1、.,1,第二部分 單元7 對流換熱,熱工學(xué)基礎(chǔ),2,單元7 對流換熱,3,單元7 對流換熱,4,【知識點】 牛頓冷卻公式，強制對流換熱，自然對流換熱，凝結(jié)換熱，沸騰換熱。 【能力目標】 掌握：各種對流換熱的基本概念。 理解：強制對流換熱和自然對流換熱及其特征。 熟悉：各公式的適用范圍以及各種相關(guān)參數(shù)的合理選 擇。 應(yīng)用：能應(yīng)用相關(guān)概念和公式進行對流換熱分析和計 算。,單元7 對流換熱,5,對流換熱是指流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象。在這一過程中，不僅有離壁面較遠處流體的對流作用，同時還有緊貼壁面薄層流體的導(dǎo)熱作用。因此，對流換熱實際上是一種由熱對流和導(dǎo)熱共同作用的復(fù)合換熱形式。

2、 對流換熱按流體流動原因分為強制對流換熱和自然對流換熱；按流體是否有相變分為相變對流換熱和無相變對流換熱；相變對流換熱又分為凝結(jié)換熱和沸騰換熱?？梢园褜α鲹Q熱分成以下幾類，如圖7.1所示：,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,7.1.1 對流換熱的概念,6,圖7.1 對流換熱分類,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,7,流體的流動狀態(tài)可以分為兩種類型：一種是流體質(zhì)點始終沿流向作直線運動，質(zhì)點和流層間彼此不摻混，這種流動狀態(tài)稱為層流；另一種是流體質(zhì)點不僅有沿流向的運動，還有垂直于流向的運動，流層間相互摻混，這種流動狀態(tài)稱為紊流。在紊流中，由于流體的質(zhì)點相

3、互摻混，碰撞更為強烈，因此對流換熱效果會更強。 當(dāng)具有粘性的流體流過壁面時，就會在壁面上產(chǎn)生粘滯力。粘滯力阻礙了流體的運動，使靠近壁面流體的速度降低，使直接貼附于壁面的流體近于停滯不動，流體速度u=0。一般地，把從緊貼壁面速度u=0至速度等于來流速度u=u之間的流體薄層稱為流體的速度邊界層。邊界層的厚度一般很小，如圖7.2所示。,7.1.2 對流換熱的機理,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,8,以流體在管內(nèi)流動為例，流體的流動狀態(tài)在沿流向x軸方向和與流向垂直的y軸方向都有變化。如圖7.3所示。,圖7.2 速度邊界層,圖7.3流體的流態(tài),7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,9,（1）流體在

4、流動方向x上的流態(tài)變化 在流體入口處，粘滯力起主導(dǎo)作用，速度梯度相當(dāng)大，流體呈現(xiàn)層流狀態(tài)，形成層流段。流體繼續(xù)流動，層流邊界點開始逐漸偏離壁面，向y方向移動。當(dāng)流體到達一定距離時，流體的慣性力逐漸強于流體的粘滯力，使邊界層內(nèi)的流動變得不穩(wěn)定起來，流態(tài)朝著紊流方向過渡，形成過渡段。隨著流動的距離繼續(xù)增加，流體呈現(xiàn)旺盛紊流狀態(tài)，形成紊流段。 （2）紊流段中流體在y方向上的流態(tài)變化 由于緊貼壁面處的粘滯力仍起主導(dǎo)作用，致使貼附于壁面的極薄層的流體仍保持層流的狀態(tài)，這一薄層流體稱為層流底層。底層之上即為紊流層。,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,10,當(dāng)流體在壁面上流動時，其緊貼壁面的極薄的層流底

5、層相對于壁面幾乎是不流動的。壁面與流體間的熱量傳遞必須通過這個層流底層，熱量傳遞的方式只能是導(dǎo)熱這種方式，因此對流換熱量實際上就等于層流底層的導(dǎo)熱量。在層流段，沿壁面法線方向上的熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱作用；在紊流段，層流底層內(nèi)的熱量傳遞方式仍然是導(dǎo)熱，這是紊流段主要的熱阻；但在層流底層以外，對流的作用仍然占主導(dǎo)作用。因此，對流換熱實際上是依靠層流底層的導(dǎo)熱和層流底層以外的對流共同作用的結(jié)果。對流換熱的熱阻主要集中在流體的層流內(nèi)層內(nèi)，因此減薄層流內(nèi)層的厚度是強化對流換熱的主要途徑。,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,11,7.1.3 牛頓冷卻公式,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,12,7

