热质交换原理与设备-第三章.ppt

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1、3.1 沸腾换热 3.2 凝结换热3.3 固液相变传热 第三章 相变热质交换原理3.1 沸腾换热沸腾换热3.1.1 沸腾换热现象及分析沸腾换热现象及分析在在固固液液界界面面上上发发生生的的蒸蒸发发，称称之之为为沸沸腾腾。当当表表面面温温度度T Ts s超超过过相相应应液液体体压压力力下下的的饱饱和和温温度度t ts s时时，就就发发生生这这种种过过程程。热量从固体表面传向液体，牛顿冷却定律的相应形式热量从固体表面传向液体，牛顿冷却定律的相应形式这这种种过过程程的的特特点点是是有有蒸蒸汽汽泡泡形形成成，它它们们长长大大后后脱脱离离表表面面。蒸蒸汽汽泡泡的的生生长长和和它它的的动动态态特特性性、过

2、过热热度度、表表面面特特性性以以及及诸诸如如表表面面张张力力等等流流体体的的热热物物理理参参数数之之间间有有着着很很复复杂杂的的关关系系。反反过过来来，蒸蒸气气泡泡形形成成的的动动态态特特性性又又影影响响表表面面附附近近流流体体的的运运动，从而对换热系数有强烈的影响。动，从而对换热系数有强烈的影响。沸沸腾腾可可以以在在各各种种不不同同条条件件下下发发生生。例例如如，池池内内沸沸腾腾(或或称称大大容容器器沸沸腾腾)指指的的是是，液液体体总总体体是是静静止止的的，在在表表面面附附近近的的运运动动是是由由于于自自然然对对流流以以及及气气泡泡生生长长及及脱脱离离造造成成的的扰扰动动所所致致。与与此此不

3、不同同，在在强强迫迫对对流流沸沸腾腾时时，流流体体的的运运动动除除了了由由于于自自然然对对流流和和气气泡泡造造成成的的扰扰动动以以外外，还还由由于于外外力力所所致致。沸沸腾腾还还可可按按照照它它是是过过冷冷的的或或是是饱饱和和的的来来分分类类。在在过过冷冷(或或局局部部)沸沸腾腾时时，液液体体的的温温度度低低于于饱饱和和温温度度，因因而而固固体体表表面面上上形形成成的的气气泡泡最最后后还还是是要要在在液液体体中中凝凝结结。相相反反，饱饱和和沸沸腾腾时时，液液体体的的温温度度超超过过饱饱和和温温度度，固固体体表表面面上上形形成成的的气气泡泡会会在在浮浮升升力力的的推推动动下穿过液体，最后从自由表

4、面上逐出。下穿过液体，最后从自由表面上逐出。加加热热壁壁面面沉沉浸浸在在具具有有自自由由表表面面的的液液体体中中所所发发生生的的沸沸腾腾称称大大容容器器沸沸腾腾。此此时时产产生生的的气气泡泡能能自自由由浮浮升升，穿穿过过液液体体自由表面进入容器空间。自由表面进入容器空间。液液体体主主体体温温度度达达到到饱饱和和温温度度，壁壁温温高高于于饱饱和和温温度度所所发生的沸腾称为饱和沸腾。发生的沸腾称为饱和沸腾。在在饱饱和和沸沸腾腾时时，随随着着壁壁面面过过热热度度的的增增高高，会会出出现现4 4个个换换热热规规律律全全然然不不同同的的区区域域。水水在在1 1个个大大气气压压下下的的饱饱和和沸沸腾腾曲曲

5、线线(图图3-1)3-1)具具有有代代表表性性。图图中中横横坐坐标标为为壁壁面面过过热热度度 (对对数数坐坐标标)，纵坐标为热流密度，纵坐标为热流密度q q。这。这4 4个区域的换热特性如下：个区域的换热特性如下：壁壁面面过过热热度度小小时时(图图3 31 1中中tt4)4)，沸沸腾腾尚尚未未开开始，换热服从单相自然对流规律。始，换热服从单相自然对流规律。(1)大容器饱和沸腾及其沸腾曲线大容器饱和沸腾及其沸腾曲线从从起起始始沸沸腾腾点点开开始始，在在加加热热面面的的某某些些特特定定点点上上(称称汽汽化化核核心心)产产生生气气泡泡。开开始始阶阶段段，汽汽化化核核心心产产生生的的气气泡泡彼彼此此互

6、互不不干干扰扰，称称孤孤立立气气泡泡区区，随随着着t进进一一步步增增加加，汽汽化化核核心心增增加加，气气泡泡互互相相影影响响，并并会会合合成成气气块块及及气气柱柱。在在这这两两区区中中，气气泡泡的的扰扰动动剧剧烈烈，换换热热系系数数和和热热流流密密度度都都急急剧剧增增大大。由由于于汽汽化化核核心心对对换换热热起起苦苦决决定定性性影影响响，这这两两区区的的沸沸腾腾统统称称为为核核态态沸沸腾腾(或或称称泡泡状状沸沸腾腾)。核核态态沸沸腾腾有有温温差差小小、换换热热强强的的特特点点，所以一般工业应用都设计在这个范围。所以一般工业应用都设计在这个范围。从从峰峰值值点点进进一一步步提提高高，换换热热规规

