冷凝傳熱過程(課堂)課件

冷凝傳熱過程周幗彥副教授2011-10-18安全工程系列講座傳熱強(qiáng)化新技術(shù)及其工程應(yīng)用1冷凝傳熱過程周幗彥副教授安全工程系列講座傳熱強(qiáng)化新技術(shù)及其提綱冷凝傳熱過程簡(jiǎn)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2提綱冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介1冷凝傳熱機(jī)理23影響冷凝傳熱的主要蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的換熱各種液體冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介冷凝傳熱：冷凝傳熱方式分類：膜狀冷凝(filmwisecondensation)

——在壁面形成完整的液膜的凝結(jié)。滴狀冷凝(dropwisecondensation)——凝結(jié)液以液珠的形式向下滾落時(shí)形成的對(duì)流換熱3蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的換熱冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介冷凝傳熱冷凝液體能潤(rùn)濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜。

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面上去，此時(shí)，液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。若凝液借重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱系數(shù)隨之越小。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介膜狀冷凝傳熱4冷凝液體能潤(rùn)濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜。冷凝液不能完全潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液滴，且不斷成長(zhǎng)變大，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)合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面掃清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。

沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的5~10倍甚至更高。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介滴狀冷凝傳熱5凝液不能完全潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液本節(jié)討論——純飽和蒸汽膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。冷凝情況分類：純蒸汽冷凝

——蒸汽冷凝時(shí)Tg=const.，且α↑；是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種加熱方法?；旌险羝淠羝淠龝r(shí)Tg≠const.，隨組分的冷凝而變化，α<α純蒸汽。含不凝性氣體的蒸汽冷凝——不凝氣含量↑→冷凝冷卻過程→α’<<α純蒸汽。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介6本節(jié)討論——純飽和蒸汽膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。冷凝情

是否形成膜狀冷凝主要取決于冷凝液的潤(rùn)濕能力，而潤(rùn)濕能力又取決于表面張力。表面張力小的潤(rùn)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材料潔凈表面上都能得到膜狀冷凝。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介7是否形成膜狀冷凝主要取決于冷凝液的潤(rùn)濕能力，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；汽相中無熱阻(汽相主體與壁面間溫差極小)→g相△T=0。純蒸汽冷凝冷凝傳熱機(jī)理8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。垂直壁面(豎板or豎管)上的冷凝冷凝傳熱機(jī)理壁上部→δ液膜↓，液流量↓→u↓，層流→α↓；壁下部→δ液膜↑，液流量↑→u↑，湍流→α↑。特點(diǎn)：冷凝液因→沿壁向下形成；重力作用新冷凝液補(bǔ)充液流量↑液膜厚↑液膜流δ液膜不同→α不同→Q層流湍流αL(液膜流動(dòng))(給熱系數(shù))9垂直壁面(豎板or豎管)上的冷凝冷凝傳熱機(jī)理壁上部→δ液膜

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(jiǎn)化，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)問題。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)。物理問題：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算10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

常物性；

蒸氣是靜止的，汽液界面上無對(duì)液膜的粘滯應(yīng)力；

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；

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(duì)流作用；

液膜的過冷度可以忽略；

v<<l，l可忽略不計(jì)；

液膜表面平整無波動(dòng)?；炯僭O(shè)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算11常物性；基本假設(shè)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算11豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)NewtoncoolingLaw（忽略過冷度）傾斜壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算*12豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Newtonco水平管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算13水平管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算13定性溫度，除r用ts外其余皆為(tw+ts)/2公式使用范圍，層流Re<2100雷諾數(shù)當(dāng)量直徑橫管：用d代替L幾點(diǎn)說明：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算**14定性溫度，除r用ts外其余皆為(tw+ts)/2雷諾數(shù)二、湍流膜狀凝結(jié)換熱先假設(shè)為層流，用式（*）求h；將h代入式（**）驗(yàn)算液膜是否為層流：

若Rem<2100,計(jì)算正確，若Rem>2100改用上式求。

對(duì)于Re>2100的湍流液膜，其平均冷凝給熱系數(shù)可以下的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算方法：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算15二、湍流膜狀凝結(jié)換熱先假設(shè)為層流，用式（*）求h；例

壓力為1.013×103Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)。壁的尺寸為30cm×30cm，壁溫保持98℃。計(jì)算每小時(shí)的熱換量及凝結(jié)蒸汽量。解：假設(shè)液膜為層流。根據(jù)ts=100℃，查得r=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均溫度tm=(100+98)/2=99℃查取，

