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第四节  冷凝给热与沸腾给热
§4.4.1、蒸汽冷凝给热
一．冷凝给热过程的热阻
当饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时, 蒸汽凝结为液体,放出汽化潜热。在饱和蒸汽冷凝过程中，汽液两相共存。对于纯物质蒸汽的冷凝，系统的自由度等于1，若p一定，则f=0，T也就一定了。因此，恒压下只能有一个汽相温度。也即，在冷凝给热时汽相不可能存在温度梯度。由于ΔT汽相内∞,因此在汽相内不存在任何热阻。
在冷凝给热过程中，蒸汽凝结面产生的冷凝液形成液膜并覆盖在壁面上。因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液表面上发生，冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。可见，冷凝给热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝给热过程的一个主要特点。
二．蒸汽冷凝方式
蒸汽冷凝方式
膜状冷凝
滴状冷凝
膜状冷凝：当冷凝液能润湿壁面时，则在壁面上形成一层完整的液膜。垂直平壁面和水平圆管外液膜的流动情况如图所示：

滴状冷凝：当冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。如图所示。
滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜将蒸汽分开，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。实验结果表明，滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数大5～10倍。
但是，到目前为止，在工业冷凝器中即使采用了促进滴状冷凝的措施，也不能持久。所以，工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。
§4．4．2  冷凝给热系数
一．液膜流动与局部给热系数
液膜沿垂直壁面的流动情况在前面已经提到。液膜厚度沿壁高的变化必然导致热阻及给热系数沿高度有一个不均匀的分布。

在壁上部液膜呈层流，膜厚增加，α减小。
如壁的高度足够高，冷凝液量较大，则壁下部液膜发生湍流流动，此时局部给热系数反而有所提高。
工程上，一般只需知道整个壁面的平均给热系数。
因此，以下讨论均指全壁平均给热系数而言。
二．层流时的平均冷凝给热系数

现取一高度为L、宽度为B的垂直平壁（壁面温度保持在），如左图所示。蒸汽在壁面上冷凝（蒸汽温度为，所生成的液膜以层流状态沿壁流下。
先作四点假设：
i）冷凝液的物性为常数，其值取平均液膜温度下的数据。
ii）蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热。
iii）蒸汽静止不动，对液膜无摩擦力。
iv）层流液膜中只有单纯的热传导。
 由iii）可知，液膜在粘性力和重力作用下作等速运动。根据流体力学可推导出单位宽度壁面的冷凝液量与液膜厚度的关系为：
     （1）
         式中：W——单位宽度上液体的质量流量，kg/s.m
                 δ——与W对应的液膜厚度，m
μ，ρ——凝液的粘度与密度
   由假设iv），可认为壁面的平均给热系数α与液膜的导热系数λ成正比，与壁面下方最大液膜厚度成反比，即
                              （2）
当时，单位宽度壁面的总凝液量，由热量衡算求得。
设整个壁面的热流量为Q，则
               （3）
r ——汽化热，J/kg，取下的数值。
将（1）式代入（3），并消去可得：

上面的推导没有考虑冷凝液膜的流动对给热过程的促进作用，因此必须用实验检验并加以修正。
实验结果证实了α关系式的正确性，并同时测出系数，即
                （4）
在垂直壁底部，冷凝液膜流动的雷诺数为：
              ，
由（3）式，，代入（4）式
            ，（）
化简整理得：

               ——无因次冷凝给热系数
在此层流，当（因为液膜厚度增加，热阻增加）
三．湍流时的冷凝给热系数
湍流时，，（4）式不再适用。在此情况下采用无因次数群关联液膜湍流后整个垂直壁的平均给热系数的实验数据，得到如下的经验式：

          定性温度：。
四．水平圆管外的冷凝给热系数
1）倾斜壁（与水平方向夹角为）
重力方向与液膜流动方向不一致，要将（4）式中重力加速度g以液流方向上的分加速度代替。即

