有相变传热系数的计算

L
ⅲ蒸汽处于静止状态→蒸汽对液 膜没有摩擦力；
ⅳ液膜流动呈稳定状态→液膜作
等速向下流动(液体加速度被忽
α
略)；
ⅴ蒸汽的密度远小于液体的密度ρv<< ρ → 即液膜运动主 要取决于重力与粘性力→浮力的影响则可忽略；
ⅵ通过冷凝液膜的传热是垂直于壁面方向的纯导热，温 度分布呈线性变化。
热流方向
TS
x Tw
L d0
1/ 4
2) 水平管束外对流传热系数——管束间影响复杂 特点：第一排管——其冷凝情况与水平放置的单根 圆管相同； 其它各排——其冷凝情况要受到它上面各排 管子流下的冷凝液影响。
目前，对管束间的影响还未总结出普遍适用的规律。
④ 影响冷凝传热的主要因素及冷凝传热过程的 强化
对纯蒸汽冷凝→热阻集中在液膜内→凡影响液膜状况
L
1）液膜呈层流(Re<2100)时的 对流传热系数
特点：层流→热量主要以热传导方式穿 过液膜。 可在简化前提下，通过解析方法推 α 导出 α计算式→实验修正。
简化假设： ⅰ竖壁面TW=const. → 壁面上液体温度=TW； 汽、液界面处温度为TS；
ⅱ冷凝过程中，冷凝液物性ρ、μ、λ=const.；
Tg
Tw δx αx
傅立叶定律：
dQ dA Ts Tw x
牛顿冷却定律：dQ xdA(Ts Tw )
稳态传热：
x
x
αx：距顶端x处的局部对流传热系数
平均
1 L
L
0 xdx
L
L dx
0 x
λ；
δx～x。
根据理论推导，得 δx～x 关联式：
x
4xT 2 g
1/ 4
确定出壁高为L时的平均对流传热系数α平均。
δ↓
向下流，蒸汽与液膜流动方向相同 液膜波动
α冷凝↑；
向上流，u不大时，阻碍液膜流动， δ↑ ，α冷凝↓； u↑↑，液膜被吹离壁面， α冷凝↑↑。
3) 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)→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%时→冷凝传热系数降低60%左右。
知识回顾：
导热速率与壁面厚度成反比；
稳态传热时，对流传热的传热速率 取决于层流底层的导热速率； 层流底层越薄，传热系数越大
蒸汽冷凝传热规律
垂直壁面(竖板or竖管)上的冷凝传热系数变化规律 层流区，液
层 流
T
T
w
s
膜内的传热 以导热方式
进行
层流膜厚增 加，传热系
L
数减小
Q
湍流主体，
层流底层厚
湍 流
对流传热； 层流底层，
大空间自然对流传热 蒸汽冷凝时的对流给热
保温层的临界直径
1、大空间自然对流传热过程
C (Gr Pr)n
d0
各种情况下的C、n及特征尺寸d0的取值见书上附表4.3.2。
2 蒸汽冷凝传热过程
水蒸汽冷凝传热是工业上应用最为广泛的一种加热方式。 研究水蒸汽冷凝传热的规律，有效提高水蒸汽的传热效率，可以达到能源充分利用的目的。 水蒸汽冷凝是一种常见的自然现象，例如水蒸汽在玻璃杯壁面上的凝结、冬季水蒸汽在玻璃 窗上的凝结现象。
度增加，传 热系数减小
导热
(液膜流动)
流体湍动程度越大， 层流底层厚度越薄
α
(传热系数)
蒸汽冷凝传热规律
由上述分析可知： 冷凝液膜层流层或层流底层越薄，蒸汽冷凝的传热系数越大
强化蒸汽冷凝传热的措施：减少冷凝液膜层流层或层流底层的厚 度 设法获得滴状冷凝，如在冷凝壁面上生成疏水涂层，可提高传热系数10 倍左右； 高速蒸汽喷射壁面，将液膜吹薄； 在传热壁面上开纵向凹槽→冷凝液借重力顺槽下降； 沿纵向装金属丝or直翅片，加快冷凝液的下流速度。
δ Re→ α冷凝
物性、△T； ug、流向、过热； 不凝气； 传热面的形状与布置。
设法获得滴状冷凝； 高速蒸汽喷射壁； 吹成雾状冷凝液等。
α冷凝↑
1) 流体物性与液膜两侧传热温差的影响
ρ：
μ：
λ： γ：
△T：
2) 蒸汽流速与流向的影响
蒸汽u↑，蒸汽与液膜间摩擦力作用不能忽略，且u的影响随蒸汽压强↑加剧。
平均
1 L
L
0 xdx
L
L 0
dx
x
0.943
2 g3 LT
1/ 4
式中： 蒸汽的冷凝潜热γ——取TS下的值； 其余物性值均按液膜平均温度——Tm=(TS+TW)/2确定。
冷凝液膜流型的判断——Re=f(M)
Re deu
4S ms bS
4ms / b 4M
M冷凝负荷：单位润湿周边上流过的冷凝液的质量流量， kg/m·s；
5) 传热面的形状与布置——强化冷凝传热
强化冷凝传热过程α冷凝↑的主要途径→液膜厚度δ↓。
倾斜排列→冷凝液尽可能沿各排管切向流过； 水平管：
减少垂直方向上管排数；
δ↓
垂直管： 纵向凹槽→凝液借重力顺槽下降； 沿纵向装金属丝or直翅片；
⑤ 加热面的布置 如：水平管束→下排管表面上产生的汽泡向上浮升，引起对上排管的附加扰动 → α水平管束 > α单管。 扰动程度：液体沸腾压强、热负荷、液体性质、管排间距等。
在冷凝器的设计中，蒸汽冷凝侧设排气孔→定期排放不凝气。
4) 蒸汽过热(TV>TS)的影响
过热蒸汽冷却(TV-TS)； 过热蒸汽的冷凝 饱和蒸汽的冷凝TS；
cv Tv Ts
T Ts Tw
但液膜内传热温差仍为TS-TW；
通常过热蒸汽冷凝→按饱和蒸汽冷凝处理→计算误差在实际工程计算中忽略。
平均
1.13
2 g3 LT
1/ 4
2) 液膜呈湍流(R>2100)时的对流传热系数 目前，还完全依靠实验测得.
③ 水平管外的冷凝
因管径通常较小→蒸汽在水平管外冷凝时，液膜一般呈层流状态。
1) 单根水平管外层流膜状冷凝
平均
0.725
2 g3 d0T
1/ 4
d0：管外径
水平 垂直
0.64
蒸汽冷凝传热规律
水蒸汽 入口
物料入 口
物料出 口
冷凝液 出口
列管式换热器
蒸汽冷凝换热器1
蒸汽冷凝传热规律
水蒸汽 入口
物料入 口
板式换热器
物料出 口
冷ห้องสมุดไป่ตู้液 出口
蒸汽冷凝换热器2
蒸汽冷凝传热规律
冷凝液膜描述：
Ts Tw
Ts Tw
温度变化特点：
蒸汽内部的温度均一，为饱和温度；
温度变化主要集中在液膜内。
ms冷凝液的质量流量：kg/s → M= ms /b b润湿周边：m，对竖的平壁，为壁的宽度；对于竖管， 为管外壁周长；
S液膜的横截面积，即液膜流通截面积
de当量直径： de=4S/b
实验对理论推导公式的修正：
因实验不可能完全实现理论推导时所作的简化假定，如蒸汽速 度≠0 →需用实验结果对理论公式进行修正。修正后当冷凝液膜呈 层流流动时，有：