1,第 六 章 凝结与沸腾换热,Condensation And Boiling Heat Transfer,2,6-1 凝结换热现象,一、凝结换热 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。 各种液体,二、凝结换热的分类 1. 膜状凝结(filmwise condensation): 在壁面形成完整的液膜的凝结。,2. 珠状凝结(dropwise condensation)： 凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。,3,是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力，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凝结。,4,珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。 在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大的加强，一般,在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。 膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。,珠状凝结好 难于获得,5,6-2 膜状凝结分析解及实验关联式,一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解,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，忽略次要因素，突出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt 1916年成功地用理论分析法求解了膜状凝结问题。下面即为此理论：,1. 物理问题：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。 2. 基本假设： 1）常物性；2）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜惯性力可以忽略； 4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度；5）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；6）液膜的过冷度可以忽略； 7）vl， l可忽略不计；8）液膜表面平整无波动。,6,3.数学描述： 取如右图所示的坐标系，因为液膜具有边界层的特性，故满足边界层微分方程组，但要加上重力项。,Bernoulli方程 边界层外,7,4. 求解,8, ？x 处的质量流量,X+dx 处质量流量的增加,对微元体应用热力学第一定律,即,分离变量积分,9,5. 局部表面传热系数 Newton cooling Law（忽略过冷度）,竖壁的平均表面传热系数：,得,液膜厚度,10,倾斜壁,水平管 Nusselt 采用图解积分得,球表面,11,6. 几点说明 定性温度，除r 用 ts 外其余皆为(tw+ts)/2 公式使用范围，层流 Re1600,Reynolds Number,当量直径,横管：用d 代替 L,12,7. 准则关系,Galileo Number,Jacob Number,Condensation Number,横管,13,惯性力项及液膜过冷度的影响均可略而不计。,实验表明，液膜由层流转变为湍流的临界雷诺数为 1600。,对于Pr数接近于1或大于1的流体，只要,8. 理论公式的修正,横管吻合很好。竖壁，Re20时，实验值高20%,14,二、 湍流膜状凝结换热：,对于Re 1600 的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：,除Prw 的定性温度用 tw 外，其余均用ts，物性为凝结液的,15,例题 6-1 压力为1.013103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为30cm30cm，壁温保持98。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。,解： 先假设液膜为层流。 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：,16,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：,17, 6-3 影响膜状凝结因素的讨论,1. 不凝结气体： 由于不凝结气体形成气膜，故： 1).蒸气要扩散过气膜，形成阻力； 2).气膜导致蒸气分压力降低，从而使 ts 降低：,严重性：1% 的不凝结气体能使 h降低 60% 凝汽器,18,2. 蒸气流速： 前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。 u 向上 液膜增厚 h ；u 液膜破裂 h u 向下 液膜减薄 h ； u 液膜破裂 h ,3. 过热蒸气： 实验证实 h-h 代替 r 即可,4. 液膜过冷度及温度分布的非线形： 只要用r 代替计算公式中的 r，即可：,19,5. 管子排数 n排 特征长度 d nd 由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使 h 增大。,6. 管内冷凝,20,7. 凝结表面情况 凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。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 表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入,21,