得：ρ=958.4kg/m3，μ=2.825×10-4kg/(m.s)，λ=0.68W/(m.K)則有：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算16例壓力為1.013×103Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)核算Re準(zhǔn)則：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：凝結(jié)蒸汽量為：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算17核算Re準(zhǔn)則：說明原來假設(shè)液膜為層流成立。凝結(jié)蒸汽量為：冷凝影響冷凝傳熱的主要因素不凝結(jié)氣體流體物性與液膜兩側(cè)傳熱溫差蒸汽流速與流向過熱蒸汽傳熱面的形狀與布置18影響冷凝傳熱的主要因素不凝結(jié)氣體18在冷凝器的設(shè)計(jì)中，蒸汽冷凝側(cè)設(shè)排氣孔→定期排放不凝氣。不凝氣的影響：不凝氣在液膜與蒸汽之間形成一層氣膜(冷卻過程)→附加熱阻↑↑，α冷凝↓↓。通常在靜止的蒸汽中，當(dāng)不凝氣含量?jī)H為1%時(shí)→冷凝傳熱系數(shù)降低60%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)λ、密度ρ、氣相分率y、粘度η、溫差△t等影響冷凝傳熱的主要因素19在冷凝器的設(shè)計(jì)中，蒸汽冷凝側(cè)設(shè)排氣孔→定期排放不凝氣蒸汽流速與流向的影響：蒸汽流速u增大，蒸汽與液膜間摩擦力作用不能忽略，且u的影響隨著蒸汽壓強(qiáng)的增大而加劇。

蒸汽向下流，蒸汽與液膜流動(dòng)方向相同，液膜厚度δ減小，冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)α冷凝增大；

蒸汽向上流，流速u不大時(shí)，阻礙液膜流動(dòng)，液膜厚度δ增大，冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)α冷凝減??；

流速u較大時(shí)，液膜被吹離壁面，冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)α冷凝增大。影響冷凝傳熱的主要因素20蒸汽流速與流向的影響：蒸汽流速u增大，蒸汽蒸汽過熱(TV>TS)的影響：過熱蒸汽的冷凝

過熱蒸汽冷卻(TV-TS)；飽和蒸汽的冷凝TS；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30℃的蒸汽較飽和蒸汽的給熱系數(shù)高1%，而過熱540℃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，仍按飽和蒸汽進(jìn)行計(jì)算。21蒸汽過熱(TV>TS)的影響：過熱蒸汽的冷凝過熱蒸傳熱面的形狀與布置強(qiáng)化冷凝傳熱過程α冷凝↑的主要途徑→液膜厚度δ↓。水平管：傾斜排列→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)；垂直管：縱向凹槽→凝液借重力順槽下降；沿縱向裝金屬絲or直翅片；液膜厚度δ↓影響冷凝傳熱的主要因素22傳熱面的形狀與布置強(qiáng)化冷凝傳熱過程α冷凝↑的主要途徑→液膜實(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)實(shí)意義。強(qiáng)化的原則：盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚度。實(shí)現(xiàn)的方法：尖鋒的表面；使凝結(jié)液盡快從換熱表面上排泄掉；如低肋管、縱向溝槽等表面改性，使膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié)。如表面涂層（油脂、納米技術(shù)）、離子注入冷凝傳熱過程強(qiáng)化23實(shí)踐表明，采用強(qiáng)化措施可以冷凝器平均表面?zhèn)鳠崂淠齻鳠徇^程強(qiáng)化24冷凝傳熱過程強(qiáng)化24冷凝傳熱過程周幗彥副教授2011-10-18安全工程系列講座傳熱強(qiáng)化新技術(shù)及其工程應(yīng)用25冷凝傳熱過程周幗彥副教授安全工程系列講座傳熱強(qiáng)化新技術(shù)及其提綱冷凝傳熱過程簡(jiǎn)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26提綱冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介1冷凝傳熱機(jī)理23影響冷凝傳熱的主要蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的換熱各種液體冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介冷凝傳熱：冷凝傳熱方式分類：膜狀冷凝(filmwisecondensation)

——在壁面形成完整的液膜的凝結(jié)。滴狀冷凝(dropwisecondensation)——凝結(jié)液以液珠的形式向下滾落時(shí)形成的對(duì)流換熱27蒸汽在凝結(jié)過程中與固體壁面發(fā)生的換熱冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介冷凝傳熱冷凝液體能潤(rùn)濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜。

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面上去，此時(shí)，液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。若凝液借重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱系數(shù)隨之越小。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介膜狀冷凝傳熱28冷凝液體能潤(rùn)濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜。冷凝液不能完全潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液滴，且不斷成長(zhǎng)變大，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)合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面掃清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。

沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的5~10倍甚至更高。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介滴狀冷凝傳熱29凝液不能完全潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液本節(jié)討論——純飽和蒸汽膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。冷凝情況分類：純蒸汽冷凝