7、律律出出现现异异乎乎寻寻常常的的变变化化。热热流流密密度度不不仅仅不不随随t的的升升高高而而提提高高，反反而而越越来来越越低低。这这是是因因为为气气泡泡汇汇聚聚覆覆盖盖在在加加热热面面上上，而而排排除除蒸蒸汽汽过过程程越越趋趋艰艰难难。这这种种情情况况持持续续到到到到达达最最低低热热流流密密度度qmin为为止止。这这段段沸沸腾腾称称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。为过渡沸腾，是很不稳定的过程。从从qmin起起换换热热规规律律再再次次发发生生转转折折。这这时时加加热热面面上上已已形形成成稳稳定定的的蒸蒸汽汽膜膜层层，产产生生的的蒸蒸汽汽有有规规则则地地脱脱离离膜膜层层，q随随t增增加加而而增增大大

8、。此此段段称称为为稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾。稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾在在物物理理上上与与膜膜状状凝凝结结有有共共同同点点，不不过过因因为为热热量量必必须须穿穿过过的的是是热热阻阻较较大大的的汽汽膜膜，而而不不是是液液膜膜，所所以以换换热热系系数数比比凝凝结结小小得得多多。稳稳定定膜膜态沸腾的照片示于图态沸腾的照片示于图3-2(4)。上上述述热热流流密密度度的的峰峰值值qmax有有重重大大意意义义，它它被被称称为为临临界界热热流流密密度度CHF(Critical Heat Flux)。对对于于依依靠靠控控制制热热流流密密度度来来改改变变工工况况的的加加热热设设备备，如如电电加加热热器器、对对冷冷

9、却却水水加加热热的的核核反反应应堆堆一一旦旦热热流流密密度度超超过过峰峰值值，工工况况将将沿沿qmax虚虚线线跳跳至至稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾线线，将将猛猛升升至至近近1000，可可能能导导致致设设备备的的烧烧毁毁，所所以以必必须须严严格格监监视视并并控控制制热热流流密密度度，确确保保在在安安全全工工作作范范围围之之内内。也也由由于于超超过过它它可可能能导导致致设设备备烧烧毁毁，所所以以qmax亦亦称称烧烧毁毁点点。在在烧烧毁毁点点附附近近(比比qmax的的热热流流密密度度略略小小)，有有个个在在图图31上上表表现现为为q上上升升缓缓慢慢的的核核态态沸沸腾腾的的转转折折点点DNB(Depart

10、ure from Nuclear Boiling，意意即即偏偏离离核核态态沸沸腾腾)点点，它它作作为为监监视视接接近近qmax的的警警戒戒，是是很很可可靠靠的的。对对于于蒸蒸发发冷冷凝凝器器等等壁壁温温可可控控的的设设备备，这这种种监监视视是是重重要要的的。因因为为一一旦旦q超超过过转转折折点点，就就可可能能导导致致膜膜态态沸沸腾腾，在在相相同同的的壁壁温温下下使使换热量大大减少。换热量大大减少。以以上上是是水水的的饱饱和和沸沸腾腾曲曲线线的的概概述述。不不同同上上质质、不不同同压力、沸腾参数不同的沸腾现象的演变和其规律是类似的。压力、沸腾参数不同的沸腾现象的演变和其规律是类似的。在核态沸腾区

11、，气泡的扰动对换热起支配作用。气在核态沸腾区，气泡的扰动对换热起支配作用。气泡产生在汽化核心处。对影响汽化核心的因素和汽化核心泡产生在汽化核心处。对影响汽化核心的因素和汽化核心数与壁面过热度的依变关系的分析，将有助于对核态沸腾数与壁面过热度的依变关系的分析，将有助于对核态沸腾现象及其换热规律的理解。现象及其换热规律的理解。目前普遍认为，壁面的凹穴、裂缝最可能成为汽化目前普遍认为，壁面的凹穴、裂缝最可能成为汽化核心。这些凹穴中残留的气体核心。这些凹穴中残留的气体(包括蒸汽包括蒸汽)，由于液体表面，由于液体表面张力的原因，很难彻底逐出，它们就成为孕育新生气泡的张力的原因，很难彻底逐出，它们就成为孕

12、育新生气泡的有利场所。下面我们对汽化核心的形成作一番分析。假设有利场所。下面我们对汽化核心的形成作一番分析。假设在流体中存在一个球形气泡如图在流体中存在一个球形气泡如图33所示，它与周围液所示，它与周围液体处于力平衡和热平衡。由于表面张力的作用，气泡内的体处于力平衡和热平衡。由于表面张力的作用，气泡内的压力压力pv必大于气泡外的压力必大于气泡外的压力pt。根据力平衡条件，气泡内外。根据力平衡条件，气泡内外压差应被作用于汽液界面上的表面张力所平衡，即压差应被作用于汽液界面上的表面张力所平衡，即(2)汽化核心的分析汽化核心的分析若若忽忽略略液液柱柱静静压压的的影影响响，则则pt可可认认为为近近似似

