（化学工程专业论文）水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究.pdf

摘要 结合蒸发式冷凝器的设计，对水平管内低压蒸汽冷凝现象进行了实验研 究。考察了冷却水流量、温度恒定条件下热流密度、蒸汽压力、蒸汽流速对冷 凝传热膜系数及总传热系数的影响关系，同时考察了总传热温差、蒸汽进出口 温差及压差随热流密度变化的关系。发现水平管内低压蒸汽冷凝过程与常压条 件下蒸汽冷凝过程相同，管内冷凝传热膜系数、总传热系数随热流密度、蒸汽 压力的增大而增大，但热流密度、蒸汽压力对低压蒸汽冷凝有着更为显著的影 响，管外冷却水流量对其影响并不明显。应用两相界面理论分析了汽液界面热 阻在水平管内低压蒸汽冷凝过程中所起的作用，发现实验范围内汽液界面热阻 不可忽略，且其对冷凝传热过程的影响随蒸汽压力的增大而减弱。水平管内低 压蒸汽冷凝的管内冷凝传热膜系数与努塞尔特理论计算值有一定的关系，表明 蒸汽动能和重力势能相对大小的无因次参数n 对其有显著影响。关联出了相应 的水平管内冷凝传热膜系数的计算式，计算值与实测值的偏差在1 5 以内。 关键词：水平管；低压；冷凝；汽液界面热阻 a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no fc o n d e n s a t i o no fl o w - p r e s s u r ev a p o ri nah o r i z o n t a lt u b ei s s t u d i e dt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nh e a tf l u xd e n s i t v a p o rp r e s s u r e ，v a p o rv e l o c i t y a n dt h ec o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e rf o rc o n d e n s a t i o ni nt u b e ，t h ec o e f i 5 c i e n to fh e a t t r a n s f e ri nt o t a la r ei n v e s t i g a t e d t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh e a tf l u xd e n s i t ya n dt h e t o t a ld i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e , t h ed i f f e r e n c eo f t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ed r o po f v a p o r f r o mt h ee n t r a n c eo f t h et u b et ot h ee x i ta r ei n v e s t i g a t e da sw e l lt h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e q u a l i t a t i - j e b e h a v i o ri nt h i s p r o c e s s i ss i m i l a rt ot h a to b s e r v e di n c o n d e n s a t i o no fv a p o ra to ra b o v ea t m o s p h e r ep r e s s u r e ，t h ec o e f f i c i e n to fh e a t t r a n s f e rf o rc o n d e n s a t i o ni nt u b e , t h ec o e f f i c i e n to f h e a tt r a n s f e ri nt o t a li n c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s i n go fh e a tf l u xd e n s i t ya n dv a p o rp r e s s u r e + h o w e v e r , h e a tf l u xd e n s i t y a n dv a p o rp r e s s u r eh a v eam o r e s i g n i f i c a n te f f e c to n t h e mt h e t h e o r yo f i n t e r f a c eo f t w o p h a s ef l u i di du s e dt oa n a l y z et h er o l eo f t h ei n t e r r a c i a lh e a tt r a n s f e rr e s i s t a n c e i nc o n d e n s a t i o np r o c e s s ，i ts h o w st h a tt h ei n t