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1、凝结换热的强化凝结换热的强化 1 影响凝结传热的因素影响凝结传热的因素影响凝结传热的因素影响凝结传热的因素 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度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下降，减小了凝结的驱动力1. 1. 1. 1. 不凝结气体不凝结气体不凝结气体不凝结气体2. 2. 2. 2. 蒸气流速蒸气流速蒸气流速蒸气流速3. 3. 3. 3. 过热蒸气过热蒸气过热蒸气过热蒸气 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。 如果蒸气流动与液
2、膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 减小。减小。2 如如果果考考虑虑过过冷冷度度及及温温度度分分布布的的实实际际情情况况，要要用用下下式式代代替替计计算公式中的算公式中的 ， 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。4. 4. 4. 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5. 5. 5. 5. 管子排数管子排
3、数管子排数管子排数 6. 6. 6. 6. 管内冷凝管内冷凝管内冷凝管内冷凝 此此时时换换热热与与蒸蒸气气的的流流速速关关系系很很大大。蒸蒸气气流流速速低低时时，凝凝结结液液主主要要在在管管子子底底部部，蒸蒸气气则则位位于于管管子子上上半半部部。流流速速较较高高时时，形形成成环环状状流流动动，凝凝结结液液均均匀匀分分布布在在管管子子四四周周，中中心心为为蒸气核。蒸气核。3强强化化凝凝结结换换热热的的原原则则是是尽尽量量减减薄薄粘粘滞滞在在换换热热表表面面上上的的液液膜膜的厚度。的厚度。可可用用各各种种带带有有尖尖峰峰的的表表面面使使在在其其上上冷冷凝凝的的液液膜膜拉拉薄薄，或或者者使已凝结的液
4、体尽快从换热表面上使已凝结的液体尽快从换热表面上 排泄掉。排泄掉。7. 7. 7. 7. 凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状4-1 -1 凝结换热凝结换热一一一一. . . .概述概述概述概述1.1.1.1.凝结凝结凝结凝结 2.2.2.2.凝结形式凝结形式凝结形式凝结形式(1)(1)膜状凝结膜状凝结: :g当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠壁面上形成许多小液珠g工质在饱和温度下由气态转化为液态的过程称为凝结工质在饱和温度下由气态转化为液态的过程称为凝结. .当凝结液能很好地润湿壁面时当凝结液能很好
5、地润湿壁面时, ,凝结液将凝结液将形成连续的膜向下流动形成连续的膜向下流动(2) (2) 珠状凝结珠状凝结5(3) (3) 两种凝结形式的比较两种凝结形式的比较膜状凝结膜状凝结: :由于沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力由于沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度及运动状态直接影响了热量传递此，液膜厚度及运动状态直接影响了热量传递。珠状凝结珠状凝结: :由于凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在由于凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直壁面上形成许多小液
