1、1第一節 凝結換熱第二節 沸騰換熱第三節 熱管第七章第七章 凝結與沸騰換熱凝結與沸騰換熱2 膜狀凝結膜狀凝結珠狀凝結珠狀凝結gswttgswtt7-1 7-1 凝結換熱凝結換熱1 1凝結形式凝結形式（1 1）定義：蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固）定義：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，稱凝結換熱現象。體壁面，并在壁面上形成凝結液的過程，稱凝結換熱現象。 （2 2）視凝結液體依附壁面的不同可分為膜狀凝結和珠狀凝結兩種）視凝結液體依附壁面的不同可分為膜狀凝結和珠狀凝結兩種 。3膜狀凝結膜狀凝結o（1 1）定義：凝結液體能很好地

2、濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪）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。展成膜的凝結形式，稱膜狀凝結。o（2 2）特點：壁面上有一層液膜，凝結放出的相變熱（潛熱）須）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. .o如果冷凝壁面是水平放置，那么隨著凝結過程的進行液膜厚度會如果冷凝壁面是水平放置，那么隨著凝結過程的進行液膜厚度會逐步增加，熱阻也就越來越大；逐步增加，熱阻也就越來越大；o如果冷凝壁面是豎直安放，那么液膜會在重力作用下向下流動，如果

3、冷凝壁面是豎直安放，那么液膜會在重力作用下向下流動，形成一個流動的液膜層，隨著沿途蒸汽的不斷凝結液膜也會逐步形成一個流動的液膜層，隨著沿途蒸汽的不斷凝結液膜也會逐步增厚，變成一個類似于流體邊界層的流動換熱的模式。顯然，豎增厚，變成一個類似于流體邊界層的流動換熱的模式。顯然，豎直壁面上部的換熱性能要好于豎直壁面的下部。直壁面上部的換熱性能要好于豎直壁面的下部。4珠狀凝結珠狀凝結o（1 1）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）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。小液珠的凝結形式，稱珠狀凝結。o（2 2）特點：凝結放出的

4、潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。）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。o當凝結液不能潤濕壁面時，凝結液在壁面許多點上以當凝結液不能潤濕壁面時，凝結液在壁面許多點上以顆顆小液珠的形式依顆顆小液珠的形式依附于壁面，在重力的作用下，液珠滾下并與相通的液珠匯合成較大的液滴，附于壁面，在重力的作用下，液珠滾下并與相通的液珠匯合成較大的液滴，在向下滾動的同時掃清了沿途的液珠，讓出無液珠的壁面供繼續凝結凝在向下滾動的同時掃清了沿途的液珠，讓出無液珠的壁面供繼續凝結凝結過程主要是直接在冷壁面上進行的，沒有凝結液膜引起的附加熱阻，因此結過程主要是直接在冷壁面上進行的，沒有凝結液膜

5、引起的附加熱阻，因此有較高的換熱強度。實驗表明珠狀凝結的換熱系數比膜狀凝結要高有較高的換熱強度。實驗表明珠狀凝結的換熱系數比膜狀凝結要高510510倍倍以上。以上。o雖然如此，但到目前為止在工業冷凝器中還沒能創造出持久地保持珠狀凝雖然如此，但到目前為止在工業冷凝器中還沒能創造出持久地保持珠狀凝結的工作條件。珠狀凝結的機理及保證產生珠狀凝結的條件正在廣泛地研究結的工作條件。珠狀凝結的機理及保證產生珠狀凝結的條件正在廣泛地研究中。中。o如果冷凝壁面水平放置，壁面遲早會被冷凝液覆蓋；如果冷凝壁面是豎直安如果冷凝壁面水平放置，壁面遲早會被冷凝液覆蓋；如果冷凝壁面是豎直安放，液珠會逐步變大而沿著壁面向下

