冷凝傳熱過程

1、12021/8/141冷凝傳熱過程冷凝傳熱過程周幗彥周幗彥 副教授副教授2011-10-182011-10-18安全工程系列講座安全工程系列講座傳熱強(qiáng)化新技術(shù)及其工程應(yīng)用 22021/8/142提提 綱綱冷凝傳熱過程簡介1冷凝傳熱機(jī)理23影響冷凝傳熱的主要因素4冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算5冷凝傳熱過程強(qiáng)化 32021/8/143 蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的換熱蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的換熱 各種液體各種液體冷凝傳熱過程簡介冷凝傳熱：冷凝傳熱方式分類： 膜狀冷凝膜狀冷凝(filmwise condensation) 在壁面形成完整的液膜的凝結(jié)。在壁面形成完整的液膜的凝結(jié)。 滴狀冷凝滴狀冷凝(d

2、ropwise condensation) 凝結(jié)液以液珠的形式向下滾落時(shí)形成的對流換熱凝結(jié)液以液珠的形式向下滾落時(shí)形成的對流換熱 42021/8/144 冷凝液體能潤濕壁面，它冷凝液體能潤濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜。就在壁面上鋪展成膜。 膜狀冷凝時(shí)蒸汽放出的潛膜狀冷凝時(shí)蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面上去，此時(shí)，面上去，此時(shí)，液膜層液膜層就形成就形成壁面與蒸汽間傳熱的壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻主要熱阻。若凝液借重力沿壁下流，則若凝液借重力沿壁下流，則液液膜越往下越厚，給熱系數(shù)隨之膜越往下越厚，給熱系數(shù)隨之越小越小。冷凝傳熱過程簡介 膜狀冷凝傳熱 52021/

3、8/145 凝液凝液不能完全潤濕不能完全潤濕壁面，在壁面壁面，在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液滴，且不斷成長變上形成一個(gè)個(gè)小液滴，且不斷成長變大，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滾下，在下滾過程中，一方面會(huì)合壁滾下，在下滾過程中，一方面會(huì)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，一方面面掃清沿途所有的液滴掃清沿途所有的液滴，使壁重新暴，使壁重新暴露在蒸汽中。露在蒸汽中。 沒有完整液膜的阻礙，沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的510倍甚至倍甚至更高。更高。 冷凝傳熱過程簡介 滴狀冷凝傳熱 62021/8/14

4、6本節(jié)討論純飽和蒸汽膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。冷凝情況分類： 純蒸汽冷凝純蒸汽冷凝 蒸汽冷凝時(shí)蒸汽冷凝時(shí)Tg=const.， 且且 ； 是工業(yè)上廣泛應(yīng)是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種加熱方法。用的一種加熱方法。 混合蒸汽冷凝混合蒸汽冷凝 蒸汽冷凝時(shí)蒸汽冷凝時(shí)Tgconst.，隨組分的冷凝而變化，隨組分的冷凝而變化， 純蒸汽。純蒸汽。 含不凝性氣體的蒸汽冷凝含不凝性氣體的蒸汽冷凝 不凝氣含量不凝氣含量冷凝冷卻過程冷凝冷卻過程 純蒸汽。純蒸汽。 冷凝傳熱過程簡介 72021/8/147 是否形成膜狀冷凝主要取決于是否形成膜狀冷凝主要取決于冷凝液的潤濕能力冷凝液的潤濕能力，而，而潤濕潤濕能力又取決于表面

5、張力能力又取決于表面張力。表面張力小的潤濕能力強(qiáng)。表面張力小的潤濕能力強(qiáng)。 實(shí)踐表明，幾乎所有的常用蒸氣在純凈條件下在常用工程實(shí)踐表明，幾乎所有的常用蒸氣在純凈條件下在常用工程材料潔凈表面上都能得到膜狀冷凝。材料潔凈表面上都能得到膜狀冷凝。冷凝傳熱過程簡介 82021/8/148冷凝傳熱熱阻幾乎全部集中在冷凝液膜內(nèi)T也只在液膜內(nèi)存在。Tg=const. ，蒸汽在冷凝同時(shí)從氣相主體流至壁面；，蒸汽在冷凝同時(shí)從氣相主體流至壁面；汽相中無熱阻汽相中無熱阻(汽相主體與壁面間溫差極小汽相主體與壁面間溫差極小) g相相T=0。純蒸汽冷凝冷凝傳熱機(jī)理 92021/8/149垂直壁面(豎板or豎管)上的冷凝冷

