第六章(第一次课) 膜状冷凝
化工基础考试题
第一章流体的流动与输送1、滞流（名词解释）：流体流动时，流体的质点做一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。
（墨水在水中呈直线）湍流（名词解释）：流体流动时，流体的质点有剧烈的涡动，只有靠近管壁处还保留滞留的形态。
（墨水无固定轨迹，呈絮状）2、影响流体流动类型的因素有哪些？（简答题）（1）管径（2）密度（3）粘度（4）速度雷诺数Re=dvρ/μ当Re<2000时为滞流，当2000<Re<4000时为过渡态，当Re>4000时为湍流3、流体流动过程中产生阻力的内因（根本原因）：实际流体有粘度4、实验室中常用的两种流量计：（1）转子流量计（2）孔板流量计5、流体阻力实验中测量的是球形截止阀的局部阻力6、伯努利方程应用的条件：静止流体、理想流体、实际流体7、文氏管流量计的压头损失比孔板流量计的小8、伯努利实验中，测压管的测压孔开在管壁处测量的为静压强，测压管的测压孔正对水流方向时，测压管内液注的高度是静压头与动压头之和。
9、 e.g.滞流流量不变，管径缩小一倍，阻力增加16倍10、流体阻力与管长成正比，管长扩大一倍，阻力扩大一倍。
11、离心泵产生汽蚀的原因：安装高度过高。
离心泵产生气缚的原因：启动前没灌满水，离心泵有气体。
12、离心泵靠出口阀调节流量，离心泵在启动之前要关闭出口阀，先启动电机后开出口阀，离心泵关闭时先关出口阀后关闭电机。
13、旋涡气泵属于正位移泵，靠旁路调节阀调节流量，阀门全开体系流量最小，阀门全关体系流量最大。
14、连续性方程是根据物料衡算推导出来的，伯努利方程是根据能量衡算推导出来的。
15、绝对压=大气压+表压，真空度=大气压-绝对压会计算AB之间的压差16、定态流动（名词解释）：流体流动的系统中，若任一截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流动参数（如流速、压力等）不随时间而改变，此种流动称为定态流动。
17、流体的流动形态如果为滞流，摩擦阻力系数与Re有关；如果为湍流，摩擦阻力系数与Re和相对粗糙度有关。
传热学第六章凝结与沸腾换热
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，在非水平的壁面上，因 受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠， 合并成更大的液滴，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
第六章 凝结与沸腾换热
grρl2λ3l
µll(ts − tw
1/
)
4
推广应用到水平圆管外的膜状凝结，平均表面传
热系数为 hH
=
0.729
µl
grρl2λ3l
d (ts − t
w
1/
)
4
hH = 0.77 l 1/4
hV
d
注意：竖壁的计算公式同样适用于竖圆管，比较
圆管竖放和水平放置的效果，为什么？
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
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传热学 Heat Transfer
1、分析解的简化假定
（1）常物性； （2）蒸汽是静止的，对液膜表面无粘性力作用；
（3）液膜流速缓慢，忽略液膜的惯性力； （4）汽液界面上无温差；
（5）液膜内部的热量传递只靠导热；
（6）忽略液膜的过冷度；
（7）ρv << ρl ；
（8）液膜表面无波动。
有影响。
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二、凝结换热的强化
通过上述分析可知，液膜的导热热阻是膜状凝 结换热的主要热阻。因此，强化膜状凝结换热的关 键措施就是设法将凝结液从换热面排走、尽可能减 小液膜厚度。例如，目前工业上由水平管束构成的 冷凝器都采用低肋管或锯齿形肋片管，利用凝结液 的表面张力将凝结液拉入肋间槽内，使肋端部表面 直接和蒸气接触，达到强化凝结换热的目的。
化工原理填空选择题(删减版)
第一章 流体力学基础1.理想流体是指的流体。
2.测速管测量管道中流体的，而孔板流量计则用于测量管道中流体的。
3.当不可压缩理想流体在水平放置的变径管路中作稳定的连续流动时，在管子直径缩小的地方，其静压力。
（A）不变（B）增大(C)减小(D)不确定4．在外筒内径为d1、内筒外径为d2、长为L的同心圆筒组成的空隙中充满液体。
现外筒不动，内筒绕轴线旋转，若忽略端效应，则水的当量直径为。
（A）d1- d2（B）d1+d2(C) (d1- d2)/2 (D) (d1+d2 )/25．水在内径一定的圆管中稳定流动，若水的质量流量保持恒定，当水的温度升高时，Re值将。
（A）变大（B）变小(C)不变(D)不确定6．层流与湍流的本质区别是。
（A）湍流流速大于层流流速（B）流动阻力大的为湍流，流动阻力小的为层流(C) 层流的雷诺数小于湍流的雷诺数(D) 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动7．在流体阻力实验中，以水作工质所测得的直管摩擦阻力系数与雷诺数的关系不适用于在直管中的流动。
（A）牛顿型流体（B）非牛顿型流体(C)酒精(D)空气8．如图1－28所示，水流经一段等径水平管子，在A、B两处放置如图所示的压差测量装置。
两U形管中的指示剂相同，所指示的读数分别为R1、R2,则（A）R1 > R2（B）R1 =R2(C) R1 <R2(D) R2 = R1 +2r19．图1－29为一水平放置的异径管段，在A、B两处间接一U形压差计。
流体从小管流向大管，测得U形压差计的读数为R,R值大小反映。
（A）A、B两截面间压差值（B）A到B截面间流动压降损失(C) A、B两截面间动压头变化(D) 突然扩大或突然缩小的流动损失10．局部阻力损失计算式h f =ζu2/2中的u是指。