2）水平圆管外
水平圆管外表面，可以看成是由不同角度的倾斜壁组成的，利用数值积分的方法可求得水平圆管外表面的平均给热系数

式中 ， 为圆管外径。系数是根据实验结果修正而得到的。

对于L=1.5m，=20mm的圆管，水平放置的。例4-14
五．水平管束外的冷凝给热系数
工业用冷凝器大多数是由水平管束组成，管束中管子的排列通常有直排和错排两种，如图p234图6-24所示。无论哪一种排列，第一排管子的冷凝情况与单根水平管相同，其他各排管子的冷凝受到其上各排管流下的冷凝液的影响。
水平管束的平均给热系数的经验式为：

式中n为管束在垂直方向的管排数。与水平单管的公式计算，式中的d改为nd即可。
§4．4．3  影响冷凝给热的因素及强化措施
一．不凝性气体的影响
以上讨论仅限于纯蒸汽的冷凝。实际上，工业用蒸汽不可能绝对纯，其中总会有微量的不凝性气体。
冷凝器连续工作过程中，蒸汽不断地冷凝，不凝性气体将不断地在冷凝空间积聚。不凝性气体的积聚，使冷凝给热系数较大幅度地降低。这是因为在汽液界面上，可凝性蒸汽不断凝结，不凝性气体则被阻留[故越接近界面不凝性气体的分压越高。这样，蒸汽抵达液膜表面进行冷凝之前，必须以扩散方式穿过不凝性气体富集的气体层。扩散过程的阻力引起蒸汽分压及相应的饱和温度下降，使液膜温度低于蒸汽主体的温度。]形成一层不凝性气体层，这相当于附加一额外热阻，使蒸汽冷凝给热系数大为降低。由此，蒸汽冷凝器中必须设有不凝性气体排放口，定期排放，以减少不凝性气体的不良影响。
二．蒸汽过热的影响
过热蒸汽与固体壁面的给热过程，视壁温的高低有着不同的机理。
当，壁面上无冷凝现象发生，此时的给热过程与普遍的对流给热完全相同。
当，壁面上有冷凝现象发生，对于过热蒸汽，冷凝过程是由蒸汽冷却和冷凝两个串联步骤组成的。
此时，在过热蒸汽和液膜间存在着一个中间层，通过这个中间层，蒸汽温度降至饱和温度。
但对液膜而言，传热推动力仍是，并不因中间层的存在而改变。因此可把过热蒸汽当作饱和蒸汽来处理。
如有必要，可将过热部分的热量和汽化潜热一并考虑，即将
                ——过热蒸汽的温度 ，
——过热蒸汽的比热
代替原式中的r 。
三．蒸汽流速和流向的影响

当蒸汽流速较大时，前面的假设iii）就不再成立，液膜的流动将会受蒸汽流速的影响。
两向相同时，蒸汽将加速冷凝液的流动，使膜厚减小，结果α增大。反之，膜厚增厚，α减小。但当蒸汽流速大到能够冲散液膜使部分壁面直接暴露于蒸汽中，α增大。
通常，蒸汽入口设在换热器的上部，以避免蒸汽和冷凝液逆向流动。
四．冷凝给热过程的强化
冷凝给热过程的热阻集中于液膜，因此，设法减小液膜厚度是强化冷凝给热的有效措施。
对于垂直壁面，① 可在其上方开若干纵向沟槽使冷凝液沿沟槽流下，可减薄其余壁面上的液膜厚度，使。
② 除开沟槽外，可沿垂直壁装若干条金属丝的措施使，且更为显著。这是因为冷凝液在表面强力的作用下，向金属丝附近集中并沿丝流下，从而使金属丝之间壁面上液膜大为减薄，给热系数成倍增加。
此外，采取适当措施，从冷凝变为滴状冷凝，从而提高。
§4．4．4  液体沸腾给热
液体沸腾：在液体的对流传热过程中，伴有液相变为汽相，在液相内部产生汽泡成气膜的过程。
一．液体沸腾分类：
⒈ 按设备的尺寸和形状分：
1）大容积沸腾——将加热壁面沉浸在无强制对流的液体中所发生的沸腾现象。从加热面产生的汽泡长大到一定尺寸后，脱离表面，自由上浮。