6、凝傳熱機(jī)理壁上部壁上部 液膜液膜，液流量，液流量u，層流，層流 ；壁下部壁下部 液膜液膜，液流量，液流量u，湍流，湍流 。特點(diǎn)：冷凝液因特點(diǎn)：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補(bǔ)充新冷凝液補(bǔ)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層流層流湍流湍流L(液膜流動(dòng)液膜流動(dòng))(給熱系數(shù)給熱系數(shù)) 102021/8/1410 凝結(jié)換熱是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，如要考慮所有因凝結(jié)換熱是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，如要考慮所有因素將無法進(jìn)行分析。傳熱學(xué)中慣用的方法是進(jìn)行簡化，素將無法進(jìn)行分析。傳熱學(xué)中慣用的方法是進(jìn)行簡化，忽略次要因素，突出主要因素，使理論分析可

7、以進(jìn)行。忽略次要因素，突出主要因素，使理論分析可以進(jìn)行。 Nusselt1916年成功地用理論分析法求解了膜狀凝結(jié)年成功地用理論分析法求解了膜狀凝結(jié)問題。問題。 蒸氣在冷壁面凝結(jié)，形成液膜，蒸氣凝結(jié)將熱量傳蒸氣在冷壁面凝結(jié)，形成液膜，蒸氣凝結(jié)將熱量傳給冷壁面，求換熱系數(shù)。給冷壁面，求換熱系數(shù)。 物理問題：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算 112021/8/1411 常物性；常物性； 蒸氣是靜止的，汽液界面上無對液膜的粘滯應(yīng)力；蒸氣是靜止的，汽液界面上無對液膜的粘滯應(yīng)力； 液膜慣性力可以忽略；液膜慣性力可以忽略； 汽液界面上無溫差，界面上液膜溫度等于飽和溫度；汽液界面上無溫差，界面上液膜溫度等于飽和溫度； 膜內(nèi)

8、溫度分布是線形的，即認(rèn)為液膜內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移膜內(nèi)溫度分布是線形的，即認(rèn)為液膜內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移 只有導(dǎo)熱，而無對流作用；只有導(dǎo)熱，而無對流作用； 液膜的過冷度可以忽略；液膜的過冷度可以忽略； v l， l可忽略不計(jì)；可忽略不計(jì)； 液膜表面平整無波動(dòng)。液膜表面平整無波動(dòng)?；炯僭O(shè)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算 122021/8/1412 豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) Newton cooling Law（忽略過冷度）4123)(sin943.0wslllttLrgh 傾斜壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：傾斜壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算13241.13()lllswrghL tt * 13202

9、1/8/14134123)(729.0wslllHttdrgh4/1/77. 0dLhhVHVHhhdL,85. 2/時(shí)當(dāng)4123)(826.0wslllSttdrgh 水平管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：水平管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算 142021/8/1414 定性溫度，除定性溫度，除r 用用 ts 外其余皆為外其余皆為(tw+ts)/2 公式使用范圍，層流公式使用范圍，層流 Re2100雷諾數(shù)雷諾數(shù)當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑444WWUfdeMuReL44rMLtthws)(rtthLRews)(4橫管：用橫管：用 d d 代替代替 L L幾點(diǎn)說明：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算* 15

10、2021/8/1415二、湍流膜狀凝結(jié)換熱 先假設(shè)為層流，用式（先假設(shè)為層流，用式（*）求）求h； 將將h代入式（代入式（*）驗(yàn)算液膜是否為層流：）驗(yàn)算液膜是否為層流： 若若Rem2100改用上式求。改用上式求。 對于對于Re 2100 的湍流液膜，的湍流液膜， 其其平均冷凝給熱系數(shù)平均冷凝給熱系數(shù)可以下的經(jīng)驗(yàn)式可以下的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算方法：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算13230.068()lllswrghL tt 162021/8/1416例例 壓力為壓力為1.013103Pa 的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)。壁的的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)。壁的尺寸為尺寸為30cm30cm，壁溫保持，壁溫保持98。計(jì)算每小時(shí)的熱換量

11、。計(jì)算每小時(shí)的熱換量及凝結(jié)蒸汽量。及凝結(jié)蒸汽量。解：假設(shè)液膜為層流。根據(jù)解：假設(shè)液膜為層流。根據(jù) ts=100，查得，查得r=2257kJ/kg。 其他物性按液膜平均溫度其他物性按液膜平均溫度 tm=(100+98)/2=99 查取，查取， 得：得：=958.4kg/m3，=2.825 10-4kg/(m.s)， =0.68W/(m.K)則有：則有：4/123)(13.1wslllttLrgh4/14323)98100(3.010825.268.04.9851022578.913.1K)W/(m1057.124冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算 172021/8/1417核算核算Re準(zhǔn)則：準(zhǔn)則：說明原來假設(shè)液膜

12、為層流成立。說明原來假設(shè)液膜為層流成立。換熱量可按牛頓冷卻公式計(jì)算：換熱量可按牛頓冷卻公式計(jì)算：凝結(jié)蒸汽量為：凝結(jié)蒸汽量為：W1083. 223 . 01057. 1)(324wstthAkg/h5 . 41025. 11022571083. 2333mrq4644()Re4 1.57 100.3(10098)59.12257 102.825 10swhL ttr冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算 182021/8/1418影響冷凝傳熱的主要因素 不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體 流體物性與液膜兩側(cè)傳熱溫差流體物性與液膜兩側(cè)傳熱溫差 蒸汽流速與流向蒸汽流速與流向 過熱蒸汽過熱蒸汽 傳熱面的形狀與布置傳熱面的形狀與布置 19

