6.4 沸腾给热与冷凝给热液体沸腾和蒸汽冷凝必须伴有流体的流动,故沸腾给热和冷凝给热同样属于对流传热。但与前面所讲的对流不同,这两种给热过程伴有相变化。相变化的存在,使给热过程有其特有的规律。
6.4.1 沸腾给热按设备的尺寸和形状可分为:
大容器沸腾:加热壁面浸入液体,液体被加热而引起的无强制对流的沸腾现象。
管内沸腾:在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾(强制对流);此时液体流速对沸腾过程有影响,而且加热面上气泡不能自由上浮,被迫随流体一起流动,出现了复杂的气液两相的流动结构。
工业上有再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等都是通过沸腾传热来产生蒸汽。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾更为复杂。本节仅讨论大容器的沸腾传热过程。
(1)大容积饱和沸腾根据管内液流的主体温度是否达到相应压力下的饱和温度,沸腾给热还有过冷沸腾与饱和沸腾之分。若液流主体温度低于饱和温度,而加热表面上有气泡产生,称为过冷沸腾。此时,加热面上产生的气泡或在脱离之前、或脱离之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。当液流主体温度达到饱和温度,则离开加热面的气泡不再重新凝结。这种沸腾称为饱和沸腾。
(2)气泡的生成和过热度由于表面张力的作用,要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。而气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量,要求压力较低的液相温度高于汽相的温度,故液体必须过热,即液体的温度必须高于气泡内压力所对应的饱和温度。在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。液体的过热是新相——小气泡生成的必要条件。
(3)粗糙表面的气化核心开始形成气泡时,气泡内的压力必须无穷大。这种情况显然是不存在的,因此纯净的液体在绝对光滑的加热面上不可能产生气泡。气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生,这种点称为气化核心。无气化核心则气泡不会产生。过热度增大,气化核心数增多。气化核心是一个复杂的问题,它与表面粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均匀性质等多种因素有关。
(4)大容积饱和沸腾曲线

如图所示,以常压水在大容器内沸腾为例,说明(t对的(影响。
① AB段,(t=tw-ts,(t很小时,仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡,长大速度慢,所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。
在此阶段,汽化现象仅发生在液体表面,严格说还不是沸腾,而是表面汽化。此阶段,(较小,且随(t升高得缓慢。
② BC段,(t>2.2(C时,加热面上有气泡产生,给热系数随(t急剧上升。这是由于汽化核心数增大,汽泡长大速度增快,对液体扰动增强,对流传热系数增加,由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用,此时为核状沸腾。
③ CD段,(t(,((。当(t进一步增大到一定数值,加热面上的汽化核心大大增加,以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度,气泡相连形成气膜,将加热面与液体隔开,由于气体的导热系数(较小,使((,此阶段称为不稳定膜状沸腾。
DE段,(t>250(C时,气膜稳定,由于加热面tW高,热辐射影响增大,对流传热系数增大,此时为稳定膜状沸腾。
工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作,其优点是:此阶段下(大,tW小。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点C称为临界点(此后传热恶化),其对应临界值(tc、(c、qc。对于常压水在大容器内沸腾时:(tc=25(C、qc=1.25×106W/m2。
为保证沸腾装置在核状沸腾状态下工作,必须控制(t不大于其临界直径(tc,否则核状沸腾将转变为膜状沸腾,使(急剧下降。即不适当地提高热流体温度,反而使沸腾装置的效率降低。对于由恒热流热源(电加热等)供热的核状沸腾装置必须严格地将热流密度q控制在qc以下,达到或超过qc,将使加热面温度急剧升高,甚至将设备烧毁。
(5)沸腾(的计算沸腾给热的影响因素:
① 液体和整齐的性质、表面张力(、粘度(、导热系数(、比热容cp、汽化潜热r,液体与蒸汽的密度和等。
② 加热表面的粗糙情况和表面物理性质,特别是液体与表面的润湿性。
③ 操作压力和温差。
关于沸腾给热至今尚没有可靠的一般经验关联式。但已积累了大量的实验资料,这些资料表明沸腾给热系数的实验数据可按以下函数形式关联:

