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1、第六章第六章 凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热本章主要引本章主要引见伴随有相伴随有相变的的对流流换热方式方式-凝凝结和沸和沸腾换热的概念、的概念、发生条件、生条件、发生生类型、型、过程特点及有关程特点及有关换热量的量的计算等内容。算等内容。 6-1 6-1 凝凝结换热 6-1-1 6-1-1概述概述定定义: :蒸气被冷却凝蒸气被冷却凝结成液体的成液体的换热过程称程称为凝凝结换热。凝结换热实例凝结换热实例 锅炉中的凝汽器换热锅炉中的凝汽器换热 空调中的冷凝器换热空调中的冷凝器换热 冰冷冬天窗户上的冰花的构成冰冷冬天窗户上的冰花的构成 炼油厂油的馏分过程换热炼油厂油的馏分过程换热常见凝结换热的方式常见
2、凝结换热的方式:膜状凝结和珠状凝结膜状凝结和珠状凝结.假设凝结液体能很好地润湿壁面,它就在壁面上铺展成膜。这种凝结方式称为膜状凝结。图a示出了在不同的润湿才干下汽液分界面对壁面构成边角润湿角的外形。小那么液体润湿才干强，液领会铺展在壁面上。当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上构成一个个的小液珠，称为珠状凝结。图b示出了在不同的润湿才干下汽液分界面对壁面构成边角润湿角的外形。越大，那么液体润湿才干越弱，液体以颗粒方式凝结在壁面上。产生珠状凝结时，所构成的液珠不断开展长大在非程度的壁面上，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
3、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)必需穿过液膜才干传到冷却壁面上去。这时，液膜层就成为换热的主要热阻。而珠状凝结时，壁面的部分外表与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结能够大几倍，甚至一个数量级虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但珠状凝结很难坚虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但珠状凝结很难坚持，因此，工程中遇到的凝结换热大多数属于膜状凝结。持，因此，工程中遇到的凝结换热大多数属于膜状凝结。这里只简单引见膜状凝结换热的情况。这里只简单引见膜状凝结换热的情况。 6-1-2 6-1-2 膜状凝膜状凝结换热的分析解及的分析解及实验关关联式式1. 纯真蒸汽真蒸汽竖壁壁
4、层流膜状凝流膜状凝结换热分析解分析解1916年，年，Nusselt首先提出了纯真蒸汽层流膜状凝结换首先提出了纯真蒸汽层流膜状凝结换热的分析解。热的分析解。 Nusselt从蒸气凝结的主要热阻是凝结夜从蒸气凝结的主要热阻是凝结夜膜的导热热阻的观念出发，提出了以下一系列假设膜的导热热阻的观念出发，提出了以下一系列假设 ：(1)常物性；常物性；(2) 蒸气静止；蒸气静止；(3) 液膜的惯性力忽略；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；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，即热量转移只需导热；膜内温度线性分布，即热量转移只需导热；(6) 液液
5、膜的过冷度忽略；膜的过冷度忽略； (7) 忽略蒸汽密度；忽略蒸汽密度；(8) 液膜外表平液膜外表平整无动摇。整无动摇。建立建立稳态条件下凝条件下凝结换热层流流边境境层的微分方程的微分方程组为：gt(y)u(y)ThermalboundarylayersVelocityboundarylayers微元控制体下脚标下脚标 l 表示液相表示液相i*M+i*(dM/dx)*dxi*Mi*dM根据边境层微分方程，利用根据边境层微分方程，利用Nusselt假设，可解得液膜假设，可解得液膜中速度分布为中速度分布为凝结液的质量流率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内的温度分布为凝结液膜厚度由能
6、量凝结液膜厚度由能量守恒方程求得守恒方程求得最后，再次由能量平衡，可求得微元段最后，再次由能量平衡，可求得微元段dx内的凝结内的凝结换热部分外表传热系数换热部分外表传热系数整块竖壁的平均外表传热系数为整块竖壁的平均外表传热系数为留意：留意：r 按按 ts 确定确定定性温度：定性温度：实验阐明，由于液膜外表动摇，凝结换热得到了强化，实验阐明，由于液膜外表动摇，凝结换热得到了强化，实验值比实际计算值高实验值比实际计算值高20。工程上普通运用修正。工程上普通运用修正后的膜状凝结层流外表换热公式后的膜状凝结层流外表换热公式留意：留意：1.对于非垂直壁如于非垂直壁如倾斜斜竖壁，只需用壁，只需用ggsin
7、 (为斜壁与程度面的斜壁与程度面的夹角角)替代上式中的替代上式中的g即可求其即可求其h。2.对于于竖管，当直径管，当直径远大于凝大于凝结液膜厚度液膜厚度时也可运用上也可运用上式式计算。算。2. 程度管和程度管簇上的膜状凝程度管和程度管簇上的膜状凝结2-1. 单根程度管外的膜状凝根程度管外的膜状凝结努塞尔的实际分析可推行到程度圆管上的层流膜状凝结。努塞尔的实际分析可推行到程度圆管上的层流膜状凝结。 蒸气在程度圆管外膜状凝结时凝结液膜普通为层流直径不大蒸气在程度圆管外膜状凝结时凝结液膜普通为层流直径不大)，其平均凝结换热系数为其平均凝结换热系数为2-2. 程度管簇的膜状凝程度管簇的膜状凝结换热对于