（A）小管中的流速u1（B）大管中的流速u2（C）小管中的流速u1 与大管中的流速u2平均值（u1 ＋u2 ）/2(D) 与流向有关11．在测管速工作时，测压孔迎对流体流动方向时所测压力代表该处的，此时测速管侧壁小孔所测压力代表该处的。
陈敏恒_化工原理_第六章(全)
A’=1.35m2
4.1 沸腾给热 1. 大容积饱和沸腾 过程特点：汽液两相共存
有利：气泡搅动液体，液体冲刷表面 不利：有可能气泡连成气膜,将液体与加热面隔开 2.沸腾条件 ①过热度(t-tS) —气泡存在之必须
2．α的影响因素 ①物性：ρ, μ, Cp, λ ②设备因素(定性尺寸)：l ③流动因素：强制对流：u 自然对流： βgΔt α=f (ρ, μ, λ, l, u, βgΔt, Cp) 基本量纲4个(M,L,T,θ)，变量8个， 无量纲准数=8-4=4，即 3 2 l lu Cp gtl f( , , ) 2 Nu=f(Re, Pr, Gr) 强制对流Nu=f(Re, Pr); 自然对流Nu=f(Gr, Pr)
自然对流的冷源、热源应放在恰当的位置
2．强制对流 在外力或Δp作用下引起流动
3.3 对流给热过程的数学描述 1．牛顿冷却定律 q (T TW ) 其中：TW: 壁温；T: 流体主体温度； α：给热系数 W/m2℃ 工程处理方法—分离变量法 ① 便于分解组合传热系数K
T TW TW tW tW t q 1 / 1 / 1/2
第六章 传热
1 概述 1.1 传热目的 ①加热、冷却物料 ②回收热量或冷量 设法促进传热 ③保温，减少热量或冷量损失 设法阻止传热 传热还用于其它单元操作 如蒸发，精馏
1.2传热机理 ①传导—分子热运动(自由电子迁移) ②对流—流体宏观迁移引起载热 ③辐射—电磁波 热水瓶为什么能保温？ 1.3冷热流体接触方式 ①蓄热式
2.4 球壳导热
dt Q 4r dr r2 dr t2 Q 2 4 dt r1 r t1 4 ( t1 t 2 ) 4r1r2 ( t1 t 2 ) Q 1 1 r2 r1 r1 r2
化工原理期中测验标准答案
离心泵的气缚现象：离心泵在开启前、泵内存在空气，开启后不能形成足够的真空度将 液体吸入泵内，因而不能输送液体。影响离心泵的正常操作。（5 分） 离心泵的汽蚀现象：离心泵入口处流体的压力低于输送流体温度下的饱和蒸气压力，会引起 流体气化，气体随流体在泵内流动时，压力增加，蒸汽冷凝，形成强烈的冲激，会剥蚀离心 泵表面。汽蚀现象会引起离心泵的损坏。（5 分）
四、问答题
水蒸汽在金属管外冷凝有哪二种方式？比较这二种冷凝方式的传热效果？工业上常采用哪 一种冷凝方式？
(1) 膜状冷凝、滴状冷凝。（4 分） （2）滴状冷凝的传热系数比膜状冷凝要大，主要是它的传热面为金属壁，导热系数水
膜大很多。（4 分） （3）工业常用膜状冷凝，因为在金属材料表面，水蒸气很难实现滴状冷凝。（2 分）
五、计算题 水泵的扬程：222.62 m
六、计算题 （1） 冷却水用量：4.705 kg/s （2） 传热面积：3.38 平方米 （3） 可完成任务。
《化工原理》期中测验答案
一、 填空题Байду номын сангаас
1. 动量传递、热量传递、质量传递。 2. 61.33 kPa 3. 质量 4. 0.6 5. 10000，湍流 6. 离心力 7. 滤饼 8. 热传导、对流、热辐射 9. 黑体 10.真空泵
二、 选择题 1. C、 2. D、 3. A、 4. A 5. C
三、 问答题
传热学-第六章
3 分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器
沸腾(池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为 过冷沸腾和饱和沸腾。
a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的
液体中所发生的沸腾；
加热表面
b 强制对流沸腾：强制对流＋沸腾
Thermal boundary layers
u(y)
Velocity boundary layers
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
l
2u y 2
u
t x
v
t y
al
2t y 2
下脚标 l 表示液相
对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16)
考虑（3）液膜的惯性力忽略
了热量传递。
珠状凝结
105 W /(m2 K )
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，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，甚至一个数量级）
tw ts
g
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多属 于膜状凝结，因此，教材中只简单介绍了膜状凝结
q
Re l r g(l v )
Prl
C pll l
g — 重力加速度 l —饱和液体的动力粘度 Cwl — 取决于加热表面－液体
组合情况的经验常数(表6) q — 沸腾传热的热流密度
s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7
传热学教案6凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热1 、重点内容：① 凝结与沸腾换热机理及其特点；② 膜状凝结换热分析解及实验关联式；③ 大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。
2 、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。