13、等等于于沸沸腾腾系系统统的的环环境境压压力力，即即 。而而热热平平衡衡则则要要求求气气泡泡内内蒸蒸汽汽的的湿湿度度为为pv压压力力下下的的饱饱和和温温度度tv。界界面面内内外外温温度度相相等等，即即 所所以以气气泡泡外外的的液液体体必必然然是是过过热热的的，过过热热度度为为 。贴贴壁壁处处液液体体具具有有最最大大过过热热度度 加加上上凹凹穴穴处处有有残残存存气气体体，壁壁面面凹凹缝缝处处最先能满足气泡生成的条件最先能满足气泡生成的条件故气泡都在壁面上产生。故气泡都在壁面上产生。综综上上可可知知，在在一一定定壁壁面面过过热热度度条条件件下下，壁壁面面上上只只有有满满足式足式(3-3)条件的那些地

14、点，才能成为工作的汽化核心。条件的那些地点，才能成为工作的汽化核心。随随着着壁壁面面过过热热度度的的提提高高，压压差差pv-ps值值越越来来越越高高。按按式式(3-3)，气气泡泡的的平平衡衡态态半半径径及及将将递递减减。因因此此，壁壁温温tw提提高高时时，壁壁面面上上越越来来越越小小的的存存气气凹凹穴穴处处将将成成为为工工作作的的汽汽化化核核心，从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。心，从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。关关于于加加热热表表面面上上汽汽化化核核心心的的形形成成及及关关于于气气泡泡在在液液体体中中的的长长大大与与运运动动规规律律的的研研究究，无无论论对对于于掌掌握握沸沸腾

15、腾换换热热的的基基本本机机理理以以及及开开发发强强化化沸沸腾腾换换热热的的表表面面都都具具有有十十分分重重要要的的意意义义。现现有有的的预预测测沸沸腾腾换换热热的的各各种种物物理理模模型型都都是是基基于于对对成成核核理理论论及及气气泡泡动动力力学学的的某某种种理理解解面面建建立立起起来来的的。正正是是20世世纪纪50年年代代末末关关于于汽汽化化核核心心首首先先是是在在表表而而上上一一些些微微小小凹凹坑坑上上形形成成的的这这一一基基本本观观点点的的确确立立，才才导导致致了了20世世纪纪70年年代代关关于于沸沸腾换热强化表面开发工作的开展。腾换热强化表面开发工作的开展。(a)(b)(c)图图3-2

16、 不同沸不同沸腾腾状状态态（金属（金属丝丝加加热热）(a)孤立气泡区孤立气泡区(核核态态沸沸腾腾)；(b)气气块块区区(核核态态沸沸腾腾)；(c)过过度沸度沸腾腾；(d)稳稳定膜定膜态态沸沸腾腾(d)在在大大容容器器沸沸腾腾中中，由由加加热热面面上上产产生生气气池池，气气池池受受浮浮力力作作用用上上浮浮，因因此此流流体体的的运运动动主主要要受受浮浮力力驱驱动动。面面强强迫迫对对流流沸沸腾腾(forced convection boiling)中中，流流体体流流动动则则是是液液体体的的直直接接运运动动和和浮浮力力共共同同作作用用的的结结果果。和和强强迫迫对对流流类类似似，强强迫迫对对流流沸沸腾腾

17、可可分分为为外外部部强强迫迫对对流流沸沸腾腾和和内内部部强强迫迫对对流流沸沸腾腾，后后者者一一般般被被称称为为两两相相流流(two-phase flow)，它它是是以以在在流流动动方向上由液体迅速变为蒸汽为特征的。方向上由液体迅速变为蒸汽为特征的。(3)强迫对流沸腾简介强迫对流沸腾简介1)外部强迫对流沸腾外部强迫对流沸腾 对一加热平板的外部流动，其热流密度可利用标淮对一加热平板的外部流动，其热流密度可利用标淮的强迫对流关系式一直估算到沸腾开始之时。随着加热板的强迫对流关系式一直估算到沸腾开始之时。随着加热板温度增加，核态沸腾出现，引起热流密度增加。若蒸汽产温度增加，核态沸腾出现，引起热流密度增

18、加。若蒸汽产生牢不大，而且液体过冷，生牢不大，而且液体过冷，Bergles和和Rohsenow建议用纯建议用纯强迫对流和他内沸腾的组合来估算总热流密度。强迫对流和他内沸腾的组合来估算总热流密度。2)管内沸腾管内沸腾(两相流两相流)管管内内强强迫迫对对流流沸沸腾腾时时，由由于于产产生生的的蒸蒸汽汽混混入入液液流流，出出现现多多种种不不同同形形式式的的两两相相流流结结构构。图图3-4显显示示了了竖竖管管内内沸沸腾腾可可能能出出现现的的流流动动类类型型及及换换热热类类型型。流流入入管管内内的的未未饱饱和和液液体体被被管管壁壁加加热热，到到达达一一定定地地点点时时壁壁面面上上开开始始产产生生气气泡泡。

19、此此时时液液体体主主流流处处于于过过冷冷状状态态，这这时时的的沸沸腾腾为为过过冷冷沸沸腾腾。继继续续加加热热而而使使液液流流达达到到饱饱和和温温度度时时，即即进进人人饱饱和和核核态态沸沸腾腾区区。饱饱和和核核态态沸沸腾腾区区经经历历着着泡泡状状流流和和块块状状流流。含含汽汽量量增增长长到到一一定定程程度度，大大汽汽块块进进一一步步合合并并，在在管管中中心心形形成成汽汽芯芯，把把液液体体排排挤挤到到壁壁面面，呈呈环环状状液液膜膜，称称为为环环状状流流。此此时时换换热热进进人人液液膜膜对对流流沸沸腾腾区区。环环状状液液膜膜受受热热蒸蒸发发，逐逐渐渐减减薄薄，最最终终液液膜膜消消失失，湿湿蒸蒸汽汽直