8、具有对于具有N根程度圆管竖向管列，其平均换热系数为根程度圆管竖向管列，其平均换热系数为工程上，冷凝器大多数由管束组成。普通用工程上，冷凝器大多数由管束组成。普通用NdNd替代上式的替代上式的d d。 留意：留意： 1采用上述公式计算时，物性参数数据要按膜层平均采用上述公式计算时，物性参数数据要按膜层平均温度温度tm=(ts+tw)/2确定；确定；2对于垂直竖壁，定型尺寸取为竖壁对于垂直竖壁，定型尺寸取为竖壁的高度，对于程度圆管定型尺寸那么取为管径的高度，对于程度圆管定型尺寸那么取为管径D；3对于垂直对于垂直圆柱体，当圆柱体，当 (L)d/2时，可运用垂直平板的关系式计算。时，可运用垂直平板的关
9、系式计算。2-3. 程度管内的膜状凝程度管内的膜状凝结换热计算算在空调和制冷系统中，制冷剂蒸气在管内凝结，普通要涉及程在空调和制冷系统中，制冷剂蒸气在管内凝结，普通要涉及程度或竖直管内蒸气凝结。这种凝结很复杂，并遭到管内蒸气流度或竖直管内蒸气凝结。这种凝结很复杂，并遭到管内蒸气流速的影响。对于蒸汽流动速度较低的情况速的影响。对于蒸汽流动速度较低的情况Rev,i35000，Chato引荐采用下式计算程度管内的平均凝结换热系数引荐采用下式计算程度管内的平均凝结换热系数其中，其中，di为管子内径；管子内径；ri=ri+3/8Cpl(ts-tw), ri 为汽化潜汽化潜热；l 和和v分分别表示凝表示凝
10、结液和蒸汽的物理量液和蒸汽的物理量3 3 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热凝结液体流动也分层流和湍流。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。随着与壁顶间隔的添加，液膜横断面凝结液流量添加，流速添加，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，液膜的流动形状也用雷诺数Re判别。 无动摇层流无动摇层流有动摇层流有动摇层流湍流湍流式中：式中： ul ul 为为 x = l x = l 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de de 为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。留意：
11、横管因直径较小，普通都处于层流形状留意：横管因直径较小，普通都处于层流形状对于垂直外表而言，如图，有对于垂直外表而言，如图，有由热平衡，有由热平衡，有所以所以l为定型尺寸。对于程度管，可用为定型尺寸。对于程度管，可用r 替代上式中的替代上式中的l即可。即可。液膜由层流转变为紊流的临界雷诺数为液膜由层流转变为紊流的临界雷诺数为1600。当。当Re1600时，液膜上部为层流，下部为紊流。时，液膜上部为层流，下部为紊流。对湍流液膜，除了接近壁面的层流底层仍依托导热来对湍流液膜，除了接近壁面的层流底层仍依托导热来传送热量外，底层之外以湍流传送为主，换热大为加传送热量外，底层之外以湍流传送为主，换热大为
12、加强。对于竖壁的湍流凝结换热，整个壁面的平均外表强。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：传热系数可按下式计算：其中：其中：hl 为层流段的传热系数；为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数；为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转机点的高度为层流转变为湍流时转机点的高度 l 为竖壁的总高度为竖壁的总高度湍流换热假设干阅历关联式：湍流换热假设干阅历关联式：1Laboontzov整理的实验关联式为：整理的实验关联式为：式中：式中： 。除。除 用壁温用壁温 计算外，其他物理量的定性温度均为计算外，其他物理量的定性温度均为2其它较常用的实验关联式为：其它较常用
13、的实验关联式为：即：即：4 4 层流膜状凝结换热的准那么关联式层流膜状凝结换热的准那么关联式前面的推导中已得到前面的推导中已得到l为定型尺寸。对于垂直壁为其高度；而对于程度管外的凝结，为定型尺寸。对于垂直壁为其高度；而对于程度管外的凝结，l取为取为d。引入无量纲准那么数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。数的物理意义：反映凝结换热的强弱。结合前面引见的求解结果，可得：结合前面引见的求解结果，可得：垂直壁的实际解：垂直壁的实际解：程度管的实际解：程度管的实际解：对于竖壁，工程上也常用右式对于竖壁，工程上也常用右式计算其层流段的换热系数：计算其层流段的换热系数： 6-1-
14、3 6-1-3 影响膜状凝影响膜状凝结的要素的要素 工程实践中所发生的膜状凝结过程往往比较复工程实践中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种要素的影响。杂，受各种要素的影响。 1. 不凝结气体不凝结气体 不凝结气体添加了传送过程的阻力，同时使饱不凝结气体添加了传送过程的阻力，同时使饱和温度下和温度下 降，减小了凝结的驱动力降，减小了凝结的驱动力 例如，例如，水蒸气中质量含量占水蒸气中质量含量占1的空气能使其外表传的空气能使其外表传热系数降低热系数降低60。2. 2. 蒸气流速蒸气流速 努塞尔的实际分析结果只适用于蒸汽流速较低的场所。努塞尔的实际分析结果只适用于蒸汽流速较低的场所。当流速较高时
