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同学们 大家好

本节课我们学习的章节是

凝结与沸腾换热

蒸汽遇冷凝结

液体受热沸腾是伴有相变的

对流换热过程

与我们前面学习的单相对流换热过程

具有重大区别

本节课我们将对该部分内容

进行详细的介绍

凝结与沸腾换热

广泛存在于工程实践中

例如

电站汽轮机装置中的凝汽器中的换热

空调冷凝器和蒸发器中的换热

锅炉炉膛中的水冷壁中的换热

2

下面我们来学习该部分内容的

3

第一个知识点 凝结换热及影响因素

4

该知识点主要包含三部分内容

5

1)凝结换热机理及特点

6

2)膜状凝结换热分析解及实验关联式

7

3)凝结传热的影响因素及强化措施

8

下面首先了解一下

9

什么是凝结换热

10

凝结换热

11

是蒸汽与低于饱和温度的壁面

12

接触时

13

将蒸汽潜热释放给固体壁面

14

并在壁面上形成凝结液的过程

15

其根据凝结方式的不同

16

分为膜状凝结和珠状凝结

17

如右上图所示

18

膜状凝结换热是当凝结液

19

能够很好地润湿壁面时

20

在壁面上形成液膜

21

并在重力作用下流动

22

凝结放出的汽化潜热

23

必须通过该液膜

24

因此 液膜厚度直接影响它热量传递

25

如右侧下图所示

26

珠状凝结换热

27

是当凝结液体

28

不能很好地润湿壁面时

29

凝结液在壁面上

30

形成一个个小的液珠

31

壁面的部分表面与蒸汽直接接触

32

因此 换热速率远大于膜状凝结

33

可能大几倍甚至大一个数量级

34

虽然珠状凝结换热

35

远大于膜状凝结

36

但是珠状凝结很难保持

37

因此 大多数工程中

38

遇到的凝结换热

39

大多属于膜状凝结

40

为了深入了解膜状凝结的换热机理

41

Nusselt提出了简单膜状凝结

42

换热分析理论

43

该理论是近代膜状凝结理论

44

和传热分析的基础

45

后来各种修正和发展

46

都是针对该分析的限制性假设

47

而进行的

48

并形成了各种实用的计算方法

49

该方法抓住液膜导热热阻

50

是凝结过程中主要热阻这一点

51

忽略次要因素做出了以下八点假设

52

包括换热流体为常物性

53

蒸汽静止气液界面无粘滞力

54

忽略液膜的惯性力

55

气液界面上无温差

56

即液膜温度等于饱和温度

57

膜内温度线性分布

58

即热量转移只有导热

59

忽略液膜的过冷度影响

60

忽略蒸汽密度的影响

61

液膜表面平整无波动

62

根据前面学习的对流换热知识

63

对凝结液膜建立边界层微分方程组

64

其中x方向为重力方向

65

y方向为液膜厚度方向

66

在方程组中

67

第一个方程为连续性方程

68

第二个方程为动量方程

69

在动量方程中

70

方程左边为惯性力项

71

右边第一项为压差力项

72

第二项为体积力项

73

第三项为粘性力项

74

第三个方程为能量方程

75

方程的左边为对流换热项

76

右边为导热项

77

为了方便对上面方程组进行求解

78

根据前面假设

79

对液膜边界层微分方程组进行简化

80

首先根据假设3

81

忽略液膜惯性力得

82

动量方程左侧为零

83

根据假设7 忽略蒸汽密度

84

则蒸汽压力的变化可以忽略

85

既动量方程右侧第一项为零

86

根据假设5 液膜内部热量转移

87

只有导热

88

这使得能量方程左侧对流换热项

89

为零

90

综上简化后的动量方程

91

和能量方程成如下形式

92

该方程组中的方程

93

均是二阶常系数微分方程

94

只有两个变量比较容易求解

95

因此暂时不考虑连续性方程

96

根据边界层理论

97

该方程组的定解条件如下

98

y等于0时

99

即在壁面时液膜内

100

液体的速度为零

101

温度等于壁面温度

102

在液膜表面速度梯度等于0

103

温度等于饱和温度

104

对简化后的微分方程组求解

105

得到液膜内部

106

和温度分析解表达式如下

107

其中速度场为抛物线形式

108

温度场为线性形式

109

二者均是液膜厚度的函数

110

为此还需要求得液膜厚度

111

在x方向的变化规律

112

为此对x=l处取dx微元段

113

由质量平衡关系

114

单位宽度凝结液质量流量

115

可以通过该积分公式求得

116

其结果也是液膜厚度的单值函数

117

在此基础上可求得凝结液质量流量

118

增量dqm的表达式

119

再由能量平衡关系

120

在假设6忽略了液膜过冷

121

释放潜热的情况下

122

通过液膜的导热

123

等于dqm凝结液释放的潜热

124

通过求解常微分方程

125

求得了液膜厚度在X方向的变化规律

126

为该式形式

127

在求得了液膜厚度

128

在x方向的变化规律后

129

由于在液膜内部仅有导热

130

局部对流换热系数

131

等于液膜内液体导热系数

132

除以对应的液膜厚度

133

如该式所示

134

整个竖壁

135

平均换热系数可以通过该积分求得

136

实验表明

137

由于液膜表面波动影响

138

该影响在推导时

139

由假设8被忽略

140

使得实验值通常比上述

141

公式求得的理论值高20%左右

142

因此需要对积分后的系数进行修正

143

当计算倾斜壁层流凝结换热时

144

可以用重力加速度

145

乘以倾斜角的正弦值

146

代替上面公式中的重力加速度

147

另外除了对波动进行修正之外

148

其他的假设也有人做了相关的研究

149

