凝結氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結的驅動力。例：水蒸汽中質量含量占1％的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯禂到档?0％，后果是很嚴重的。

第二十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日

3.管內冷凝

此時換熱與蒸氣的流速關系很大。

蒸氣流速低時，凝結液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。

流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。第二十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日

6.液膜過冷度及溫度分布的非線性如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的r，4.蒸氣流速

流速較高時（對于水蒸汽流速大于10m/s），蒸氣流對液膜表面產生模型的粘滯應力。如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，h增大；反之使h減小。5.過熱蒸氣

把計算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液的焓差。第二十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日強化凝結換熱的原則用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄使已凝結的液體盡快從換熱表面上排泄掉。

7.3.2膜狀凝結的強化原則和技術盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度第二十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日第二十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日第三十頁，共六十六頁，2022年，8月28日第三十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.4沸騰換熱現(xiàn)象沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內部產生汽泡的汽化過程稱為沸騰。

沸騰的特點1）液體汽化吸收大量的汽化潛熱；2）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱。

沸騰換熱分類：

1）大容器沸騰（池內沸騰）；2）管內沸騰（強制對流沸騰）上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。第三十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日（1）大容器沸騰

定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。特點：氣泡能自由浮升穿過液體自由面進入容器空間。

（3）飽和沸騰

定義：液體主體溫度達到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。特點:隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn)4個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。

（4）過冷沸騰

指液體主體溫度低于相應壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。（2）管內沸騰

流體的運動需加外加的壓差才能維持。第三十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細管，通電加熱以使其表面產生汽泡，燒杯底下的電熱器用于將水加熱到飽和溫度，這樣在不銹鋼表面上進行的沸騰為飽和沸騰。隨著電流密度的增大，燒杯中的水與不銹鋼管表面間的熱交換依次會出現(xiàn)以下4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。7.4.1大容器飽和沸騰四個區(qū)域

第三十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日傳熱學HeatTransfer7-4沸騰傳熱的模式大容器飽和沸騰曲線0℃<?t<4℃:

單相自然對流區(qū)，無汽泡。4℃<?t<25℃:核態(tài)沸騰區(qū)。產生汽泡，汽泡間的劇烈擾動使表面換熱系數和熱流密度急劇增加，強化換熱。25℃<?t<200℃:過渡沸騰區(qū)。汽泡的產生速度大于脫離速度，汽泡附著形成汽膜，汽膜的熱阻減弱換熱效果。200℃<?t:穩(wěn)定模態(tài)沸騰區(qū)。形成穩(wěn)定汽膜，雖然汽膜的熱阻減弱了換熱效果，但是高溫壁面的輻射換熱卻進一步增強了換熱效果。大容器飽和沸騰的四個區(qū)域萊登佛羅斯特點CHF第三十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ將整個曲線分成四個特定的換熱過程。1）單相自然對流段（液面汽化段）

壁面過熱度小，沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律。第三十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日2）核態(tài)沸騰（飽和沸騰）

隨著的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。①開始階段，汽化核心產生的汽泡互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)；

②隨著的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數量增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響區(qū)。

第三十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日③隨著的增大，q增大，當增大到一定值時，q增加到最大值，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。

其特點：溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密度q達最大值。工業(yè)設計中應用該段。

第三十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日

3）過渡沸騰

從峰值點進一步提高，熱流密度q減?。划斣龃蟮揭欢ㄖ禃r，熱流密度減小到，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。

原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使熱流密度下降。第三十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日4）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰

從開始，隨著的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使上升時，熱流密度q上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。

其特點：a、汽膜中的熱量傳遞不僅有導熱，而且有對流；b、輻射熱量隨著△t的加大而劇增，使熱流密度大大增加；c、在物理上與膜狀凝結具有共同點：前者熱量必須穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜。第四十頁，共六十六頁，2022年，8月28日上述熱流密度的峰值qmax有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉折點DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。7.4.2臨界熱流密度及其工程意義

對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數比凝結小得多。萊登佛羅斯特點第四十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日第四十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日實踐上，上述熱流密度的峰值有重大意義，它被稱為臨界熱流密度。①對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設備，如電加熱器、對冷卻水加熱的核反應堆，一旦熱流密度超過峰值，工況將沿虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，將猛升至近1000℃，可能導致設備的燒毀，所以必須嚴格監(jiān)視并控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內。也由于超過它可能導致設備燒毀，所以亦稱燒毀點。DNB（DepartmentfromNucleateBoiling）：核態(tài)沸騰轉折點偏離核態(tài)沸騰規(guī)律的點，作為監(jiān)視接近的警戒，很可靠。

