1、第四节 冷凝给热与沸腾给热 4.4.1、蒸汽冷凝给热一冷凝给热过程的热阻当饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时, 蒸汽凝结为液体,放出汽化潜热。在饱和蒸汽冷凝过程中，汽液两相共存。对于纯物质蒸汽的冷凝，系统的自由度等于 1 ，若 p 一定，则 f=0，T 也就一定了。因此，恒压下只能有一个汽相温度。也即，在冷凝给热时汽相不可能存在温度梯度。由于 T 汽相内,因此在汽相内不存在任何热阻。在冷凝给热过程中，蒸汽凝结面产生的冷凝液形成液膜并覆盖在壁面上。因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液表面上发生，冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。可见，冷凝给热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝给热
2、过程的一个主要特点。二蒸汽冷凝方式膜状冷凝蒸汽冷凝方式滴状冷凝膜状冷凝：当冷凝液能润湿壁面时，则在壁面上形成一层完整的液膜。垂直平壁面和水平圆管外液膜的流动情况如图所示：滴状冷凝：当冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。如图所示。滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜将蒸汽分开，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。实验结果表明，滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数大 510 倍。但是，到目前为止，在工业冷凝器中即使采用了促进滴状冷凝的措施，也不能持久。所以，工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。442 冷凝给热系数一液膜流
3、动与局部给热系数液膜沿垂直壁面的流动情况在前面已经提到。液膜厚度沿壁高的变化必然导致热阻及给热系数沿高度有一个不均匀的分布。在壁上部液膜呈层流，膜厚增加， 减小。如壁的高度足够高，冷凝液量较大，则壁下部液膜发生湍流流动，此时局部给热系数反而有所提高。工程上，一般只需知道整个壁面的平均给热系数。因此，以下讨论均指全壁平均给热系数而言。二层流时的平均冷凝给热系数现取一高度为 L、宽度为 B 的垂直平壁（壁面温度保持在 ），如左图所示。蒸汽在壁面上冷凝（蒸汽温度为 ，所生成的液膜以层流状态沿壁流下。先作四点假设：i）冷凝液的物性为常数，其值取平均液膜温度下的数据。ii）蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，
4、仅仅是冷凝潜热。iii）蒸汽静止不动，对液膜无摩擦力。iv）层流液膜中只有单纯的热传导。 由 iii）可知，液膜在粘性力和重力作用下作等速运动。根据流体力学可推导出单位宽度壁面的冷凝液量与液膜厚度的关系为：（1）式中：W单位宽度上液体的质量流量，kg/s.m与 W 对应的液膜厚度，m，凝液的粘度与密度由假设 iv），可认为壁面的平均给热系数 与液膜的导热系数 成正比，与壁面下方最大液膜厚度 成反比，即（2）当 时， 单位宽度壁面的总凝液量，由热量衡算求得 。设整个壁面的热流量为 Q，则（3） r 汽化热，J/kg，取 下的数值。将（1）式代入（3），并消去 可得： 上面的推导没有考虑冷凝液膜的
5、流动对给热过程的促进作用，因此必须用实验检验并加以修正。实验结果证实了 关系式的正确性，并同时测出系数 ，即（4）在垂直壁底部，冷凝液膜流动的雷诺数为：， 由（3）式， ，代入（4）式，（ ）化简整理得：无因次冷凝给热系数在此层流 ，当 （因为液膜厚度增加，热阻增加）三湍流时的冷凝给热系数湍流时， ，（4）式不再适用。在此情况下采用无因次数群关联液膜湍流后整个垂直壁的平均给热系数的实验数据，得到如下的经验式：定性温度： 。四水平圆管外的冷凝给热系数1）倾斜壁（与水平方向夹角为 ）重力方向与液膜流动方向不一致，要将（4）式中重力加速度 g 以液流方向上的分加速度 代替。即2）水平圆管外水平圆管外
6、表面，可以看成是由不同角度的倾斜壁组成的，利用数值积分的方法可求得水平圆管外表面的平均给热系数式中 ， 为圆管外径。系数是根据实验结果修正而得到的。对于 L=1.5m， =20mm 的圆管，水平放置的 。例 4-14五水平管束外的冷凝给热系数工业用冷凝器大多数是由水平管束组成，管束中管子的排列通常有直排和错排两种，如图 p234 图 6-24 所示。无论哪一种排列，第一排管子的冷凝情况与单根水平管相同，其他各排管子的冷凝受到其上各排管流下的冷凝液的影响。水平管束的平均给热系数的经验式为：式中 n 为管束在垂直方向的管排数。与水平单管的公式计算，式中的 d 改为 nd即可。443 影响冷凝给热的
7、因素及强化措施一不凝性气体的影响以上讨论仅限于纯蒸汽的冷凝。实际上，工业用蒸汽不可能绝对纯，其中总会有微量的不凝性气体。冷凝器连续工作过程中，蒸汽不断地冷凝，不凝性气体将不断地在冷凝空间积聚。不凝性气体的积聚，使冷凝给热系数较大幅度地降低。这是因为在汽液界面上，可凝性蒸汽不断凝结，不凝性气体则被阻留故越接近界面不凝性气体的分压越高。这样，蒸汽抵达液膜表面进行冷凝之前，必须以扩散方式穿过不凝性气体富集的气体层。扩散过程的阻力引起蒸汽分压及相应的饱和温度下降，使液膜温度低于蒸汽主体的温度。形成一层不凝性气体层，这相当于附加一额外热阻，使蒸汽冷凝给热系数大为降低。由此，蒸汽冷凝器中必须设有不凝性气体
8、排放口，定期排放，以减少不凝性气体的不良影响。二蒸汽过热的影响过热蒸汽与固体壁面的给热过程，视壁温 的高低有着不同的机理。当 ，壁面上无冷凝现象发生，此时的给热过程与普遍的对流给热完全相同。当 ，壁面上有冷凝现象发生，对于过热蒸汽，冷凝过程是由蒸汽冷却和冷凝两个串联步骤组成的。此时，在过热蒸汽和液膜间存在着一个中间层，通过这个中间层，蒸汽温度降至饱和温度。但对液膜而言，传热推动力仍是 ，并不因中间层的存在而改变。因此可把过热蒸汽当作饱和蒸汽来处理。如有必要，可将过热部分的热量和汽化潜热一并考虑，即将过热蒸汽的温度 ，过热蒸汽的比热代替原式中的 r 。三蒸汽流速和流向的影响当蒸汽流速较大时，前面的假设iii）就不再成立，液膜的流动将会受蒸汽流速的影响。两向相同时，蒸汽将加速冷凝液的流动，使膜厚减小，结果 增大。反之，膜厚增厚， 减小。但当蒸汽流速大到能够冲散液膜使部分壁面直接暴露于蒸汽中， 增大。通常，蒸汽入口设在换热器的上部，以避免蒸汽和冷凝液逆向流动。四冷凝给热过程的强化