20、直接接与与壁壁面面接接触触。液液膜膜消消失失称称为为蒸蒸干干。此此时时，由由于于换换热热恶恶化化，会会使使壁壁温温猛猛升升，造造成成对对安安全全的的威威胁胁。对对湿湿蒸蒸汽汽流流的的继继续续加加热热，使使工工质质最最后后进进入入干干蒸蒸汽汽单单相相换换热区。热区。横横管管内内沸沸腾腾时时，重重力力场场对对两两相相结结构构有有影影响响而而出出现现新新的的特特点点，所所以以管管的的位位置置是是影影响响管管内内沸沸腾腾的的因因素素之之一一。在在管管内内沸沸腾腾中中，最最主主要要的的影影响响参参数数是是含含汽汽量量(即即蒸蒸汽汽干干度度)、质质量流量和压力。量流量和压力。3.1.2沸腾换热计算式沸腾换

21、热计算式(1)大容器饱和核态沸腾大容器饱和核态沸腾前前面面的的分分析析表表明明，影影响响核核态态沸沸腾腾的的因因素素主主要要是是壁壁画画过过热热度度和和汽汽化化核核心心数数，而而汽汽化化核核心心数数又又受受到到壁壁面面材材料料及及其其表表面面状状况况、压压力力和和物物性性的的影影响响。由由于于因因素素比比较较复复杂杂，如如壁壁面面的的表表面面状状况况受受表表面面污污染染、氢氢化化等等影影响响而而有有不不同同，文文献献中中提提出出的的计计算算式式分分歧歧较较大大。在在此此仅仅介介绍绍两两种种类类型型的的计计算算式式；一一种种是是针针对对某某一一种种液液体体的的；另另一一种种是是广广泛泛适适用用于

22、于各各种种液液体体的的。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。对对于于水水，米米海海耶耶夫夫推推荐荐的的在在105 4x106Pa压压力力下下大大容容器饱和沸腾的计算式为器饱和沸腾的计算式为按按q=ht的关系，上式亦可转化为的关系，上式亦可转化为基基于于核核态态沸沸腾腾换换热热主主要要是是气气泡泡高高度度扰扰动动的的强强制制对对流流换换热的设想，文献热的设想，文献9,10推荐以下适用性广的实验关联式：推荐以下适用性广的实验关联式：水在不同压力下沸腾的实验数据与式水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图的比较见图3-5。式式(3-6)还可以改写成

23、为以下便于计算的形式：还可以改写成为以下便于计算的形式：应应用用汽汽膜膜的的泰泰勒勒不不稳稳定定性性原原理理导导得得的的大大容容器器沸沸腾腾的的临临界界热流密度的半经验公式可推荐作计算之用，该式为热流密度的半经验公式可推荐作计算之用，该式为(2)大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度(3)大容器膜态沸腾大容器膜态沸腾膜膜态态沸沸腾腾中中，汽汽膜膜的的流流动动和和换换热热在在许许多多方方面面类类似似于于膜膜状状凝凝结结中中液液膜膜的的流流动动和和换换热热，适适宜宜用用简简化化的的边边界界层层作作分分析析。文文献献13中中，对对汽汽膜膜进进行行分分析析所所得得到到的的结结果果与与膜膜状状

24、凝凝结结的的分分析析解解十十分分相相似似。对对于于横横管管的的膜膜态态沸沸腾腾，仅仅需需将将凝凝结结式式中中的的和和改改为为蒸蒸汽汽的的物物性性，用用 代代替替 ，并并用用实实验验系系数数0.62代替凝结式中的代替凝结式中的0.729，即，即由由于于汽汽膜膜热热阻阻较较大大，而而壁壁温温在在膜膜态态沸沸腾腾时时很很高高，壁壁面面的的净净换换热热量量除除了了按按沸沸腾腾计计算算的的以以外外，还还有有辐辐射射换换热热。辐辐射射换换热热的的作作用用会会增增加加汽汽膜膜的的厚厚度度，因因此此不不能能认认为为此此时时的的总总换换热热量量是是按按对对流流换换热热与与辐辐射射换换热热方方式式各各自自计计算算

25、所所得得之之值值的的简简单单叠叠加加。勃勃洛洛姆姆来来建建议议采采用用以以下下超超越越方方程程来来计计算算考考虑虑对对流流换换热与辐射换热相互影响在内的复合换热的表面传热系数：热与辐射换热相互影响在内的复合换热的表面传热系数：式式中中，hc、hr分分别别为为按按对对流流换换热热及及辐辐射射换换热热计计算算所所得得的的表面传热系数，其中表面传热系数，其中hc按式按式(3-10)计算，而计算，而hr则按下式确定：则按下式确定：制冷剂的沸腾放热是一个很复杂的过程，目前尚未制冷剂的沸腾放热是一个很复杂的过程，目前尚未有统一的、适用范围广泛的公式予以描述，只能采用某些有统一的、适用范围广泛的公式予以描述

