第一課膜狀冷凝

上海交通大學(xué)核工系第一課膜狀冷凝1一、凝結(jié)的類型與凝結(jié)換熱

凝結(jié)有兩種類型：

一種是膜狀凝結(jié)（FilmwiseCondensation），見圖6－1(a)。凝結(jié)液在冷固壁表面形成一個(gè)連續(xù)的膜。凝結(jié)釋放的潛熱通過液膜的導(dǎo)熱，從發(fā)生凝結(jié)的相界面?zhèn)飨蚬瘫诿妫涣硪环N是珠狀凝結(jié)（DropwiseCondensation），見圖6－1(b)。此時(shí)，凝結(jié)液形成液珠，并不完全潤濕固壁表面，液珠并不形成連續(xù)的液膜，而是當(dāng)液珠達(dá)到一定的臨界尺寸時(shí)，由表面滑落下來。固壁表面并不潤濕，從而形成下一個(gè)液珠，就象核態(tài)沸騰中由一個(gè)核化點(diǎn)產(chǎn)生汽泡一樣。一、凝結(jié)的類型與凝結(jié)換熱凝結(jié)有兩種類型：2由于在珠狀凝結(jié)中蒸汽直接與固壁表面相接觸，因此其冷凝換熱系數(shù)遠(yuǎn)比膜狀凝結(jié)要大。但是，珠狀凝結(jié)難以可靠地促成。特殊的表面涂層固然可以形成液珠，但這種表面處理隨時(shí)間推移而逐漸失效。因而，在一般設(shè)計(jì)中都是假設(shè)發(fā)生膜狀沸騰而不是珠狀沸騰。此外還有直接接觸冷凝等。由于在珠狀凝結(jié)中蒸汽直接與固壁表面相接觸，因此其冷凝換熱系數(shù)3膜狀凝結(jié)分析及計(jì)算

豎直壁面的膜狀凝結(jié)計(jì)算

流動(dòng)下降膜的傳熱系數(shù)計(jì)算的如圖見6－2。膜狀凝結(jié)分析及計(jì)算豎直壁面的膜狀凝結(jié)計(jì)算41、水動(dòng)力方面（力平衡）：考慮如圖所示的液膜，考慮蒸汽密度，對于穩(wěn)定流（液相流線為平行的豎直線）：由于1、水動(dòng)力方面（力平衡）：5則化簡為則6考慮到層流的牛頓剪切應(yīng)力公式運(yùn)用邊界條件y=0,u=0，有速度分布考慮到層流的牛頓剪切應(yīng)力公式7這里隱含了截面剪切應(yīng)力為零（=0y=）的假設(shè)。于是單位液膜寬度的質(zhì)量流率M為這里隱含了截面剪切應(yīng)力為零（=0y=）的假設(shè)。于是單位8則隨液膜厚度變化的質(zhì)量流率變化為注意：只要液膜變化緩慢，流線幾乎都是平行地豎直，則只要《1，上式成立。則隨液膜厚度變化的質(zhì)量流率變化為92、傳熱方面（熱平衡）：嚴(yán)格說，膜態(tài)凝結(jié)時(shí)，液膜是過冷的。但近似地（如果不是強(qiáng)烈的熱力不平衡的話），不考慮這一點(diǎn)，我們有2、傳熱方面（熱平衡）：10另外一個(gè)近似的簡化假設(shè)為：液膜凝結(jié)傳熱主要是導(dǎo)熱，而非對流，并人為液膜橫向溫度分布為線性，則由導(dǎo)熱方程，有其中，在該方程中正號(hào)表示：y=0時(shí),T=Tw；y=時(shí)，T=Tsat。另外一個(gè)近似的簡化假設(shè)為：液膜凝結(jié)傳熱主要是導(dǎo)熱，而非對流，11則令上面關(guān)于熱流的兩式相等，有則令上面關(guān)于熱流的兩式相等，有123、傳熱系數(shù)的解：聯(lián)立熱平衡與力平衡得到的兩個(gè)表達(dá)式，我們得到3、傳熱系數(shù)的解：13假設(shè)在z=0處液膜厚度為0，積分上式得到其中，為距離豎直壁面起點(diǎn)（z=0）z處的液膜厚度。該處換熱系數(shù)為假設(shè)在z=0處液膜厚度為0，積分上式得到14代入值，得到一般來說，我們對于局部換熱系數(shù)并不感興趣，而感性趣的是其在整個(gè)豎直壁面上的平均值，即代入值，得到15該方程首先是由Nusselt于1916年求得的。第六章(第一次課)--膜狀冷凝ppt課件16水平管外的膜狀凝結(jié)計(jì)算

