凝结膜换热.docx

工程上和日常生活中存在着大量发生相变的传热过程，如蒸汽的凝结、液体的沸腾、液体的蒸发、液体的凝固以及固体的熔化等。这里仅仅讨论流体在对流换热过程中发生相变换热的情况，即液体的沸腾和蒸汽的凝结的换热过程。当流体在与固体壁面进行相变换热过程中，因流体潜热的释放或吸收而使这种热交换过程的强度远大于同种流体无相变时的换热强度。而且当流体为饱和流体时，相变换热过程中流体温度将不发生变化。重点内容：凝结换热规律及其影响因素。一、凝结换热分类蒸汽与温度低于其饱和温度的固体壁面接触时，就会放出汽化潜热而凝结成液体依附于壁面上。根据冷凝液的流动状况，凝结换热可分为膜状凝结和珠状凝结。如果冷凝液能够很好地浸润固体壁面，也就是液体对壁面附着力液体的表面张力,那么冷凝液就会沿着壁面形成稳定的液膜，我们称之为膜状凝结；如果冷凝液不能够很好地浸润固体壁面，也就是液体对壁面附着力液体的表面张力,那么冷凝液就会在壁面上形成一个个小的液珠，我们称之为珠状凝结。如图所示。二、凝结换热机理在膜状凝结时由于冷凝壁面被冷凝液覆盖，凝结只能在膜的表面进行，蒸汽凝结放出的汽化潜热必须通过导热和对流方式传递给液膜后由壁面带走，故膜的厚薄及其运动状态(层流或紊流)对换热的影响很大，形成膜状凝结的主要热阻，而这些又取决于壁的高度(液膜流程长度)以及蒸气与壁的温度差。一般地说，层流膜状凝结表面传热系数是随壁的高度及温度差的增加而降低，而紊流膜状凝结与此相反。在珠状凝结时，由于冷凝液不能完全覆盖冷凝壁面，可认为换热是在蒸气与液珠表面和蒸气与裸露的壁之间进行的，由于液珠的表面积比它所占的壁面面积大很多，而且裸露的壁面无液膜形成的热阻，故珠状凝结的换热性能远比膜状凝结为好，而具有很高的表面传热系数。在一般工业设备中均为膜状凝结，因为珠状凝结很不稳定，目前还难于获得实用的持久性珠状凝结过程(除水银等不润湿壁面的介质外)。三、膜状凝结换热影响因素包括影响膜的厚薄及其运动状态各个影响因素，如液膜流态(层流、紊流)、凝结壁面位置(水平壁、竖壁、倾斜壁，管束排列数)，壁面形状(管内、管外)等，此外还有诸如蒸气速度、不凝性气体的存在、固体表面粗糙度、蒸气中含油、过热蒸气、热物性、壁面的几何尺寸、蒸气与壁面的温差等等。四、膜状凝结换热计算1、层流膜状凝结理论解1916年努谢尔特（Nuseselt）对竖直壁面上纯蒸汽层流膜状凝结进行了理论分析。他根据连续液膜层流运动及导热机理，建立了液膜运动微分方程式和能量方程式，然后求解液膜内的速度场和温度场，从而得出表面传热系数的理论解。该式计算结果一般较实验结果约低20%，但该理论解是层流膜状凝结换热计算的基础。2、工程换热计算式竖直壁层流膜状凝结：注意：如果凝结壁面是与水平方向成一定的倾斜角度时，只要将计算公式中的重力加速度用修正数值代入即可。水平管外层流膜状凝结：水平管束管外层流凝结：水平管内层流膜状凝结换热：注意：在使用以上膜状凝结换热的计算公式时所涉及的液体和蒸汽物性量，除汽化潜热在蒸汽饱和温度下取值外，均在膜温度下取值。五、基本要求及例题从基本概念方面主要包括：凝结换热的基本特点、影响因素及其强化。从定量计算方面主要是确定凝结放热系数及换热量。例题1、分析不凝结气体的存在对凝结换热的影响。答案：蒸汽中含有不能凝结的气体，如空气，即使含量很低，也会对凝结换热产生很大的影响。例如，水蒸气中重量含量占1的空气就能使换热系数下降60。这是因为，在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结蒸汽的分压力逐步减小，而不能凝结的气体的分压力逐步增大；这样，蒸汽要达到液膜表面就必须以扩散的方式穿过聚积在界面附近的不能凝结的气体层，造成极大的扩散阻力和传热阻力。同时，蒸汽分压力的下降使相应的饱和温度下降，从而减小了凝结的推动力ts。因此，在冷凝设备中，排除不凝结气以保证其正常工作是非常重要的。例题2、空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度降低。试对上述现象做出解释?答案：空气外掠管束时，沿流动方向管排数越多，气流扰动增加，换热越强。而蒸汽在管束外凝结时，沿液膜流动方向排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度降低。例题3、在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介质是水蒸气，而在制冷剂（氟利昂）的冷凝器中，冷凝介质是氟利昂蒸汽。在工程实际中，常常要强化制冷设备中的凝结换热，而对电厂动力设备一般无需强化。试从传热角度加以解释?答案：相变对流换热主要依靠潜热传递热量，而氟里昂的汽化潜热只有水的约1/10，因此电厂动力冷凝器中水蒸汽的凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不占主导地位。而制冷设备中氟里昂蒸汽的凝结换热表面传热系数较小，主要热阻往往在凝结侧，因而其强化就有更大现实意义。例题4、压力为0.7105Pa的饱和水蒸汽，在高为0.3m，壁温为70的竖直平板上发生膜状凝结，求平均表面传热系数及平板每米宽的凝液量?解:Ps=0.7105Pa的饱和水蒸气对应的饱和温度=90。液膜平均温度为，凝液（水）的物性参