26、，只能采用某些在特定条件下得出的经验公式进行计算。在特定条件下得出的经验公式进行计算。对于光管管束上的沸腾，其放热公式可按如下公式对于光管管束上的沸腾，其放热公式可按如下公式近似计算：近似计算：当热流密度当热流密度q2100 w/m2时，时，(4)制冷剂水平管束外大空间的沸腾放热制冷剂水平管束外大空间的沸腾放热当当热热流密度流密度q2100 w/m2时时，实验还得出以下结论：实验还得出以下结论：1)肋管上的沸腾放热大于光管，由于加肋以后，在肋管上的沸腾放热大于光管，由于加肋以后，在t和和q相同的条件下，气泡生成与增长的条件，肋管较光管有利。相同的条件下，气泡生成与增长的条件，肋管较光管有利。2

27、)管束上的沸腾放热大于单管。由于下排管子表面上产管束上的沸腾放热大于单管。由于下排管子表面上产生的气泡向上浮升时引起液体附加扰动，附加扰动的影响生的气泡向上浮升时引起液体附加扰动，附加扰动的影响程度依赖于蒸发压力程度依赖于蒸发压力p、热流密度、热流密度q和管排间距等。面且肋和管排间距等。面且肋管管束的管管束的h大干光管管束，有的资料介绍，在相同的湿度下，大干光管管束，有的资料介绍，在相同的湿度下，R-12肋管管束的沸腾放热系数比光管管束大肋管管束的沸腾放热系数比光管管束大70，R-22大大90。3)物性对沸腾放热系数有影响，物性对沸腾放热系数有影响，R-22的沸腾放热系数比的沸腾放热系数比R-

28、12大大20。4)制冷剂中含油对沸腾放热系数制冷剂中含油对沸腾放热系数h的影响与含油浓度有的影响与含油浓度有关，当含油浓度关，当含油浓度6时可不考虑这项影响，含油量再增加时可不考虑这项影响，含油量再增加可使降低。可使降低。对对 于于 氟氟 利利 昂昂 错错 排排 正正 三三 角角 形形 排排 列列 的的 肋肋 管管 管管 束束，当当2000w/m2q6000 w/m2，纵向管排数，纵向管排数Z10时，可按下式计算：时，可按下式计算：如如果果不不按按热热流流密密度度q的的大大小小分分区区，也也可可按按下下式式计计算算多多排排管管束上的平均沸腾放热系数：束上的平均沸腾放热系数：(5)制冷剂的管内沸

29、腾制冷剂的管内沸腾制制冷冷剂剂在在管管内内沸沸腾腾时时出出现现复复杂杂的的气气-液液两两相相流流动动，随随着着沿沿途途不不断断地地受受热热，含含气气量量、流流速速和和流流动动结结构构都都在在不不断断变变化化，而而流流速速与与流流动动结结构构又又影影响响气气泡泡的的产产生生、成成长长和和脱脱离离。管管内内的的沸沸腾腾放放热热系系数数除除了了与与液液体体的的物物性性、热热流流密密度度q，沸沸腾腾压压力力p0等等有有关关，还还与与管管内内流流体体的的流流速速、管管径径、管管长长以以及及管管子子的的放放置置位位置置、流流体体流流向向等等因因素素有关。流动方向自下而上，气泡容易脱离壁面，放热系数也较大。

30、有关。流动方向自下而上，气泡容易脱离壁面，放热系数也较大。对于立管内的沸腾放热，其平均放热系数可按下式计算：对于立管内的沸腾放热，其平均放热系数可按下式计算：氟氟利利昂昂在在水水平平管管内内的的沸沸腾腾放放热热系系数数，当当进进口口处处液液体体流流速速v00.050.5m/s，蒸蒸汽汽干干度度：入入口口x10.040.25，出出口口x20.91.0时，可按下式进行计算：时，可按下式进行计算：q4000 w/m2时时q 0.625kw/m2，vm=50 60kg/(m2s)时时 沸沸腾腾换换热热是是我我们们所所讨讨论论过过的的换换热热现现象象中中影影响响因因素素最最多多、最最复复杂杂的的换换热热

31、过过程程，实实验验关关联联式式与与实实验验点点之之间间的的离离散散度度、不不同同实实验验关关联联式式之之间间的的偏偏差差也也相相当当大大。本本节节中中仅仅就就影影响响大大容容器器沸沸腾腾换换热热的的主主要要因因素素展展开开讨讨论论，着着重重介介绍绍如如何何从从表表面面结结构构对对沸沸腾腾换换热热影影响响的的角角度来设计强化沸腾换热的表面。度来设计强化沸腾换热的表面。3.1.3 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素 (1)不凝结气体不凝结气体 与与膜膜状状凝凝结结不不同同，溶溶解解于于液液体体中中的的石石凝凝结结气气体体会会使使沸沸腾腾换换热热得得到到某某种种强强化化。这这是是因因为为，随随着着