6、滾動，使得冷凝壁面始終能與蒸汽直接放，液珠會逐步變大而沿著壁面向下滾動，使得冷凝壁面始終能與蒸汽直接接觸，保持良好的熱交換性能。接觸，保持良好的熱交換性能。o在其它條件相同時，珠狀凝結的表面傳熱系數定大于膜狀凝結的傳熱系數。在其它條件相同時，珠狀凝結的表面傳熱系數定大于膜狀凝結的傳熱系數。52 2 膜狀液膜的流態膜狀液膜的流態20Re 1600Re c無波動層流無波動層流有波動層流有波動層流湍流湍流凝結液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據仍然是Re，式中： ul 為 x = l 處液膜層的平均流速； de 為該截面處液膜層的當量直徑。elduRe6如圖，如圖，由熱平衡，由熱平衡，所以所以根據

7、膜層雷諾數的大小，其流動狀態分：根據膜層雷諾數的大小，其流動狀態分： 層流層流 Re 1800Re 1800 湍流湍流 Re 1800Re 1800 ecd4A / P4b/ b4()swmlh ttlrq蒸汽凝結量44Relmluq對流換熱量sw4hl(tt )Rer73 3 層流膜狀凝結的分析求解層流膜狀凝結的分析求解在下面假設的基礎上，1916年，Nusselt提出的簡單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。假定：1）純蒸汽、常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于液膜溫度等于飽和溫度飽和溫度；5）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱

8、；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8g)(xm t(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layersswtt微元控制體邊界層微分方程組：邊界層微分方程組：下腳標 l 表示液相x0yvxu22ytaytvxtul22)yuxpgyuvxuulll（91）液膜的慣性力忽略）液膜的慣性力忽略 0)(yuvxuul3）膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱膜內溫度線性分布，即熱量轉移只有導熱 2）忽略蒸忽略蒸 汽密度汽密度0ytvxtu只有u 和 t 兩個未知量，于是，上面方程組化簡為：根據假設條件根據假設條件邊界

9、條件：swttyuyttuy , 0dd 0, 0時，時，002222ytayuglll0gdxdpvNoImage 為液膜在x方向的壓力梯度，可按y=處液膜表面蒸汽壓力梯度計算。 dxdp10求解上面方程可得：(1) 液膜厚度定性溫度：2wsmttt(2) 局部對流換熱系數sw(tttC )整個豎壁的平均表面傳熱系數1/ 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll(tt ) 注意：注意：r 按按 ts 確定確定(3) 修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結換熱得到強 化，因此，實驗值比上述理論值高20左右1/ 423llVlswgrh1.13l(tt ) 修正后：4/12)(4g

10、rttxlwsll4/132)(4wslllxttxrgh114 4 紊流膜狀凝結換熱紊流膜狀凝結換熱對紊流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導熱來傳遞熱對紊流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導熱來傳遞熱量外，層流底層之外以紊流傳遞為主，換熱大為增強量外，層流底層之外以紊流傳遞為主，換熱大為增強對對豎壁的紊流凝結換熱豎壁的紊流凝結換熱，其沿整個壁面的，其沿整個壁面的平均表面傳熱系數平均表面傳熱系數計算式為：計算式為：ccltxxhhh1ll式中：式中：hl 為層流段的傳熱系數；為層流段的傳熱系數； ht 為湍流段的傳熱系數；為湍流段的傳熱系數； xc 為層流轉變為湍流時轉折點的高度為層流轉變

11、為湍流時轉折點的高度 l 為豎壁的總高度為豎壁的總高度)253(RePr588750Re75. 05 . 0ccCo豎壁紊流膜段的平均表面傳熱系數豎壁紊流膜段的平均表面傳熱系數125 5 水平圓管外壁的凝結換熱水平圓管外壁的凝結換熱 ( (ReRec c=3600)=3600)努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管外壁的層流層流膜狀凝結1 / 423llHlswgrh0.729d( tt) 式中：下標“ H ”表示水平管。定性溫度與前面的公式相同定性溫度與前面的公式相同定性尺寸定性尺寸:單管為管外徑單管為管外徑d 水平管束為水平管束為nd13利用上面思想，整理的整個表面的平均努塞爾數：利用上面思想，

