傳熱學(xué)凝結(jié)強化

第九章凝結(jié)換熱的強化9.1凝結(jié)過程的強化傳熱概述蒸汽在低于其飽和溫度的壁面上變成液體同時放出汽化潛熱，并把汽化潛熱傳遞給壁面的熱交換過程，叫作凝結(jié)傳熱過程。一般來說，凝結(jié)傳熱過程是一種高效熱傳遞過程，它的換熱系數(shù)高于同一種流體的單相對流換熱系數(shù)。所以凝結(jié)換熱側(cè)通常不會構(gòu)成整個傳熱過程的控制熱阻。然而對于低溫能源利用、石油分餾、工業(yè)用有機蒸汽的凝結(jié)換熱系數(shù)僅為水蒸汽的1/10左右，為了使冷凝器兩側(cè)的傳熱熱阻相匹配以提高冷凝器的性能、減小冷凝器的體積和重量，增強它的凝結(jié)換熱就成為關(guān)鍵問題。2023/1/141兩種凝結(jié)方法膜狀凝結(jié)：冷凝液能夠濕潤壁面，在壁面形成一層連續(xù)液膜，在重力作用下沿壁面流動。凝結(jié)過程在液膜和蒸汽的分界面上進(jìn)行，通過這層液膜汽化潛熱才能傳遞給壁面。珠狀凝結(jié)：冷凝液不能夠濕潤壁面，冷凝液只能在壁面上形成液珠。液珠長大后，受重力作用會不斷攜帶沿途的其它液珠沿壁面流下。同時，新的液珠又會在原來的路徑上重新復(fù)生。凝結(jié)放出的汽化潛熱能夠直接傳遞給壁面。珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)大大高于同樣條件下的膜狀凝結(jié)的換熱系數(shù)。2023/1/142凝結(jié)方式分類工業(yè)設(shè)備中最重要的凝結(jié)換熱方式蒸汽凝結(jié)成微小液滴懸浮在汽相中,當(dāng)流過漸擴管道壓力升高時的凝結(jié).發(fā)生在不易濕潤的冷卻表面，大部分冷卻壁面與蒸汽直接接觸.發(fā)生在蒸汽與冷液體直接接觸時，如冷液體噴入蒸汽中，或蒸汽噴入冷液體中.多種蒸汽混合物凝結(jié)成各種不混溶液體時，同時存在膜狀和珠狀凝結(jié).2023/1/143當(dāng)蒸汽在豎直管外或豎壁上凝結(jié)時，管子曲率的影響一般可不予考慮。冷凝液沿豎壁的流動狀態(tài)，一般上部為層流，在一定條件下，膜層的下部可能轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧髁鲃印Ｕ羝谪Q直管內(nèi)凝結(jié)時，需要考慮蒸汽流速的影響。蒸汽與流動方向相同時（順流，自上而下），液膜較薄，熱阻較??；蒸汽與凝結(jié)液流動方向相反時（逆流，蒸汽自下而上），液膜較厚，熱阻較大。2023/1/144當(dāng)蒸汽在水平管外凝結(jié)時，流動途徑較短，不易形成湍流。在水平管束中凝結(jié)時，上排管子上的冷凝液滴落在下排管壁上，導(dǎo)致液膜增厚，換熱減弱。蒸汽在水平管內(nèi)凝結(jié)時，管內(nèi)上部空間積聚蒸汽，下部則積存較多的凝結(jié)液，導(dǎo)致冷凝管實際傳熱面積減小，在其它條件相同時，水平管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)往往低于豎直管內(nèi)的凝結(jié)換熱系數(shù)。蒸汽流速對換熱與阻力有很大影響。2023/1/1459.2凝結(jié)換熱計算（1）垂直管或垂直壁面上的膜狀凝結(jié)靜止或流動速度不大的潔凈蒸汽平均凝結(jié)換熱系數(shù)（2）水平單管外的膜狀凝結(jié)（3）水平管束上的膜狀凝結(jié)垂直方向管排數(shù)2023/1/146（4）水平管內(nèi)的膜狀凝結(jié)2023/1/1479.3豎直管外強化凝結(jié)傳熱的基本原理豎直管外壁面上的縱向圓肋（或是金屬掛線）、矩形肋、各種縱槽或螺旋槽均可起到強化凝結(jié)傳熱的作用。冷凝液膜的流動受到重力和表面張力的影響。重力的作用使液膜沿肋根兩側(cè)或槽谷自上而下地流脫壁面；表面張力的作用使液膜沿水平方向流到肋的兩側(cè)或槽的谷底。這樣在肋或槽峰兩側(cè)上的冷凝液膜就會變得極薄，傳熱熱阻降低。(Gregorig效應(yīng))2023/1/148飽和水蒸汽在豎直圓肋管上凝結(jié)傳熱增強實驗驗證，（右圖）。