32、工工作作液液体体温温度度的的升升高高，不不凝凝结结气气体体会会从从液液体体中中逸逸出出，使使壁壁面面附附近近的的微微小小凹凹坑坑得得以以活活化化，成成为为气气泡泡的的胚胚芽芽，从从而而使使qt沸沸腾腾曲曲线线向向着着业业减减小小的的方方向向移移动动，即即在在相相同同的的t下下产产生生更更高高的的热热流流密密度度，强强化化了了换换热热。但但对对处处于于稳稳定定运运行行下下的的沸沸腾腾换换热热设设备备来来说说，除除非非不不断断地地向向工工作作液液体体注注入入不不凝凝结结气气体，否则它们一经逸出，也就起不到强化作用了。体，否则它们一经逸出，也就起不到强化作用了。如如果果在在大大容容器器沸沸腾腾中中流

33、流体体主主要要部部分分的的温温度度低低子子相相应应压压力力下下的的饱饱和和温温度度，则则这这种种沸沸腾腾称称为为过过冷冷沸沸腾腾。对对于于大大容容器器沸沸腾腾，除除了了在在核核态态沸沸腾腾起起始始点点附附近近区区域域外外，过过冷冷度度对对沸沸腾腾换换热热的的强强度度并并无无影影响响。在在核核态态沸沸腾腾起起始始段段，自自然然对对流流还还占占相相当当大大的的比比例例，而而自自然然对流时对流时ht 1/4，即，即t 过冷会使该区域的换热有所增强。过冷会使该区域的换热有所增强。(2)过冷度过冷度(3)液位高度液位高度 在在大大容容器器沸沸腾腾中中，当当传传热热表表面面上上的的液液位位足足够够高高时时

34、，沸沸腾腾换换热热表表面面传传热热系系数数与与液液位位高高度度无无关关，本本章章以以前前介介绍绍的的计计算算式式都都属属于于这这种种形形式式。但但当当液液位位降降低低到到一一定定值值时时，沸沸腾腾换换热热的的表表面面传传热热系系数数会会明明显显地地随随液液位位的的降降低低而而升升高高。这这一一特特定定的的液液位位值值称称为为临临界界液液位位。对对于于常常压压下下的的水水，其其值值约约为为5mm。低低液液位位沸沸腾腾在在热热管管及及电电子子器器件件冷冷却却中中有有重重要要的的应应用用。图图3-6中中给给出出了了文文献献18中中的的三三条条实实验验曲线，实验介质为一个大气压下的水。曲线，实验介质为

35、一个大气压下的水。随随着着航航空空航航天天技技术术的的发发展展，超超重重力力及及微微重重力力情情况况下下的的传传热热规规律律的的研研究究近近几几十十年年中中得得到到很很大大发发展展。关关于于重重力力场场对对沸沸腾腾换换热热的的影影响响，现现有有的的研研究究成成果果表表明明，在在很很大大的的变变化化范范围围内内重重力力加加速速度度几几乎乎对对核核态态沸沸腾腾的的换换热热规规律律没没有有影影响响(从从重重力力加加速速度度为为0.10m/s2一一直直到到9.8 m/s2)。但但重重力力加加速速度度对对液液体体自自然然对对流流则则有有显显著著的的影影响响(自自然然对对流流随随加加速速度度的的增增加加而

36、而强强化化)。在在举举重重力力场场(或或接接近近于于举举重重力力场场)的情况厂，沸腾换热的规律还研究得不够。的情况厂，沸腾换热的规律还研究得不够。(4)重力加速度重力加速度(5)沸腾表面的结构沸腾表面的结构前前已已指指出出，沸沸腾腾表表面面上上的的微微小小凹凹坑坑最最容容易易广广生生汽汽化化核核心心，现现已已经经开开发发出出两两类类增增加加表表面面凹凹坑坑的的方方法法：用用烧烧结结、钎钎焊焊、火火焰焰喷喷涂涂、电电离离沉沉积积等等物物理理与与化化学学的的方方法法在在换换热热表表面面上上造造成成一一层层多多孔孔结结构构；采采用用机机械械加加工工方方法法人人换换热热管管表表面面上上造造成成多多孔孔

37、结结构构，图图3-7中中示示出出了了几几种种典典型型的的结结构构。这这种种强强化化表表面面的的换换热热强强度度与与光光滑滑管管相相比比，常常常要高一个数量级，已经在制冷、化工等部门得到广泛应用。常要高一个数量级，已经在制冷、化工等部门得到广泛应用。图图3-7沸沸腾换热腾换热强强化瞥表面化瞥表面结结构示意构示意(a)整体肋；整体肋；(6)GEWA-T管；管；(c)内内扩扩槽槽结结构管；构管；(d)W-TX管管(1)；(e)W-TX管管(2)；(f)；多孔管；多孔管(g)弯肋；弯肋；(h)日立日立E管；管；(i)Tu-B管管 蒸蒸汽汽与与低低于于其其饱饱和和温温度度的的壁壁面面接接触触时时有有两两

38、种种不不同同的的凝凝结结形形式式。如如果果凝凝结结液液体体能能很很好好地地润润湿湿壁壁面面，它它就就在在壁壁面面上上铺铺展展成成膜膜。这这种种凝凝结结形形式式称称为为膜膜状状凝凝结结。膜膜状状凝凝结结时时，壁壁面面总总是是被被一一层层液液膜膜覆覆盖盖着着，凝凝结结放放出出的的相相变变热热(潜潜热热)必必须须穿穿过过液液膜膜才才能能传传到到冷冷却却壁壁面面上上去去。这这时时，液液膜膜层层就就成成为为换换热热的的主主要要热热阻阻。当当凝凝结结液液体体不不能能很很好好地地润润湿湿壁壁面面时时，凝凝结结液液体体在在壁壁面面上上形形成成一一个个个个小小液液珠珠，称称为为珠珠状状凝凝结结。图图3-8示示出

