冷凝传热过程

rg λ ρ h 则有： 则有： = 1 . 13 µ l L (t s − t w ) 3 2 3 1/ 4 9 . 8 × 2257 × × 10 × 985 . 4 × 0 . 68 = 1 . 13 2 . 825 × 10 − 4 × 0 . 3 × (100 − 98 )
Re =
µ
µ
4 hL ( t s − t w ) rµ
**
横管： 横管：用πd 代替 L
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冷凝传热系数计算 二、湍流膜状凝结换热
对于Re 的湍流液膜， 对于 >2100 的湍流液膜， 其平均冷凝给热系数 可以下的经验式
rg λ ρ h = 0 .0 6 8 µ l L (t s − t w )

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影响冷凝传热的主要因素
蒸汽过热(TV>TS)的影响： 过热蒸汽的冷凝 过热蒸汽冷却(T 过热蒸汽冷却 V-TS)； ； 饱和蒸汽的冷凝T 饱和蒸汽的冷凝 S；
但液膜内传热温差仍为TS-TW； 但液膜内传热温差仍为 实验表明，在大气压力下，过热 ℃ 实验表明，在大气压力下，过热30℃的蒸汽较饱和蒸 汽的给热系数高1%，而过热540℃的蒸汽的给热系数高 汽的给热系数高 ，而过热 ℃ 30%，所以在一定情况下不考虑过热的影响，仍按饱和 ，所以在一定情况下不考虑过热的影响， 蒸汽进行计算。 蒸汽进行计算。
*
倾斜壁表面传热系数： 倾斜壁表面传热系数：
rg λ 3 ρ l2 sin θ l h = 0 . 943 µ l L (t s − t w )
1 4

12
冷凝传热系数计算
水平管表面传热系数： 水平管表面传热系数：
hH
rg λ 3 ρ l2 l = 0 . 729 µ l d (t s − t w )
安全工程系列讲座 传热强化新技术及其工程应用
冷凝传热过程
周帼彦 副教授 2011-102011-10-18
1
提 纲
1 2 3 4 5 冷凝传热过程简介 冷凝传热机理 冷凝传热系数计算 影响冷凝传热的主要因素 冷凝传热过程强化

2
冷凝传热过程简介 冷凝传热：
蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热 各种液体
1 4
hH 1/ 4 = 0.77(L / d ) hV
当 L / d > 2.85时, hH > hV
球表面传热系数： 球表面传热系数：
hS
rg λ 3 ρ l2 l = 0 . 826 µ l d (t s − t w )
1 4

13

3
冷凝传热过程简介
膜状冷凝传热 冷凝液体能润湿壁面， 冷凝液体能润湿壁面，它 就在壁面上铺展成膜。 就在壁面上铺展成膜。 膜状冷凝时蒸汽放出的潜 热必须穿过液膜才能传递到壁 面上去，此时，液膜层就形成 面上去，此时，液膜层就形成 壁面与蒸汽间传热的主要热阻 主要热阻。 壁面与蒸汽间传热的主要热阻。 若凝液借重力沿壁下流， 若凝液借重力沿壁下流，则液 膜越往下越厚， 膜越往下越厚，给热系数随之 越小。 越小。

8
冷凝传热机理
垂直壁面(竖板or竖管)上的冷凝 液流量↑ 重力作用 → 沿壁向下形成 液流量 ； L 层 液膜厚↑ 液膜厚 新冷凝液补充 流 →α
湍 流
Q
特点： 特点：冷凝液因
液膜流δ 液膜流 液膜 壁 壁下
→ 流→ ； 流 α↓； ) 流→ 流 α↑
→ δ液膜↓ 液流量 液流量↓→u↓ (液膜流 → δ液膜↑液膜流 ) 液流量↑→u↑ 液流量 (
冷凝传热系数计算
几点说明： 定性温度， 外其余皆为(t 定性温度，除r 用 ts 外其余皆为 w+ts)/2 公式使用范围， 公式使用范围，层流 Re<2100 当量直径 雷诺数
de = 4 f 4Wδ = = 4δ U W 4 δρ u L 4M Re = =
h(t s − t w ) L = rM
6
冷凝传热过程简介
是否形成膜状冷凝主要取决于冷凝液的润湿能力， 是否形成膜状冷凝主要取决于冷凝液的润湿能力，而润湿 冷凝液的润湿能力 能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。 能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。 实践表明， 实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程 材料洁净表面上都能得到膜状冷凝。 材料洁净表面上都能得到膜状冷凝。
5
冷凝传热过程简介 冷凝情况分类：
纯蒸汽冷凝 ——蒸汽冷凝时 蒸汽冷凝时Tg=const.， 且α ↑； 是工业上广泛应 蒸汽冷凝时 ， ； 用的一种加热方法。 用的一种加热方法。 混合蒸汽冷凝 ——蒸汽冷凝时 蒸汽冷凝时Tg≠const.，随组分的冷凝而变化， α < ，随组分的冷凝而变化， 蒸汽冷凝时 α 纯蒸汽。 纯蒸汽。 含不凝性气体的蒸汽冷凝 ——不凝气含量 冷凝冷却过程 α ’<< α 纯蒸汽。 不凝气含量↑→冷凝冷却过程 冷凝冷却过程→ 纯蒸汽。 不凝气含量 本节讨论——纯饱和蒸汽膜状冷凝对流传热系数的计算 方法。
3 l 2 l 1 3
计算方法： 先假设为层流，用式（ ） 先假设为层流，用式（*）求h； ； 代入式（ ）验算液膜是否为层流： 将h代入式（**）验算液膜是否为层流： 代入式 计算正确， 改用上式求。 若Rem< 2100,计算正确，若Rem>2100改用上式求。 计算正确 改用上式求