3 、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。
蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。
其特点是：伴随有相变的对流换热。
工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。
6-1 凝结换热现象一、基本概念1.凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。
2.凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种：（1）膜状凝结：①定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。
②特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻。
（2）珠状凝结①定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。
产生珠状凝结时，所形成的液珠不断发展长大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚下。
在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也扫治了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。
图6－3是珠状凝结的照片，从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。
θ小则液体湿润能力强，就会铺展开来。
一般情况下，工业冷凝器，形成膜状凝结，但珠状凝结的形成比较困难且不持久。
特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。
所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。
3.产生的条件：固体壁面温度w t 必须低于蒸气的饱和温度s t ，即w s t t 。
实验查明，几乎所有的常用蒸气，包括水蒸气在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。
化工原理期末复习重点
化工原理期末复习重点第1章 流体流动1.1标准大气压(atm)=1.013×105Pa=1.033kgf/cm 2=10.33m H 2O=760mm Hg 1(at)=1kgf/cm 2 =9.81×104Pa 表压＝绝对压力－大气压力 真空度＝大气压力－绝对压力＝－表压2.静力学基本方程式 2a p p gh ρ=+（1）当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。
因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点，因其深度相同，其压力亦相等。
压力相等的水平面，称为等压面。
（2）当液面的上方压力p a 有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。
3. q v :体积流量 m 3/s m 3/h q m :质量流量 kg/s kg/h u:流速（平均速度） m/sm v q q ρ=22//44V V m q q q u m s A d d ρππ===4.流体在管道中的流动状态可分为两种类型。
（1）层流：若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间互相不混合，充满整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动，这种流动状态称为层流或滞流。
（2）湍流：当流体流速增大时，若有色液体与水迅速混合，则表明流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点还做剧烈的径向脉动，这种流动状态称为湍流或絮流。
（3）区别：有无径向脉动。
5.雷诺数Re du ρμ=Re≤2000 流动类型为层流 Re ≥4000 流动类型为湍流2000<Re<4000 流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或者两者交替出现，与外界干扰情况有关。
这一范围称为过渡区。
6.（1）流体在圆管中层流时，其平均速度为最大速度的一半，max 1u =。
（2）在靠近管壁的区域，仍有一极薄的流体作层流流动，称这一极薄流体层为层流内层或层流底层。
流体的湍流程度越大，层流底层越薄。
膜状冷凝名词解释
膜状冷凝名词解释膜状冷凝是指发生在湿法蒸发器和浓缩机内的膜状冷凝，或称浓差冷凝。
1。
膜状冷凝的定义：当水蒸气与其它液体混合物流经膜状表面时，产生湍流并形成水滴，它们在分离膜上凝结，从而实现液滴的捕集、冷却、干燥。
2。
膜状冷凝的特点：（ 1）膜状冷凝设备简单、紧凑、能耗低、占地面积小；（ 2）被冷凝水溶液的热敏性较强，可降低操作温度，易回收热量；（ 3）系统效率高、结构紧凑、投资省；（ 4）被冷凝水无化学腐蚀，因此适合处理高纯度、热敏性物料。
膜状冷凝的工作原理及特点：膜状冷凝设备由压缩机、冷凝器、热交换器、节流阀等组成。
压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入冷凝器，冷凝成液体。
高温气态制冷剂液体进入热交换器与从热交换器出来的低温低压制冷剂液体进行热交换，将能量传递给制冷剂液体，使其温度升高。
气态制冷剂液体吸收了热量后温度下降。
当降至热交换器的入口处时，制冷剂液体冷凝成液体。
冷凝后的制冷剂液体通过热交换器与热交换器出来的低温低压制冷剂液体进行热交换，再次将能量传递给制冷剂液体。
