1、大空间自然对流传热大空间自然对流传热蒸汽冷凝时的对流给热蒸汽冷凝时的对流给热保温层的临界直径保温层的临界直径1、大空间自然对流传热过程、大空间自然对流传热过程0(Pr)nCGrd各种情况下的各种情况下的C、n及特征尺寸及特征尺寸d0的取值见书上附表的取值见书上附表4.3.2。水蒸汽冷凝传热是工业上应用最为广泛的一种加热方式。研究水蒸汽冷凝传热的规律，有效提高水蒸汽的传热效率，可以达到能源充分利用的目的。水蒸汽冷凝是一种常见的自然现象，例如水蒸汽在玻璃杯壁面上的凝结、冬季水蒸汽在玻璃窗上的凝结现象。l2 蒸汽冷凝传热过程蒸汽冷凝传热过程蒸汽冷凝换热器蒸汽冷凝换热器1列管式换热器水蒸汽水蒸汽入口入
2、口物料入物料入口口冷凝液冷凝液出口出口物料出物料出口口蒸汽冷凝传热规律板式换热器水蒸汽水蒸汽入口入口物料入物料入口口冷凝液冷凝液出口出口物料出物料出口口蒸汽冷凝换热器蒸汽冷凝换热器2蒸汽冷凝传热规律 冷凝液膜描述冷凝液膜描述：知识回顾：知识回顾：导热速率与壁面厚度成反比；导热速率与壁面厚度成反比；稳态传热时，对流传热的传热速率稳态传热时，对流传热的传热速率取决于层流底层的导热速率；取决于层流底层的导热速率；层流底层越薄，传热系数越大层流底层越薄，传热系数越大蒸汽冷凝传热规律温度变化特点：温度变化特点：蒸汽内部的温度均一，为饱和温度；蒸汽内部的温度均一，为饱和温度；温度变化主要集中在液膜内温度变
3、化主要集中在液膜内。TsTwTsTw垂直壁面垂直壁面(竖板竖板or竖管竖管)上的冷凝传热系数变化规律上的冷凝传热系数变化规律Q层流层流湍流湍流(液膜流动液膜流动)L(传热系数传热系数)层流区，液膜内的传热以导热方式导热方式进行湍流主体，对流传热；层流底层，导热层流膜厚增加，传热系数减小流体湍动程度越大，层流底层厚度越薄层流底层厚度增加，传热系数减小蒸汽冷凝传热规律TsTw由上述分析可知：冷凝液膜层流层或层流底层越薄，蒸汽冷凝的传热系数越大强化蒸汽冷凝传热的措施：减少冷凝液膜层流层或层流底层的厚度设法获得设法获得滴状冷凝滴状冷凝，如，如在冷凝壁面上生成疏水涂层，可提高传热系数在冷凝壁面上生成疏水
4、涂层，可提高传热系数10倍左右倍左右；高速蒸汽喷射壁面，高速蒸汽喷射壁面，将液膜吹薄将液膜吹薄；在传热壁面上开纵向凹槽在传热壁面上开纵向凹槽冷凝液借重力顺槽下降冷凝液借重力顺槽下降；沿纵向装金属丝沿纵向装金属丝or直翅片，直翅片，加快冷凝液的下流速度加快冷凝液的下流速度。蒸汽冷凝传热规律简化假设：简化假设： 竖壁面竖壁面TW=const. 壁面上液体温度壁面上液体温度=TW； 汽、液界面处温度为汽、液界面处温度为TS； 冷凝过程中，冷凝液物性冷凝过程中，冷凝液物性、=const.；特点：层流特点：层流热量主要以热传导方式穿热量主要以热传导方式穿过液膜。过液膜。 可在简化前提下，通过解析方法推可
5、在简化前提下，通过解析方法推导出导出 计算式计算式实验修正。实验修正。L1）液膜呈层流）液膜呈层流(Re2100)时的时的对流传热系数对流传热系数蒸汽的密度远小于液体的密度蒸汽的密度远小于液体的密度v2100)时的对流传热系数时的对流传热系数 目前，还目前，还完全依靠实验完全依靠实验测得测得. 水平管外的冷凝水平管外的冷凝 因管径通常较小因管径通常较小蒸汽在水平管外冷凝时，液膜一般呈层流状态。蒸汽在水平管外冷凝时，液膜一般呈层流状态。1) 单根水平管外层流膜状冷凝单根水平管外层流膜状冷凝4/1032725.0Tdg平均4/1064.0dL垂直水平d0：管外径：管外径2) 水平管束外对流传热系数