如教材圖6－3所示，水平管外凝結(jié)，其冷凝液的膜沿管外壁流下，離開管外下部。其平均換熱系數(shù)的推導(dǎo)類似于豎直平板，但是更為復(fù)雜。其結(jié)果為水平管外的膜狀凝結(jié)計(jì)算17該方程與豎直平板上膜狀凝結(jié)的換熱系數(shù)形式上是一樣的，但是系數(shù)要小一些，這是因?yàn)楣苌弦耗ひ蓉Q直平板上厚。但是，典型的水平管外換熱系數(shù)要大于豎直平板（注意：盡管系數(shù)小一些，但分母上一個(gè)是d，一個(gè)是L）。比如，對d=0.02m的圓管管外，h=9700W/m2K（幾乎是1m長豎直平板上的2倍）。因此，一般冷凝器采用水平而不是豎直圓管布置。該方程與豎直平板上膜狀凝結(jié)的換熱系數(shù)形式上是一樣的，但是系數(shù)18水平管膜狀凝結(jié)示意圖水平管膜狀凝結(jié)示意圖19管束的凝結(jié)a－順排；b－錯(cuò)排管束的凝結(jié)20另外，我們一般采用管束，如教材圖6－4。管束的效應(yīng)幾乎就是單管管徑加大，對應(yīng)于豎直平板就相當(dāng)于豎直分布的管束第二及以下的管子液膜厚度在z=0時(shí)并不等于0。因此，對于豎直排列的n根管子，其第n根管子的平均冷凝換熱系數(shù)hn為另外，我們一般采用管束，如教材圖6－4。管束的效應(yīng)幾乎就是單21管束凝結(jié)圖a－理想Nusselt凝結(jié)；b－實(shí)際水平管凝結(jié)管束凝結(jié)圖22影響膜狀凝結(jié)換熱因素的討論

根據(jù)不同的實(shí)際條件，膜狀凝結(jié)有時(shí)應(yīng)考慮其他因素的影響。1）蒸汽流速：一般的膜凝結(jié)是針對蒸汽處于不動(dòng)狀態(tài)下研究的，即沒有考慮汽液分解面上汽相的摩擦作用。在水平管束冷凝器中，管間間隙的氣流往往具有一定速度。當(dāng)蒸汽向下流動(dòng)時(shí)，它使液膜厚度減薄，并增加液膜的擾動(dòng)性，因而使熱交換加強(qiáng)。當(dāng)蒸汽向上流動(dòng)時(shí)，開始時(shí)氣流因阻礙液膜的疏泄而使其厚度增大，但當(dāng)氣流達(dá)到一定速度后，它使液膜擾動(dòng)性增加，進(jìn)而有撕破液膜的傾向。影響膜狀凝結(jié)換熱因素的討論根據(jù)不同的實(shí)際條件，膜狀凝結(jié)有時(shí)232）蒸汽過熱度當(dāng)凝結(jié)蒸汽具有過熱度時(shí)，一般溫差（）應(yīng)由（）取代（其中，為蒸汽過熱度）；汽化潛熱也應(yīng)用過熱蒸汽與凝結(jié)水的焓差來代替，即2）蒸汽過熱度243）非凝結(jié)性氣體當(dāng)蒸汽中有非凝結(jié)性氣體時(shí)，凝結(jié)熱交換強(qiáng)度明顯下降。這些非凝結(jié)性氣體隨蒸汽流向汽液分界面，并在那里堆積起來。因此，在汽液分界面附近，非凝結(jié)性氣體的分壓力就高于遠(yuǎn)離分界面的主流體，并在汽液分界面附近形成一擴(kuò)散層。主流體中的蒸汽在向凝結(jié)液膜流動(dòng)的過程中首先要通過這一非凝結(jié)氣體的擴(kuò)散層。因此，在汽液分界面上，蒸汽的分壓力就小于主流體。在飽和蒸汽的混合氣體中，其溫度因應(yīng)與蒸汽分壓力下的飽和溫度相對應(yīng)。因此，在擴(kuò)散層中就存在一溫度梯度，