如当普朗特数约等于1的时候

150

并且雅各布数远大于1时

151

惯性力项和液膜的过冷度的影响

152

均可忽略

153

努赛尔理论分析可推广到

154

水平圆管和球表面上的

155

层流膜状凝结

156

其计算公式如下

157

公式形式与竖壁相似

158

只是系数和定性尺寸不同

159

由竖壁的高度变成水平管

160

或球的直径

161

将横管和竖管的

162

对流换热系数的计算公式

163

进行比较得到

164

当竖管高度与横管高度之比

165

约等于2.86时

166

二者的换热系数相等

167

当比值大于该值时

168

水平管的换热效果更好

169

反之则反

170

前面介绍的理论

171

均是在层流条件下提出的

172

实际情况下膜内的凝结液的流态

173

也分为层流和湍流

174

其判断依据依就是Re

175

其计算公式如下

176

公式中定性尺寸为该截面处

177

液膜的当量直径

178

即四倍的截面积除以湿周

179

速度为液膜的平均流速

180

由能量平衡关系

181

将方程中的凝结液流量项替换之后

182

可得膜状凝结液流动

183

雷诺数计算公式为如下形式

184

是对流换热系数的函数

185

研究表明：液膜从层流转变为湍流的

186

临界雷诺数可定为1600

187

对湍流液膜

188

除了靠近壁面的层流底层

189

仍依靠导热来传递热量之外

190

层流底层之外

191

以湍流传递为主

192

换热大为增强

193

对底部已达到湍流状态的竖壁

194

凝结换热

195

其沿整个壁面的平均表面传热系数

196

计算式为如下加权平均形式

197

研究人员利用上面原理

198

整理的实验关联式

199

可供计算整个壁面的平均传热系数

200

上面的理论和分析

201

均是在理想的情况下

202

工程实际中所发生的膜状凝结过程

203

往往比较复杂受各种因素的影响

204

首先当凝结液膜

205

存在不凝结气体时

206

蒸汽必须通过扩散方式

207

穿过积聚在液面附近的

208

不凝结气体层

209

因此它的存在

210

增加了热量传递的过程阻力

211

此外由于不凝气体的存在

212

凝结过程中的蒸汽分压力会下降

213

相应的饱和温度也会下降

214

凝结的驱动力会减弱

215

进而削弱了凝结换热效果

216

Nusselt理论忽略了蒸汽流速的影响

217

当流速较高的时候

218

蒸汽流对腋膜

219

表面产生明显的粘滞应力

220

如果蒸汽流动与液膜向下的流动

221

同向时液膜会拉薄

222

换热系数增大

223

反之换热系数减小

224

前面的理论

225

都是针对饱和蒸气而言的

226

对于过热蒸汽

227

计算只需用过热蒸汽

228

与饱和液的焓差

229

来代替式中的潜热修正即可

230

Nusselt理论

231

忽略了液膜过冷度的影响

232

如果考虑过冷度

233

及温度分布的实际情况

234

要用下式中的相变潜热

235

来代替计算公式的相变潜热

236

进行修正即可

237

前述的横管凝结换热公式

238

只需于单根横管

239

当沿流动方向有n排横管时

240

用nd代替特征长度d修正即可

241

实际上由于上面排管凝结液

242

对下面排管的冲击和扰动

243

实际换热效果将大于理论结果

244

当蒸汽在管冷凝时

245

若蒸汽流速较低

246

凝结液主要在管子底部

247

蒸汽则为位于管子上部

248

若蒸汽流速较高

249

则形成环形流动

250

蒸汽凝结液均匀分布在管四周

251

中心为蒸汽

252

随着流动的进行

253

液膜厚度不断增厚

254

以致凝结完时占据整个截面

255

换热系数急剧下降

256

由前面的凝结换热机理

257

我们学习可知

258

强化膜状凝结换热的原则

259

是尽量减薄粘滞在换热表面上

260

液膜的厚度

261

具体可以从以下两个方面着手

262

一是用各种带有尖峰的表面

263

使凝结的液膜拉薄

264

二是使已凝结的液体

265

尽快从换热表面上尽快排泄掉

266

基于上述原则

267

对于水平管

268

一般通过用低肋或锯齿管

269

这类高效冷凝表面强化换热

270

如右图的锯齿管和低肋管

271

对于竖直管的强化换热

272

方式包括工艺允许情况下

273

降低传热高度

274

或将竖管改为横管

275

如果无法更改

276

则通过液膜下流过程中分段排泄

277

或采用加速排泄方法

278

来降低下部液膜的厚度

279

进而强化换热

280

如右图的沟槽管

281

对于制冷剂在管内流动的冷凝器

282

可以采用微肋管强化换热

283

下面我们对该部分内容进行总结

284

凝结是一类复杂的对流换热

285

主要特点如下

286

热交换动力是流体饱和温度

287

与壁面温度之差

288

该温差

289

也是牛顿冷却公式的计算温差

290

影响传热的物理性质

291

除了无相变时的密度、比热

292

导热系数、粘度以外

293

相变潜热

294

和表面张力也是重要因素

295

存在两种传热强度

296

有数量级差别的方式

297

珠状凝结和膜状粘结

298

膜状凝结时传热阻力

299

主要集中在液膜内

300

努赛尔理论分析解是

301

应用数学工具求解工程问题的典型

302

强化膜状凝结的总体原则

303

是使凝结液尽快离开冷却表面

304

尽量减薄粘滞在换热表面上的

305

液膜厚度

306

本节课我们就讲到这

307

同学们再见