6、珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，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）甚至一个数量级）虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大凝结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结多属于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结.6 凝结膜状凝结凝结发生在气液接触面凝结发生在壁面：珠状凝结so：珠珠状凝凝结的的传热系系数膜膜状凝凝结的的传热系系数在实际过程中，一般都是膜状凝结
7、，可以对壁面进行预处理或蒸汽中加促进剂预处理或蒸汽中加促进剂在换热时，蒸汽流速对凝结换热影响尤为明显蒸汽与液膜流动方向相同力作用液膜减薄传热增强蒸汽与液膜流动方向相反力作用阻碍液膜流动液膜增厚传热减弱液膜脱离壁面传热系数急剧增大7.1.1 管外凝结传热的强化管外凝结传热的强化方 法1)粗糙表面法2）采用各种形式的强化传热管3)应用纵向肋或凹槽1) 粗糙表面法粗糙表面法 壁面粗糙可以增强液膜湍流速度，所以能强化凝结换热效果。如用滚花冷辊管，其传热系数是光滑管的4倍。但是当液膜做 层流流动时，粗糙度对扰动液膜作用不大。2）采用各种形式的强化传热管）采用各种形式的强化传热管低肋管 ：利用冷凝液的 表
8、面张力使翅片顶部 的液膜减薄来强化传热。机理由于在低肋管肋片上形成的液膜较薄，且换热面积要比光管大由于在低肋管肋片上形成的液膜较薄，且换热面积要比光管大得多，因此传热量要比光管大得多。但由于肋片高度、间距以得多，因此传热量要比光管大得多。但由于肋片高度、间距以及液体表面张力对凝结换热有很大的影响，若参数选取不当，及液体表面张力对凝结换热有很大的影响，若参数选取不当，易形成搭桥现象或影响凝结液顺利流出。易形成搭桥现象或影响凝结液顺利流出。 研究表明：一定尺寸的低肋管只能适用于表面张力一定的工质。研究表明：一定尺寸的低肋管只能适用于表面张力一定的工质。GEWA-TXY管管它的翅片外缘呈V字形状，管
9、外冷凝传热系数是低肋管的1.21.6倍，比低肋管稍高。C管冷凝传热系数是低肋管的1.52倍，比GEWA管高80%。 图4：C管图5 C管的表面结构及其与低肋管、光管的性能比较锯齿形翅片管锯齿形翅片管翅片的外缘周长比普通低肋管要长，这就扩大了翅片的外缘周长比普通低肋管要长，这就扩大了表面张力作用的薄液区，另外相邻翅片间的锯齿表面张力作用的薄液区，另外相邻翅片间的锯齿错开排列也会激起冷凝液的湍动，使冷凝传热系错开排列也会激起冷凝液的湍动，使冷凝传热系数显著提高。数显著提高。图6 锯齿形翅片管 径向辐射肋管径向辐射肋管虽然翅片没有锯齿尖，但其冷凝传热系数却比锯虽然翅片没有锯齿尖，但其冷凝传热系数却比
10、锯齿形翅片管要高齿形翅片管要高30%30%。这是由于其翅片两侧都有。这是由于其翅片两侧都有呈辐射状分布的凸肋，细密的肋除增大外表面积呈辐射状分布的凸肋，细密的肋除增大外表面积之外，能充分利用冷凝表面张力作用及促进液膜之外，能充分利用冷凝表面张力作用及促进液膜的对流换热。的对流换热。图7 径向辐射肋管径向辐射肋管3 3）应用纵向肋或凹槽）应用纵向肋或凹槽其特点：其特点：尖锐的前缘，从顶部到根部肋表面曲率尖锐的前缘，从顶部到根部肋表面曲率逐渐变化；肋间有宽槽用以收集凝结液；在纵管逐渐变化；肋间有宽槽用以收集凝结液；在纵管沿垂直方向安装分段排液盘以便凝结液早脱落。沿垂直方向安装分段排液盘以便凝结液早
11、脱落。 7.1.2 7.1.2 管内凝结传热的强化管内凝结传热的强化对比光滑管，其管内压降的提高比冷凝传热系数的提高更显著，因而强化冷凝传热效能不高其具有相对较低的管内压降和高的冷凝传热强化性能，是强化管内冷凝传热的最佳管型翅片及沟槽断面均为梯形翅片断面为三角形沟槽断面为梯形翅片均为二维结构之前的低肋管、锯齿形翅片管、之前的低肋管、锯齿形翅片管、CCSCCS管还有管还有GEWA-TXGEWA-TX管，管，均由于管外传热系数大幅度提高，热阻已从管外侧转移到管均由于管外传热系数大幅度提高，热阻已从管外侧转移到管内水侧。为了促进管内水侧的换热，已不是采用提高水速的内水侧。为了促进管内水侧的换热，已不