對于冷凝器等壁面可控的設備，這種監(jiān)視也是重要的，因為一旦超過轉折點之值，就可能導致膜態(tài)沸騰，使傳熱量減小。

第四十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.4.3氣泡動力學簡介

產生氣泡的點被稱為汽化核心，普遍認為壁面上的凹坑和細縫裂穴易殘留氣體，是最好的汽化核心。1、為什么沸騰傳熱有那樣高的傳熱強度主要是由于氣泡的形成、成長以及脫離加熱壁面所引起的各種擾動所造成的。2、加熱表面上什么地點最容易形成汽化核心處于狹縫中的液體所受到的加熱影響要多；狹縫中的氣體易成為氣泡核心第四十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日第四十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日3、加熱表面上要產生氣泡液體必須過熱流體中形成的汽泡，必須與液體處于力平衡和熱平衡。由于汽泡表面張力的作用，使其內壓大于外壓，根據力平衡條件：若忽略液柱靜壓力，pl則等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即近似于（飽和溫度下的液體壓力）N/㎡。第四十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日汽泡外的液體是過熱的，其過熱度為：。貼壁處液體具有最大過熱度。則壁面凹處最先能滿足汽泡生成的條件：產生半徑為R的氣泡所需過熱度（克勞修斯－克拉貝龍方程）由熱平衡可知：汽泡內蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫度，界面內外溫度相等，則。第四十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日可見，(tw–ts),Rmin同一加熱面上，成為汽化核心的凹穴數量增加汽化核心數增加換熱增強討論：①若汽泡半徑<R時，表面張力>內外壓差，則汽泡內蒸汽凝結，汽泡不能形成。②若汽泡半徑>R時，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。第四十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.5大容器沸騰傳熱的實驗關聯(lián)式

沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即

對于沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂翟S多不同的計算公式。影響核態(tài)沸騰的主要因素主要是壁面過熱度和汽化核心數，而汽化核心數受到壁面材料及其表面狀況、壓力、物性等的支配，由于因素比較復雜，文獻中提出的沸騰傳熱的計算式分歧較大。目前存在兩種計算是：（1）針對一種液體的計算公式；

（2）廣泛適用于各種液體的計算式第四十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.5.1大容器飽和核態(tài)沸騰的無量關聯(lián)式綱羅森諾認為，核態(tài)沸騰傳熱之所以強烈，主要是由于氣泡的產生與脫離造成強烈的擾動之故，基于這樣的思想，通過大量實驗得出了如下實驗關聯(lián)式：第五十頁，共六十六頁，2022年，8月28日系數Cwl的取值，是一個純經驗參數，取決于固體表面的性質以及沸騰液體的性質，由實驗確定。第五十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日顯熱/潛熱Re可見，，因此，盡管有時上述計算公式得到的q與實驗值的偏差高達100％，但已知q計算,則可以將偏差縮小到33％。這一點在輻射換熱更為明顯。計算時必須謹慎處理熱流密度。無量綱關聯(lián)式Ja＝f(Re,Pr)第五十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日對于制冷介質而言，以下的庫珀（Cooper）公式目前得到廣泛的應用：其中：為液體的相對分子質量；為對比壓力（液體壓力與該流體的臨界壓力之比）；為表面平均粗糙度（對一般工業(yè)用管材表面，為0.3~0.4）；q為熱流密度。第五十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.5.2大容器沸騰的臨界熱流密度對于大容器沸騰的臨界熱流密度的計算，推薦采用如下半經驗公式：當壓力離開臨界壓力較遠時，上述右端最后一項取為1，同時將理論分析得出的系數0.131用實驗值0.149代替，得到以下推薦公式：物性均按照飽和溫度查取，無特征長度。當加熱面的特征長度大于三倍氣泡直徑時，即可適用。第五十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.5.3大容器飽和液體膜態(tài)沸騰的傳熱計算式（1）橫管的膜態(tài)沸騰式中，除了r和l的值由飽和溫度ts決定外，其余物性均以平均溫度tm＝(tw＋ts)/2為定性溫度，特征長度為管子外徑d,如果加熱表面為球面，則上式中的系數0.62改為0.67第五十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算：其中：（2）考慮熱輻射作用

由于膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應。第五十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日7.6影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學過的換熱現(xiàn)象中最復雜的，影響因素也最多，由于我們只學習了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。1不凝結氣體對膜狀凝結換熱的影響與膜狀凝結換熱不同，液體中的不凝結氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強化。第五十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日2過冷度只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時，，因此，過冷會強化換熱。3液位高度

當傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂蹬c液位高度無關。但當液位降低到一定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂禃黠@地隨液位的降低而升高(臨界液位)。第五十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日圖中介質為一個大氣壓下的水第五十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日4重力加速度隨著航空航天技術的發(fā)展，超重力和微重力條件下的傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)展，但目前還遠沒到成熟的地步，就現(xiàn)有的成果