单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 凝结与沸腾换热,本章,主要介绍伴随有相变的对流换热方式-凝结和沸腾换热的概念、发生条件、发生类型、过程特点及有关换热量的计算等内容。,6,-1 凝结换热,6,-1-1,概述,定义:蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为,凝结换热,。,凝结换热实例,锅炉中的凝汽器换热,空调中的冷凝器换热,寒冷冬天窗户上的冰花的形成,炼油厂油的馏分过程换热,常见,凝结换热的方式:,膜状凝结,和,珠状凝结.,如果凝结液体能很好地润湿壁面,它就在壁面上铺展成膜。这种凝结形式称为膜状凝结。图a示出了在不同的润湿能力下汽液分界面对壁面形成边角润湿角的形状。小那么液体润湿能力强，液体会铺展在壁面上。,当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠，称为珠状凝结。图b示出了在不同的润湿能力下汽液分界面对壁面形成边角润湿角的形状。越大，那么液体润湿能力越弱，液体以颗粒形式凝结在壁面上。产生珠状凝结时，所形成的液珠不断开展长大在非水平的壁面上，因受重力作用液珠长大到一定尺寸后就沿壁面波下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴,膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热(潜热)必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去。这时，液膜层就成为换热的主要热阻。而珠状凝结时，壁面的局部外表与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结可能大几倍，甚至一个数量级,虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但珠状凝结很难保持，因此，工程中遇到的凝结换热大多数属于膜状凝结。这里只简单介绍膜状凝结换热的情况。,6,-1-2,膜状凝结换热的分析解及实验关联式,1.纯洁蒸汽竖壁 层流膜状凝结换热分析解,1916年，Nusselt首先提出了纯洁蒸汽层流膜状凝结换热的分析解。Nusselt从蒸气凝结的主要热阻是凝结夜膜的导热热阻的观点出发，提出了以下一系列假设：(1)常物性；(2)蒸气静止；(3)液膜的惯性力忽略；(4)气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；(5)膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；(6)液膜的过冷度忽略；(7)忽略蒸汽密度；(8)液膜外表平整无波动。,建立稳态条件下凝结换热层流边界层的微分方程组为：,g,t(y),u(y),Thermal boundary layers,Velocity boundary layers,微元控制体,下脚标,l,表示液相,i*M+i*(dM/dx)*dx,i*M,i*dM,根据边界层微分方程，利用Nusselt假设，可解得液膜中速度分布为,凝结液的质量流率为,凝结液膜内的温度分布为,凝结液膜厚度由能量守恒方程求得,最后，再次由能量平衡，可求得微元段dx内的凝结换热局部外表传热系数,整块竖壁的平均外表传热系数为,注意：,r,按 t,s,确定,定性温度：,实验说明，由于液膜外表波动，凝结换热得到了强化，实验值比理论计算值高20。工程上一般使用修正后的膜状凝结层流外表换热公式,注意：,1.对于非垂直壁如倾斜竖壁，只要用ggsin(为斜壁与水平面的夹角)代替上式中的g即可求其h。,2.对于竖管，当直径远大于凝结液膜厚度时也可使用上式计算。,2.水平管和水平管簇上的膜状凝结,2-1.,单根水平管外的膜状凝结,努塞尔的理论分析可推广到水平圆管上的层流膜状凝结。,蒸气在水平圆管外膜状凝结时凝结液膜一般为层流直径不大)，其平均凝结换热系数为,2-2.,水平管簇的膜状凝结换热,对于具有N根水平圆管竖向管列，其平均换热系数为,工程上，冷凝器大多数由管束组成。一般用N,d,代替上式的,d。,注意：1采用上述公式计算时，物性参数数据要按膜层平均温度tm=(ts+tw)/2确定；2对于垂直竖壁，定型尺寸取为竖壁的高度，对于水平圆管定型尺寸那么取为管径D；3对于垂直圆柱体，当(L)d/2时，可应用垂直平板的关系式计算。,2-3.,水平管内的膜状凝结换热计算,在空调和制冷系统中，制冷剂蒸气在管内凝结，一般要涉及水平或竖直管内蒸气凝结。这种凝结很复杂，并受到管内蒸气流速的影响。对于蒸汽流动速度较低的情况Rev,i35000，Chato推荐采用下式计算水平管内的平均凝结换热系数,其中，d,i,为管子内径；r,i,=r,i,+3/8C,pl,(t,s,-t,w,),r,i,为汽化潜热；l 和v分别表示凝结液和蒸汽的物理量,3 湍流膜状凝结换热,凝结液体流动也分层流和湍流。,凝结液膜在竖壁上的流动情况示于右图。随着与壁顶距离的增加，液膜横断面凝结液流量增加，流速增加，液膜的,惯性力,加大，而,粘性力,的作用相对减小。当凝结液流量大到一定程度后，液膜失去稳定，由层流转变为紊流。,与强迫流动类似，液膜的流动状态也用雷诺数Re判断。,无波动层流,有波动层流,湍流,式中：,u,l,为,x=l,处液膜层的平均流速；,d,e,为该截面处液膜层的当量直径。