——蒸汽冷凝時(shí)Tg=const.，且α↑；是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種加熱方法?；旌险羝淠羝淠龝r(shí)Tg≠const.，隨組分的冷凝而變化，α<α純蒸汽。含不凝性氣體的蒸汽冷凝——不凝氣含量↑→冷凝冷卻過程→α’<<α純蒸汽。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介30本節(jié)討論——純飽和蒸汽膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。冷凝情

是否形成膜狀冷凝主要取決于冷凝液的潤(rùn)濕能力，而潤(rùn)濕能力又取決于表面張力。表面張力小的潤(rùn)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材料潔凈表面上都能得到膜狀冷凝。冷凝傳熱過程簡(jiǎn)介31是否形成膜狀冷凝主要取決于冷凝液的潤(rùn)濕能力，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；汽相中無熱阻(汽相主體與壁面間溫差極小)→g相△T=0。純蒸汽冷凝冷凝傳熱機(jī)理32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。垂直壁面(豎板or豎管)上的冷凝冷凝傳熱機(jī)理壁上部→δ液膜↓，液流量↓→u↓，層流→α↓；壁下部→δ液膜↑，液流量↑→u↑，湍流→α↑。特點(diǎn)：冷凝液因→沿壁向下形成；重力作用新冷凝液補(bǔ)充液流量↑液膜厚↑液膜流δ液膜不同→α不同→Q層流湍流αL(液膜流動(dòng))(給熱系數(shù))33垂直壁面(豎板or豎管)上的冷凝冷凝傳熱機(jī)理壁上部→δ液膜

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(jiǎn)化，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)問題。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)。物理問題：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算34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

常物性；

蒸氣是靜止的，汽液界面上無對(duì)液膜的粘滯應(yīng)力；

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；

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(duì)流作用；

液膜的過冷度可以忽略；

v<<l，l可忽略不計(jì)；

液膜表面平整無波動(dòng)。基本假設(shè)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算35常物性；基本假設(shè)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算11豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)NewtoncoolingLaw（忽略過冷度）傾斜壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算*36豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Newtonco水平管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算37水平管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算13定性溫度，除r用ts外其余皆為(tw+ts)/2公式使用范圍，層流Re<2100雷諾數(shù)當(dāng)量直徑橫管：用d代替L幾點(diǎn)說明：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算**38定性溫度，除r用ts外其余皆為(tw+ts)/2雷諾數(shù)二、湍流膜狀凝結(jié)換熱先假設(shè)為層流，用式（*）求h；將h代入式（**）驗(yàn)算液膜是否為層流：

若Rem<2100,計(jì)算正確，若Rem>2100改用上式求。

對(duì)于Re>2100的湍流液膜，其平均冷凝給熱系數(shù)可以下的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算方法：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算39二、湍流膜狀凝結(jié)換熱先假設(shè)為層流，用式（*）求h；例

壓力為1.013×103Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)。壁的尺寸為30cm×30cm，壁溫保持98℃。計(jì)算每小時(shí)的熱換量及凝結(jié)蒸汽量。解：假設(shè)液膜為層流。根據(jù)ts=100℃，查得r=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均溫度tm=(100+98)/2=99℃查取，

得：ρ=958.4kg/m3，μ=2.825×10-4kg/(m.s)，λ=0.68W/(m.K)則有：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算40例壓力為1.013×103Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)核算Re準(zhǔn)則：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：凝結(jié)蒸汽量為：冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算41核算Re準(zhǔn)則：說明原來假設(shè)液膜為層流成立。凝結(jié)蒸汽量為：冷凝影響冷凝傳熱的主要因素不凝結(jié)氣體流體物性與液膜兩側(cè)傳熱溫差蒸汽流速與流向過熱蒸汽傳熱面的形狀與布置42影響冷凝傳熱的主要因素不凝結(jié)氣體18在冷凝器的設(shè)計(jì)中，蒸汽冷凝側(cè)設(shè)排氣孔→定期排放不凝氣。不凝氣的影響：不凝氣在液膜與蒸汽之間形成一層氣膜(冷卻過程)→附加熱阻↑↑，α冷凝↓↓。通常在靜止的蒸汽中，當(dāng)不凝氣含量?jī)H為1%時(shí)→冷凝傳熱系數(shù)降低60%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)λ、密度ρ、氣相分率y、粘度η、溫差△t等影響冷凝傳熱的主要因素43在冷凝器的設(shè)計(jì)中，蒸汽冷凝側(cè)設(shè)排氣孔→定期排放不凝氣蒸汽流速與流向的影響：蒸汽流速u增大，蒸汽與液膜間摩擦力作用不能忽略，且u的影響隨著蒸汽壓強(qiáng)的增大而加劇。

蒸汽向下流，蒸汽與液膜流動(dòng)方向相同，液膜厚度δ減小，冷凝對(duì)流傳