这样循环往复，便可实现制冷剂液体的连续冷凝和蒸发。
3。
膜状冷凝装置的应用范围： 1）膜状冷凝适用于粗蒸馏及其它蒸发操作，如酯化、精馏、结晶、蒸馏、萃取等操作。
2）用膜状冷凝蒸发操作时，产品蒸气与溶剂蒸气之间的密度差可提供一种推动力，增加了蒸发速度，使产品浓缩比例大，减少单位时间内的干燥负荷。
膜状冷凝不仅是一种冷凝技术，同时还是一种除水过程，这主要是利用制冷剂溶解水中的各种盐类和其他杂质的离子形成水合氢离子的特性来实现的。
离子交换膜分离技术是一种新型的水处理技术，它是以离子交换树脂为基础，具有选择性分离、浓缩、纯化功能的高科技产品。
因此，膜状冷凝技术具有除盐能力强，效果好，易于操作，节能效果显著等优点。
在化工生产中，蒸馏、结晶、过滤、洗涤等都属于膜状冷凝技术。
膜状冷凝设备的工艺流程及特点：膜状冷凝设备的工艺流程：调节塔底温度→冷却→进入离子交换器→进行膜分离→分离的离子透过排水管排出→冷凝器外排液。
食品工程原理问答
1. 单元操作的应用及特点若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。
均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。
同一食品生产过程中可能会包含多个相同的的单元操作。
单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用。
有食品安全、卫生、保持食品色、香、味的特殊要求。
2. 三传理论动量传递(Momentum transfer)：流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。
凡是遵循流体流动基本规律的单元操作，可以用动量传递的理论去研究。
热量传递(Heat transfer):物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。
凡是遵循传热基本规律的单元操作，可以用热量传递的理论去研究。
质量传递(Mass transfer):两相间物质的传递过程即为质量传递。
凡是遵循传质基本规律的单元操作，可以用质量传递的理论去研究。
3. 系统定义及分类系统(system)是指任何可以用真实或假想的边界包围起来的规定的空间或物质限定的数量。
边界可以是固定的，也可以是移动的。
4. 颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。
其结果能减小溶解过程的阻力。
5. 显热和潜热显热(Sensible heat)：是两个不同温度物体间的能量传递，或由于温度的原因存在于物体中的能量。
潜热(Latent heat)：是与相变关联的能量，如从固态转为液态时的融解(融化)热，以及从液态转为蒸气时的汽化热。
6. 由食品中液态水重量摩尔浓度计算冷冻过程焓变1.纯水冻结时，在冰点发生从液态水到冰的相变。
2.由水全部转变为冰前，过程没有显热损失。
3.食品中所有的水溶性成分都对冰点降有贡献。
7.泵的流量调节①改变阀门的开度；②改变泵的转速；③改变泵的叶轮直径。
8. 传热的基本方式物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。
化工原理课后思考题参考题答案
第二章 流体输送机械2-1 流体输送机械有何作用？答：提高流体的位能、静压能、流速，克服管路阻力。
2-2 离心泵在启动前，为什么泵壳内要灌满液体？启动后，液体在泵内是怎样提高压力的？泵入口的压力处于什么状体？答：离心泵在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气。
由于空气的密度很小，所产生的离心力也很小。
此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。
虽启动离心泵，但不能输送液体（气缚）；启动后泵轴带动叶轮旋转，叶片之间的液体随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体沿着叶片间的通道从叶轮中心进口位置处被甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，液体流到蜗形通道后，由于截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能。
泵入口处于一定的真空状态（或负压）2-3 离心泵的主要特性参数有哪些？其定义与单位是什么？1、流量q v : 单位时间内泵所输送到液体体积，m 3/s, m 3/min, m 3/h.。
2、扬程H ：单位重量液体流经泵所获得的能量，J/N ，m3、功率与效率：轴功率P ：泵轴所需的功率。
或电动机传给泵轴的功率。
有效功率P e ：gH q v ρ=e P效率η：pP e =η 2-4 离心泵的特性曲线有几条？其曲线的形状是什么样子？离心泵启动时，为什么要关闭出口阀门？ 答：1、离心泵的H 、P 、η与q v 之间的关系曲线称为特性曲线。
共三条；2、离心泵的压头H 一般随流量加大而下降离心泵的轴功率P 在流量为零时为最小，随流量的增大而上升。
η与q v 先增大，后减小。
额定流量下泵的效率最高。
该最高效率点称为泵的设计点，对应的值称为最佳工况参数。
3、关闭出口阀，使电动机的启动电流减至最小，以保护电动机。
2-5 什么是液体输送机械的扬程？离心泵的扬程与流量的关系是怎样测定的？液体的流量、泵的转速、液体的粘度对扬程有何影响？答：1、单位重量液体流经泵所获得的能量2、在泵的进、出口管路处分别安装真空表和压力表，在这两处管路截面1、2间列伯努利方程得：f V M H gu u g P P h H ∑+-+-+=221220ρ 3、离心泵的流量、压头均与液体密度无关，效率也不随液体密度而改变，因而当被输送液体密度发生变化时，H-Q 与η-Q 曲线基本不变，但泵的轴功率与液体密度成正比。