冷凝传热方式分类：
膜状冷凝(filmwise condensation) 膜状冷凝 ——在壁面形成完整的液膜的凝结。 在壁面形成完整的液膜的凝结。 在壁面形成完整的液膜的凝结 滴状冷凝(dropwise condensation) 滴状冷凝 ——凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热 凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热

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冷凝传热系数计算
基本假设： 常物性； 常物性； 蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 液膜惯性力可以忽略； 液膜惯性力可以忽略； 汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度； 汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度； 膜内温度分布是线形的， 膜内温度分布是线形的，即认为液膜内的热量转移 只有导热，而无对流作用； 只有导热，而无对流作用； 液膜的过冷度可以忽略； 液膜的过冷度可以忽略； 可忽略不计； ρv<<ρl， ρl可忽略不计； ρ 液膜表面平整无波动。 液膜表面平整无波动。
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冷凝传热系数计算
局部表面传热系数 Newton cooling Law（忽略过冷度） 竖壁的平均表面传热系数： 竖壁的平均表面传热系数：
rg λ ρ h = 1 .1 3 µ l L (t s − t w )
3 l 2 l 1 4
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冷凝传热系数计算
压力为1.013×103Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的 的水蒸气在方形竖壁上凝结。 例 压力为 × 尺寸为30cm×30cm，壁温保持 ℃。计算每小时的热换量 尺寸为 × ，壁温保持98℃ 及凝结蒸汽量。 及凝结蒸汽量。 解：假设液膜为层流。根据 ts=100℃，查得 假设液膜为层流。 ℃ 查得r=2257kJ/kg。 。 其他物性按液膜平均温度 tm=(100+98)/2=99℃ 查取， ℃ 查取， 得：ρ=958.4kg/m3，µ=2.825 ×10-4kg/(m.s)， ， λ=0.68W/(m.K)
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影响冷凝传热的主要因素
蒸汽流速与流向的影响： 蒸汽流速u增大， 蒸汽流速 增大，蒸汽与液膜间摩擦力作用不能忽 增大 的影响随着蒸汽压强的增大而加剧。 略，且u的影响随着蒸汽压强的增大而加剧。 的影响随着蒸汽压强的增大而加剧 蒸汽向下流，蒸汽与液膜流动方向相同，液膜厚 蒸汽向下流，蒸汽与液膜流动方向相同， 减小， 度δ减小，冷凝对流传热系数 冷凝增大； 减小 冷凝对流传热系数α 增大； 蒸汽向上流，流速 不大时 阻碍液膜流动， 不大时， 蒸汽向上流，流速u不大时，阻碍液膜流动，液膜 厚度δ增大 冷凝对流传热系数α 减小； 增大， 厚度 增大，冷凝对流传热系数 冷凝减小； 流速u较大时 液膜被吹离壁面， 较大时， 流速 较大时，液膜被吹离壁面， 冷凝对流传热系数α 增大。 冷凝对流传热系数 冷凝增大。
7
冷凝传热机理
纯蒸汽冷凝 Tg=const. ，蒸汽在冷凝同时从气相主体流至壁面； 蒸汽在冷凝同时从气相主体流至壁面； 汽相中无热阻(汽相主体与壁面间温差极小 汽相中无热阻 汽相主体与壁面间温差极小) →g相 汽相主体与壁面间温差极小 相 △T=0。 。 冷凝传热热阻几乎全部集中在冷凝液膜内→△T也只在 液膜内存在。
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冷凝传热过程简介
滴状冷凝传热 凝液不能完全润湿壁面， 凝液不能完全润湿壁面，在壁面 不能完全润湿壁面 上形成一个个小液滴， 上形成一个个小液滴，且不断成长变 大，在非水平壁面上受重力作用而沿 壁滚下，在下滚过程中， 壁滚下，在下滚过程中，一方面会合 相遇液滴，合并成更大的液滴，一方 相遇液滴，合并成更大的液滴， 扫清沿途所有的液滴， 面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴 露在蒸汽中。 露在蒸汽中。 没有完整液膜的阻碍，热阻很小， 没有完整液膜的阻碍，热阻很小， 给热系数约为膜状冷凝的5~10倍甚至 给热系数约为膜状冷凝的 倍甚至 更高。 更高。
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Φ
影响冷凝传热的主要因素
不凝结气体 流体物性与液膜两侧传热温差 蒸汽流速与流向 过热蒸汽 传热面的形状与布置

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影响冷凝传热的主要因素
不凝气的影响： 不凝气在液膜与蒸汽之间形成一层气膜(冷却过程) 不凝气在液膜与蒸汽之间形成一层气膜(冷却过程) 一层气膜 附加热阻↑↑ ↑↑， ↓↓。 →附加热阻↑↑， α冷凝↓↓。 通常在静止的蒸汽中，当不凝气含量仅为1% 1%时 通常在静止的蒸汽中，当不凝气含量仅为1%时→冷 凝传热系数降低60%左右。 60%左右 凝传热系数降低60%左右。 在冷凝器的设计中，蒸汽冷凝侧设排气孔→定期排 在冷凝器的设计中，蒸汽冷凝侧设排气孔→ 放不凝气。 放不凝气。 流体物性与液膜两侧传热温差的影响： 导热系数λ、密度 、气相分率y、粘度η、温差△ 等 导热系数 、密度ρ、气相分率 、粘度 、温差△t等