12、是采用提高水速的办法，而是将管子加工成内壁呈各种形状的凸肋，通过扰流办法，而是将管子加工成内壁呈各种形状的凸肋，通过扰流破坏边界层来达到强化传热的目的。破坏边界层来达到强化传热的目的。下面是几种管内强化传热管管内强化传热管作用：令水在管内流动形成螺旋流，使边界令水在管内流动形成螺旋流，使边界层分离、减薄，使水侧传热得以强化。层分离、减薄，使水侧传热得以强化。作用：减少由于管外扎槽对管外可加工面减少由于管外扎槽对管外可加工面积减少的影响，尽可能减少管内水积减少的影响，尽可能减少管内水侧的流动阻力。侧的流动阻力。DAE-2管目前被广泛用于制造国产冷水机组的换热器。它为波纹状单螺旋内槽管，管内表面加
13、工有螺旋微槽，且在管外轧有一条大螺纹DAEC管为波纹状交叉螺旋内槽管，与DAE-2不同的是在其内表面加工有两组相互交叉的螺旋微槽。DAEC管平均传热系数比DAE-2管提高10%。主要原因：主要原因： DAEC管比DAE-2管换热面积更大；DAEC管提供了更多的排液途径，有利于凝结液排走，肋尖端的波液膜区域更多：DAEC管中两组微槽相互交叉，对凝结液的扰动更猛烈。7.2 沸腾传热的强化沸腾传热的强化沸腾沸腾容积沸腾容积沸腾表面沸腾表面沸腾池内沸腾池内沸腾流动沸腾流动沸腾发生在大容器中发生在大容器中且不发生定向流动且不发生定向流动发生在液体通过发生在液体通过管道做定向运动管道做定向运动发生在液体容
14、积发生在液体容积内部，且不存在内部，且不存在固体加热表面固体加热表面无论是池内沸腾还是流动沸腾，液体沸腾都存在3种工况：核态沸腾核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾。核态池沸腾是液体沸腾换热中最基本的一种沸腾过程。核态池沸腾换热有着很强的工业应用景，而且也是最简单的一种沸腾换热方式。7.2.1 沸腾传热技术的研究沸腾传热技术的研究核核态态池池沸沸腾腾换换热热的的机机理理模模型型对流类比模型对流类比模型气液交换机理气液交换机理液体微层汽化机理液体微层汽化机理核态沸腾换热的复合核态沸腾换热的复合沸腾表面的活化核心沸腾表面的活化核心一般认为，加热壁面上总是存在着各种伤痕、裂缝和加工的痕迹，因此会形成许多大小
15、不等的微小凹坑。当凹坑内的气泡核心长大到露出凹坑口部，且露出凹坑口部的小气泡半径大于或等于给定液体所对应的临界气泡半径时，气泡核心才能继续长大。这样的凹坑称为活化核心活化核心。7.2.2 池沸腾强化传热技术池沸腾强化传热技术a.换热面的加工方法b.表面粗糙度c.材料特性d.新旧程度a.气体压力高能使 汽化核心增多b.流体与换热表面的接触角小对水平放置的管束，由于上升的蒸气在上部流速较大，引起了附加扰动，上部比下部传热系数高7.2.3 7.2.3 流动沸腾强化传热技术流动沸腾强化传热技术影响流动沸腾传热的主要因素：流速、热流密度、热力学干度，换热面形状、几何结构尺寸、工质流动方式。 下面介绍一些
16、强化流动沸腾传热强化流动沸腾传热的方法1.1.各种特殊加工和处理的表面各种特殊加工和处理的表面各种特殊加工和处理的表面各种特殊加工和处理的表面2.2.肋化表面肋化表面肋化表面肋化表面 通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻，从而达通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻，从而达通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻，从而达通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻，从而达到强化传热的目的。到强化传热的目的。到强化传热的目的。到强化传热的目的。3.3.移植式强化物移植式强化物移植式强化物移植式强化物将强化物置于非传热面而使传热得到强化将强化物置于非传热面而使传热得到强化4.涡流装置涡流装置最普遍采用的涡流装置是扭曲带，螺旋管也是一种有效的最普遍采用的涡流装置是扭曲带，螺旋管也是一种有效的涡流装置。涡流装置。5.振动振动振动对低热流下的核沸腾传热会有所加强，而对高热流下的振动对低热流下的核沸腾传热会有所加强，而对高热流下的核沸腾传热影响不大。核沸腾传热影响不大。6.添加剂添加剂谢谢大家！
