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1、冷凝传热过程,周帼彦 副教授2011-10-18,安全工程系列讲座,传热强化新技术及其工程应用,提 纲,冷凝传热过程简介,1,冷凝传热机理,2,影响冷凝传热的主要因素,4,冷凝传热系数计算,冷凝传热过程强化,蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热各种液体,冷凝传热过程简介,冷凝传热：,冷凝传热方式分类：,膜状冷凝(filmwise condensation)在壁面形成完整的液膜的凝结。滴状冷凝(dropwise condensation)凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热,冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜。膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成
2、壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液借重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。,冷凝传热过程简介,膜状冷凝传热,凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的510倍甚至更高。,冷凝传热过程简介,滴状冷凝传热,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：,纯蒸汽冷凝 蒸汽冷凝时Tg=const.，且；是工业上广泛应用的一种加热方法。混合蒸汽冷凝 蒸汽冷凝时Tgc
3、onst.，随组分的冷凝而变化，纯蒸汽。含不凝性气体的蒸汽冷凝 不凝气含量冷凝冷却过程 纯蒸汽。,冷凝传热过程简介,是否形成膜状冷凝主要取决于冷凝液的润湿能力，而润湿能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状冷凝。,冷凝传热过程简介,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.，蒸汽在冷凝同时从气相主体流至壁面；汽相中无热阻(汽相主体与壁面间温差极小)g相T=0。,纯蒸汽冷凝,冷凝传热机理,垂直壁面(竖板or竖管)上的冷凝,冷凝传热机理,凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素
4、将无法进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化，忽略次要因素，突出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt1916年成功地用理论分析法求解了膜状凝结问题。,蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热量传给冷壁面，求换热系数。,物理问题：,冷凝传热系数计算,常物性；蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力；液膜惯性力可以忽略；汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度；膜内温度分布是线形的，即认为液膜内的热量转移 只有导热，而无对流作用；液膜的过冷度可以忽略；vl，l可忽略不计；液膜表面平整无波动。,基本假设：,冷凝传热系数计算,竖壁的平均表面传热系数：,局部表面传热系数 Newton co
5、oling Law（忽略过冷度）,倾斜壁表面传热系数：,冷凝传热系数计算,*,水平管表面传热系数：,球表面传热系数：,冷凝传热系数计算,定性温度，除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2公式使用范围，层流 Re2100,雷诺数,当量直径,横管：用d 代替 L,几点说明：,冷凝传热系数计算,*,二、湍流膜状凝结换热,先假设为层流，用式（*）求h；将h代入式（*）验算液膜是否为层流：若Rem2100改用上式求。,对于Re 2100 的湍流液膜，其平均冷凝给热系数可以下的经验式,计算方法：,冷凝传热系数计算,例 压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁
6、温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,解：假设液膜为层流。根据 ts=100，查得r=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均温度 tm=(100+98)/2=99 查取，得：=958.4kg/m3，=2.825 10-4kg/(m.s)，=0.68W/(m.K),则有：,冷凝传热系数计算,核算Re准则：,说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：,凝结蒸汽量为：,冷凝传热系数计算,影响冷凝传热的主要因素,不凝结气体 流体物性与液膜两侧传热温差 蒸汽流速与流向 过热蒸汽 传热面的形状与布置,在冷凝器的设计中，蒸汽冷凝侧设排气孔定期排放不凝气。,不凝气的影响：,不凝气在液膜与
7、蒸汽之间形成一层气膜(冷却过程)附加热阻，冷凝。通常在静止的蒸汽中，当不凝气含量仅为1%时冷凝传热系数降低60%左右。,流体物性与液膜两侧传热温差的影响：,导热系数、密度、气相分率y、粘度、温差t等,影响冷凝传热的主要因素,蒸汽流速与流向的影响：,蒸汽流速u增大，蒸汽与液膜间摩擦力作用不能忽略，且u的影响随着蒸汽压强的增大而加剧。,蒸汽向下流，蒸汽与液膜流动方向相同，液膜厚度减小，冷凝对流传热系数冷凝增大；,蒸汽向上流，流速u不大时，阻碍液膜流动，液膜厚度增大，冷凝对流传热系数冷凝减小；流速u较大时，液膜被吹离壁面，冷凝对流传热系数冷凝增大。,影响冷凝传热的主要因素,蒸汽过热(TVTS)的影响
8、：,过热蒸汽的冷凝,过热蒸汽冷却(TV-TS)；饱和蒸汽的冷凝TS；,但液膜内传热温差仍为TS-TW；,影响冷凝传热的主要因素,实验表明，在大气压力下，过热30的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高1%，而过热540的蒸汽的给热系数高30%，所以在一定情况下不考虑过热的影响，仍按饱和蒸汽进行计算。,传热面的形状与布置,强化冷凝传热过程冷凝的主要途径液膜厚度。,水平管：,倾斜排列冷凝液尽可能沿各排管切向流过；减少垂直方向上管排数；,垂直管：,纵向凹槽凝液借重力顺槽下降；沿纵向装金属丝or直翅片；,液膜厚度,影响冷凝传热的主要因素,实践表明，采用强化措施可以冷凝器平均表面传热系数得到明显提高。某些制冷剂的冷凝器中，强化有更大现实意义。,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；使凝结液尽快从换热表面上排泄掉；如低肋管、纵向沟槽等 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,冷凝传热过程强化,冷凝传热过程强化,