6、.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,13,如前所述，對流換熱是對流和導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果，那么所有支配這兩種作用的因素，諸如流動的起因、流動狀態(tài)、流體物性、物相變化、壁面的幾何參數(shù)、管路的振動等等，都會影響對流換熱系數(shù)。 （1）流體流動的起因 流體在壁面上流動的原因有兩種：一種是自然對流，另一種是強制對流。一般地說，強制對流的流速較自然對流高，因而對流換熱系數(shù)也高。例如空氣自然對流換熱系數(shù)約為525 W/（m2），強制對流換熱系數(shù)可達10100 W/（m2）；再如受風(fēng)力影響，房屋墻壁外表面的對流換熱系數(shù)比內(nèi)表面高出一倍以上。,7.1.4 影響對流換熱系數(shù)的主要因素,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷

7、卻公式,14,（2）流體的流態(tài) 流體的流動存在著兩種不同形式的流態(tài)，即層流和紊流。層流時，流體沿壁面法線方向的熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱，故對流換熱系數(shù)的大小取決于流體的導(dǎo)熱系數(shù)。紊流時，紊流核心的熱阻較小，對流換熱系數(shù)的大小主要取決于層流底層的熱阻。因此，要強化對流換熱效果，應(yīng)該在一定程度上提高流體的流速，這樣可以使流體的流態(tài)由層流變?yōu)槲闪?，減小層流底層的厚度，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 （3）流體的物理性質(zhì) 流體的物理性質(zhì)如密度、動力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)以及定壓比熱容cp等，對對流換熱有很大的影響。流體的導(dǎo)熱系數(shù)越大，流體與壁面之間的熱阻就越小，換熱就越強烈；,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,15,流體

8、的比定壓熱容和密度越大，單位質(zhì)量攜帶的熱量就越多，傳遞熱量的能力就越強；流體的粘度越大，粘滯力就越大，這就阻礙了流體的流動，加大了層流邊界層的厚度，不利于對流換熱。 （4）流體的相變 流體是否發(fā)生了相變，對對流換熱的影響很大。流體不發(fā)生相變的對流換熱，是由流體顯熱的變化來實現(xiàn)的。而對流換熱有相變時，流體吸收或放出汽化潛熱。對于同種流體，潛熱換熱要比顯熱換熱劇烈得多。因此，有相變時的對流換熱系數(shù)要比無相變時的大。另外，沸騰時液體中氣泡的產(chǎn)生和運動增加了液體內(nèi)部的擾動，從而強化了對流換熱。,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,16,（5）換熱表面的幾何因素 幾何因素是指換熱表面的形狀、大小、狀況

9、（光滑或粗糙程度）以及相對位置等。幾何因素影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對流換熱的效果。如圖7.4（a）所示，流體在管內(nèi)強制流動與管外強制流動，由于換熱表面不同，流體流動產(chǎn)生的邊界層也不同，其換熱規(guī)律和對流換熱系數(shù)也不相同。在自然對流中，流體的流動與換熱表面之間的相對位置，對對流換熱的影響較大，圖7.4（b）所示的平板表面加熱空氣自然對流時，熱面朝上氣流擾動比較激烈，換熱強度大；熱面朝下時流動比較平靜，換熱強度較小。,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,17,（6）管路的振動 當(dāng)換熱介質(zhì)流經(jīng)換熱器管路時，會或多或少地引起管路的振動，尤其是蒸汽介質(zhì)，會使振動更加明顯。以前人們