蒸汽冷凝
依据：总传热速率方程和热量恒算
新乡学院化工原理精品课程
5.4.1 热流量衡算方程 在定常传热过程中，过程传递的热量Q 必等于热流体放出的热量（负焓变）和冷 流体吸收的热量（焓变）。 即： Q= Q热=Q冷
T 新乡学院化工原理精品课程
5.4.2 总传热速率方程
Q KAtm
间壁传热过程：
热 流 体
新乡学院化工原理精品课程
5.3.6
有相变时的对流传热系数
滴>膜
一、蒸汽冷凝
1. 冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝
新乡学院化工原理精品课程
2. 冷凝过程的热阻：液膜的厚度 3. 蒸汽冷凝的 1）水平管束外
2 gr 3 0.725 2/ 3 n d0 t
w冷c冷 (t2 t1 ) KA tm
新乡学院化工原理精品课程 T1 t1 t t2 dA t
dT
T T2 t2
dt
t1
A
t1 t2 tm t1 ln t2
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1）也适用于并流
T1
t1
T2
t2 t2 t1
t1 T 1t1
t 2 T2 t 2
T 新乡学院化工原理精品课程
对稳态传热:
Q Qi Qm Q0
T Tw Tw t w t w t Q 1 1 i Ai Am 0 A0
因此，Q 1 1 i Ai Am 0 A0 T t
热 流 体
Q
Q
TW
tW
冷 流 体 t
式中
Q ──热冷流体放出或吸收的热量，J/s； w1,w2──热冷流体的质量流量，kg/s； cp1,cp2 ──热冷流体的比热容， J/(s. ℃) ；
有相变冷凝传热
有相变传热： 蒸汽冷凝传热 特点： 膜状冷凝 和 滴状冷凝 两大类，通常，冷凝与传热表面间润湿性好， 则形成膜状冷凝； 如果传热表面有油污、润湿性不好，则产生滴状冷凝。
但 经常操作 的冷凝器 实际上均为膜状冷凝， 故 在冷凝器设计中 均按膜状冷凝计算。
影响膜状冷凝的因素：主要有 ： 不凝结气体 蒸汽流速 过热蒸汽 液膜过冷度及温度分布的非线性 管子排数 管内冷凝 冷凝表面的几何形状雷诺数： 水平管子 μαr t L ∆=4Re其 中 传热系数---α 粘度---μ 液膜两侧的温差，即算术平均值---∆t w s t t - 饱和蒸汽温度---s t 壁温---w t管长或壁长，对于水平管取，相当于圆管横截面半---L r L π=周长 圆管半径---r 对于垂直平面或垂直管上的膜状冷凝，1916年W.Nuseelt 首先推导出屏蔽上膜状冷凝的计算式，在推导过程中 假定：1生成的凝夜沿壁面成层流流动，热量只能以传导的方式通过凝液膜传至壁面，而无对流传热的作用；2假定蒸汽对凝液速度小，气液方面无剪应力蒸汽对冷凝的流动无影响；并且假定壁面恒定，并和蒸汽保持一定温差。
这样推导出的冷凝传热系数公式 如下： 4132)(943.0t L gr ∆=μλρα 由于凝液流动状态与单位周边上的冷凝量有关，不可能完全保持层流流动；且蒸汽的流动与液膜也有冲刷作用，故实际的冷凝传热系数一般比理论值要大20%左右，故在实际中对垂直管和垂直板在层流状态下的冷凝均按式（4-150）来进行计算。
当Re<2100时，膜内流体作层流流动，Re>2100 作湍流流动水平单管（横管）外壁面的层流膜状冷凝传热的计算公式为4-1494132725.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=t d gr μλρα 冷凝液沿壁面作层流流动的垂直管和垂直板的计算公式为 4-150413213.1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=t L gr μλρα除气化潜热取冷凝温度下的数值外，式中的其他有关物性参数均取膜温（的s t w s t t -算术平均值）下的数值。
滴状冷凝和膜状冷凝的传热系数
滴状冷凝和膜状冷凝的传热系数《滴状冷凝和膜状冷凝的传热系数》1.引言在传热领域，滴状冷凝和膜状冷凝是两种常见的传热方式。
它们在工程实践中都有着重要的应用价值。
本文将分别从滴状冷凝和膜状冷凝的基本原理、传热系数的计算方法和影响因素等方面进行探讨，帮助读者深入理解这两种传热方式的特点和应用。
2.滴状冷凝的基本原理滴状冷凝是指在冷凝过程中，冷凝介质以滴的方式从被冷凝物表面脱落并下落的现象。
其基本原理是在冷凝表面形成液体滴，并伴随着滴的增长和减小。
滴状冷凝的传热机制与膜状冷凝不同，主要取决于滴的形成、成长和落下的过程。
3.膜状冷凝的基本原理膜状冷凝是指在冷凝过程中，冷凝介质以薄膜的方式覆盖在被冷凝表面上的现象。
其基本原理是冷凝介质在冷凝表面上形成薄膜，并通过膜的热传导和传热来完成冷凝过程。
膜状冷凝的传热机制与滴状冷凝有着明显的区别，其传热系数的计算需要考虑薄膜的厚度和传热方式等因素。
4.传热系数的计算方法针对滴状冷凝和膜状冷凝，传热系数的计算方法也有所不同。
对于滴状冷凝，传热系数的计算需要考虑滴的形成速度、冷凝介质的物性参数和表面特性等因素；而对于膜状冷凝，传热系数的计算则需要考虑薄膜的厚度、热传导系数和传热面积等因素。
在工程实践中，准确计算传热系数对于设计和优化冷凝设备具有重要意义。
5.影响因素分析除了基本原理和传热系数的计算方法外，滴状冷凝和膜状冷凝的传热性能还受到诸多影响因素的影响。
冷凝介质的物性参数、冷凝表面的特性、流体动力学因素等都会对传热系数产生影响。
深入分析这些影响因素对于理解滴状冷凝和膜状冷凝的传热规律具有重要意义。
6.个人观点和理解在我看来，滴状冷凝和膜状冷凝是传热研究中的重要课题，对于工程领域的热力学和传热学有着重要的意义。
通过深入研究这两种传热方式的特点和规律，我们可以更好地应用于工程实践中，提高能源利用效率，促进传热设备的创新和发展。
7.总结与展望滴状冷凝和膜状冷凝作为传热领域的重要课题，具有深远的意义。
知识点：膜状凝结换热准则关联式PPT.
