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2 膜状凝结的强化原则和技术
2.1 基本原则 强化凝结换热的原则是尽 量减薄粘滞在换热表面上 的液膜的厚度。 2.2 强化技术 （1）可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷凝的液 膜拉薄减薄凝结液膜的厚 度、促进凝结液的排泄； （2）改变凝结的形式， 创造珠状凝结条件等。
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相变：物质从一种集态转变为另一种集态。 固－液（熔化、凝固）
液－汽（气化、液化、凝结、沸腾/蒸发）
固－气（升华、凝聚） 固－固
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潜热：当物体吸热（或放热）仅使物质分子的热位能增加（或减少）， 即仅使物质状态发生改变，而其温度不变，那么它所吸收（或放出） 的热能称为潜热。
液相水汽化成气相蒸汽的潜热阶段 ∆tQ4＝2257kJ/kg
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1. 沸腾的定义及分类
1.1 沸腾的定义
a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到汽态的 一种剧烈的汽化过程
b 蒸发：发生在液体表面上的汽化过程（压差作用下形成） c 沸腾传热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷 却的一种传热方式
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F E
水蒸气
tk 100 t2 t0 0
t1
D
B
C
液相水温度变化时显热焓量变化 ∆Q3＝C水（t2-t0)kJ/kg, C水＝ 4.187kJ/kg· ℃ 从0到100℃，共吸收显热量为418kJ/kg
A
固相冰融化成液相水的潜热阶段 ∆Q2＝335kJ/kg
0
固相冰温度变化时显热焓量变化 335 Q 热焓量（ kJ/kg） · Q1 Q2∆ Q1 2257 QC Q1 ＝C冰（ ＝2.09kJ/kg ℃ 3 t0-t 5 冰 4 )kJ/kg, 不同状态下水的显热与相变潜热比较
t(y)
x
Thermal boundary layers
u(y)
Velocity boundary layers
u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
ts tw tm 2
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在其它条件相同时，横管与竖管的平均对流传热系数之比：
1 hHg l 0.77 hVg d 4
如果取l/d=50，则横管的平均表面传热系数是竖管的2倍 课堂讨论：试解释为什么冷凝器（凝汽器）通常都采用横 管的布置方式？
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上式的误差将低于3％。 Ja 称为雅各布（Jacob）数， 表示凝结液的显热与潜热之比。
对努塞尔理论解的修正：
（1）如果蒸气过热，要考虑过热蒸气与饱和液 的焓差。 （2）如果竖壁与垂直方向的夹角为 ，式中的 重力加速度g改为gcos 。 Ф
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2 水平圆管及球的表面传热系数
g
膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传
递。
珠状凝结
当凝结液体不能很好的润湿壁面时，则在壁面 上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸 汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结 （可能大几倍，甚至一个数量级）
tw ts
g
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虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝 结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属 于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结 接触 角
努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流 膜状凝结
gr hH 0.729 d( t t ) s w l
2 l 3 l
1/ 4
gr hS 0.826 d( t t ) s w l
2 l 3 l
1/ 4
式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; 特征长 度d 为水平管或球的直径。 定性温度与前面的公式相同
r r 0.68c p ( ts tw )
r
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1.6 管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。 流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。
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§7－3 膜状凝结的影响因素及其传热强化
1 膜状凝结的影响因素
工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的 影响。 1.1 不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下 降，减小了凝结的驱动力 t。 研究表明水蒸气质量含量占 1 ％的空气能使表面传热系数降低 60％
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3
3.1
湍流膜状凝结
边界层内的流态
无波动层流
凝结液体流动也分层流和湍流，并且 其判断依据仍然是Re，叫膜层Re数
Re 20
有波动层流
ul d e Re
ul d e
式中： ul 为 x = l 处液膜层的平均流速； de 为该截面处液膜层的当量直径。
Re c 1600
湍流
修正后：
gr hV 1.13 l l( t s t w )
2 l 3 l
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水蒸气在竖壁上的膜状凝结分析解与实验结果
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适用条件：研究证明，如果满足
Ja
c pl (ts tw ) r
0.1, 1 Pr 100
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几个简答题：
1）什么是膜状凝结？什么是珠状凝结？哪种凝结形 式的换热性能好？为什么？ 2）试解释为什么冷凝器通常采用横管布置方案？ 3）试说明蒸汽凝结传热中有不凝结气体存在时，对 凝结传热的影响？
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§7-4 沸腾传热的模式
• 蒸汽锅炉 沸腾传热例子
• 做饭 • 许多其它的工业过程
第七章 相变对流传热
Boiling and Condensation
能源工程系 黄金
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第五章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对 流换热和自然对流换热
下面我们即将遇到的是有相变的对流传热，也称之为 相变传热，目前涉及的是凝结传热和沸腾传热两种。
相变传热的特点：由于有潜热释放和相变过程的复 杂性，比单相对流传热更复杂，因此，目前，工程 上也只能助于经验公式和实验关联式。
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§7-1 凝结传热的模式
1 珠状凝结与膜状凝结
1.1 凝结换热实例 •电站的凝汽器 •制冷空调装置中的冷凝器 •寒冷冬天窗户上的冰花 1.2 凝结传热的关键点
• • • • •
凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 影响膜状凝结换热的因素 会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论
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1.3 凝结换热中的重要参数
• • • • 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts - tw） 汽化潜热 r 特征尺度 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 数、比热容等
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1.4
凝结过程
tw ts
膜状凝结
凝结液体能很好地润湿壁面，沿整个壁
面形成一层薄膜，并且在重力的作用下 流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液
在努塞尔分析解中被忽略
1.2 蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， h增大；反之使 h 减小。
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1.3 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
1.4 液膜过冷度及温度分布的非线性
如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替 计算公式中的 ， 1.5 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。对于管束， 其特征长度取为nd，但过于保守。 具体关联式本书没有介绍，可参澄考文献： 张卓澄.大型电站凝汽器[M]. 机械工业出版社，1993，北京.
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如图
由热平衡
所以
de 4 Ac / P 4b / b 4 4 ul 4qml Re h( ts tw )l rqml
4hl( ts t w ) Re r
4hd (t s t w ) r
对水平管，用π d代替上式中的l即可。
xc h hl ht l
xc 1 l
式中：hl 为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度 本教材没有介绍
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利用上面思想，整理的整个壁面的实验关联式：
Nu Ga
1/ 3
Re 58 Pr
Re
并且横管一般都处于层流状态
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3.2 湍流膜状凝结传热 液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横管因 直径较小，实践上均在层流范围。 对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递 热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强 对竖壁的湍流凝结传热，其沿整个壁面的平均表面传热 系数计算式为：
1 / 2 s
Prw Pr s
1/ 4
(Re 3 / 4 253 ) 9200
3 2 Ga gl / Nu hl / ; 式中： 。除 Prw用壁温
tw
计算外，其余物理量的定性温度均为