10、只認識到振動對于管路使用壽命的負面影響，近來有的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，振動實際上也是對流換熱過程中一種能量轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移的方式，振動本身加強了換熱介質(zhì)的擾動，增強了換熱效果；另外振動也減弱了污垢在管壁處的積累，減小了熱阻。,圖7.4換熱表面幾何因素對對流的影響 (a)強迫對流；(b)自然對流,7.1 對流換熱的概念及牛頓冷卻公式,18,前邊我們學(xué)過的對流換熱牛頓冷卻公式：Q=At，雖然揭示了對流換熱量與溫差、換熱面積以及對流換熱系數(shù)之間的關(guān)系，但是并不能應(yīng)用此公式去解決實際的換熱問題。因為公式中的對流換熱系數(shù)與換熱過程中的許多因素有關(guān)，進行對流換熱計算的主要任務(wù)，就是確定對流換熱系數(shù)。研究的方法大致有以下四

11、種：分析法、實驗法、比擬法、數(shù)值法。由于對流換熱過程十分復(fù)雜，不管依靠哪種方法來求得對流換熱系數(shù)都是非常困難的。考慮到高職學(xué)生的需要，在這里我們并不打算詳細介紹各計算公式的由來及推導(dǎo)，只是介紹計算對流換熱系數(shù)的一般方法以及公式的選擇及應(yīng)用。,7.2 對流換熱計算概述,7.2 對流換熱計算概述,19,7.2.1 對流換熱準則數(shù),7.2 對流換熱計算概述,20,7.2 對流換熱計算概述,21,7.2 對流換熱計算概述,22,7.2 對流換熱計算概述,23,7.2.2 準則數(shù)之間的關(guān)系,7.2 對流換熱計算概述,24,7.2 對流換熱計算概述,25,（1）定性溫度 在使用上述公式計算準則數(shù)時，往往要

12、用到流體的物性參數(shù)，比如流體的密度、運動粘度等，這些參數(shù)的大小一般都與溫度有關(guān)，而在工程計算中，同一計算流體各部分的溫度是不一樣的，比如油水換熱器進口和出口的水溫是不一樣的。因此大多數(shù)基于試驗分析的經(jīng)驗公式都給出了一個決定公式中其他物理參數(shù)的溫度，這個溫度就叫做定性溫度。其他隨溫度變化的物理參數(shù)的取值，應(yīng)該由定性溫度決定。,7.2.3 定性溫度與特征尺寸,7.2 對流換熱計算概述,26,7.2 對流換熱計算概述,27,（2）特征尺寸 參與對流換熱的換熱表面幾何尺寸往往有幾個，準則數(shù)公式中所用的尺寸參數(shù)，一般是實驗中發(fā)現(xiàn)其中對換熱有顯著影響的幾何尺寸，稱為特征尺寸。如流體在圓形管內(nèi)對流換熱時，特

13、征尺寸一般為管內(nèi)徑，而在非圓形管內(nèi)對流換熱時，則常用當(dāng)量直徑作為特征尺寸。在使用準則數(shù)公式時，要按準則公式的要求來確定。具體應(yīng)用情況如下： 流體在圓管內(nèi)流動時，取管內(nèi)徑作為特征尺寸。 流體在非圓管道內(nèi)流動時，如橢圓管道、矩形管道等，取當(dāng)量直徑de作為特征尺寸，即,(7.12),7.2 對流換熱計算概述,28,7.2.4 換熱計算的一般步驟,7.2 對流換熱計算概述,29,7.3.1.1 管內(nèi)強制流動換熱量計算公式的選用 管內(nèi)流體與管壁之間的對流換熱系數(shù)受多種因素的影響，比如流體的流態(tài)、流體與壁面的溫差、流體的粘度等，要通過努謝爾數(shù)Nu求出對流換熱系數(shù) ,就必須根據(jù)適用范圍選擇出正確計算Nu的公

