冷凝传热condensing heat transfer
类型 蒸气在壁面上的冷凝有两种类型:①膜状冷凝。当冷凝液能润湿壁面时,在壁面上形成一层连续的液膜;蒸气在液膜表面冷凝。冷凝放出的潜热必须通过这层液膜才能传给壁面,因此液膜是冷凝传热的热阻所在。②滴状冷凝。若冷凝液不能润湿壁面,冷凝液以液滴形态附着在壁面上。当液滴增长到一定尺寸后,沿壁面滚落或滴下,露出无液滴的壁面,供继续冷凝。滴状冷凝时的传热分系数比膜状冷凝时大 5~10倍或更多。但在实际设备中,滴状冷凝不稳定,通常是膜状冷凝,所以冷凝传热设备一般按膜状冷凝设计。
冷凝的传热分系数 当冷凝液膜为层流时,热量仅以热传导方式传递。根据液膜的流体力学和导热分析,可得到冷凝传热分系数α 的理论计算式,再引入经实验确定的校正系数后,得到实用的半经验式。当蒸气在垂直壁面冷凝时,此半经验式为:
当蒸气在水平管外冷凝时为:
式中L和d 分别为竖壁高度和管子外径;ΔT为蒸气饱和温度 TS与壁面温度TW之差;r为饱和蒸气的汽化热;g为重力加速度;μ、ρ 和 λ 分别为冷凝液在其平均温度〔(TW+TS)/2〕下的粘度、密度和热导率。
影响冷凝传热的因素 单一饱和蒸气冷凝时,汽相没有热阻,传热分系数取决于液膜厚度、液膜流动状况和冷凝液的物性。凡有利于减薄液膜厚度的因素,都会增强冷凝传热。例如冷凝液密度大、粘度小以及液膜流向与蒸气流向一致等,均能使液膜减薄,从而使传热分系数提高;而冷凝温度差的增大,冷壁表面不光滑,则会使液膜加厚,导致传热分系数下降。此外,影响冷凝传热的因素还有:①不凝性气体。当蒸气中存在不凝性气体时,即使只有1%,也会导致传热分系数下降50%以上。蒸气中通常含有少量不凝气体,在冷凝过程中不凝性气体会逐渐积累。因此,冷凝器上须备有不凝气体的排放口,操作时定期排放,以保持良好的传热效果。②蒸气过热。当过热蒸气与温度低于饱和温度的壁面接触时,先在汽相状态冷却到饱和温度,然后在壁面上冷凝。此时过热蒸气的冷凝与饱和蒸气的冷凝差别不大。
冷凝传热的强化 由于冷凝液的热导率低,因此强化冷凝传热的关键在于减小冷凝液膜厚度。现已研制出多种可减小液膜厚度的纵槽管(见图)和波纹管。这些冷凝管利用液体表面张力的作用,使冷凝液体集中于槽沟底部,而其他表面上的液膜厚度减薄。此外,蒸气在管束外冷凝时,要合理布置管束位置,以减少上排管子表面的冷凝液对下排管子冷凝作用的影响,并避免液膜明显增厚。强化冷凝传热的另一途径是维持滴状冷凝,为此可在壁面上涂以疏水性涂层,或在蒸气中喷入少量油性添加物,但都难以得到持久的滴状冷凝,这有待进一步研究。
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