传热学凝结强化概要.ppt

第九章　凝结换热的强化　 9.1凝结过程的强化传热概述 蒸汽在低于其饱和温度的壁面上变成液体同时放出汽化潜热，并把汽化潜热传递给壁面的热交换过程，叫作凝结传热过程。 一般来说，凝结传热过程是一种高效热传递过程，它的换热系数高于同一种流体的单相对流换热系数。所以凝结换热侧通常不会构成整个传热过程的控制热阻。 然而对于低温能源利用、石油分馏、工业用有机蒸汽的凝结换热系数仅为水蒸汽的1/10左右，为了使冷凝器两侧的传热热阻相匹配以提高冷凝器的性能、减小冷凝器的体积和重量，增强它的凝结换热就成为关键问题。 两种凝结方法 膜状凝结：冷凝液能够湿润壁面，在壁面形成一层连续液膜，在重力作用下沿壁面流动。凝结过程在液膜和蒸汽的分界面上进行，通过这层液膜汽化潜热才能传递给壁面。 珠状凝结：冷凝液不能够湿润壁面，冷凝液只能在壁面上形成液珠。液珠长大后，受重力作用会不断携带沿途的其它液珠沿壁面流下。同时，新的液珠又会在原来的路径上重新复生。凝结放出的汽化潜热能够直接传递给壁面。 珠状凝结的换热系数大大高于同样条件下的膜状凝结的换热系数。 凝结方式分类 当蒸汽在竖直管外或竖壁上凝结时，管子曲率的影响一般可不予考虑。冷凝液沿竖壁的流动状态，一般上部为层流，在一定条件下，膜层的下部可能转变为湍流流动。 蒸汽在竖直管内凝结时，需要考虑蒸汽流速的影响。蒸汽与流动方向相同时（顺流，自上而下），液膜较薄，热阻较小；蒸汽与凝结液流动方向相反时（逆流，蒸汽自下而上），液膜较厚，热阻较大。 当蒸汽在水平管外凝结时，流动途径较短，不易形成湍流。在水平管束中凝结时，上排管子上的冷凝液滴落在下排管壁上，导致液膜增厚，换热减弱。 蒸汽在水平管内凝结时，管内上部空间积聚蒸汽，下部则积存较多的凝结液，导致冷凝管实际传热面积减小，在其它条件相同时，水平管内凝结换热系数往往低于竖直管内的凝结换热系数。蒸汽流速对换热与阻力有很大影响。 9.2　凝结换热计算 （1）垂直管或垂直壁面上的膜状凝结 静止或流动速度不大的洁净蒸汽平均凝结换热系数 （4）水平管内的膜状凝结 9.3竖直管外强化凝结传热的基本原理 竖直管外壁面上的纵向圆肋（或是金属挂线）、矩形肋、各种纵槽或螺旋槽均可起到强化凝结传热的作用。 冷凝液膜的流动受到重力和表面张力的影响。重力的作用使液膜沿肋根两侧或槽谷自上而下地流脱壁面；表面张力的作用使液膜沿水平方向流到肋的两侧或槽的谷底。这样在肋或槽峰两侧上的冷凝液膜就会变得极薄，传热热阻降低。(Gregorig效应) 饱和水蒸汽在竖直圆肋管上凝结传热增强实验验证，（右图）。 冷凝管为铝管，外径12.7mm，管壁厚度0.7mm，有效长度1080mm。圆肋（金属挂线）的直径0.79mm，均布，圆肋数量为3，4，8，12。 竖直沟槽表面 沟槽形状：V型、矩形、半圆形、余弦形、平底尖顶型等。 竖直沟槽管中的液膜厚度与槽深相等时，为临界液膜厚度，此时相对应的管长为临界管长。 当冷凝管的长度大于临界管长时，冷凝管上便会出现液泛现象。 液泛现象的始发位置为液泛点，液泛点以下的沟槽表面就不再起强化凝结传热的作用。 临界管长与S/H(槽距与槽深之比)相关，沟槽数目越多，则槽深就越小，容纳和排出冷凝液的能力就越低。 可以在开设沟槽的管外壁装设排液盘，使冷凝液分段沿排液盘滴落。 9.4　水平管外的强化凝结传热 在水平旋转的环形低翅管、螺旋翅管螺旋槽管或粗糙肋管等管外表面上，对水蒸汽、碳氢化合物以及致冷剂等介质的凝结有强化作用。 冷凝液在翅片侧面呈膜状，冷凝液膜在相邻翅片构成的槽道中沿管壁圆周流下，积聚在管子底部的冷凝液呈滴状脱离壁面。 高效冷凝管 1975年问世的粗糙微翅管又称THERMOEXCEL-C管，简称C管。其翅片侧面粗糙，顶部呈锯齿状。 这种细密、尖锐的表面锯齿结构，不但可使冷凝液膜变薄，而且有利于冷凝液的滴落。 在相同的传热温差下，R-113、R-11在这种表面上的凝结系数可为光滑管的8~12倍；为环形低翅管的1.5~2倍。 水平内翅管的凝结换热系数可较光滑管内的提高120~300%左右，而流动阻力仅略有增加； 内含扭带管的凝结换热系数可较光滑管内的提高30%左右，但流动阻力会增加250%以上。 珠状凝结的先决条件是冷凝液不湿润壁面。 只有冷凝壁材料的表面能较低，冷凝液才能在它上面以液珠形式而不是以膜状形式铺展。 在过冷壁面的微小凹穴、狭窄细缝或固体微粒凸起处，液珠生成的可能性最大，是珠状凝结的核化中心。在这些小液珠上不断有蒸汽凝结发生，凝结放出的汽化潜热主要通过液珠内部的导热传递给冷凝壁面。 液珠分为附着在壁面上的液珠和沿壁面流动的液珠。前者的最大直径记作Dmax，后者开始流动时的直径记作Ds。 珠状凝结可发生在较大的表面过冷度范围之内。 实现珠状凝结的途径 憎水基有机化合物涂层.如油酸、