14、式。表7.1列出了管內(nèi)強制流動努謝爾數(shù)Nu的計算公式。,7.3 單相流體對流換熱計算,7.3.1 管內(nèi)流體強制對流換熱計算,7.3 單相流體對流換熱計算,30,表7.1 管內(nèi)強制流動努謝爾數(shù)N的計算公式,7.3 單相流體對流換熱計算,31,續(xù)表 7.1,7.3 單相流體對流換熱計算,32,續(xù)表 7.1,7.3 單相流體對流換熱計算,33,7.3.1.2 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正,7.3 單相流體對流換熱計算,34,7.3 單相流體對流換熱計算,35,7.3.1.3 對流換熱系數(shù)的求解步驟 先由已知條件計算Re，再根據(jù)Re值判斷管內(nèi)流態(tài)； 根據(jù)管內(nèi)流態(tài)（層流、紊流或過渡流）和適宜范圍，選用相應(yīng)的實用計

15、算式，并注意特征尺寸和定性溫度的確定； 由已知條件計算或選取有關(guān)修正系數(shù)； 由實用計算式計算Nu； 由Nu值求得對流換熱系數(shù)。 【例7.1】水流進長度為L=5 m的直管，從tf25被加熱到tf35。管內(nèi)徑d=20 mm，水在管內(nèi)的流速為2 m/s。求平均對流換熱系數(shù)。,7.3 單相流體對流換熱計算,36,7.3.2.1 流體強制橫向流過單管的換熱量計算,7.3.2 管外流體強制對流換熱計算,圖圖7.5 流體橫向流過單管,表7.2,7.3 單相流體對流換熱計算,37,【例7.2】已知管外徑d20 mm，水溫tf20，管壁溫tw30，水流速u=0.5 m/s。試求冷卻水橫向流過單管時的對流換熱系數(shù)

16、。,表2-2 流體橫掠單管計算式中的C，n值,7.3 單相流體對流換熱計算,38,7.3.2.2 流體強制橫向流過管束 在實際工程中，流體往往不是掠過單管，而是流過由許多管子組成的管束，例如在管式換熱設(shè)備中，管外流體一般從垂直于管軸心的方向沖刷管束。管束排列方式很多，但以圖7.6所示的順排與叉排兩種最為普遍。從圖7.6中可以看出，順排時流體的流道相對平直，而且當(dāng)流速較低或管間距較小時，易在管的尾部形成滯流區(qū)。叉排時流體的流道是交替收縮和擴張的，流體擾動性較好，只要管的間距設(shè)計合理，其換熱就比順排強烈，但流體的阻力損失大于順排。 影響對流換熱系數(shù)的因素除了排列方式之外，還有管子排數(shù)、管徑以及管子

17、間距等。流體強制橫向流過管束的各種實用計算式見表7.3。,7.3 單相流體對流換熱計算,39,圖7.6流體在圓管束間的流動狀態(tài) (a)順排；(b)叉排表,見圖7.6,7.3 單相流體對流換熱計算,40,表7.3流體強制橫向流過管束的換熱計算式,7.3 單相流體對流換熱計算,41,7.3 單相流體對流換熱計算,42,7.3 單相流體對流換熱計算,43,流體自然對流換熱是指流體與固體壁面相接觸，由于兩者溫度不同，靠近壁面的流體受壁面溫度的影響，造成流體溫度和密度的改變，流體主體與固體壁面附近的流體間因存在密度的差異而形成浮力，結(jié)果導(dǎo)致固體壁面附近的流體上升（或下降）和流體主體的流體下降（或上升）的

18、自然對流。因此，流體與壁面之間的溫度差是流體產(chǎn)生自然對流的根本原因。 空間自然對流換熱主要分為兩種類型：一類是流體在較大空間中自然對流，因為空間大，自然對流不受干擾，稱為大空間的自然對流換熱，如室內(nèi)暖氣片與室內(nèi)空氣的換熱；另一類是流體在封閉狹小空間內(nèi)自然對流，冷熱流體相互干擾，稱為有限空間的自然對流換熱，如雙層玻璃窗之間空氣的對流換熱等。,7.3.3 自然對流換熱的計算,7.3 單相流體對流換熱計算,44,7.3.3.1 大空間自然對流換熱的計算,表7.6,7.3 單相流體對流換熱計算,45,表7.6 大空間自然對流換熱方程式中的c、n值,7.3 單相流體對流換熱計算,46,續(xù)表7.6,7.3

