有相变冷凝传热.docx

有相变传热： 蒸汽冷凝传热
特点： 膜状冷凝 和 滴状冷凝 两大类，通常，冷凝与传热表面间润湿性好， 则形成膜状冷凝； 如果传热表面有油污、润湿性不好，则产生滴状冷凝。 但 经常操作 的冷凝器 实际上均为膜状冷凝， 故 在冷凝器设计中 均按膜状冷凝计算。
影响膜状冷凝的因素：主要有 ： 不凝结气体 蒸汽流速 过热蒸汽 液膜过冷度及温度分布的非线性 管子排数 管内冷凝 冷凝表面的几何形状
雷诺数： 水平管子
其 中 传热系数
粘度
液膜两侧的温差，即算术平均值
饱和蒸汽温度
壁温
管长或壁长，对于水平管取，相当于圆管横截面半周长
圆管半径
对于垂直平面或垂直管上的膜状冷凝，1916年W.Nuseelt首先推导出屏蔽上膜状冷凝的计算式，在推导过程中 假定：1生成的凝夜沿壁面成层流流动，热量只能以传导的方式通过凝液膜传至壁面，而无对流传热的作用；2假定蒸汽对凝液速度小，气液方面无剪应力蒸汽对冷凝的流动无影响；并且假定壁面恒定，并和蒸汽保持一定温差。 这样推导出的冷凝传热系数公式 如下：

由于凝液流动状态与单位周边上的冷凝量有关，不可能完全保持层流流动；且蒸汽的流动与液膜也有冲刷作用，故实际的冷凝传热系数一般比理论值要大20%左右，故在实际中对垂直管和垂直板在层流状态下的冷凝均按式（4-150）来进行计算。
当Re<2100时，膜内流体作层流流动，Re>2100 作湍流流动
水平单管（横管）外壁面的层流膜状冷凝传热的计算公式为
4-149
冷凝液沿壁面作层流流动的垂直管和垂直板的计算公式为
4-150
除气化潜热取冷凝温度下的数值外，式中的其他有关物性参数均取膜温（的算术平均值）下的数值。
在底部已达到湍流状态发生湍流的整个表面传热系数可按下式求取：

其中：、分别为层流段、湍流段的平均表面传热系数；为层流转变为湍流时转折点的高度，m，横管因直径较小，实践中均在层流范围。
工业上用冷凝器大多数是由水平管束组成，不论是直排还是错排，除第一排管子外，其它排的冷凝情况会受到其他各派管子流下的冷凝液的影响，使液膜扰动增强，总之，这个温题比较复杂，目前还没总结出普遍使用的规律。再缺乏数据时，一般采用代替4-149中的来计算，为管子总数。即：
4-155
此外，水平管外的传热系数还可以按下面方法计算。
如果有n根水平管纵向排列，m为垂直列数，则凝液的平均传热系数可用下式计算：
4-156
对于水平管或水平管束，当Re<2100时
4-157
当Re>2100时
4-158
对水平管
对水平管束
式中 -------冷凝流体的股数，
W-------冷凝液量，kg/s。
根据管束排列方式，的计算式如下：
对于正方形直排：
对于正方形错排：
对于三角形直排：
对于三角形错排：
对于以上几个公式是按纯净的饱和蒸汽在洁净的表面上冷凝时建立的。若为过热蒸汽冷凝，在壁面温度低于饱和温度的情况下，仍可用以上公式求，在使用中公式中的仍未饱和温度与壁温之差，但冷凝潜热应为过热蒸汽冷凝成饱和液体是放出的热量。
对于垂直壁面或垂直管外的冷凝传热计算还可以采用查图的方法，图4-20是Dukles根据不同的Pr数做出的冷凝传热系数与Re数的关系曲线，及适合于层流，又适合于湍流；
根据Dalton气体分压定律，气体混合物的总压力p0是蒸汽分压力p1和不凝气p2之和，即
P0=p1+p2。由于蒸汽在壁面冷凝，靠近壁面处的蒸汽压力p1要比其他地方的蒸汽压力p1小，而不凝气的分压p2则相反，靠近壁面则越高。这说明在壁面附近不凝气体的浓度比较高，在壁面周围形成一个夹层。蒸汽分子只能依靠扩散的作用穿过夹层，透过不凝气。增加了额外阻力，使冷凝传热系数迅速下降。更为不利的是，还会使壁面附近的蒸汽温度下降，因为饱和蒸汽温度总是与其压力相对应的，蒸汽压力降低，其温度也随之降低，这样也降低了蒸汽与壁面的温差，根据文献，在水蒸气中即使只含有1%空气，也会使冷凝传热系数降低60%。
Schrades做了含不凝性气体的水蒸气实验，提出了下面的关系式：

式中 ------- 含不凝性气体的冷凝传热系数，W/(m2*°C)
--------纯蒸汽的冷凝传热系数
C --------不凝性气体的摩尔分数
-------- 混合气体的运动粘度，m2/s
D ------- 蒸汽和不凝性气体间的相关扩散系数，m2/s
注意：此式适用范围为：C=1%—40%

计算换热器的热负荷
对于冷流体均有
其中：

考虑换热器对外界环境的散热损失，则热流体放出的热量会大于冷流体吸收的热量。一般情况下取：热损失系数估算，即 。通常取0.02-0.03