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1、1冷凝传热过程冷凝传热过程周帼彦周帼彦 副教授副教授2011-10-182011-10-18安全工程系列讲座安全工程系列讲座传热强化新技术及其工程应用 2提提 纲纲冷凝传热过程简介1冷凝传热机理23影响冷凝传热的主要因素4冷凝传热系数计算5冷凝传热过程强化 3蒸汽在凝蒸汽在凝结过结过程中与固体壁面程中与固体壁面发发生的生的换热换热各种液体各种液体冷凝传热过程简介冷凝传热：冷凝传热方式分类：膜状冷凝膜状冷凝(filmwise condensation)在壁面形成完整的液膜的凝在壁面形成完整的液膜的凝结结。滴状冷凝滴状冷凝(dropwise condensation)凝凝结结液以液珠的形式向下液以
2、液珠的形式向下滚滚落落时时形成的形成的对对流流换热换热 4 冷凝液体能冷凝液体能润润湿壁面，它湿壁面，它就在壁面上就在壁面上铺铺展成膜。展成膜。膜状冷凝膜状冷凝时时蒸汽放出的潜蒸汽放出的潜热热必必须须穿穿过过液膜才能液膜才能传递传递到壁到壁面上去，此面上去，此时时，液膜液膜层层就形成就形成壁面与蒸汽壁面与蒸汽间传热间传热的的主要主要热热阻阻。若凝液借重力沿壁下流，若凝液借重力沿壁下流，则则液液膜越往下越厚，膜越往下越厚，给热给热系数随之系数随之越小越小。冷凝传热过程简介膜状冷凝传热 5 凝液凝液不能完全不能完全润润湿湿壁面，在壁面壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成上形成一个个小液滴，且不
3、断成长变长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁壁滚滚下，在下下，在下滚过滚过程中，一方面会合程中，一方面会合相遇液滴，相遇液滴，合并成更大的液滴合并成更大的液滴，一方，一方面面扫扫清沿途所有的液滴清沿途所有的液滴，使壁重新暴，使壁重新暴露在蒸汽中。露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，没有完整液膜的阻碍，热热阻很小阻很小，给热给热系数系数约为约为膜状冷凝的膜状冷凝的510倍甚至倍甚至更高。更高。冷凝传热过程简介滴状冷凝传热 6本节讨论纯饱和蒸汽膜状冷凝对流传热系数的计算方法。冷凝情况分类：纯纯蒸汽冷凝蒸汽冷凝 蒸汽冷凝蒸汽冷凝时时Tg=const.，且且；是工是工业业
4、上广泛上广泛应应用的一种加用的一种加热热方法。方法。混合蒸汽冷凝混合蒸汽冷凝 蒸汽冷凝蒸汽冷凝时时Tgconst.，随，随组组分的冷凝而分的冷凝而变变化，化，纯纯蒸汽。蒸汽。含不凝性气体的蒸汽冷凝含不凝性气体的蒸汽冷凝 不凝气含量不凝气含量冷凝冷却冷凝冷却过过程程 纯纯蒸汽。蒸汽。冷凝传热过程简介 7 是否形成膜状冷凝主要取决于是否形成膜状冷凝主要取决于冷凝液的冷凝液的润润湿能力湿能力，而，而润润湿湿能力又取决于表面能力又取决于表面张张力力。表面。表面张张力小的力小的润润湿能力湿能力强强。实实践表明，几乎所有的常用蒸气在践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净纯净条件下在常用工程条件下在常用工程材料材
5、料洁净洁净表面上都能得到膜状冷凝。表面上都能得到膜状冷凝。冷凝传热过程简介 8冷凝传热热阻几乎全部集中在冷凝液膜内T也只在液膜内存在。Tg=const.，蒸汽在冷凝同，蒸汽在冷凝同时时从气相主体流至壁面；从气相主体流至壁面；汽相中无汽相中无热热阻阻(汽相主体与壁面汽相主体与壁面间间温差极小温差极小)g相相T=0。纯蒸汽冷凝冷凝传热机理 9垂直壁面(竖板or竖管)上的冷凝冷凝传热机理壁上部壁上部 液膜液膜，液流量，液流量u，层层流流；壁下部壁下部 液膜液膜，液流量，液流量u，湍流，湍流。特点：冷凝液因特点：冷凝液因 沿壁向下形成沿壁向下形成 ；重力作用重力作用新冷凝液新冷凝液补补充充液流量液流量