19、 單相流體對流換熱計算,47,7.3.3.2 有限空間自然對流換熱的計算 有限空間的自然對流換熱是指在封閉的夾層內(nèi)由高溫壁到低溫壁的換熱過程，且其換熱過程是熱壁和冷壁兩個自然對流過程的組合。封閉夾層的幾何位置可分垂直、水平等情況，如圖7.7所示。,圖7.7有限空間自然對流換熱,7.3 單相流體對流換熱計算,48,7.3 單相流體對流換熱計算,49,表7.7 有限空間的自然對流換熱Nu的計算式,7.3 單相流體對流換熱計算,50,【例7.5】冷、熱兩個豎直壁面之間夾層的厚度為25mm，高度為500mm，熱壁面的溫度為15，冷壁面的溫度為15，求夾層之間空氣單位面積的傳熱量。,續(xù)表7.7,7.3

20、單相流體對流換熱計算,51,當(dāng)液體與高于其飽和溫度的壁面接觸時，液體就被加熱而沸騰。工質(zhì)在飽和溫度下吸收熱量由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為沸騰。沸騰的特征是液體內(nèi)部不斷地產(chǎn)生氣泡，這些氣泡在換熱表面上的某些地點（稱汽化核心）不斷地產(chǎn)生、長大，脫離壁面，并穿過液體層進入上部的氣相空間，使換熱表面和液體內(nèi)部都受到強烈擾動。對同一種流體而言，沸騰對流換熱系數(shù)一般要比無相變的對流換熱系數(shù)高得多，例如在常壓下水的沸騰對流換熱系數(shù)可達5104 W/(m2K)，而強制對流時的對流換熱系數(shù)最高值才為104 W/(m2K)。,7.4.1 沸騰換熱,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,52,沸騰按

21、發(fā)生的場合可分為大容器沸騰（或稱池內(nèi)沸騰）和管內(nèi)沸騰（或稱有限空間沸騰、受迫流動沸騰）兩種。大容器沸騰時，液體內(nèi)一方面存在著由溫度差引起的自然對流，另一方面又存在著因氣泡運動所導(dǎo)致的液體運動。管內(nèi)沸騰是液體在一定壓差作用下，以一定的流速流經(jīng)加熱管時所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，又稱為強制對流沸騰。管內(nèi)沸騰時，液體的流速對沸騰過程產(chǎn)生影響，而且在加熱面上所產(chǎn)生的氣泡不是自由上浮的，而是被迫與液體一起流動的，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相流動。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,53,無論是大容器沸騰還是管內(nèi)沸騰，都有過冷沸騰和飽和沸騰之分。當(dāng)液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，而加熱面溫度又高于飽和溫度時，將產(chǎn)生過冷沸騰

22、。此時，在加熱面上產(chǎn)生的氣泡將在液體主體重新凝結(jié)，熱量的傳遞是通過這種汽化凝結(jié)的過程實現(xiàn)的。當(dāng)液體主體的溫度達到其相應(yīng)壓力下的飽和溫度時，離開加熱面的氣泡不再重新凝結(jié)，這種沸騰稱為飽和沸騰。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,54,7.4.1.1 大容器沸騰換熱,圖7.8 水在常壓下的飽和沸騰曲線,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,55,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,56,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,57,圖7.8,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,58,7.4.1.2 管內(nèi)沸騰換熱過程 （1）豎直管內(nèi)沸騰換熱 圖7.9是豎直管內(nèi)液體的沸騰情況。若進入管內(nèi)液體的溫度低于飽和溫度，這時流體與管壁之間的換熱是液體的對

23、流換熱。之后液體在壁面附近被加熱到飽和溫度ts，但此時管內(nèi)中心溫度尚低于ts,僅管壁有氣泡產(chǎn)生，屬于過冷沸騰。,圖7.9 豎直管內(nèi)沸騰過程,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,59,隨后液體在整個截面上達到飽和溫度，進入飽和核態(tài)沸騰。這時流動狀態(tài)先是泡狀流，漸變成塊狀流，進入泡態(tài)沸騰。隨著液體被加熱和氣泡的繼續(xù)增多，在管中心形成氣體芯，液體被壓成環(huán)狀，緊貼管壁呈薄膜流動，出現(xiàn)環(huán)狀流。此時的汽化過程主要發(fā)生在液氣交界面上，熱量主要以對流方式通過液膜，屬于液膜的對流沸騰。繼而液體薄膜受熱進一步汽化，中間氣相的流速繼續(xù)增加。由于氣液界面的摩擦，氣流能將液面吹離壁面，并攜帶于蒸汽流中，這樣液膜變成了小液珠分散