6、水平管束外对流传热系数管束间影响复杂管束间影响复杂 特点：第一排管特点：第一排管其冷凝情况与水平放置的单根其冷凝情况与水平放置的单根 圆管相同；圆管相同； 其它各排其它各排其冷凝情况要受到它上面各排其冷凝情况要受到它上面各排 管子流下的冷凝液影响。管子流下的冷凝液影响。 目前，对管束间的影响还未总结出普遍适用的规律。目前，对管束间的影响还未总结出普遍适用的规律。对纯蒸汽冷凝对纯蒸汽冷凝热阻集中在液膜内热阻集中在液膜内凡影响液膜状况凡影响液膜状况 冷凝冷凝Re冷凝冷凝物性、物性、T；ug、流向、过热；、流向、过热；不凝气；不凝气；传热面的形状与布置。传热面的形状与布置。设法获得设法获得滴状冷凝滴
7、状冷凝；高速蒸汽高速蒸汽喷射壁；喷射壁；吹成吹成雾状冷凝液雾状冷凝液等。等。 影响冷凝传热的主要因素及冷凝传热过程的影响冷凝传热的主要因素及冷凝传热过程的强化强化1) 流体物性与液膜两侧传热温差的影响流体物性与液膜两侧传热温差的影响 ： ： ： ： T：2) 蒸汽流速与流向的影响蒸汽流速与流向的影响 蒸汽蒸汽u，蒸汽与液膜间摩擦力作用不能忽略，且，蒸汽与液膜间摩擦力作用不能忽略，且u的影响随蒸汽压强的影响随蒸汽压强加剧。加剧。 向下流，蒸汽与液膜流动方向相同向下流，蒸汽与液膜流动方向相同 冷凝冷凝； 向上流，向上流，u不大时，阻碍液膜流动，不大时，阻碍液膜流动， ，冷凝冷凝； u，液膜被吹离壁
8、面液膜被吹离壁面， 冷凝冷凝。液膜波动3) 不凝气的影响不凝气的影响 不凝气在液膜与蒸汽之间形成一层气膜(冷却过程)附加热阻， 冷凝。 通常在静止的蒸汽中，当不凝气含量仅为1%时冷凝传热系数降低60%左右。 在冷凝器的设计中，蒸汽冷凝侧设排气孔定期排放不凝气。 4) 蒸汽过热蒸汽过热(TVTS)的影响的影响 过热蒸汽的冷凝 但液膜内传热温差仍为TS-TW； 通常过热蒸汽冷凝按饱和蒸汽冷凝处理计算误差在实际工程计算中忽略。过热蒸汽冷却(TV-TS)；饱和蒸汽的冷凝TS；wssvvTTTTTc5) 传热面的形状与布置传热面的形状与布置强化冷凝传热强化冷凝传热强化冷凝传热过程冷凝的主要途径液膜厚度。
9、 水平管：倾斜排列冷凝液尽可能沿各排管切向流过；减少垂直方向上管排数；垂直管：纵向凹槽凝液借重力顺槽下降；沿纵向装金属丝or直翅片； 加热面的布置加热面的布置 如：水平管束如：水平管束下排管表面上产生的汽泡向上浮升，引起对上排管的下排管表面上产生的汽泡向上浮升，引起对上排管的附加扰动附加扰动 水平管束水平管束 单管单管。 扰动程度：液体沸腾压强、热负荷、液体性质、管排间距等。扰动程度：液体沸腾压强、热负荷、液体性质、管排间距等。212212ln 2lniooaiooaTTQLA TTrrTTLdLTTdd 3. 保温层的临界直径保温层的临界直径TiTor1r2L212ln12iaTTQddLd
10、L 2222212112() ()2()ln1iaL TTdddQdd ddd20()dQd d时，有：22d，Q有极值。本本 节节 小小 结结1 蒸汽冷凝传热过程特点：蒸汽冷凝传热过程特点： 传热、相变相伴发生传热、相变相伴发生 有相变有相变 无相变无相变；2 膜状冷凝传热膜状冷凝传热热阻热阻几乎全部集中在冷凝液膜内几乎全部集中在冷凝液膜内 T也也只在液膜内存在；只在液膜内存在；3 虽然虽然滴滴膜膜 ，但因滴状冷凝难以保持，但因滴状冷凝难以保持工业冷凝器的工业冷凝器的设计均按膜状冷凝设计均按膜状冷凝考虑；考虑；4 冷凝液膜内流型的判断：冷凝液膜内流型的判断：5 影响冷凝传热的主要因素：物性、影响冷凝传热的主要因素：物性、T；ug、流向、过、流向、过热；不凝气；传热面；热；不凝气；传热面；6 强化冷凝传热过程强化冷凝传热过程冷凝冷凝的主要途径的主要途径 液膜厚度液膜厚度。Mbmudse4/4ReM：冷凝负荷冷凝负荷