e r r a c i a lh e a tt r a n s f e rr e s i s t a n c ec a nn o t b ei g n o r e du n d e rs u c hav a c u u mc o n d k i o n ，a n dt h ee f f e c to nh e a tt r a n s f e rp r o c e s s b e c o m e sd e c l i n e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f v a p o rp r e s s u r e a n a t y t i c a lr e l a t i o n s h i p sa r e o b t a i n e df o rc a l c u l a t i o no ft h ec o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e rf o rc o n d e n s a t i o ni nt u b e t h er e l a t i v ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a lv a l u ea n dt h ec a l c u l a t e dv a l u ei s s m a l l e rt h a n 1 5 k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lt u b e ；l o w - p r e s s u r e ；c o n d e n s a t i o n ；i n t e r r a c i a l h e a t t r a n s f e rr e s i s t a n c e 承警管内低压蒸汽冷凝理象蛇磅究 u 目舀 传菸是垂然努窝工翌鼓零领域稷赣速戆一静蕊递过翟，蘑来遥行这秘黄遂 过程的换热器是化工、石油、制药、能源等工业部门应用相当广泛的单元设备 之一。例如，在化举工业中所用换热嚣的投资大约占设备总投资的3 0 ，在炼 油厂中捩热器占全部工艺设餐投资的4 0 ，海承浚亿工艺装置剜几乎全部是由 换热器组成的“。、 叁7 0 年代耪发生雀赛憋筑漂蔻裁以寒，缝源爨爱在摹l 遮藏李孛获占懿冼擎 迅速增大。随着现代工业的飞速发展，一方面能源紧张的状况愈演愈烈，另一 方面在嚣工业生产过程中存在很大的节能潜力。目前，水资源的匮乏已经成为 撬佳夫类发震疆灏戆瓣蘧。瓣有关专家往诗，2 0 0 0 年我嚣躐市缺东鬣达4 0 0 亿 立方米，全国因缺水影响的嗣民生产总值达2 4 0 0 亿元人民币。而到2 0 3 0 年前 全国鳃缺水量将达到6 0 0 亿立方米”1 。 第二荚吸收式热泵( 简称a h t ) 系统作为一种有效的节能技术受到了世界 的关注”1 。大连理工大学化学工程研究所与北京燕山石油化工研究院共同开发 了基惠繁一套a h t 系统，建予基瘦凝聚餐汽援气菠蕊，基蓑歪娃于工监讫试验除 段。鉴于水资源的日益匮乏，拟在此热泵系统中采用节水、节能、裔效的蒸发 式冷凝器替代传统的水冷凝器。蒸发式冷凝器中游遍存在麓水平管肉低压蒸汽 冷凝的蕊象，然瑟，前天静研究工作大多集中予中、高压狄态下餐冷系统中冷 剂，如n h 3 、r - 1 2 、r - 2 2 等蒸汽的冷凝 4 - 1 t 对于低压状怒下水蒸汽的冷凝还 缺乏切实有效豹实验数据。捷统匏冷凝理论认为：蒸汽冷凝传热热照盎汽滚赛 面热阻和凝液液膜热阻两部分组成。其中，汽液界面热阻的出现是由于汽液界 面上的温度突变所引起的，髓这种温度突变现象在蒸汽压力低于1 0 4 p a 时对蒸 汽冷凝传热过程其毒显著戆影璃“。 为垒面深入擎握蒸发式冷凝器的传热、传质性能，以使其在我国广大缺水 的内陆、沿海地区得到广泛威孀，有努要就水平繁内低压蒸汽冷凝现象做避一 步豹研究。本文络合蒸发式冷凝器静设计研究了水平管内低压蒸汽冷凝现象， 重点讨论了汽液界丽热阻对蒸汽冷凝传热过程的影响，为此类设备设计工作的 改进提供了部分理论鄂实验依据。 查羔篁查堡篓鲞塑堡塑銎茎墼堡茎 一 l 文献综述 l 。la 珏t 概述 1 1 1a h t 技术发展概况 1 8 5 2 年，t h o m s o n 发表了第一篇有关热泵瑗论款论文，搔窭摹4 冷籁隶l 熬建 两种循环原理棚同丽成用终端不同的技术，制冷机也可阁以供热。2 0 世纪初， k r a u s s 和m o r e y 通过分析制冷设备的性能，在t h o m s o n 论文的罄础上研究了开 发热泵系统懿可行性。1 9 2 0 年，a l t a n k i r c h 善次提趣了吸收式热象的理论。1 9 4 5 年，美国卡雷公司研制成功了世界酋台l i b r - h 2 0 吸收式制冷机，为a h t 技术 静发展羹定了鏊礁 1 3 3 1 9 7 6 年，美国b c l ( b a f f l ec o l u m b e rl a b s ) 预测a h t 技术具有巨大的市 场潜力，并予1 9 7 8 年将1 8 0t o n s ( 冷吨) 露l 冷辊浚装成输密功率为5 8 0k w 瓣 a i t t 系缆以进行工业化试验。