冷凝管為鋁管，外徑12.7mm，管壁厚度0.7mm，有效長度1080mm。圓肋（金屬掛線）的直徑0.79mm，均布，圓肋數(shù)量為3，4，8，12。8條圓肋的效果最好2023/1/149豎直溝槽表面溝槽形狀：V型、矩形、半圓形、余弦形、平底尖頂型等。2023/1/1410換熱系數(shù)隨溫差增大而減小局部換熱系數(shù)沿流動方向減小2023/1/1411豎直溝槽管中的液膜厚度與槽深相等時，為臨界液膜厚度，此時相對應(yīng)的管長為臨界管長。當(dāng)冷凝管的長度大于臨界管長時，冷凝管上便會出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。液泛現(xiàn)象的始發(fā)位置為液泛點，液泛點以下的溝槽表面就不再起強化凝結(jié)傳熱的作用。臨界管長與S/H(槽距與槽深之比)相關(guān)，溝槽數(shù)目越多，則槽深就越小，容納和排出冷凝液的能力就越低。2023/1/1412可以在開設(shè)溝槽的管外壁裝設(shè)排液盤，使冷凝液分段沿排液盤滴落。2023/1/14139.4水平管外的強化凝結(jié)傳熱在水平旋轉(zhuǎn)的環(huán)形低翅管、螺旋翅管螺旋槽管或粗糙肋管等管外表面上，對水蒸汽、碳?xì)浠衔镆约爸吕鋭┑冉橘|(zhì)的凝結(jié)有強化作用。冷凝液在翅片側(cè)面呈膜狀，冷凝液膜在相鄰翅片構(gòu)成的槽道中沿管壁圓周流下，積聚在管子底部的冷凝液呈滴狀脫離壁面。平均滯留角上部液膜較薄,傳熱強化下部積聚凝結(jié)液,不利于傳熱2023/1/1414高效冷凝管1975年問世的粗糙微翅管又稱THERMOEXCEL-C管，簡稱C管。其翅片側(cè)面粗糙，頂部呈鋸齒狀。這種細(xì)密、尖銳的表面鋸齒結(jié)構(gòu)，不但可使冷凝液膜變薄，而且有利于冷凝液的滴落。在相同的傳熱溫差下，R-113、R-11在這種表面上的凝結(jié)系數(shù)可為光滑管的8~12倍；為環(huán)形低翅管的1.5~2倍。2023/1/1415螺旋槽管的槽深有最佳值。2023/1/1416水平內(nèi)翅管的凝結(jié)換熱系數(shù)可較光滑管內(nèi)的提高120~300%左右，而流動阻力僅略有增加；內(nèi)含扭帶管的凝結(jié)換熱系數(shù)可較光滑管內(nèi)的提高30%左右，但流動阻力會增加250%以上。2023/1/1417珠狀凝結(jié)的先決條件是冷凝液不濕潤壁面。只有冷凝壁材料的表面能較低，冷凝液才能在它上面以液珠形式而不是以膜狀形式鋪展。在過冷壁面的微小凹穴、狹窄細(xì)縫或固體微粒凸起處，液珠生成的可能性最大，是珠狀凝結(jié)的核化中心。在這些小液珠上不斷有蒸汽凝結(jié)發(fā)生，凝結(jié)放出的汽化潛熱主要通過液珠內(nèi)部的導(dǎo)熱傳遞給冷凝壁面。液珠分為附著在壁面上的液珠和沿壁面流動的液珠。前者的最大直徑記作Dmax，后者開始流動時的直徑記作Ds。2023/1/1418珠狀凝結(jié)可發(fā)生在較大的表面過冷度范圍之內(nèi)。當(dāng)表面過冷度達(dá)到一定數(shù)值后，將向膜狀凝結(jié)過渡。在豎直冷凝壁上珠狀凝結(jié)時，壁面下部也仍然可保持良好的傳熱性能。飽和水蒸汽速度附著在壁面上液珠最大直徑沿壁面開始流動時的液珠直徑2023/1/1419實現(xiàn)珠狀凝結(jié)的途徑憎水基有機化合物涂層.如油酸、硬脂酸；金屬硫化物涂層.如硫化銀涂層；貴金屬鍍層.金、銀、銠、鈀、鉑、鉻等；高分子聚合物涂層.如聚四氟乙烯涂層；在蒸汽中注入不濕潤性介質(zhì).可維持12500小時2023/1/1420冷凝器用同向雙尺度波紋板對于凝結(jié)過程，小波紋更有利于減薄液膜，強化凝結(jié)側(cè)傳熱系數(shù)；但將影響板內(nèi)外流體的通流量。為此提出了能兼顧流通面積和強化傳熱效應(yīng)的同向雙尺度波紋。2023/1/1421Mathematicmodelandcalculationforheattransfer

