第七章

相變對流傳熱§7-1凝結傳熱的模式一、兩種凝結形式膜狀凝結與珠狀凝結（1）形成原因：濕潤壁面的形式不同：取決于液體對壁面的附著力和液體的表面張力。當附著力>表面張力:膜狀凝結當附著力<表面張力:珠狀凝結（2）傳熱特點※膜狀凝結，凝結潛熱需要通過液膜傳遞給壁面（對于水蒸氣h可達到6x103~6x104);※珠狀凝結，存在著與蒸氣直接接觸的壁面（對于水蒸氣h可達到4x104~4x105);※流動特征的影響；※膜狀凝結穩定，容易形成；珠狀凝結不穩定，難以持久；(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。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。

特點：凝結放出的潛熱可不須穿過液膜的熱阻即可傳到冷卻壁面上。所以，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。g§7-2膜狀凝結分析解及關聯式

一、純凈蒸汽層流膜狀凝結分析解1916年，努塞爾首先提出了純凈蒸氣層流膜狀凝結的分析解。應用邊界層理論及其流動傳熱的微分方程；并認為液膜層的導熱熱阻是主要熱阻。1.均勻壁溫豎直表面上的層流膜狀凝結做如下8個假定：1）常物性；2）蒸氣靜止，氣液界面上無對液膜的粘滯力即；3）液膜的慣性力忽略(動量方程中的慣性力項可忽略)；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，而無對流；6）液膜的過冷度忽略（凝液的焓值為飽和溫度時的焓值，不考慮顯熱傳熱）7）忽略蒸氣密度（）；8）液膜表面平整無波動。2.物理模型的建立及邊界層微分方程組的簡化在穩態情況下，凝結液膜流動的微分方程組為：下腳標

l表示液相假定（3）假定（5）假定（7）假定（2）假定（4）假定（1）隱含了假定（8）隱含了假定（6）后用邊界條件：將以上方程積分兩次，并代入邊界條件得：通過l處寬為1m的橫截面凝結液體的質量流量為：3.方程組求解及結果：微元dx上的質量增量：微元dx的能量守恒方程：假定（6）將以上方程積分得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：r

按ts

確定(2)局部表面傳熱系數整個豎壁的平均表面傳熱系數定性溫度：注意：r

按ts

確定中的V表示豎壁。對于與水平軸的傾斜角為的傾斜壁，可將上式中的

改為即可應用于傾斜壁面。二.豎直管與水平管的比較及實驗驗證1.對于水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結時，其平均表面傳熱系數為：水平管：球體表面：定性溫度：注意：r

按ts

確定對于各種流體和實驗值的誤差在10%以內。2.水平管與豎管的對流換熱系數之比：水平管：豎管（可當做豎壁）：橫管與豎管的對流換熱系數之比：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：3.實驗驗證三.湍流膜狀凝結凝結液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據仍然時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。對水平管，用代替上式中的即可。并且橫管一般都處于層流狀態。如圖由熱平衡所以（一定流量凝液凝結潛熱全部由對流傳熱傳給壁面）流態判斷（實驗證明）：

（1）膜層雷諾數Re=1600時，液膜由層流轉變為紊流；

（2）橫管均在層流范圍內，因為管徑較小。紊流特征

:對于紊流液膜，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）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因此，紊流液膜換熱大于層流液膜換熱。無波動層流有波動層流湍流計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面傳熱系數式中：hl為層流段的傳熱系數；ht為湍流段的傳熱系數；

xc為層流轉變為湍流時轉折點的高度

l為豎壁的總高度利用上面處理方式，整理的整個壁面的凝結換熱實驗關聯式：式中：，伽利略數。除用壁溫計算外，其余物理量的定性溫度均為稱為凝結準則式7-3：式7-4：式7-7：根據：及可改寫層流凝結換熱公式：例題7-1：一臺臥式蒸汽熱水器，黃銅管外徑d=16mm，表面溫度tw=60℃，水蒸氣飽和溫度ts=140℃。（1）求單管的凝結表面傳熱系數；（2）熱水器垂直列上共有12根管，求凝結表面傳熱系數。解：ts=140℃時，潛熱r=2144.1kJ/kg

（代入公式時必須乘1000）;

由液膜平均溫度查水的物性數據：單管（式7-4）：管排：不需要判斷流態（橫管都在層流）例題7-2：外徑50mm管子垂直放置，ts=120℃的干飽和蒸氣在管外凝結，管長l=3m，tw=100℃，求凝液膜流態轉變為湍流時的高度xc及該管全長平均表面傳熱系數、傳熱量及凝結蒸氣量。解：ts=120℃時，潛熱r=2202kJ/kg;

由液膜平均溫度查水的物性數據：Re=1600時：可見凝結液膜既有層流又有湍流！采用課本7-12式：由公式要求的定性溫度查水的物性數據：假定Re，然后校核：假定Re=3015；用Re計算公式直接計算hv1=6570W/(m2K)計算Nu=28735.77，再計算

時的也可假定Hv，然校核！傳熱量：凝結蒸氣量：其中hv=6570W/(m2K)課本例題7-1自學§7-3影響膜狀凝結的因素及傳熱強化

一.膜狀凝結的影響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。2.管子排數

管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結換熱。前面推導的橫管凝結換熱的公式只適用于單根橫管。可用nd代替7-4式中的d進行計算，但計算值是偏保守的。1.不凝結氣體

不凝結氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使得液膜外蒸氣分壓力下降，飽和溫度下降，減小了凝結的驅動力。

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，形成環狀流動，凝結液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。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，

5.過熱蒸氣要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差，以代替r。4.蒸氣流速

流速較高時，蒸氣流對液膜表面產生粘滯應力。如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，增大。流動方向相反時，阻滯液膜的流動，使得液膜變厚使，減小。7.表面粗糙度

在低雷諾數時，凝液容易積存于粗糙壁面上，從而使液膜增厚，表面傳熱系數可低于光滑壁30%左右。當Re>140后，表面傳熱系數又高于光滑壁，類似于粗糙壁對單相流體對流換熱的影響。8.蒸氣含油如果油不溶于凝液，油可沉積在壁面上形成油垢，增加熱阻。

二.凝結傳熱的強化原則和技術強化凝結換熱的原則：1.盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度；2.及時將壁面上的凝結液排走。措施和技術：1.在工藝允許的情況下，對于立管可減小管的高度；改立管為豎管；改變表面幾何特征，主要是在壁面上開溝槽，拉絲等。可以使表面傳熱系數成倍增加，原理：表面張力使得凝液在尖峰處變薄。2.加速凝液的排除，用導流裝置、使用離心力、低頻振蕩和靜電吸引等方法。3.有效排除不凝氣體。4.采用能形成珠狀凝結的表面，在壁面上涂鍍凝