1 9 8 1 年，bc l 与acc ( a d o l p hc o o r sc o m p a n y ) 合作开发了较为完善的a h t 系统。1 9 8 3 年，a + c c 开始生产并销售成套a h t 设签。j 琏：后，a h t 技术在回收具体生产过程中的废热，妇造纸生产过程中殿翱 的消化、纸张的干燥；硫酸缴产过程中的吸收；油脂化工生产过程中凝液的闪 蒸；石演佬工生产遂稷中静糍键、汽提等工照应灞中均获缮了扳薹懿经济效爨。 美国o a kr i d g e 国家黧点实验室在联合碳化合物公司的资助下也开展了类似的 研究工作。美圈能源帮( d o 嚣 己将工监掰熟泵礞鹜烈入其研究、开获计划中， 初步计划到2 0 1 0 年，在美国2 7 个工业领域使用热泵系统，使其总量达到1 1 0 0 余套。 握绞诗，1 9 7 5 至1 9 8 5t - 年闯，世界关予吸收式热裳疑文献报道达4 0 0 余 篇，其中，关于a h t 的文献报道达5 0 余篇。除荧国外，a h t 系统的理论研究 及案l 造鼓寒在舞奉、疆致等蕤源紧蛱静发达匡家狂逶区瞧毒长是匏发震。爱逡 在吸收式制冷方面的研究业已成熟，然而，应用a h t 技术回收废热的工业化 研究却赢鲻粥年代才有一定的发袋“”。 近十年来，科学家们围绕若a h t 系统操作性能的优化进行了大量的研究 工作，在a h t 热力循环分析、循环工质对( 制冷剂- 吸收剂) 的开发及a h t 系统强化传热、婕覆等方嚣驭撂了缀多有掺值的磺究成果“”，为此类设备款推 广应用提供了必要的理论支持和技术准备。 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 1 1 2a h t 系统的工作原理 a h t 系统是以废热为动力，利用工质对的吸收解析循环来实现废热增温 回收的装置。从热力学观点来看，a h t 系统循环是由热机循环和热泵循环组成 的联合循环过程。热机循环指废热经再生器、冷凝器向环境排放的同时对外做 功，这部分功表现为溶液的浓缩；热泵循环指工质水的蒸发与吸收，溶液被稀 释的同时释放能量，提升系统温度至可加以利用的品位。a h t 系统主要由蒸发 器、吸收器、再生器、冷凝器及溶液换热器等部分组成。根据循环过程中再生 器是否与外界相通，可将其分为开式与闭式，其中闭式a h t 系统的工作原理 如图1 1 所示： e v a p o r a t o r a b s o r b e r c o n d e n s e rr e c o v e r e r 图i - 1a h t 系统工作原理图 f i g 1 - if l o wd i a g r a mo f a h t 工质对在再生器中吸收废热而产生制冷剂蒸汽；制冷剂蒸汽进入冷凝器冷 凝并由泵送至压力较高的蒸发器中；在蒸发器内制冷剂吸收废热发生相变，其 蒸汽进入吸收器并被由泵增压送来的再生器浓缩液吸收，释放出较高温位的热 量并加以利用。开式a h t 系统工作原理与闭式a h t 系统基本相同，不同之处 在于前者不需要冷凝器，且用闪蒸器替代了蒸发器。后来又开发了双效a h t 、 二次升温的a h t 、自再生式吸收升温的a h t 、附带增压器式a h t 及两类吸收 式热泵结合使用的系统，并使用相应软件对吸收循环全过程进行模拟、优化， 有力地推动了a h t 系统的工业化应用。 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 1 2 蒸发式冷凝器概述 1 2 1 蒸发式冷凝器研究概况 早在1 9 5 2 年，sg c h u k l i n 就提出了一种关于蒸发式冷凝嚣设计的普遍化 方法e 1 6 。 1 9 6 2 年，p a r k e r 和t r e y b a l l 研究了蒸发式冷却器的传热、传质性能，阐明 了蒸发式冷却器的传热、传质机理，并通过对管内外流体五种不同的组合实验， 得到了传热膜系数的关联式 1 7 o 1 9 6 7 年，水科笃郎等人通过对蒸发式冷却器的实验研究，关联出了一些传 热膜系数的经验公式 1 8 o 1 9 7 3 年，尾花英郎在水科笃郎等人提出的传热膜系数经验公式的基础上， 比较系统地提出了蒸发式冷却器的设计方法，并作出了氨为工质、冷却温度在 6 0 。c - 1 0 0 。c 范围内的热效率对传热单元数的一系列图表n ”。 1 9 7 5 年，sgc h u k l i n 对具有润湿薄膜换热表面的平板式蒸发冷凝器进行 了实验研究，发现由于润湿薄膜与空气之间存在较大的温度差而引起了剧烈的 传热和雾化现象，并提出了一种与尺寸无关的实验结果关联式：2 0 3 o 19 8 3 年，u r i y e lf i s h e r 、w o l f g a n gl e i d e n f r o s t 和j i a s h a n gl i 对蒸发式冷凝 器与凉水塔混合系统的实验表明此系统能显著降低冷凝温度，并节约换热面积。 此外，共同开发了一套用于设计水平或竖直放置的光管、翅片管蒸发式冷凝器 与凉水塔混合系统的计算机程序，应用效果良好 2 1 o 19 8 5 年，r a l p h l w 曲b 和a l e j a n d r ov i l l a c r e s 对蒸发式换热器( 凉水塔、 流体冷却器、冷凝器) 做了性能模拟，其模拟算法与制造厂家提供的数据差别 在3 以内 2 2 o 1 9 8 8 年，rj e r e n s 对几种蒸发式冷却器芯体的设计方案做了探讨，发现 添加的材料可以显著地增强光滑管冷却器的传热性能，而不用使用成本很高的 翅片管以增加传热面积”。 