duringcondensationonsurfacesofcorrugatedplates

crosscorrugatedplatechannels2023/1/1422Fig.2condensationmodelfor

Fig.3flowcoordinates

apitchofcorrugation2023/1/14232023/1/1424(a)(b)(c)Fig.4resultsofcertaincorrugationplates2023/1/1425Fig.5

δBversusqwithdifferentl0atH=300mm2023/1/1426(a)H=300mm(b)H=600mmFig.6α/α0versusqwithdifferentl0atφ=40o,θ=60o,r2=1.5mm,δ’=0.5mm.2023/1/1427Fig.7α/α0versusqwithdifferentr2atφ=40o,θ=60o,l0=20mm,H=300mm2023/1/1428Fig.8α/α0versusqwithdifferentφatr2=1.5mm,θ=60o,l0=20mm,H=300mm

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Fig.9α/α0versusqwithdifferentθatr2=1.5mm,φ=40o,l0=20mm,H=300mm2023/1/1430螺旋流動和傾斜折流板疏液強化凝結(jié)傳熱研究國家自然科學(xué)基金面上項目：資助號：51276035；總經(jīng)費：80萬元；起始和結(jié)題時間：2013.1-2016.12；負(fù)責(zé)人：陳亞平改善冷凝液液膜形態(tài)和有效疏液流動是提高冷凝器膜狀凝結(jié)傳熱效率的關(guān)鍵；本項目重點圍繞由立式螺旋折流板冷凝器殼側(cè)螺旋流動以及傾斜折流板對管束上液膜的引導(dǎo)疏液與對傳熱表面的更新作用相關(guān)的凝結(jié)液膜形態(tài)變化對傳熱影響這一科學(xué)問題開展相關(guān)基礎(chǔ)探索；通過數(shù)值模擬、可視化試驗與傳熱性能試驗。2023/1/1431研究立式螺旋折流板冷凝器幾何結(jié)構(gòu)因素對凝結(jié)過程傳熱的影響折流板傾斜角變化，變傾斜角，相鄰折流板有無周向重疊，折流板出口有無擋液邊，折流板外圍有無排液缺口，單頭與多頭螺旋等。2023/1/1432探索各因素對凝結(jié)形態(tài)演化與局部熱力學(xué)特征的影響；描述在此凝結(jié)過程中汽流與液膜形態(tài)耦合共存的基本現(xiàn)象、熱力學(xué)非平衡性和汽液流動與傳熱規(guī)律，尋求相關(guān)分析預(yù)測方法，較深層地認(rèn)識相關(guān)基礎(chǔ)物理現(xiàn)象與過程；并將上述方案的結(jié)果與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器方案進(jìn)行對比；完善相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)理論，為相關(guān)技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2023/1/1433第十章強化傳熱技術(shù)的應(yīng)用10.1氣-氣換熱器如空氣預(yù)熱器：煙氣-空氣管式光管；螺紋槽管；管內(nèi)螺旋翅片、螺旋線圈，管外翅片交叉流；多次交叉；逆流；順流板式平板式；波紋板式板翅式：壓縮空氣風(fēng)冷卻器熱管式：兩側(cè)翅片或肋片，可控制壁面溫度。蓄熱式（回轉(zhuǎn)式）：電廠、新風(fēng)機組2023/1/1434

10.2氣-液換熱器如：油-風(fēng)冷卻器，水/乙二醇-風(fēng)冷卻器、鍋爐省煤器、燃?xì)馊加湾仩t節(jié)能器板翅式管翅式，風(fēng)機盤管管殼式套管式III型螺旋