15、，蒸气流对液膜外表产生明显的粘滞应力。当流速较高时，蒸气流对液膜外表产生明显的粘滞应力。 假设蒸气流动与液膜向下的流动同向时，该力将使液膜假设蒸气流动与液膜向下的流动同向时，该力将使液膜拉薄，拉薄，h h增大；反之将使增大；反之将使 h h 减小。减小。3. 3. 过热蒸气过热蒸气假设蒸气是过热蒸气，凝结时不仅放出汽化潜热，还放出蒸假设蒸气是过热蒸气，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。这时要思索过热蒸气与饱和液的气冷却到饱和温度的热量。这时要思索过热蒸气与饱和液的焓差。焓差。4. 液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 假设思索过冷度及温度分布的实践情况
16、，要用下式替代假设思索过冷度及温度分布的实践情况，要用下式替代计算公式中的计算公式中的 r ， 5. 管子排数管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。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。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。6. 管内冷凝管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。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，蒸气那么位于蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气那么位于 管子管子上半部；上半部；流速较高时，构成环状流动，凝结液均匀分布在管子周围，流速较高时，构成环状流动，凝结液均匀分布在管
17、子周围，中心为蒸气核。中心为蒸气核。7.凝结外表的几何外形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。例例6-1: 压力力为1.013105Pa的水蒸气在方形的水蒸气在方形竖壁上凝壁上凝结。壁的尺寸。壁的尺寸为30cm30cm，壁温，壁温坚持持98。试计算每小算每小时的的换热量及凝量及凝结的蒸汽量。的蒸汽量。分析：由于分析：由于Re本身取决于平均外表换热系数本身取决于平均外表换热系数h，无法经过计算，无法经过计算Re数进而判别流态，选择适当的公式计算。可先假定为层流膜数进而判别流态，选择适当
18、的公式计算。可先假定为层流膜状凝结。状凝结。查水蒸汽的汽化潜水蒸汽的汽化潜热为 r=2257KJ/kg，物性参数根据液膜，物性参数根据液膜平均温度平均温度10098/299查，得，得958.4kg/m3， =2.82510-4kg/(m s)， =0.68W/(m K)选选6-10计算层流液膜平均外表传热系数计算层流液膜平均外表传热系数代入知数据，计算得代入知数据，计算得核算核算Re数，代入数，代入计算，得计算，得由于由于Re1600，因次流动为层流，前面的假定成立。，因次流动为层流，前面的假定成立。于是每小时换热量为于是每小时换热量为凝结的蒸汽量为凝结的蒸汽量为例例6-2: 一根一根长L1m
19、，外径，外径D=80mm的垂直管，它的外外表暴的垂直管，它的外外表暴露在大气露在大气压力下的力下的饱和蒸汽中，管内有冷水流和蒸汽中，管内有冷水流过，使外表温，使外表温度度维持持50。问：对冷却冷却剂的的传热速率是多少？蒸汽在外表速率是多少？蒸汽在外表上凝上凝结的速率又是多少？的速率又是多少？分析：分析： (1)假定假定为层流膜状凝流膜状凝结。查饱和蒸汽表和蒸汽表p=1atm,得得ts=100，ri=2257kJ/kg；查饱和水表和水表tf=(ts+tw)/2=75，得得 0.668W/m K，=975Kg/m3 , l=37510-6N S/m2,选选6-10计算垂直外表层流液膜平均外表传热系
20、数计算垂直外表层流液膜平均外表传热系数代入知数据，计算得代入知数据，计算得于是，得传热速率为于是，得传热速率为代入相关数据，得代入相关数据，得那么，凝结速率为那么，凝结速率为验证：验证：1雷诺数雷诺数Re :由于由于Re1600，阐明膜内确实是层流流动，阐明膜内确实是层流流动另外，由于：另外，由于：即：即：lD/2；因此，用垂直竖板得关系式套垂直圆；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。柱体得换热问题计算是适宜的。Exe：P230- (6-7), (6-13), (6-17), (6-44)思索题：思索题：1.1.膜状凝结和珠状凝结的概念膜状凝结和珠状凝结的概念. .2.2.纯真饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的根本推纯真饱和蒸汽层流膜状凝结换热分析解的根本推导方法导方法. . 在这个推导方法中在这个推导方法中 最根本的假设是什么最根本的假设是什么? ? 4.4.对于单根管子对于单根管子, , 有那些要素影响层流膜状凝结换有那些要素影响层流膜状凝结换热热? ? 它们它们 起什么作用起什么作用? ?5.5.对于实践凝结换热器对于实践凝结换热器, , 有那些方法可以提高膜状有那些方法可以提高膜状凝结换热凝结换热 系数系数? ?