1 9 9 7 年，f a i s a l1 a i - j u w a y h e i 、a m i ra a 1 h a d d a d 、h a b i bi s h a b a n 等人 对两步式蒸发冷却器的性能做了实验研究，结果表明带有凉水塔的两步式蒸发 冷却器要比没有凉水塔的系统具有更高的换热效率，也优于一步、直接接触式 蒸发冷却器 。 随着科技的发展，有关蒸发式冷凝器的理论及其应用也在不断的发展之中。 坐! 筻堕堡里蔓壅堡塑堡墨塑婴塞 1 2 2 蒸发式冷凝器的理论基础 蒸发式冷却器与蒸发式冷凝器在结构和工作原理上是完全相同的，如图i - 2 所示：缸 p r o c e $ $ f l u i d a i r s u p p l e m e n t a l w a t e r 图l - 2 蒸发式冷凝器工作慷理圈 f i 9 1 2 f l o wd i a g r a m o f e w - a p o r a t i v ec o n d e n s e r 当管内工艺流体不发生相变时，称为蒸发式冷却器；当发生相变( 冷凝) 时，则称为蒸发式冷凝器。 工艺流体( 如氨蒸汽) 在管内冷凝，喷淋水呈膜状均匀分布于管排的外表 面并与由管排下部吹入的空气直接接触传热、传质，管内蒸汽冷凝所释放的热 量最终由空气带出，喷淋水温则几乎不变。 蒸发式冷凝器的用水量主要是蒸发至空气中的水分。此外，为避免喷淋水 中不溶性物质不断增浓，须不定期排污，因排污而损失的水量最多不超过蒸发 量的3 0 。因此，蒸发式冷凝器与普通水冷凝器比较，可以节省大量的水( 节 水9 5 以上) 。 因为在蒸发式冷凝器中喷淋水温几乎不变( 变化小于3 ) ，这就有可能降 低冷凝温度，相应地使冷凝压力降低。对冷冻机来说，由于降低了冷凝压力而 节省的动力消耗是相当可观的。同时由于用水量少，净制和输水的费用也大幅 降低了。 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 蒸发式冷凝器可以制成箱体放置在楼顶、地下或其他设备之上而不占用工 厂用地。 由于上述节水、节能、节省占地、高效等优点，蒸发式冷凝器在世界范围 内的应用日益普遍。近年来，我国也已开始生产此类设备并向国内、香港的一 些厂家销售。 蒸发式冷凝器的传热机理如图1 3 所示： t p r o c e s sf l u i d c o o l i n g w a t e r 八 7 i w 弋 j r t w k 一( 、1 0 9 8 l 1 l k 。 h w 1 1 一r ：卜；a ： l瞄 图i - 3 蒸发式冷凝器温度分布图 f i g1 - 3t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f e v a p o r a d v ec o n d e n s e r 蒸发式冷凝器的传热过程大致可分为以下两步：( 1 ) 工艺流体首先把热量 透过管壁传递给喷淋水；( 2 ) 喷淋水与空气直接接触传热、传质，热量最终由 空气带出。 就工艺流体与喷淋水之间的传热而言，与一般的单壁传热是完全相同的， 可用以下的传热方程来表示： q = k 。a a t( 1 ) 其中 矗1 i o o i + ( 外8 郴( 。丁o1 + 古 d q = k 。妒一f 。 ( 3 ) 喷淋水与空气之间传热、传质的关联式如下： 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 吧= 一k 。d g 。一z ) s d z y h o s a ( t 。一t a 皿 ( 4 ) 等式右侧的负号表示空气热量增长的方向与管壁高度增长的方向相反。 对空气一水系统而声，符合l e w i s 法则，即 嚣钉， 根据焓的定义，得 i = x y + c 。t ( 6 ) i + = x * y + c 。t 。 ( 7 ) 经推导得到如下基本传热方程式： 阡- 威= 一彭。口i + 一f ) 影出 ( 8 ) w c ，d t = 一k 。口e 。一i b 出+ 臣o a ( t f b 如 ( 9 ) 车：“_ d t ( 1 0 ) i 5 “忑 。1 。 ，= c o n s t( 冷凝过程)( 1 1 ) 设计蒸发式冷凝器必须求得管内工艺流体的冷凝传热膜系数h i ，管外喷淋 水传热膜系数h w ，以及空气一水系统的容积传热系数k o 。a 。通过前人的实验测 定e 2 5 ，关联出管外喷淋水传热膜系数经验公式如下： 。划( 爿 ， 此关系式与p a r k e r 、水科笃郎提出的公式基本相同，这与设备具体的结构 特性、及工作条件( 如喷淋水温、风速) 有关。 关于容积传热系数的报道资料较少，我们采用如下经验关联式： k 扩= 2 2 1 r e g 。9r e ，“1 5 ( 1 3 ) 此式与水科笃郎提出的公式基本一致。 水平鸷内低压蒸汽冷凝现雾构研究 至于管内工艺流体冷凝传热膜系数，由于水平管内蒸汽冷凝问题的复杂性， 蓦静文皴褒秘巾瘊褥终襞差到缀大。