r
式中的定型尺寸对竖壁为竖壁高度H，对于水平圆管为π d。 从上式中可以看出，在没有计算出换热系数之前，凝结 雷诺数无法计算，也就无法判断液膜的流态。所以在求解凝
知识点：膜状凝结换热准则关联式
H
Re
wm d e
4wm
4M
（1）
δ
W图1 液膜流动示意图 Nhomakorabea式中 wm─竖壁低部液膜层的平均流速，m/s；
知识点：膜状凝结换热准则关联式
M=wmδ ρ ─竖壁底部液膜宽度为1m时的液膜截面上液膜 质量流量，kg/s.m。 由此可以得到，竖壁底部凝结液质量流量M乘以潜热r就 等于宽为1m、高为H的竖壁凝结换热量。即 （t s t w ) H M r
结换热系数时，可先假定液膜流态，一般以Re=1600作为分 界 点。来选用计算公式，求出换热系数后，再计算凝结雷诺数 与假定雷诺数相比较，如果不符合假定的流态则需要重新计 算。
知识点：膜状凝结换热准则关联式
前面讲述的各计算式都是针对液膜为层流时的。如果出 现液膜紊流，上述各式就不能应用了。为了判断液膜的流态 所用的准则是凝结雷诺数Re和凝结准则Co。 1.凝结雷诺数 参见图1，当液膜宽及厚度分别 wm 为W、δ 时，润湿壁面的周边U≈W， 液膜流通截面积为F=W.δ ，当量直径 为de=4f/U=4δ 。则凝结雷诺数的表 达式可描述为
膜状冷凝初期过程的分子动力学模拟研究
膜状冷凝初期过程的分子动力学模拟研究孙杰;何雅玲;李印实;陶文铨【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2007(041)009【摘要】采用分子动力学模拟方法,对氩蒸气在铂金属表面发生的膜状冷凝过程进行了研究.为保证冷凝过程在相对较长时间范围内持续稳定进行,提出了一种改进的气态分子补充方法.通过逐时对系统内局部温度及密度进行统计,获得了不同时刻的参数分布.结果显示:在模拟时间范围内,液膜厚度近似线性增加,壁面附近液相分子受固壁势能作用而呈现出密度振荡的"液体层状化"分布;液膜内产生温度梯度,固液界面处温度跳跃现象明显.考察了气体温度以及壁面润湿性变化产生的影响,结果表明:随着气体温度的升高,温度梯度以及温度跳跃均增大;液相密度略有下降,液体内层状区域的密度振荡范围略有减小,气液界面厚度增加;质量流率以及液膜厚度增长速率也都增大,反映出更大的气固温差加快了冷凝过程的进行,这一点与宏观规律一致.随着润湿性增强,液膜厚度增长加快,液体层状区内的密度振荡范围增加,液膜内温度梯度增大,温度跳跃大幅减小,冷凝过程得到显著强化.显然,近壁面区内的热传导对整个冷凝过程进行的速度具有重要影响.【总页数】5页(P1087-1091)【作者】孙杰;何雅玲;李印实;陶文铨【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK124【相关文献】1.热镀Ni3Al耐蚀合金镀层液态冷凝过程的分子动力学模拟研究 [J], 张长桥;主沉浮;于萍;魏云鹤;张晓茹;高峰;牟善良2.热镀Al3Ni耐蚀合金镀层液态冷凝过程的分子动力学模拟研究 [J], 主沉浮;张晓茹;魏云鹤;于萍;张秀杰;张金岭3.竖直平板上蒸汽层流膜状冷凝换热特性的数值模拟研究 [J], 夏长伦; 郭鑫; 刘琳4.水平管外TFE/NMP部分膜状冷凝热、质耦合传递过程研究 [J], 周甫;陈石;徐士鸣;葛玉林5.外力场对冷凝过程影响的分子动力学模拟研究 [J], 孙杰;何雅玲;李印实;陶文铨因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
知识点：膜状凝结换热准则关联式PPT.