6、液膜厚液膜厚液膜流液膜流液膜液膜不同不同 不同不同 Q层层流流湍湍流流L(液膜流动液膜流动)(给热系数给热系数) 10 凝凝结换热结换热是一个非常复是一个非常复杂杂的的现现象，如要考象，如要考虑虑所有因所有因素将无法素将无法进进行分析。行分析。传热传热学中学中惯惯用的方法是用的方法是进进行行简简化，化，忽略次要因素，突出主要因素，使理忽略次要因素，突出主要因素，使理论论分析可以分析可以进进行。行。Nusselt1916年成功地用理年成功地用理论论分析法求解了膜状凝分析法求解了膜状凝结结问题问题。蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热量传蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热量传给冷壁面，求
7、换热系数。给冷壁面，求换热系数。物理问题：冷凝传热系数计算 11 常物性；常物性；蒸气是静止的，汽液界面上无蒸气是静止的，汽液界面上无对对液膜的粘滞液膜的粘滞应应力；力；液膜液膜惯惯性力可以忽略；性力可以忽略；汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱饱和温度；和温度；膜内温度分布是膜内温度分布是线线形的，即形的，即认为认为液膜内的液膜内的热热量量转转移移 只有只有导热导热，而无，而无对对流作用；流作用；液膜的液膜的过过冷度可以忽略；冷度可以忽略；v l，l可忽略不可忽略不计计；液膜表面平整无波液膜表面平整无波动动。基本假设：冷凝传热系数计算 12竖壁的平均表面
8、传热系数：竖壁的平均表面传热系数：局部表面传热系数 Newton cooling Law（忽略过冷度）倾斜壁表面传热系数：倾斜壁表面传热系数：冷凝传热系数计算* 13水平管表面传热系数：水平管表面传热系数：球表面传热系数：球表面传热系数：冷凝传热系数计算 14定性温度，除定性温度，除r 用用 ts 外其余皆外其余皆为为(tw+ts)/2公式使用范公式使用范围围，层层流流 Re2100雷诺数雷诺数当量直径当量直径横管：用横管：用 d d 代替代替 L L几点说明：冷凝传热系数计算* 15二、湍流膜状凝结换热 先假先假设为层设为层流，用式（流，用式（*）求）求h；将将h代入式（代入式（*）验验算液
9、膜是否算液膜是否为层为层流：流：若若Rem2100改用上式求。改用上式求。对对于于Re 2100 的湍流液膜，的湍流液膜，其其平均冷凝给热系数平均冷凝给热系数可以下的经验式可以下的经验式计算方法：冷凝传热系数计算 16例例 压压力力为为1.013103Pa 的水蒸气在方形的水蒸气在方形竖竖壁上凝壁上凝结结。壁的。壁的尺寸尺寸为为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98。计计算每小算每小时时的的热换热换量量及凝及凝结结蒸汽量。蒸汽量。解：假解：假设设液膜液膜为层为层流。根据流。根据 ts=100，查查得得r=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均温度其他物性按液膜平均温度 tm=(100+98)
10、/2=99 查查取，取，得：得：=958.4kg/m3，=2.825 10-4kg/(m.s)，=0.68W/(m.K)则有：则有：冷凝传热系数计算 17核算核算Re准准则则：说说明原来假明原来假设设液膜液膜为层为层流成立。流成立。换热换热量可按牛量可按牛顿顿冷却公式冷却公式计计算：算：凝凝结结蒸汽量蒸汽量为为：冷凝传热系数计算 18影响冷凝传热的主要因素 不凝结气体不凝结气体 流体物性与液膜两侧传热温差流体物性与液膜两侧传热温差 蒸汽流速与流向蒸汽流速与流向 过热蒸汽过热蒸汽 传热面的形状与布置传热面的形状与布置 19 在冷凝器的设计中，蒸汽冷凝侧设排气孔在冷凝器的设计中，蒸汽冷凝侧设排气孔