为综合承平管内冷凝黄热膜系数的计算方 法，迄今己作过许多努力，但都没取得明显的成功，数据与预期值的偏差可能 达到1 0 0 ，对其进行进一步瓣鼹究是十分必癸的，这将在以蜃的章节中加以 论述。计算中推荐如下的一个碰用较为普遍的公式： 趣= m q 。5 l o 3 5 筑。2 5( 1 4 ) 其中 m 为参数，融手册奁稃。 l 。3 水平管内蒸汽冷凝概述 1 3 1 永平管内蒸汽冷凝研究现状 到目前为止，关于膜状冷凝的讨论还多限于外表面。在这种情况下，蒸汽 和凝液的流动还没受到莱种流邋尺寸的隈裁。国子东平管内蒸汽冷凝联象在制 冷、空调系统等化工领域十分蒋遍，因而，对其研究具有相当重凄的实际价值。 遗落的建这种蠛象菲擎复杂，不荔蠲篱单酶分辑方法采处理。 在受迫对流的水平管内冷凝系统中，蒸汽流量对换热效率有强烈的影响， 丽蒸汽流量又受弱蒸汽在管壁：簸聚速率瓣影响。在诋凝结率下竣在短管悫，蒸 汽流速较低，凝液分滕流动。具体来说就是在水平管的上部形成冷凝液体，沿 黉酒管建滚到 豪层，势在低瑟形成弱鬃型滚囊。c h a t o 磷究了这令闳题 2 65 ，对 r - 1 1 3 的流体动力学和传热过程进行了实验分析，程蒸汽速度较低( r e 。 3 5 0 0 0 ) 嚣，褥翔了以下公式： 螂l 警l a ， c h a t o 也锈究了管子与水平方向成缓斜焦获产生的影响，发现在蛰子与水 平方向的倾斜角为l o 。2 0 。的情况下，冷凝传热膜系数最多能增加1 0 2 0 ， 他所提出的分辑结果与实验数援镣合德很好。 当凝结率较大或管子较长时，流动工况交为带有蒸汽核心的环状流，在更 高的蒸汽速度下，蒸汽核心还包含有小液滴所形成的雾。 a l t m a n 、s t a n b 和n o r r i s 箍出了计算高蒸汽流速隧冷凝传热膜系数的分轿 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 方法 2 7 3 ，导出了一组隐函数方程，这个方程组在每一种情况下都要联立求解。 他们采用r - 2 2 对分析方法进行了实验验证，实验数据与分析结果的相对偏差在 1 0 - 2 0 。 a k e r s 、r o s s o n 研究了同样流动状态下的冷凝 2 8 3 ，把较宽范围内的实验数 据综合为下式： r 1 0 8 h = 0 0 2 6 p r i g v 旦、r + g ，l ) “7 l 八 “ j 上式的偏差为5 0 。 b e l lj 、t a b o r e k j 和f e n o g l i of 等参照在水平管内冷凝现象的汽液流动 情况构造了b e l l 流谱图以评价那些可用的关系式c 2 9 3 ，借以描述以嚏定质量流 率进行冷凝或蒸发过程中在流动结构图上所跟随的路线。 lmz y a i n am o l o z h e n 、i ns o s k o v a 和vbm i t e n k o v 等人对压强为 5 0 - 2 0 0 k p a 、蒸汽流速为1 0 - 15 0 m s 4 范围内的水平管内蒸汽冷凝进行了实验 研究”“，得到了相应的图表和关系式。 vbk h a b e n s k i y 、vs g r a n o v s k i y 和pa m o r o z o v 对水平或倾斜放置的管 内分层两相流的冷凝现象进行了分析 3 13 表明求解的方法及初始条件的选择受 操作条件的控制，早先有关文献报道适用范围有限或有不同程度的误差。 t e t s u o h i r a t a 和c h i h i r o h a n a o k a 研究了水平管内过冷流体的层流换热及管 内结冰现象”，考察了流体流速和自然对流的影响，发现其水平管内过；令流体 的平均努塞尔特数与o l i v e r c 3 ”得出的没有管内结冰现象的水平管内冷凝的经验 公式的结果基本相同。 r y o t a r oi z u m i 、t s u n e oi s h i m a r u 和w a r a r ua o y a g i 等人研究了不同热负荷及 冷冻剂质量流率条件下r - 1 2 的传热和压降隋况e 3 4 3 ，发现传热的控制热阻取决 于润湿水平管内表面凝液层的厚度，而且主要受冷冻剂流量和流型的影响。当 流型为层流时，总传热系数随冷凝温度和管径的改变而改变，得到的关联式可 以估算出压降，误差在1 5 以内。 a k i r am u r a t a 、e i j ih i h a r a 和t a k a m o t os a i t o 对水平通道内汽液界面上的传 热进行了实验研究c 3 5 3 ，结果表明界面上波纹的存在强化了传热，因为通道内凝 液剧烈的湍动而使界面处涡流粘度受到影响，所以数值分析的结果比实验结果 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 稍低。 ajr a b a s 和pgm i n a r d 发现在水平管内完全冷凝的流体流动呈现两种 不稳定性c 3 63 第一种不稳定性发生在凝液呈环状流时，热电偶示值表明离开管 道的过冷凝液的最高温度始终没有达到其饱和温度；第二种不稳定性发生在凝 液流型突变或呈塞状流时，热电偶示值表明分层进入管道的蒸汽在管道的末端 完全冷凝并以液柱形式排出。 