,注意,：横管因直径较小，一般都处于层流状态,对于垂直外表而言，如图，有,由热平衡，有,所以,l为定型尺寸。对于水平管，可用,r,代替上式中的l即可。,液膜由层流转变为紊流的,临界雷诺数,为1600。当Re1600时，液膜上部为层流，下部为紊流。,对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递热量外，底层之外以湍流传递为主，换热大为增强。对于竖壁的湍流凝结换热，整个壁面的平均外表传热系数可按下式计算：,其中：,h,l,为层流段的传热系数；,h,t,为湍流段的传热系数；,x,c,为层流转变为湍流时转折点的高度,l,为竖壁的总高度,湍流换热假设干经验关联式：,1Laboontzov整理的实验关联式为：,式中：。除 用壁温,计算外，其余物理量的定性温度均为,2其它较常用的实验关联式为：,即：,4 层流膜状凝结换热的准那么关联式,前面的推导中已得到,l为定型尺寸。对于垂直壁为其高度；而对于水平管外的凝结，l取为,d。,引入无量纲准那么数Co：,Co数的物理意义,：反映凝结换热的强弱。,结合前面介绍的求解结果，可得：,垂直壁的理论解：,水平管的理论解：,对于竖壁，工程上也常用右式计算其层流段的换热系数：,6,-1-3,影响膜状凝结的因素,工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。,1.不凝结气体,不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下 降，减小了凝结的驱动力 例如，水蒸气中质量含量占1的空气能使其外表传热系数降低60。,2.蒸气流速,努塞尔的理论分析结果只适用于蒸汽流速较低的场合。当流速较高时，蒸气流对液膜外表产生明显的粘滞应力。,如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，该力将使液膜拉薄，h增大；反之将使 h 减小。,3.过热蒸气,如果蒸气是过热蒸气，凝结时不仅放出汽化潜热，还放出蒸气冷却到饱和温度的热量。这时,要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。,4.液膜过冷度及温度分布的非线性,如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的,r，,5.管子排数,管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。,前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。,6.管内冷凝,此时换热与蒸气的流速关系很大。,蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气那么位于 管子上半部；,流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核。,7.凝结外表的几何形状,强化凝结换热的原那么是尽量减薄粘滞在换热外表上的液膜的厚度。可用各种带有尖峰的外表使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝结的液体尽快从换热外表上排泄掉。,例6-1,:,压力为1.013,105Pa的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。试计算每小时的换热量及凝结的蒸汽量。,分析：由于Re本身取决于平均外表换热系数h，无法通过计算Re数进而判断流态，选择适当的公式计算。可先假定为层流膜状凝结。,查水蒸汽的汽化潜热为 r=2257KJ/kg，物性参数根据液膜平均温度10098/299查，得958.4kg/m3，=2.82510-4kg/(ms)，=0.68W/(mK),选6-10计算层流液膜平均外表传热系数,代入数据，计算得,核算Re数，代入,计算，得,由于,Re1600,，因次流动为层流，前面的假定成立。,于是每小时换热量为,凝结的蒸汽量为,例6-2:一根长L1m，外径D=80mm的垂直管，它的外外表暴露在大气压力下的饱和蒸汽中，管内有冷水流过，使外表温度维持50。问：对冷却剂的传热速率是多少？蒸汽在外表上凝结的速率又是多少？,分析：(1)假定为层流膜状凝结。查饱和蒸汽表p=1atm,得ts=100，ri=2257kJ/kg；查饱和水表tf=(ts+tw)/2=75，得0.668W/mK，=975Kg/m3,l=37510-6NS/m2,选6-10计算垂直外表层流液膜平均外表传热系数,代入数据，计算得,于是，得传热速率为,代入相关数据，得,那么，凝结速率为,验证：,1雷诺数Re:,由于,Re,1600,，说明膜内确实是层流流动,另外，由于：,即：lD/2；因此，用垂直竖板得关系式套垂直圆柱体得换热问题计算是适宜的。,Exe：,P230-(6-7),(6-13),(6-17),(6-44),思考题：,1.膜状凝结和珠状凝结的概念.,2.纯洁饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的根本推导方法.,在这个推导方法中 最根本的假设是什么?,4.对于单根管子,有那些因素影响层流膜状凝结换热?它们,起什么作用?,5.对于实际凝结换热器,有那些方法可以提高膜状凝结换热,系数?,