39、出了了在在不不同同的的润润湿湿能能力力下下汽汽液液分分界界面面对对壁壁面面形形成边角的形状。小则液体润湿能力强。成边角的形状。小则液体润湿能力强。3.2 凝结换热凝结换热3.2.1 凝结换热现象及分析凝结换热现象及分析图图3-9为为膜膜状状凝凝结结与与珠珠状状凝凝结结的的示示意意图图。产产生生珠珠状状凝凝结结时时，形形成成的的液液珠珠不不断断长长大大，在在非非水水平平的的壁壁面面上上，因因受受重重力力作作用用，液液珠珠长长大大到到一一定定尺尺寸寸后后就就沿沿壁壁面面滚滚下下。在在滚滚下下的的过过程程中中，一一方方面面会会合合相相遇遇的的液液珠珠，合合并并成成更更大大的的液液滴滴，另另一一方方面

40、面也也扫扫清清了了沿沿途途的的液液珠珠，使使壁壁面面重重复复液液珠珠的的形形成成和和成成长长过过程程。图图3-10是是珠珠状状凝凝结结的的照照片片，从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。实实验验查查明明，几几乎乎所所有有的的常常用用蒸蒸汽汽，包包括括水水蒸蒸气气在在内内，在在纯纯净净的的条条件件下下均均能能在在常常用用工工程程材材料料的的洁洁净净表表明明上上得得到到膜膜状状凝凝结结。这这种种情情况况与与我我们们清清洗洗实实验验器器皿皿的的日日常常经经验验相相符符：器器皿皿表表明明上上能能形形成成一一层层液液膜膜被被认认为

41、为是是洗洗净净的的标标志志，虽虽然然其其表表明明传传热热系系数数要要比比其其它它条条件件相相同同的的膜膜装装凝凝结结大大几几倍倍甚甚至至一一个个数数量量级级，但但难难以以长长久久保保持持。近近几几十十年年珠珠状状凝凝结结的的研研究究工工作作取取得得不不少少进进展展。特特别别值值得得一一提提的的是是，我我国国学学者者不不用用在在蒸蒸汽汽中中加加油油类类的的传传统统方方法法，另另辟辟蹊蹊径径，对对紫紫铜铜管管进进行行表表明明改改性性技技术术处处理理后后，能能在在实实验验室室条条件件下下连连续续运运行行3800小小时时，而而一一直直保保持持很很好好的的珠珠状状凝凝结结取取得得了了可可喜喜的的成成果果

42、。然然而而，要要在在工工业业冷冷凝凝器器中中实实现现珠珠状状凝凝结结，尚尚有有待待做做更更多多的的工工作作。鉴鉴于于实实际际工工业业应应用用上上一一般般只只能能实实现现膜膜状状凝凝结结，所所以以从从设设计计的的观观点点出出发发，为为保保证证凝凝结结效效果果，只只能能用用膜膜状状凝凝结结的的计计算算式式作作为为设设计计的的依依据据。以以下下的的讨讨论论亦限于膜状凝结的分析和计算。亦限于膜状凝结的分析和计算。1916年年，努努谢谢尔尔特特首首先先提提出出了了竖竖壁壁上上纯纯净净蒸蒸汽汽层层流流膜膜状状凝凝结结的的分分析析解解。努努谢谢尔尔特特作作了了若若干干合合理理的的简简化化假假定定以以忽忽略略

43、次次要要因因素素。除除在在标标题题中中已已明明确确的的纯纯净净蒸蒸汽汽层层流流液液膜膜的的假假定定外外，还还有有：(1)常常物物性性；(2)蒸蒸汽汽是是静静止止的的，汽汽液液界界面面上上无无对对液液膜膜的的粘粘滞滞应应力力；(3)液液膜膜的的惯惯性性力力可可以以忽忽略略；(4)汽汽液液界界面面上上无无温温差差，界界面面上上液液膜膜温温度度等等于于饱饱和和温温度度；(5)膜膜内内温温度度分分布布是是线线性性的的，即即认认为为液液膜膜内内的的热热量量转转移移只只有有导导热热，而而无无对对流流作作用用；(6)液液膜膜的的过过冷冷度度可可以以忽忽略略；(7)，相相对对于于可可忽忽略略不不计计；(8)液

44、膜表面平整无波动。液膜表面平整无波动。3.2.2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式(1)纯净蒸汽层流膜状凝结分析解纯净蒸汽层流膜状凝结分析解在在做做出出上上述述假假定定后后以以一一小小段段液液膜膜为为微微元元体体、列列出出质质量量、动动量量，能能量量三三个个平平衡衡关关系系式式导导出出微微分分方方程程并并求求解解。把把坐坐标标f取为重力方向，见图取为重力方向，见图3-11。在稳态情况下，解得：。在稳态情况下，解得：局部表面局部表面传热传热系数系数因而整个因而整个竖竖壁的平均表面壁的平均表面传热传热系数系数为为努努谢谢尔尔持持的的理理论论分分析析可可推推广广到到水水平平圆圆管

