冷凝传热过程课件.ppt

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蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的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结在壁面形成完整的液膜的凝结滴状冷凝滴状冷凝(dropwise condensation) 凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热 4 冷凝液体能润湿壁面，它冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜就在壁面上铺展成膜 膜状冷凝时蒸汽放出的潜膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，面上去，此时，液膜层液膜层就形成就形成壁面与蒸汽间传热的壁面与蒸汽间传热的主要热阻主要热阻若凝液借重力沿壁下流，则若凝液借重力沿壁下流，则液液膜越往下越厚，给热系数随之膜越往下越厚，给热系数随之越小越小。

冷凝传热过程简介膜状冷凝传热 5 凝液凝液不能完全润湿不能完全润湿壁面，在壁面壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变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，一方面会合壁滚下，在下滚过程中，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，一方面面扫清沿途所有的液滴扫清沿途所有的液滴，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，热阻很小热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的给热系数约为膜状冷凝的510倍甚至倍甚至更高 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：纯蒸汽冷凝纯蒸汽冷凝 蒸汽冷凝时蒸汽冷凝时Tg=const.， 且且 ； 是工业上广泛应是工业上广泛应用的一种加热方法用的一种加热方法混合蒸汽冷凝混合蒸汽冷凝 蒸汽冷凝时蒸汽冷凝时Tgconst.，随组分的冷凝而变化，随组分的冷凝而变化， 纯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过程冷凝冷却过程 纯蒸汽 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润湿能力冷凝液的润湿能力，而，而润湿润湿能力又取决于表面张力能力又取决于表面张力。

表面张力小的润湿能力强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材料洁净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. ，蒸汽在冷凝同时从气相主体流至壁面；，蒸汽在冷凝同时从气相主体流至壁面；汽相中无热阻汽相中无热阻(汽相主体与壁面间温差极小汽相主体与壁面间温差极小) 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，层流，层流 ；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补充新冷凝液补充液流量液流量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 凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法进行分析传热学中惯用的方法是进行简化，素将无法进行分析。

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，汽液界面上无对液膜的粘滞应力；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；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；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；只有导热，而无对流作用； 液膜的过冷度可以忽略；液膜的过冷度可以忽略； v l， l可忽略不计；可忽略不计； 液膜表面平整无波动液膜表面平整无波动基本假设：冷凝传热系数计算 12竖壁的平均表面传热系数：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 外其余皆为外其余皆为(tw+ts)/2公式使用范围，层流公式使用范围，层流 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 先假设为层流，用式（先假设为层流，用式（*）求）求h； 将将h代入式（代入式（*）验算液膜是否为层流：）验算液膜是否为层流： 若若Rem2100改用上式求。

改用上式求 对于对于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 压力为压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结壁的的水蒸气在方形竖壁上凝结壁的尺寸为尺寸为30cm30cm，壁温保持，壁温保持98计算每小时的热换量计算每小时的热换量及凝结蒸汽量及凝结蒸汽量解：假设液膜为层流根据解：假设液膜为层流根据 ts=100，查得，查得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)/2=99 查取，查取， 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准则：准则：说明原来假设液膜为层流成立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：换热量可按牛顿冷却公式计算：凝结蒸汽量为：凝结蒸汽量为：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 流体物性与液膜两侧传热温差的影响：导热系数导热系数、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，蒸汽与液膜间摩擦力作用不能忽增大，蒸汽与液膜间摩擦力作用不能忽略，且略，且u的影响随着蒸汽压强的增大而加剧的影响随着蒸汽压强的增大而加剧 蒸汽向下流蒸汽向下流，蒸汽与液膜流动方向相同，液膜厚，蒸汽与液膜流动方向相同，液膜厚度度减小，冷凝对流传热系数减小，冷凝对流传热系数冷凝冷凝增大；增大； 蒸汽向上流蒸汽向上流，流速流速u不大时不大时，阻碍液膜流动，液膜，阻碍液膜流动，液膜厚度厚度增大，冷凝对流传热系数增大，冷凝对流传热系数冷凝冷凝减小；减小； 流速流速u较大时较大时，液膜被吹离壁面，冷，液膜被吹离壁面，冷凝对流传热系数凝对流传热系数冷凝冷凝增大。

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 过热蒸汽冷却过热蒸汽冷却(TV-TS)；饱和蒸汽的冷凝饱和蒸汽的冷凝TS；但液膜内传热温差仍为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，过热实验表明，在大气压力下，过热30的蒸汽较饱和蒸的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高汽的给热系数高1%，而过热，而过热540的蒸汽的给热系数高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，所以在一定情况下不考虑过热的影响，仍按饱和按饱和蒸汽进行计算蒸汽进行计算 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：倾斜排列倾斜排列冷凝液尽可能沿各排管切向流过；冷凝液尽可能沿各排管切向流过；减少垂直方向上管排数；减少垂直方向上管排数；垂直管：垂直管：纵向凹槽纵向凹槽凝液借重力顺槽下降；凝液借重力顺槽下降；沿纵向装金属丝沿纵向装金属丝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 实践表明，采用强化措施可以冷凝器平均表面传热系实践表明，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；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24。