24、在氣流中，似霧狀，故稱為霧狀流。此時管壁接觸的是蒸汽，因此對流換熱系數(shù)驟然下降，管壁溫度升高。若霧狀的小液珠再進一步汽化，就發(fā)展成單一的氣相了，從而進入單相蒸汽流的對流換熱過程。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,60,（2）水平管內(nèi)沸騰換熱 對于發(fā)生在水平管內(nèi)的沸騰換熱，如果流速較高時，管內(nèi)的情形與豎直管基本相似。但在流速較低時，受重力的影響，氣體和液體分別集中在管的上、下兩半部分，如圖7.10所示。進入環(huán)狀流后，管道上半部容易過熱而燒壞。,圖7.10 水平管內(nèi)沸騰過程,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,61,7.4.1.3 影響沸騰換熱的因素 沸騰對流換熱系數(shù)除了與液體的物理性質(zhì)參數(shù)有關(guān)外，還受到沸騰

25、液體的潤濕能力、導(dǎo)熱性能以及壁面材料、表面形狀等因素的影響。 （1）液體表面壓力 液體表面壓力的大小決定了液體的沸點（飽和溫度）的高低。在飽和狀態(tài)下，壓力越低，沸點就越低，換熱溫差就越大，越有利于沸騰換熱。 （2）液體的性質(zhì) 液體沸騰時，其內(nèi)部的擾動程度，氣、液兩相的導(dǎo)熱能力，以及形成氣泡的脫離與液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度和表面張力有關(guān)，所以這些因素對沸騰換熱有重要的影響。一般情況下，對流換熱系數(shù)隨著液體的導(dǎo)熱系數(shù)和密度的增加而增大，隨液體的粘度和表面張力的增大而減小。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,62,（3）不凝性氣體 在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器管路內(nèi)，不凝性氣體如空氣的存在會使蒸發(fā)器內(nèi)的總壓力升高，

26、導(dǎo)致沸點升高，換熱溫差降低，嚴重影響蒸發(fā)器的吸熱制冷。因此應(yīng)嚴禁不凝性氣體混入制冷系統(tǒng)內(nèi)。 （4）液位高度 在大容器沸騰中，當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時，沸騰對流換熱系數(shù)會明顯地隨液位的降低而升高，這一特定的液位值稱為臨界液位。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,63,（5）沸騰表面的結(jié)構(gòu) 熱壁面的材料不同，粗糙度不同，則形成氣泡核心的條件不同，對沸騰換熱將產(chǎn)生顯著的影響。通常是新的或清潔的加熱壁面對流換熱系數(shù)的值較高，當(dāng)加熱壁面被油垢玷污后，對流換熱系數(shù)急劇下降。壁面越粗糙，氣泡核心越多，越有利于沸騰換熱。換熱器表面上的微小凹坑最容易產(chǎn)生汽化核

27、心。為加強換熱，可采用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)的方法，在換熱器表面上形成一層多孔或多溝槽結(jié)構(gòu)，也可采用機械加工的方法在換熱器表面形成溝槽結(jié)構(gòu)，或在沸騰管路上設(shè)置散熱肋片。如圖7.11所示,W-TX管管壁加工出很多細小的凹槽，GEWA-T管加工出細密的螺紋，而多孔管表面形成了多孔結(jié)構(gòu)，通過這些措施，既可以增加汽化核心，也可以增加表面換熱面積，當(dāng)然前者的作用是主要的。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,64,工質(zhì)在飽和溫度下釋放熱量由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為凝結(jié)（冷凝）。凝結(jié)換熱是伴隨相變的對流換熱。蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面相接觸時，就會放出汽化潛熱，凝結(jié)成液體附著在壁面上

