凝结换热汇总课件.ppt

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1、本章作业：,7-6 7-13 7-17 7-25,相变换热与非相变换热的对比,由于有潜热释放和相变过程，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。,第七章 相变对流换热,7.1 凝结传热的模式7.2 膜状凝结的分析解及计算关联式7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化,6-1 凝结换热,膜状凝结当凝结液体能很好的浸润壁面时，沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。,珠状凝结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,

2、在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻,珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大的加强，一般,但珠状凝结很不稳定，目前还难于获得实用的持久性珠状凝结过程。一般工业设备中均为膜状凝结。,膜状凝结是工程设计依据,实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，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。,工业实际应用上都只能

3、实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。,强化膜状凝结的途径减薄液膜的厚度,纯净饱和蒸汽层流膜状凝结换热的分析,1916年，Nusselt提出的纯蒸汽层流膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。,自1916年以来，对膜状凝结关联式的各种修正或发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计算方法。,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。,1）纯蒸气在壁面上凝结成层流液膜，常物性；2）蒸气静止，且认为蒸气对液膜表面无粘

4、滞力；3）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；4）液膜薄流速慢，忽略液膜的惯性力和对流作用；5）凝结热以导热通过液膜，膜内温度视为线性分布；6）液膜的过冷度忽略；7）相对于液体可忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动。,假设条件：,边界层微分方程组：,4）液膜的惯性力忽略,5）膜内热量转移只有导热,只有u 和 t 两个未知量，于是，上面方程组化简为：,边界条件：,求解上面方程可得：,2）,1）,6）不考虑液膜过冷释放的显热,(1)液膜厚度,(2)局部对流换热系数,求解的基本思路（1）先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度在内的流速u及温度t分布的表达式；（2）再利用dx一段距离上凝结液体

5、的质量平衡关系取得液膜厚度的表达式；（3）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律求出表面传热系数的表达式。,(4)修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述理论值高20左右,修正后：,(3)平均对流换热系数,对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可,定性温度：,注意：r 按 ts 确定,(5)水平圆管,努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流膜状凝结,式中：下标“H”表示水平管，“S”表示球;d 为水平管或球的直径。,以上所有公式中：,横管与竖管的对流换热系数之比：,当 l/d 50时，所以冷凝器通常都采用横管的布置方案,边界层内的流态,凝

6、结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据膜层Re，,式中：ul 为 x=l 处液膜层的平均流速；de 为该截面处液膜层的当量直径。,横管：用d 代替 L,除Prw 的定性温度用 tw 外，其余均用ts，物性为凝结液的,影响膜状凝结因素的讨论,1.不凝结气体：由于不凝结气体形成气膜，故：1).蒸气要扩散过气膜，形成阻力；2).气膜导致蒸气分压力降低，从而使 ts 降低,降低了有效冷凝温差，使凝结换热表面传热系数和换热量降低。,严重性：1%的不凝结气体能使 h降低 60%,2.蒸气流速 前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。u 向上 液膜增厚 h；u 液膜破裂 h u 向下 液膜减薄 h；u 液膜破

7、裂 h,3.过热蒸气 实验证实 h-h 代替 r 即可,4.液膜过冷度及温度分布的非线形 只要用r 代替计算公式中的 r，即可：,5.管子排数 n排,特征长度d nd 由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使 h 增大。,6.管内冷凝,7.凝结表面情况,强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。,实现的方法：尖锋的表面 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结 表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入,饱和水蒸汽在长2m，外径19mm的管外凝结，如气压为0.074bar(绝对)，管壁平均温度为25，求将管横放和竖放时的平均凝结换热系数及凝结液量。,横放情况

8、，假设流动为层流:,传热量,凝液流量,假设正确,竖放情况，假设流动为层流:,传热量,凝液流量,假设正确,凝结换热的关键点凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝结理论,凝结换热中的重要参数 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts-tw）汽化潜热 r 特征尺度 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 数、比热容等,是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力，而润湿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，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凝结。,