k e n i c h ih a s h i z u m e 、n o f i m i t s ua b e 和t o s h i a k io z e k i 对水平管内冷凝时接 近管道出口段的凝液过冷现象及换热性能低下的现象进行了研究e 3 7 - 3 8 3 j 提出了 相应的数学物理模型，发现实验数据与模型吻合得很好。 1 3 2 普遍适用的水平管内蒸汽冷凝过程的数学物理模型 具体分析模型如图1 - 4 、1 - 5 所示： x + = lx + x 。 xx 名0x + 0x = o c o n d e n s a t i o n b e g i n n i n g o fc o n d e n s a t i o nt u b ee x i t s e c t i o ne n t r a n c ec o n d e n s a t es u b c o o l i n g s e c t i o ne x i t 1j2 3 ，l 4 l5 ，( 6 a n n u l a rf l o ws 仃a t i f i e df l o w t w o - p h a s e f l o w 斗l c o n d e n s a t e f i l l e df 1 0 w _ - f l o wd i r e c t i o n 图l - 4 分析模型图 f i g 1 - 4d i a g r a m o f m o d e lf o ra n a l y s i s 上述分析模型为一非平衡模型。饱和蒸汽( x = 1 ) 由点1 流入并开始冷凝， 由于蒸汽速率较高，两相流的流型为环状流，如果忽略凝液过冷现象，则真实 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 热力学平衡参数x + 等于x 。 在点2 流型开始向分层流转变，假定凝液过冷发生在此点。点3 处x 等于 0 ，即冷凝完全处于热力学平衡状态，但x 仍保持为正。 点4 ( 1 = o ) 靠近冷凝段出口，从这点开始由于汽液界面上的直接接触冷凝， 凝液温度沿流动方向有所升高，x 趋向x 。点5 处管道被凝液充满( x = o ) ， 凝液于点6 处流出管道。 在图1 - 4 中，点4 处就可能被凝液所充满( x 0 ) ，或点6 处艾仍保持为 正，这取决于冷凝进行的程度。 下图说明了热质平衡是计算公式的基本来源： 12 +卜 w g l ，t s ，口， w l l ，tl 1 “ 2 ，五0 +卜 1 r a z x x x 2 x 2 + w q ， a q g 图1 - 5 热质平衡原理图 f i g 1 - 5d e r i v a t i o n d i a g r a m f o r h e a ta n d m a s s b a l a n c e 图1 5 中，管道底部流动的凝液( 温度为t l ，t l t s = 被温度为t 。的冷却 水所冷却，损失热量为a q l 。管道顶部的蒸汽呈膜状冷凝而损失的热量为q g ， 结果是温度为t 。，质量流率为w m 的蒸汽冷凝而进入到温度为t l 的凝液中； 质量流率为w i 的饱和蒸汽因与凝液直接接触冷凝，同时向凝液释放出q i 的热量。 通过以上关于热质平衡的讨论，1 2 段凝液温度的变化可用下式来表示： 一 查羔篁查堡篓茎壅銎邀蒌墨箜篓塞 _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ 一 磁2 + 瓦瓯1 黔耀+ 蠡魑一乏) + 矗形迥一衄】 ( i 7 ) 1 - 2 毁凝滚淀率及热流奉蕤变化表示热下： 伟2 2 = 伟2 1 + 4 w , + 纾0 矗q ；= 矗戳矗搿。= 穗勰( 一五) 1 8 9 q 。= a 阡_ a h ，= k 。a a 。( 瓦一l ) ( 2 0 ) 区= 置鲋。伍一l ) ( 2 i ) 一1 ：土+ r + 三f d i1 ( 2 2 ) i 。瓦氓+ 瓦喊j 旺“ 去= 枷+ 古 ， 鲋：= d ：s i n 母& ( 2 4 ) a a g = d ：巾出 ( 2 5 ) 鲋。= d i 曲一审洫 t 2 6 ) 当忽略管邀顶部凝液液膜厚度时，强度西与对应真实热力学平德参数为x 的空白分率f o 满足以下关系： 尼= 妻卜i 1s i 们 ， 绝热情嚣下，盘予a q g = q l = o ，式( 1 7 ) 可篱纯为 您+ 雨罱瓯陋，) 趣也) 魍】 ( 2 8 ) x 与父有始下关系： y ：塑 ( 2 9 ) l 矗 其中 圩：链掣 ， 对照图l ，4 ，1 - 4 段按冷凝段簸理，4 - 6 段按绝热敬处理。对于圆管内汽液 界颟直接接触冷凝的传熟膜系数的计算还缺乏切实有效的关系式，文献中搬荐 以下公式 3 9 1 ： 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 红。姐科”g o - x ) j 4 ：p r l os 丑 ， 胁：h i , a d - _ i a b d i ：c 1r 。s sr 。l 。” ( 3 2 ) 其中 c 、= t r - e 。一。4 + 。一7 ( 笔 r - e 。4 o + p t 一2 ) - 1 c s s ， 由此 n u l , 4 _ 6 = 卜s 圳。7 爿峨” x r e o 。】s r e z 。4 2 ( 1 也寸h 。