或 
式中 ts——蒸汽的饱和温度,(C。
和通过实验测定的两个参数,不同的表面与液体的组合,其值不同。
6.4.2 沸腾给热过程的强化
在沸腾给热中,气泡的产生和运动情况影响极大。气泡的生成和运动与加热表面状况及液体的性质两方面因素有关。因此,沸腾给热的强化也可以从加热表面和沸腾液体两方面入手。
① 将金属表面粗糙化,这样可提供更多汽化核心,使气泡运动加剧,给热过程得以强化。
② 在沸腾液体中加入少量添加剂,改变沸腾液体的表面张力,添加剂还可提高沸腾液体的临界热负荷。
③ 气、液、固三相流:在气液相中加入固体粒子。
④ EHD(Electrohydrodynamics)强化传热。
6.4.3 蒸汽冷凝给热
(1)冷凝给热过程的热阻蒸汽冷凝作为一种加热方法在工业生产中得到广泛应用。在蒸汽冷凝加热过程中,加热介质为饱和蒸汽。饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时,将凝结为液体,释放出汽化潜热。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,系统的自由度为

冷凝:
汽相:给定→ts,即只能有一个汽相温度。或者说,在冷凝给热时汽相不可能存在温度梯度。
在传热过程中,温差是由热阻造成的。汽相主体不存在温差,汽相内不存在任何热阻。这是因为蒸汽在壁面冷凝同时,汽相主体中蒸汽必须流向壁面以填补空位。而这种流动所需的压降极小,可以忽略不计。
在冷凝给热过程中,蒸汽凝结而产生的冷凝液形成液膜将壁面覆盖。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。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。
如果加热蒸汽是过热蒸汽,而且冷壁温度高于相应的饱和温度,则壁面上不会发生冷凝现象,蒸汽与壁面之间只是一般的对流给热。此时,热阻将集中于壁面附近的层流层内。因蒸汽的导热系数比冷凝液的给热系数小得多,故>>。
若壁温小于ts,则过热蒸汽温度从降到饱和温度ts,在壁面冷凝,同样形成液膜。
即 过热蒸汽 >ts 
(2)膜状冷凝和滴状冷凝饱和蒸汽冷凝给热过程的热阻主要集中在冷凝液液膜内,因此,冷凝液的流动状态对给热系数必有极大的影响。冷凝液在壁面上的存在和流动方式有两种类型:膜状冷凝和滴状冷凝。
膜状冷凝:若冷凝液能润湿壁面,形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。
滴状冷凝:若冷凝液不能很好地润湿壁面,仅在其上凝结成小液滴,此后长大或合并成较大的液滴而脱落。
通常滴状冷凝时蒸汽不必通过液膜传热,可直接在传热面上冷凝,其对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数大5~10倍。但滴状冷凝难于控制,因此工业上冷凝器的设计大多是按膜状冷凝考虑。

6.4.4 冷凝给热系数(数学模型法)
(1)液膜流动与局部给热系数有一垂直平壁,饱和蒸汽在其上冷凝,冷凝液借重力沿壁流下。因整个高度上都存在冷凝,故越往下凝液流量越大,液膜越厚。液膜厚度沿壁高的变化必然导致热阻或给热系数沿高度分布不均匀。上部液膜呈层流,膜层增加,。若壁足够高,冷凝量较大,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。
(2)蒸汽在垂直管外或板侧冷凝
① 冷凝液膜为层流时的平均
假设:液膜为等速流动,蒸汽存在不影响液膜流动,且为纯导热过程,理论上可推导出

