第六章(第一次课)--膜状冷凝

第一课膜状冷凝上海交通大学核工系一、凝结的类型与凝结换热凝结有两种类型：一种是膜状凝结（FilmwiseCondensation），见图6－1(a)。凝结液在冷固壁表面形成一个连续的膜。凝结释放的潜热通过液膜的导热，从发生凝结的相界面传向固壁面；另一种是珠状凝结（DropwiseCondensation），见图6－1(b)。此时，凝结液形成液珠，并不完全润湿固壁表面，液珠并不形成连续的液膜，而是当液珠达到一定的临界尺寸时，由表面滑落下来。固壁表面并不润湿，从而形成下一个液珠，就象核态沸腾中由一个核化点产生汽泡一样。由于在珠状凝结中蒸汽直接与固壁表面相接触，因此其冷凝换热系数远比膜状凝结要大。但是，珠状凝结难以可靠地促成。特殊的表面涂层固然可以形成液珠，但这种表面处理随时间推移而逐渐失效。因而，在一般设计中都是假设发生膜状沸腾而不是珠状沸腾。此外还有直接接触冷凝等。膜状凝结分析及计算竖直壁面的膜状凝结计算流动下降膜的传热系数计算的如图见6－2。1、水动力方面（力平衡）：考虑如图所示的液膜，考虑蒸汽密度，对于稳定流（液相流线为平行的竖直线）：由于zgpg则化简为zygypzlyggl考虑到层流的牛顿剪切应力公式运用边界条件y=0,u=0，有速度分布dydul2ygyulgl这里隐含了截面剪切应力为零（=0y=）的假设。于是单位液膜宽度的质量流率M为330lglllgudyM则随液膜厚度变化的质量流率变化为注意：只要液膜变化缓慢，流线几乎都是平行地竖直，则只要《1，上式成立。dzdgdzdMlgll2dzd2、传热方面（热平衡）：严格说，膜态凝结时，液膜是过冷的。但近似地（如果不是强烈的热力不平衡的话），不考虑这一点，我们有dzdM另外一个近似的简化假设为：液膜凝结传热主要是导热，而非对流，并人为液膜横向温度分布为线性，则由导热方程，有其中，在该方程中正号表示：y=0时,T=Tw；y=时，T=Tsat。satlsatwlTTT则令上面关于热流的两式相等，有satlTdzdM3、传热系数的解：联立热平衡与力平衡得到的两个表达式，我们得到dzdMdzgTdgllsatll3假设在z=0处液膜厚度为0，积分上式得到其中，为距离竖直壁面起点（z=0）z处的液膜厚度。该处换热系数为414gzTgllsatlllzh代入值，得到一般来说，我们对于局部换热系数并不感兴趣，而感性趣的是其在整个竖直壁面上的平均值，即4134zTghsatllgllz该方程首先是由Nusselt于1916年求得的。41303221LTgdzhLhsatllgllLz水平管外的膜状凝结计算如教材图6－3所示，水平管外凝结，其冷凝液的膜沿管外壁流下，离开管外下部。其平均换热系数的推导类似于竖直平板，但是更为复杂。其结果为41373.0dTghsatllgll该方程与竖直平板上膜状凝结的换热系数形式上是一样的，但是系数要小一些，这是因为管上液膜要比竖直平板上厚。但是，典型的水平管外换热系数要大于竖直平板（注意：尽管系数小一些，但分母上一个是d，一个是L）。比如，对d=0.02m的圆管管外，h=9700W/m2K（几乎是1m长竖直平板上的2倍）。因此，一般冷凝器采用水平而不是竖直圆管布置。水平管膜状凝结示意图管束的凝结a－顺排；b－错排另外，我们一般采用管束，如教材图6－4。管束的效应几乎就是单管管径加大，对应于竖直平板就相当于竖直分布的管束第二及以下的管子液膜厚度在z=0时并不等于0。因此，对于竖直排列的n根管子，其第n根管子的平均冷凝换热系数hn为41nhhn管束凝结图a－理想Nusselt凝结；b－实际水平管凝结影响膜状凝结换热因素的讨论根据不同的实际条件，膜状凝结有时应考虑其他因素的影响。1）蒸汽流速：一般的膜凝结是针对蒸汽处于不动状态下研究的，即没有考虑汽液分解面上汽相的摩擦作用。在水平管束冷凝器中，管间间隙的气流往往具有一定速度。当蒸汽向下流动时，它使液膜厚度减薄，并增加液膜的扰动性，因而使热交换加强。当蒸汽向上流动时，开始时气流因阻碍液膜的疏泄而使其厚度增大，但当气流达到一定速度后，它使液膜扰动性增加，进而有撕破液膜的倾向。2）蒸汽过热度当凝结蒸汽具有过热度时，一般温差（）应由（）取代（其中，为蒸汽过热度）；汽化潜热也应用过热蒸汽与凝结水的焓差来代替，即wsTTwbTTbTLGh''LGh])(83)(1[''LGwsPLLGsbPGLGLGhTTchTTchh3）非凝结性气体当蒸汽中有非凝结性气体时，凝结热交换强度明显下降。这些非凝结性气体随蒸汽流向汽液分界面，并在那里堆积起来。因此，在汽液分界面附近，非凝结性气体的分压力就高于远离分界面的主流体，并在汽液分界面附近形成一扩散层。主流体中的蒸汽在向凝结液膜流动的过程中首先要通过这一非凝结气体的扩散层。因此，在汽液分界面上，蒸汽的分压力就小于主流体。在饱和蒸汽的混合气体中，其温度因应与蒸汽分压力下的饱和温度相对应。因此，在扩散层中就存在一温度梯度，如图6－7所示。这意味着在热交换过程中除凝结液膜外，还附加一个扩散层的热阻，使凝结热交换强度降低。凝结蒸汽中，气体的含量越多，凝结放热系数的降低就越加严重。本次课结束！