， 1 4 段的冷凝传热膜系数与4 - 6 段的绝热传热膜系数的差别可用下式表示： 囊p 。= c 2 红4 _ 6 ( 3 5 ) 系数c 2 可假设为 c ，= 厶。， ( 3 6 ) 取c 3 为15 ，即 h 一4 = 厶1 。5 鱼4 6 ( 3 7 ) 上式的误差在2 0 以内。 近5 0 年来，科学工作者提出了大量有关水平管内蒸汽冷凝的管内冷凝传热 膜系数的计算方法，然而由于对其理论研究尚很不完善，多数工作仅集中于冷 凝过程中出现的某些具体问题上，所提出的经验关联式适用范围有限且存在相 当误差，由此可见问题的复杂性。 因实现a h t 系统工业化应用过程中实际问题，以及为对前人的工作进行 有益补充的需要，本文试图结合蒸发式冷凝器的设计，重点讨论低真空条件 ( 1 k p a 1 0 k p a ) 下水平管内蒸汽冷凝现象。有关低压蒸汽冷凝的特殊性将在下 面进一步阐述。 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 1 4 有关低压蒸汽冷凝特殊性的论述 如本文前言中所述，工业领域内广泛存在着低压蒸汽冷凝的现象，然而， 前人的研究工作大多集中于中、高压状态下制冷系统中冷剂，如g u 3 、r 1 2 、 r - 2 2 等蒸汽的冷凝，对于低压状态下水平管内水蒸汽的冷凝还缺乏切实有效的 实验数据。这是因为低压蒸汽冷凝存在其特殊性，需要进一步研究。 冷凝与蒸发一样，其实质是汽液界面上发生的一种物理现象。定义单位时 问内、单位面积上由液态转变为汽态的分子质量为蒸发率；单位时间内、单位 面积上由汽态转变为液态的分子质量为凝结率。当蒸发率大于凝结率时，表现 为蒸发：当凝结率大于蒸发率时，表现为冷凝。由于汽液界面上蒸发与冷凝现 象同时存在，界面上真实的相变质量速率为蒸发率与凝结率之差，并且要考虑 下列因素的影响： ( 1 ) 凝结时，往往由于汽相返回液相的分子中将有一部分在汽液界面上发 生弹性反射而不能百分之百地凝结，这与界面性质和温度有关。 ( 2 ) 当周围气压高于蒸发物本身的饱和蒸汽压时，蒸发物周围将聚集很多 气体，因而蒸汽分子不能迅速地从蒸发表面扩散离开，这将防碍蒸发过程的继 续进行，使蒸发率降低。当扩散速率远大于蒸发速率时，这个影响可以忽略。 扩散速率的大小和真空度有关，真空度越高扩散速率越快。饱和蒸汽压高的物 质蒸发速率大，蒸发本身又会破坏蒸发物表面附近的真空度。 ( 3 ) 在通道比较狭窄，只有较小的有效抽气口的真空容器中蒸发时，蒸汽 分子与容器壁碰撞返回到蒸发物表面的几率也要降低蒸发速率。如果容器壁也 能凝住气体分子，即具有分子沉积条件，则这个影响可以忽略。 ( 4 ) 当物质汽液相温度相同，汽相压力达到饱和蒸汽压时，蒸发率与凝结 率相等，蒸发与冷凝达到动态平衡，挣相变质量为零。 在汽液界面上，从汽相凝结下来的分子与从界面上蒸发出去的分子发生连 续的交换。在净分子流朝向液相表面的情况下，即便是纯饱和蒸汽，也存在着 汽相主体与汽液界面的温差，这是一种界面传热阻力。温差的大小取决于凝结 液体的性质、饱和蒸汽的压力及其凝结率。在大气压下冷凝时，一般流体( 如 1 - 1 2 0 、f r e o n 等) 的界面热阻几乎可以忽略不计。但在低压条件下，任何流体( 特 别是液态金属) 的界面热阻都可能极为显著，仅仅在最近才对液态金属的界面 热阻进行了实验测定m ，。 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 蒸汽向壁面的传热热阻可以用下式的两项之和来表示： 尺：尘玉：土：r ，+ 尺( 3 8 ) qh ? i 式( 3 8 ) 中第一项r l 表示凝液液膜热阻；第二项r 表示汽液界面热阻， 它不是通常所理解的热阻，这个热阻的出现是由于汽液界面上存在的温度突变 而引起的。 如图1 6 所示： q ， 。i ； 1 ； 筘 ； t ； t 。 1 y t 图1 - 6 膜状冷凝温度分布图 f i g 1 - 6d i a g r a mo f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf o rf i l mc o n d e n s a t i o n 我们来分析一下温度突变的温度本质。肉眼所见的冷凝现象是碰到液体表 面并被捕获( 凝结) 的分子和同一时间从液体表面脱离而蒸发的分子的总效果。 所捕获的分子数目超过了蒸发出的分子数目，多出的分子导致了可见的冷凝过 程。并非所有到达液体表面的分子都会被捕获，部分分子会从液面反射面返回 到蒸汽里。一般情况下，反射回蒸汽的分子的能量比到达液体表面的分子能量 要小c 4 1 。 因而，在厚度相当于几个分子自由程的蒸汽表面，有两股温度( 能量) 不 同、数量不等的分子流在运动，这个表面薄层被称为努森层。努森层内蒸汽的 平均温度与汽液界面的温度不同。在连续介质理论里，这样的薄层内的温度降 落，可以理解为温度突变。而在努森层的外面，由于分子间频繁的碰撞，温度 趋于均匀。 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 碰剿液面上不凝结而反射回去的分子越多，温度突变也就越大。这个现象 可用凝结系数予以描述，该蒙数表示碰撞后被凝结表面捕获的分子数与碰撞到 凝结表灏豹蒸汽分予总数静比篷，表示了蒸汽分子与器壁麓缝量交换静冷凝遭 程进行的程度。般情况下，凝结系数可能从0 到1 。