知识点：膜状凝结换热准则关联式
前面讲述的各计算式都是针对液膜为层流时的。如果出 现液膜紊流，上述各式就不能应用了。为了判断液膜的流态 所用的准则是凝结雷诺数Re和凝结准则Co。 1.凝结雷诺数 参见图1，当液膜宽及厚度分别 wm 为W、δ 时，润湿壁面的周边U≈W， 液膜流通截面积为F=W.δ ，当量直径 为de=4f/U=4δ 。则凝结雷诺数的表 达式可描述为
H
Re
wm d e
4wm
4M
（1）
δ
W
图1 液膜流动示意图
式中 wm─竖壁低部液膜层的平均流速，m/s；
知识点：膜状凝结换热准则关联式
M=wmδ ρ ─竖壁底部液膜宽度为1m时的液膜截面上液膜 质量流量，kg/s.m。 由此可以得到，竖壁底部凝结液质量流量M乘以潜热r就 等于宽为1m、高为H的竖壁凝结换热量。即 （t s t w ) H M r
结换热系数时，可先假定液膜流态，一般以Re=1600作为分 界 点。来选用计算公式，求出换热系数后，再计算凝结雷诺数 与假定雷诺数相比较，如果不符合假定的流态则需要重新计 算。
将上式M代入公式（1）中得到凝结雷诺数的另一种表达 式，即 4（t s t w ) H （2） Re
r
式中的定型尺寸对竖壁为竖壁高度H，对于水平圆管为π d。 从上式中可以看出，在没有计算出换热系数之前，凝结 雷诺数无法计算，也就无法判断液膜的流态。所以在求解凝
知识点：膜状凝结换热准则关联式
【免费下载】薄膜冷凝液滴冷凝实验原理
薄膜冷凝/液滴冷凝實驗原理如下圖所示，蒸氣與低溫固體表面接觸時會形成一層液膜，此一液膜為一熱傳阻力導致溫度降的現象，當液膜越厚，熱傳阻力越大(亦即液膜越厚，熱傳係數h越小)。
薄膜T sT w凝蒸氣的組成可能為:單一物質、可凝和不可凝物質的混合物，或由兩種或更多種的可凝蒸氣所混合而成。
在正常的情況下，冷凝器中的摩擦損失是小的，所以冷凝在本質上是個恆壓過程。
而單一純物質的凝結溫度只是壓力的變數，所以純物質的冷凝過程是恆溫的。
且冷凝液也是純液體。
在恆壓下，混合蒸氣在某個溫度範圍下冷凝，並生成不同組成的冷凝液，一直到所有的蒸氣都被冷凝為止，而此時冷凝液的組成。
等於最初冷凝的蒸氣組成指一種可凝的成分從它和另一種不可凝物的混合物中冷凝出來一個普遍的例子，就是水蒸氣從水蒸氣和空氣的混合物中冷凝出來。
滴狀或膜狀冷凝蒸氣是以所謂的滴狀或膜狀的方法凝結在冷表面上的。
膜狀冷凝較滴狀冷凝更為普遍，在膜狀冷凝中，液態冷凝液形成一液體的薄膜或連續液層，在重力的作用下沿著管整個表面流下。
這一層液體介於蒸氣和管壁之間，而產生了熱流阻力，所以它決定了熱傳係數的大小。
在滴狀冷凝中，冷凝液首先是在凝核位置上形成，典型的凝核位置是在有微凹、刮痕或塵粒的地方。
這些微滴逐漸變大，並和鄰近微滴結合，形成可見的小滴，就像在潮濕的室中冷水瓶外側所見到的情形。
接著這些小滴就形成一股小水流，在重力作用下沿著管子流下，帶走了冷凝液，並清理表面以便更多的小點冷凝之用。
在滴狀冷凝期間，冷管的廣大面積都是暴露在蒸氣中的。
因為沒有液膜存在，所以在暴露面積上的熱流阻力非常小，而熱傳係數就相對的變高。
滴狀冷凝的平均係數大約是膜狀冷凝的5至8倍。
在長管子上，一部分的表面可能是膜狀冷凝，其餘的表面是滴狀冷凝。
對於滴狀冷凝最重要且最廣泛的觀察是對水蒸氣做的，但對乙二醇、甘油、硝基苯、異庚烷、和其他的有機蒸氣等也曾有過觀察。
液態金屬通常都是以滴狀凝結的。
滴狀冷凝的現象在於液體能否沾濕表面，所以，就基本上而言，這種現象是屬於表面化學的範疇。
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由于在珠状凝结中蒸汽直接与固壁表面相接
触，因此其冷凝换热系数远比膜状凝结要大。 但是，珠状凝结难以可靠地促成。特殊的表 面涂层固然可以形成液珠，但这种表面处理 随时间推移而逐渐失效。因而，在一般设计 中都是假设发生膜状沸腾而不是珠状沸腾。 此外还有直接接触冷凝等。
膜状凝结分析及计算
竖直壁面的膜状凝结计
第一课 膜状冷凝
上海交通大学 核工系
一、凝结的类型与凝结换热
凝结有两种类型：
一种是膜状凝结（Filmwise Condensation）， 见图6－1(a)。凝结液在冷固壁表面形成一个连 续的膜。凝结释放的潜热通过液膜的导热，从 发生凝结的相界面传向固壁面； 另一种是珠状凝结（Dropwise Condensation）， 见图6－1(b)。此时，凝结液形成液珠，并不完 全润湿固壁表面，液珠并不形成连续的液膜， 而是当液珠达到一定的临界尺寸时，由表面滑 落下来。固壁表面并不润湿，从而形成下一个 液珠，就象核态沸腾中由一个核化点产生汽泡 一样。