45、管及及球球表表面面上上的的层层流膜状凝流膜状凝结结，平均表面，平均表面传热传热系数的系数的计计算式算式为为横横管管和和竖竖壁壁的的平平均均表表面面传传热热系系数数的的计计算算式式有有二二点点不不同同：特特征征长长度度横横管管用用d，而而竖竖壁壁用用l，两两式式系系数数不不同同。在在其其他他条条件件相相同同时时，横横管管平平均均表表面面传传热热系系数数hH与与竖竖壁壁平平均均表表面面传传热热系数系数hV的比值为的比值为在在l/d=50时时，横横管管的的平平均均表表面面传传热热系系数数是是竖竖管管的的2倍倍，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案。所以冷凝器通常都采用横管的布置方案。膜膜层层中中凝凝结

46、结液液的的流流态态也也有有层层流流与与湍湍流流之之分分。为为了了判判别别流流态态，需需要要采采用用膜膜层层雷雷诺诺数数(Re)。所所谓谓膜膜层层雷雷诺诺数数是是根根据据液液膜膜的的特特点点取取当当量量直直径径为为特特征征长长度度的的雷雷诺诺数数。以以竖竖壁壁为为例例，在离开液膜起始处为在离开液膜起始处为xl处的膜层雷诺数为处的膜层雷诺数为对对于于Re1600的的湍湍流流液液膜膜，热热量量的的传传递递除除了了靠靠近近壁壁面面的的极极薄薄的的层层流流底底层层仍仍依依靠靠导导热热方方式式外外，其其它它区区域域以以湍湍流流传传递递为为主主，换换热热比比层层流流时时大大为为增增强强。图图3-13上上的的

47、实实验验数数据据亦亦表表明明了了这这一一点点。对对于于底底部部已已达达到到湍湍流流状状态态的的竖竖壁壁凝凝结结换换热热，其沿整个壁面的平均表面传热系数可按下式计算：其沿整个壁面的平均表面传热系数可按下式计算：(2)湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热文文献献36中中按按上上述述原原则则整整理理的的以以下下实实验验关关联联式式，可可供供计计算整个壁面的平均表面传热系数之用：算整个壁面的平均表面传热系数之用：上上面面我我们们介介绍绍了了在在一一些些比比较较理理想想的的条条件件下下饱饱和和蒸蒸汽汽膜膜状状凝凝结结换换热热的的计计算算式式。工工程程实实际际中中所所发发生生的的膜膜状状凝凝结结过过程程往往往

48、往更更为为复复杂杂，例例如如蒸蒸汽汽中中可可能能有有不不凝凝结结的的成成分分，在在竖竖直直方方向向上上水水平平管管可可能能是是叠叠层层布布置置的的，等等等等。本本节节就就讨讨论论这这些些因因素素对对膜膜状状凝凝结结换换热热有有什什么么影影响响：先先从从比比较较简简单单的的典典型型情情况况入入手手，设设法法获获得得这这种种情情况况下下的的关关联联式，然后再远一考虑其他因素，引入一些修正。式，然后再远一考虑其他因素，引入一些修正。(3)影响膜状凝结的因素影响膜状凝结的因素1)不凝结气体不凝结气体蒸蒸汽汽中中含含有有不不凝凝气气体体，即即使使含含量量极极微微，也也会会对对凝凝结结换换热热产产生生十十

49、分分有有害害的的影影响响。例例如如，水水蒸蒸气气中中质质量量含含量量占占1的的空空气气能能使使表表面面传传热热系系数数降降低低60，后后果果是是很很严严重重的的。对对此此现现象象可可作作如如下下分分析析。在在靠靠近近液液膜膜表表面面的的蒸蒸汽汽侧侧，随随着着蒸蒸汽汽的的凝凝结结，蒸蒸汽汽分分压压力力减减小小而而不不凝凝结结气气体体的的分分压压力力增增大大。蒸蒸汽汽在在抵抵达达液液膜膜表表面面进进行行凝凝结结前前，必必须须以以扩扩散散方方式式穿穿过过聚聚积积在在界界面面附附近近的的不不凝凝结结气气体体层层。因因此此，不不凝凝结结气气体体层层的的存存在在增增加加了了传传递递过过程程的的阻阻力力。同

50、同时时蒸蒸汽汽分分压压力力的的下下降降，使使相相应应的的饱饱和和温温度度下下降降，减减小小了了凝凝结结的的驱动力，也使凝结过程削弱。驱动力，也使凝结过程削弱。努努谢谢尔尔特特的的理理沦沦分分析析忽忽略略了了蒸蒸汽汽流流速速的的影影响响，因因此此只只适适用用于于流流速速较较低低的的场场合合，如如电电站站冷冷凝凝器器等等。蒸蒸汽汽流流速速高高时时(对对于于水水蒸蒸气气，流流速速大大于于10m/s时时)、蒸蒸汽汽流流对对液液膜膜表表面面会会产产生生明明显显的的的的粘粘滞滞应应力力、其其影影响响又又随随蒸蒸汽汽流流向向与与重重力力场场同同向向或或异异向向、流流速速大大小小以以及及是是否否撕撕破破液液膜