11、定期排定期排放不凝气。放不凝气。不凝气的影响：不凝气在液膜与蒸汽之间形成不凝气在液膜与蒸汽之间形成一层气膜一层气膜(冷却过程冷却过程)附加热阻附加热阻，冷凝冷凝。通常在静止的蒸汽中，当不凝气含量仅为通常在静止的蒸汽中，当不凝气含量仅为1%1%时时冷冷凝传热系数降低凝传热系数降低60%60%左右。左右。流体物性与液膜两侧传热温差的影响：导热导热系数系数、密度、密度、气相分率、气相分率y、粘度、粘度、温差、温差t等等 影响冷凝传热的主要因素 20 蒸汽流速与流向的影响：蒸汽流速蒸汽流速u增大，蒸汽与液膜增大，蒸汽与液膜间间摩擦力作用不能忽摩擦力作用不能忽略，且略，且u的影响随着蒸汽的影响随着蒸汽压
12、压强强的增大而加的增大而加剧剧。蒸汽向下流蒸汽向下流，蒸汽与液膜流，蒸汽与液膜流动动方向相同，液膜厚方向相同，液膜厚度度减小，冷凝减小，冷凝对对流流传热传热系数系数冷凝冷凝增大；增大；蒸汽向上流蒸汽向上流，流速流速u不大不大时时，阻碍液膜流，阻碍液膜流动动，液膜，液膜厚度厚度增大，冷凝增大，冷凝对对流流传热传热系数系数冷凝冷凝减小；减小；流速流速u较较大大时时，液膜被吹离壁面，液膜被吹离壁面，冷凝冷凝对对流流传热传热系数系数冷凝冷凝增大。增大。影响冷凝传热的主要因素 21 蒸汽过热(TVTS)的影响：过热蒸汽的冷凝过热蒸汽的冷凝 过热过热蒸汽冷却蒸汽冷却(TV-TS)；饱饱和蒸汽的冷凝和蒸汽的
13、冷凝TS；但液膜内但液膜内传热传热温差仍温差仍为为TS-TW；影响冷凝传热的主要因素 实验实验表明，在大气表明，在大气压压力下，力下，过热过热30的蒸汽的蒸汽较饱较饱和蒸和蒸汽的汽的给热给热系数高系数高1%，而，而过热过热540的蒸汽的的蒸汽的给热给热系数高系数高30%，所以在一定情况下不考，所以在一定情况下不考虑过热虑过热的影响，仍的影响，仍按按饱饱和和蒸汽蒸汽进进行行计计算算。 22 传热面的形状与布置强化冷凝传热过程强化冷凝传热过程冷凝冷凝的主要途径的主要途径液膜厚度液膜厚度。水平管：水平管：倾倾斜排列斜排列冷凝液尽可能沿各排管切向流冷凝液尽可能沿各排管切向流过过；减少垂直方向上管排数；
14、减少垂直方向上管排数；垂直管：垂直管：纵纵向凹槽向凹槽凝液借重力凝液借重力顺顺槽下降；槽下降；沿沿纵纵向装金属向装金属丝丝or直翅片；直翅片；液膜厚度液膜厚度影响冷凝传热的主要因素 23 实实践表明，采用践表明，采用强强化措施可以冷凝器平均表面化措施可以冷凝器平均表面传热传热系系数得到明数得到明显显提高。某些制冷提高。某些制冷剂剂的冷凝器中，的冷凝器中，强强化有更大化有更大现现实实意意义义。强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。实现的方法：尖锋的表面；尖锋的表面；使凝结液尽快从换热表面上排泄掉；使凝结液尽快从换热表面上排泄掉；如低肋管、纵向沟槽等如低肋管、纵向沟槽等 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结。表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结。如表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入如表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入冷凝传热过程强化 24冷凝传热过程强化