大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的自然对流，另一方面又因气泡运动所导致的液体运动。
2）管内沸腾——液体在一定压差作用下，以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象。管内沸腾时，管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。
⒉ 按液体主体温度是否达到相应压力下的饱和温度来分：
1）过冷沸腾：若加热表面上有汽泡产生，但。
此时加热面上产生的汽泡在脱离壁面后在液流主体中重新凝结，热量的传递就是通过这种汽化——冷凝过程实现的过冷沸腾的机理十分复杂，至今尚未弄清。
2）饱和沸腾：当，则离开加热壁面的汽泡不会重新凝结，这种沸腾称为饱和沸腾。
本节只讨论大容积饱和沸腾。
二．汽泡的生成
沸腾给热的主要特征是液体内部产生汽泡，汽泡存在的条件：。实际上，在该饱和温度下，小汽泡还是不可能生成的。而由物化的知识知，汽泡生成的必要条件——液体过热。这是因为首先生成的微小汽泡使液体呈现凹面，而液体在凹面上的饱和蒸汽压小于同温度下平面上的饱和蒸汽压。凹面的曲率越大，产生的饱和蒸汽压越小。因此，为弥补由于凹面而引起的蒸汽压降低，使小汽泡得以生成，液体的温度必须高于相应的饱和温度，即液体过热。
三．大容积饱和沸腾曲线
实验现象表明，任何液体的大容积饱和沸腾随温度的变化，都会出现表面汽化，核状沸腾和膜状沸腾三种不同类型的沸腾状态。现以大气压下饱和水在铂电热丝表面上的沸腾为例作具体说明。

⒈ 表面汽化：，缓慢增加。此时紧贴加热表面的液体过热度很小，没有汽泡产生，加热表面与液体之间的给热是靠自然对流进行的。在此阶段，汽化现象只在液面上发生。
⒉ 核状沸腾：当，加热面上有汽泡产生，急剧上升。这是由于汽泡的产生和脱离对加热面附近液体的扰动越来越剧烈的缘故。
⒊ 膜状沸腾：当增大到某一定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热面。随着的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小于液体的，所以给热系数反而下降。此阶段为不稳定膜状沸腾。当，加热表面上形成一层稳定的气膜，把液体和加热表面完全隔开。但由于壁温较高，辐射传热的作用显著，故的增加而迅速增加，此阶段为稳定膜状沸腾。
临界点：从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点所对应的热流密度和温差称为临界热负荷和临界温度。
由此可见，核状沸腾具有给热系数大，壁温低的优点，所以，工业沸腾装置都控制在该状态下操作。实际通过控制不大于其临界值来达到核状沸腾的。
四．沸腾给热的计算
⒈ 影响沸腾给热的因素
沸腾给热过程极其复杂，其影响因素有四个方面：
①    液体性质的影响
液体的和表面张力，汽化潜热r等均对沸腾给热有重要影响。
一般地，
②    温度差的影响
前已谈到，是控制沸腾给热过程的重要参数，
一般地，，α和n随着液体种类和沸腾条件而异的常数，由实验测定。
③    操作压强的影响
提高沸腾压强相当于提高液体的，使液体的σ和μ均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸腾给热。在相同的下，α和q都提高。
④    加热表面的影响
加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响，一般地新的洁净的加热面α较高。
当壁面被油玷污后，会使α急剧下降（不易产生气泡）。壁面越粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾给热。
⒉ 沸腾给热系数的计算式
根据现有的资料表明，沸腾给热系数的实验数据可按以下函数形式进行关联
                  ，蒸汽的饱和温度
          或  
          式中 ——蒸汽的饱和温度
         ——待定参数，与加热表面、液体的种类有关。例4-15
五．沸腾给热过程的强化
⒈ 采用机械加工或腐蚀的方法将金属表面粗糙化。
   据报导，用这种方法制造的铜表面可提高沸腾给热系数80%。
⒉ 在沸腾液体中加入某种少量的添加剂（如Et-OH，丙酮等）改变液体的表面张力，可提高20～100%。同时，添加剂还可以提高沸腾液体的临界热负荷。