l l g g l3 h 0.73 l Tsat d
1 4
该方程与竖直平板上膜状凝结的换热系数形
式上是一样的，但是系数要小一些，这是因 为管上液膜要比竖直平板上厚。但是，典型 的水平管外换热系数要大于竖直平板（注意： 尽管系数小一些，但分母上一个是d，一个是 L）。比如，对d=0.02m的圆管管外， h=9700W/m2K（几乎是1m长竖直平板上的2 倍）。因此，一般冷凝器采用水平而不是竖 直圆管布置。
2）蒸汽过热度
当凝结蒸汽具有过热度时，一般温差（Ts Tw） Tb 应由（Tb Tw ）取代（其中 ，为蒸汽过热 度）；汽化潜热 hLG 也应用过热蒸汽与凝结
水的焓差
h
'' LG
'' hLG
来代替，即
c PG (Tb Ts ) 3 c PL (Ts Tw ) hLG [1 ] hLG 8 hLG
1 4
其中，为距离竖直壁面起点（z=0）z处的液
膜厚度。该处换热系数为
l hz
代入值，得到
l l g g l3 hz 4 l Tsat z
1 4
一般来说，我们对于局部换热系数并不感兴
趣，而感性趣的是其在整个竖直壁面上的平 均值，即
3）非凝结性气体 当蒸汽中有非凝结性气体时，凝结热交换强度明显下降。这 些非凝结性气体随蒸汽流向汽液分界面，并在那里堆积起来。 因此，在汽液分界面附近，非凝结性气体的分压力就高于远 离分界面的主流体，并在汽液分界面附近形成一扩散层。主 流体中的蒸汽在向凝结液膜流动的过程中首先要通过这一非 凝结气体的扩散层。因此，在汽液分界面上，蒸汽的分压力 就小于主流体。在饱和蒸汽的混合气体中，其温度因应与蒸 汽分压力下的饱和温度相对应。因此，在扩散层中就存在一 温度梯度，如图6－7所示。这意味着在热交换过程中除凝结 液膜外，还附加一个扩散层的热阻，使凝结热交换强度降低。 凝结蒸汽中，气体的含量越多，凝结放热系数的降低就越加 严重。
水平管膜状凝结示意图
管束的凝结
a－顺排；b－错排
另外，我们一般采用管束，如教材图6－4。
管束的效应几乎就是单管管径加大，对应于 竖直平板就相当于竖直分布的管束第二及以 下的管子液膜厚度在z=0时并不等于0。 因此，对于竖直排列的n根管子，其第n根管 子的平均冷凝换热系数hn为 h hn 1
本次课结束！
n4
管束凝结图
a－理想Nusselt凝结；
b－实际水平管凝结
影响膜状凝结换热因素的讨论
根据不同的实际条件，膜状凝结有时应考虑其他因 素的影响。 1）蒸汽流速： 一般的膜凝结是针对蒸汽处于不动状态下研究的， 即没有考虑汽液分解面上汽相的摩擦作用。在水平 管束冷凝器中，管间间隙的气流往往具有一定速度。 当蒸汽向下流动时，它使液膜厚度减薄，并增加液 膜的扰动性，因而使热交换加强。当蒸汽向上流动 时，开始时气流因阻碍液膜的疏泄而使其厚度增大， 但当气流达到一定速度后，它使液膜扰动性增加， 进而有撕破液膜的倾向。
考虑到层流的牛顿剪切应力公式
du l dy 运用边界条件y=0, u=0，有速度分布
u
l
g gy y l 2
这里隐含了截面剪切应力为零（=0y=）
的假设。于是单位液膜宽度的质量流率M为
M
0
l l g g 3 l udy l 3
1 h L 0
L
l l g g l3 2 2 hz dz 3 l Tsat L
1 4
该方程首先是由Nusselt于1916年求得的。
水平管外的膜状凝结计算
如教材图6－3所示，水平管外凝结，其冷凝
液的膜沿管外壁流下，离开管外下部。其平 均换热系数的推导类似于竖直平板，但是更 为复杂。其结果为
dM l Tsat dz
3、传热系数的解：
联立热平衡与力平衡得到的两个
我们得到
3
dM dz
表达式，
l l Tsat d dz l l g g
假设在z=0处液膜厚度为0，积分上式得到
4 l l Tsat z l l g g
算 流动下降膜的传热系数 计算的如图见6－2。
1、水动力方面（力平衡）：
考虑如图所示的液膜，考虑蒸汽密度，对于
稳定流（液相流线为平行的竖直线）： 由于
p g g z
则
z p y l g y z
化简为
l g g y
则随液膜厚度变化的质量流率变化为
dM l l g g 2 d dz l dz
注意：只要液膜变化缓慢，流线几乎都是平
行地竖直，则只要 d dz 《1，上式成立。
2、传热方面（热平衡）：
严格说，膜态凝结时，液膜是过冷的。但近
似地（如果不是强烈的热力不平衡的话）， 不考虑这一点，我们有
dM dz
另外一个近似的简化假设为：液膜凝结传热
主要是导热，而非对流，并人为液膜横向温 度分布为线性，则由导热方程，有
l Tw Tsat l Tsat
其中，在该方程中正号表示：y=0时,
y=时，T=Tsat。
T=Tw；
则令上面关于热流的两式相等，有