实验结果验证了这一关系的正确性,同时测出,即

注:a、上式的适用范围:液膜为层流

b、特征尺寸L为管长或板高;
c、各物性参数是凝液的物性,定性温度取;
d、r为汽化潜热,即ts时的汽化潜热;
e、(t=tw-ts。
② 湍流时的给热系数

适用范围:ReM>2000;
定性温度:膜温特征尺寸L:管高或板高H
注:ReM是指板或管最低处的值(此时ReM为最大)
在计算过程中,因未知,ReM未知,所以须假设,先假设为层流,用层流公式求出,再进行验证。
(3)蒸汽在单根水平管外的冷凝给热系数蒸汽在水平管外冷凝,液膜厚度薄,全是层流,其给热系数为

式中 d —— 圆管外径,m
定性温度:膜温,用膜温查冷凝液的物性(、(和(;潜热r用饱和温度ts查;此时认为主体无热阻,热阻集中在液膜中。
在其他条件相同时,水平圆管的给热系数和垂直圆管的给热系数之比是

因为>,所以工业冷凝器大部分是卧式的,但蒸发器是立式的。
(4)水平管束外的冷凝给热系数工业用冷凝器多半是由水平管束组成,管束中管子的排列通常有直排和错排两种。无论哪一种排列,就第一排管子而言,其冷凝情况与单根水平管相同。但是,对其他各排管子来说,冷凝情况必受到其上各排管流下的冷凝液的影响。
如假定从上排管流下的冷凝液只是平稳地流至下排管使液膜增厚,热阻增加,而且各排管温差相同,则水平管束的平均给热系数只要将式中的特征尺寸d换成nd即可,其中n为管束在垂直方向上的管排数。但是冷凝液下流时不可避免地会撞击和飞溅,使下排液膜扰动增强。考虑到扰动的影响,将上式改为

对于右图所示的管束,n取平均值(因为不同的垂直方向上管排数不同)。
6.4.5 影响冷凝给热的因素及强化措施
(1)不凝气体的影响在实际的工业冷凝器中,由于蒸汽中常含有微量的不凝性气体,如空气。当蒸汽冷凝时,不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前,必须先以扩散的方式通过这层气膜。这相当于额外附加了一热阻,而且由于气体的导热系数(小,使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明:当蒸汽中含空气量达1%时,(下降60%左右。
因此,在冷凝器的设计中,在高处安装气体排放口;操作时,定期排放不凝气体,减少不凝气体对(的影响。
(2)蒸汽过热的影响蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。
过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触(tw>ts),壁面无冷凝现象,此时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触(tw<ts),由两个串联的传热过程组成:冷却和冷凝。
整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却到饱和温度,然后在液膜表面继续冷凝,冷凝的推动力仍为(t=ts-tw。
一般过热蒸汽的冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理,所以前面的公式仍适用。但此时应把显热和潜热都考虑进来,为过热蒸汽的比热和温度。工业中过热蒸汽显热增加较小,可近似用饱和蒸汽计算。
(3)蒸汽流速与流向的影响前面介绍的公式只适用于蒸汽静止或流速不大的情况。蒸汽的流速对(有较大的影响,蒸汽流速较小u<10m/s时,可不考虑其对(的影响。当蒸汽流速u>10m/s时,还要要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。
蒸汽与液膜流向相同时,会加速液膜流动,使液膜变薄((,((;蒸汽与液膜流向相反时,会阻碍液膜流动,使液膜变厚((,((;但u((时,会吹散液膜,((。
一般冷凝器设计时,蒸汽入口在其上部,此时蒸汽与液膜流向相同,有利于((。
(4)冷凝给热过程的强化对于纯蒸汽冷凝,恒压下ts为一定值。即在气相主体内无温差也无热阻,(的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以,在流体一定的情况下,一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。
减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度和布置方式入手。如在垂直壁面上开纵向沟槽,以减薄壁面上的液膜厚度。还可在壁面上安装金属丝或翅片,使冷凝液在表面张力的作用下,流向金属丝或翅片附近集中,从而使壁面上的液膜减薄;使冷凝传热系数得到提高。