28、。在制冷系統(tǒng)中冷凝器內(nèi)制冷劑蒸氣與管壁之間的換熱、在發(fā)電廠中凝汽器內(nèi)水蒸氣與管壁之間的換熱等都是凝結(jié)換熱。,7.4.2 凝結(jié)換熱,圖7.11 強化沸騰換熱的表面結(jié)構(gòu),7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,65,根據(jù)凝結(jié)液潤濕壁面的性能不同，蒸汽凝結(jié)分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種。 如果凝結(jié)液能夠很好地潤濕壁面，就會在壁面上形成連續(xù)的液體膜，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)，如圖7.12所示。隨著凝結(jié)過程的進行，液體層在壁面上逐漸增厚，達到一定厚度以后，凝結(jié)液將沿著壁面流下或墜落，但在壁面上覆蓋的液膜始終存在。在膜狀凝結(jié)中，純蒸汽凝結(jié)時氣相內(nèi)不存在溫度差，所以沒有熱阻。而蒸汽凝結(jié)所放出的熱量，必須以導(dǎo)熱的方式通過液膜

29、才能到達壁面，又由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)不大，所以液膜幾乎集中了凝結(jié)換熱的全部熱阻。因此，液膜越厚，其熱阻越大，對流換熱系數(shù)就越小。膜狀凝結(jié)的對流換熱系數(shù)主要取決于凝結(jié)液的性質(zhì)和液膜的厚度。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,66,如果凝結(jié)液不能很好地潤濕壁面，則因表面張力的作用將凝結(jié)液在壁面上集聚為許多小液珠，并隨機地沿壁面落下，這種凝結(jié)稱為珠狀凝結(jié)，如圖7.12所示。,圖7.12 膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié),7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,67,隨著凝結(jié)過程的進行，液珠逐漸增大，待液珠增大到一定程度后，則從壁面上落下，使得壁面重新露出，可供再次生成液珠。由于珠狀凝結(jié)時蒸汽不必通過液膜的附加熱阻，而直接在傳熱面上凝

30、結(jié)，故其對流換熱系數(shù)遠比膜狀凝結(jié)時的大，有時大到幾倍甚至幾十倍。 工程實際中采用的冷凝器中，大多數(shù)為膜狀凝結(jié)，即使采取了產(chǎn)生珠狀凝結(jié)的措施，也往往因為傳熱面上結(jié)垢或其他原因，難以持久地保持珠狀凝結(jié)。所以，工業(yè)冷凝器的設(shè)計均以膜狀凝結(jié)換熱為計算依據(jù)。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,68,7.4.2.2 影響凝結(jié)換熱的因素 （1）蒸汽所受的壓力 蒸汽所受壓力的大小決定了氣體冷凝溫度（飽和溫度）的高低。在飽和狀態(tài)下，壓力越大，冷凝溫度就越高，與壁面換熱溫差就越大，越有利于凝結(jié)換熱。 （2）蒸汽的流速和流向 如果蒸汽流動方向與液膜流動方向一致可加速液膜流動，使之變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。當(dāng)流動方向相反時，會增加液膜厚度，對流換熱系數(shù)減小。但如果蒸汽流速較高時，將會把液膜吹離表面，不論流向如何，都會使對流換熱系數(shù)增大。,7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱,69,（3）蒸汽中含有不凝性氣體 當(dāng)蒸汽中含有不凝性氣體（如空氣、氮氣）時，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響。例如水蒸氣中含有1的空氣能使凝結(jié)對流換熱系數(shù)降低60%。因為不凝結(jié)氣體層的存在，使蒸汽在抵達液膜表面進行凝結(jié)之前，必須以擴散方式穿過不凝結(jié)氣體層，使蒸汽與壁面之間的熱阻加大，削弱了熱量的傳遞。因此，排除不凝性氣體是保證制冷系統(tǒng)冷凝器正常運行的關(guān)鍵。 （4）冷凝器壁面情況的影響 若冷凝器凝結(jié)壁面粗糙、有銹層或有油膜時，將增加液膜