12、整理的整個表面的平均努塞爾數：4/13)()(555. 0wsvttdrghpswrr0.68c (tt ) 6 6 水平管內凝結換熱水平管內凝結換熱146 6 影響膜狀凝結的因素影響膜狀凝結的因素工程實際中所發生的膜狀凝結過程往往比較復雜，受各種因素的影響。1. 1. 蒸汽流速蒸汽流速2. 2. 不凝氣體不凝氣體3.3.表面粗糙度表面粗糙度4.4.蒸汽含油蒸汽含油5. 5. 過熱蒸氣過熱蒸氣 157 7 增強凝結換熱的措施增強凝結換熱的措施1. 1.該表表面幾何形狀該表表面幾何形狀2.2.有效排除不凝氣體有效排除不凝氣體3.3.加速凝液的排除加速凝液的排除4.4.易于珠狀凝結形成的措施易于珠

13、狀凝結形成的措施16沸騰和沸騰換熱沸騰和沸騰換熱 過冷沸騰和飽和沸騰本書主要介紹了常見的大容器沸騰(池內沸騰) 。加熱表面沸騰：工質在飽和溫度下由液態轉變為氣態的過程稱為沸騰。沸騰：工質在飽和溫度下由液態轉變為氣態的過程稱為沸騰。 2 2 、沸騰的特點、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。 174 4 汽泡動力學簡介汽泡動力學簡介 (1) (1) 汽泡的成長過程汽泡的成長過程 實驗表明，通常情況下，沸騰開始時汽泡只發生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產生氣泡

14、的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。18(2) (2) 汽泡的存在條件汽泡的存在條件 汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活)(2minswvsttrTRR式中： 表面張力，N/m；r 汽化潛熱，J/kg v 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面溫度，C ts 對應壓力下的飽和溫度， C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 換熱增強克拉貝隆方程195 5 大容器飽和沸騰曲線：大容器飽和沸騰曲線：qmaxqmin206 6 沸騰換熱計算式沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，

15、牛頓冷卻公式仍然適用，即thtthqsw)(但對于沸騰換熱的h卻有許多不同的計算公式為此，書中分別推薦了兩個計算式（1 1）米海耶夫公式）米海耶夫公式水水 對于水的大容器飽和核態沸騰，教材推薦使用，壓力范圍：1054106 Pa5 . 033. 2122. 0pth按按 thq15. 07 . 0533. 0pqh （2 2）羅森瑙公式）羅森瑙公式多種液體多種液體217.3 7.3 熱管熱管 熱管技術是熱管技術是19631963年美國年美國LosAlamosLosAlamos國家實驗室的國家實驗室的G.M.GroverG.M.Grover發明的一種稱為發明的一種稱為“熱管熱管”的傳熱元件，它充

16、分的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與制冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱利用了熱傳導原理與制冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛應用在宇任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業，自從被引入散熱器制造行業，使得人們航、軍工等行業，自從被引入散熱器制造行業，使得人們改變了傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電改變了傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術使機來獲得更好散熱效果的單一散熱

17、模式，采用熱管技術使得散熱器即便采用低轉速、低風量電機，同樣可以得到滿得散熱器即便采用低轉速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散熱行業新天地。辟了散熱行業新天地。 221. 1.結構：管殼、管芯、工作液結構：管殼、管芯、工作液2.2.工作原理：沸騰與凝結兩種相變工作原理：沸騰與凝結兩種相變過程的巧妙結合。過程的巧妙結合。加熱蒸發段時，管內工質蒸發，蒸汽從管中心通道流向凝加熱蒸發段時，管內工質蒸發，蒸汽從管中心通道流向凝結段散熱區，放出其潛熱，凝集后借助管芯的毛細力結段散熱區，放出其潛熱，凝集后借助管芯的毛細力的作用，液體重新返回蒸發段再蒸發。的作用，液體重新返回蒸發段再蒸發。 233.3.特點特點（1）很高的導熱性。熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量。 （2）優良的等溫性。熱管內腔的蒸汽是處于飽和狀態，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度