凝结系数为0 时，表示 蒸汽分子与器壁磁撞时完全没有能量交换；反之，凝结系数为1 时，表示两者 之间能爨充分地交换。当然，上述两种情况都怒理想状态下的极限情况。 根据许多实骏得出，纯水蒸汽在大于1 0 4 p a 的压力下凝结时，可相当近似 缝歆为汽滚雾嚣照不存在瀵发突变4 2 1 著量妻式( 3 8 ) = 攀出 r ：尘玉：上。r ，( 3 9 ) q噍 多年来一壹都在对冷袋辩汽滚舞蕊上存在的温差进行筒单的分子动力学分 析。s c h r a g e 修正了这种简单的理论c 4 3 1 他认为在一个固定的分子密器里，朝 任一方囱通过一个弦想平嚣躲分子质爨流量为 小芸= p 筹 = ( 壶 必毒 c 。， 如果朝向平面的前向逡度为v v ， 令 i w = p 巧 ( 4 1 ) 剡 m 等= 必毒r ， 式( 4 1 ) 中 f ：g 一矿+ 巧兑露0 十哟) = l + 而 ( 4 3 ) 当n 比较小时 ”：皇：上坠( 4 4 ) 驴忑蔚。一p , 7 丽 4 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 s c h r a g e 设想温度为t 。的饱和蒸汽流以w a 的前向流量向着表面运动，而 温度为t 。的反向分子流从表面流出，就如静止容器内的分子流动情况那样。于 是，根据包含有蒸发系数a 。和凝结系数a 的公式( 3 9 ) 、( 4 1 ) 可以得出流向汽 液界面的净质量流量为 着= ( 去 必p 匆飞参 ， 在平衡时，若没有净凝结产生( w a = 0 ) ，则t s = t j 和p s = p j ，而且n = o 、r = 1 。显然，平衡时还有n = n 。在具有净凝结的非平衡条件下，若进一步假设 a a 。，则上式变为 署= ( 去 口 r 毒一参 ：、上旦皂f 丝丑一尘羔7 ( 4 6 ) v2 积2 一盘l p ，2 tj 在这个理论推导中，由冷凝换热实验测定所得到的a 值，实际上包含了偏 离这个理想化的理论的各种影响。b o r n h o r s t 提出了解决这个问题的另一种方 法，这个方法是建立在汽液界面上耦合的热流和质量流的不可逆热力学的基础 之上的( 4 42 。如果不存在不凝结气体，并且测量具有足够的精确度，那么。的测 量值约为l “”。 确定用于设计计算的a 值是有困难的。对1 8 。6 0 。的水蒸汽冷凝，m i l l s 和s e b a n 引用的q 测量值在o0 0 6 1 之间。如果汽液界面热阻是支配性热阻， 则同一量的测定值有如此大的变动是难以想象的。为了实用的目的，采用接近 于1 的值比较令人满意。当压力高于5 1 0 3 p a 时，多数实验进一步证实a 值 接近l 。较低压力下，实验数据要分散得多，并且有a 值逐渐降低的趋势。然 而此时的界面温差较小，这意味着n 的精确值不再是一个重要的参数，并且意 味着a 的测量值将是很不精确的。一个工程上的经验法则是对所有的情况可取 为o8 。m e y r i a l 、m o r i n 、w i l c o x 和r o h s e n o w 对测量的实验误差做了详尽 的讨论。 水平管内低压蒸汽冷凝现象的研究 另有资料显示：当压力很低时，汽液界面传质阻力变得显著”“。对于蒸汽， 就是指蒸汽压力低于33 8 1 0 3 p a 时，汽液界面传热系数h j 才能起主要作用。 传热的动力学理论极限可以用下述公式表示： 、k，2 h ：2 f l 1 坠一i ( 4 7 ) i l , 2 m 2 t ) t s 0 p j + 、j p l l 和这个传热系数相关的阻力是与这种冷凝过程中的其他阻力相串联的。 j m a d e j s k i 分析了通常被人们忽略的在相变中由于分子运动、质量传递而 引起的温度突变部分7 1 。通过对竖直平板上蒸汽膜状冷凝现象的研究，他断定 这部分温差对应的通常对传热影响很小的热阻在低压或真空冷凝器中是十分重 要的。 l l t o v a z h y a n s k i y 、 v lia t r o s h c h e n k o 和m ，s k e d r o v 研究了低压条件下 刻槽板式冷凝器的性能h ”，发现其总传热系数受热流率、蒸汽压力和蒸汽流速 的影响，并提出了板式真空冷凝器的设计方法。 y f i n k e l s t e i n 和a t a m i r 使用一个被层流液膜覆盖的球体研究了水、四氯 化碳、甲醇、亚甲基氯化物、戊烷、氟里昂1 1 3 、二硫化碳等蒸汽与同组成的 液膜直接接触冷凝的界面传热系数“。他们发现界面传热系数所对应的热阻可 以与总传热热阻相比较，其相对大小在1 0 8 0 之间。 s h i g e oh a t a m i y a 和h i r o a k it a n a k a 研究了五种表面上水蒸汽滴状冷凝的现 象”3 ，压力范围在1 k p a - 1 0 5 p a 之间，得到了冷凝传热系数随蒸汽压力的变换 关系。 t s u y o s h im u n a k a t a 、n o b u y u k i h i r a i 和k a t s u oy o k o y a m a 研究了压力在 2 k p a n s k p a 之间的乙醇空气、丙醇空气和丁醇空气混合系统管内冷凝速率的 计算方法c 5 1 改变空气含量，