13、2021/8/1419 在冷凝器的設(shè)計(jì)中，蒸汽冷凝側(cè)設(shè)排氣孔在冷凝器的設(shè)計(jì)中，蒸汽冷凝側(cè)設(shè)排氣孔定期排定期排放不凝氣。放不凝氣。 不凝氣的影響： 不凝氣在液膜與蒸汽之間形成不凝氣在液膜與蒸汽之間形成一層氣膜一層氣膜( (冷卻過程冷卻過程) ) 附加熱阻附加熱阻， 冷凝冷凝。 通常在靜止的蒸汽中，當(dāng)不凝氣含量僅為通常在靜止的蒸汽中，當(dāng)不凝氣含量僅為1%1%時(shí)時(shí)冷冷凝傳熱系數(shù)降低凝傳熱系數(shù)降低60%60%左右。左右。 流體物性與液膜兩側(cè)傳熱溫差的影響：導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)、密度、密度、氣相分率、氣相分率y、粘度、粘度、溫差、溫差t等等 影響冷凝傳熱的主要因素 202021/8/1420 蒸汽流速與流向

14、的影響： 蒸汽流速蒸汽流速u增大，蒸汽與液膜間摩擦力作用不能忽增大，蒸汽與液膜間摩擦力作用不能忽略，且略，且u的影響隨著蒸汽壓強(qiáng)的增大而加劇。的影響隨著蒸汽壓強(qiáng)的增大而加劇。 蒸汽向下流蒸汽向下流，蒸汽與液膜流動(dòng)方向相同，液膜厚，蒸汽與液膜流動(dòng)方向相同，液膜厚度度減小，冷凝對流傳熱系數(shù)減小，冷凝對流傳熱系數(shù)冷凝冷凝增大；增大； 蒸汽向上流蒸汽向上流，流速流速u不大時(shí)不大時(shí)，阻礙液膜流動(dòng)，液膜，阻礙液膜流動(dòng)，液膜厚度厚度增大，冷凝對流傳熱系數(shù)增大，冷凝對流傳熱系數(shù)冷凝冷凝減??；減小； 流速流速u較大時(shí)較大時(shí)，液膜被吹離壁面，液膜被吹離壁面，冷凝對流傳熱系數(shù)冷凝對流傳熱系數(shù)冷凝冷凝增大。增大。影響

15、冷凝傳熱的主要因素 212021/8/1421 蒸汽過熱(TVTS)的影響：過熱蒸汽的冷凝過熱蒸汽的冷凝 過熱蒸汽冷卻過熱蒸汽冷卻(TV-TS)；飽和蒸汽的冷凝飽和蒸汽的冷凝TS；但液膜內(nèi)傳熱溫差仍為但液膜內(nèi)傳熱溫差仍為TS-TW；影響冷凝傳熱的主要因素 實(shí)驗(yàn)表明，在大氣壓力下，過熱實(shí)驗(yàn)表明，在大氣壓力下，過熱30的蒸汽較飽和蒸的蒸汽較飽和蒸汽的給熱系數(shù)高汽的給熱系數(shù)高1%，而過熱，而過熱540的蒸汽的給熱系數(shù)高的蒸汽的給熱系數(shù)高30%，所以在一定情況下不考慮過熱的影響，仍，所以在一定情況下不考慮過熱的影響，仍按飽和按飽和蒸汽進(jìn)行計(jì)算蒸汽進(jìn)行計(jì)算。 222021/8/1422 傳熱面的形狀與布置強(qiáng)化冷凝傳熱過程強(qiáng)化冷凝傳熱過程冷凝冷凝的主要途徑的主要途徑液膜厚度液膜厚度。水平管：水平管：傾斜排列傾斜排列冷凝液盡可能沿各排管切向流過；冷凝液盡可能沿各排管切向流過；減少垂直方向上管排數(shù)；減少垂直方向上管排數(shù)；垂直管：垂直管：縱向凹槽縱向凹槽凝液借重力順槽下降；凝液借重力順槽下降；沿縱向裝金屬絲沿縱向裝金屬絲or直翅片；直翅片；液膜厚度液膜厚度影響冷凝傳熱的主要因素 232021/8/1423 實(shí)踐表明，采用強(qiáng)化措施可以冷凝器平均表面?zhèn)鳠嵯祵?shí)踐表明，采用強(qiáng)化措施可以冷凝器平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)得到明顯提高。某些制冷劑的冷凝器中，強(qiáng)化有更大現(xiàn)數(shù)得到明顯提高。某些制冷