传热学凝结强化剖析课件

中国 南京能源与环境学院能源与环境学院第九章凝结换热的强化9.1凝结过程的强化传热概述凝结过程的强化传热概述蒸汽在低于其饱和温度的壁面上变成液体同时放蒸汽在低于其饱和温度的壁面上变成液体同时放出汽化潜热，并把汽化潜热传递给壁面的热交换出汽化潜热，并把汽化潜热传递给壁面的热交换过程，叫作凝结传热过程。过程，叫作凝结传热过程。一般来说，凝结传热过程是一种高效热传递过程，一般来说，凝结传热过程是一种高效热传递过程，它的换热系数高于同一种流体的单相对流换热系它的换热系数高于同一种流体的单相对流换热系数。所以凝结换热侧通常不会构成整个传热过程数。所以凝结换热侧通常不会构成整个传热过程的控制热阻。的控制热阻。然而对于低温能源利用、石油分馏、工业用有机然而对于低温能源利用、石油分馏、工业用有机蒸汽的凝结换热系数仅为水蒸汽的蒸汽的凝结换热系数仅为水蒸汽的1/10左右，为左右，为了使冷凝器两侧的传热热阻相匹配以提高冷凝器了使冷凝器两侧的传热热阻相匹配以提高冷凝器的性能、减小冷凝器的体积和重量，增强它的凝的性能、减小冷凝器的体积和重量，增强它的凝结换热就成为关键问题。结换热就成为关键问题。2024/6/141第九章凝结换热的强化9.1凝结过程的强化传热概述2023中国 南京能源与环境学院能源与环境学院两种凝结方法两种凝结方法膜状凝结：冷凝液能够湿润壁面，在壁面形成一层连续液膜，在重力作用下沿壁面流动。凝结过程在液膜和蒸汽的分界面上进行，通过这层液膜汽化潜热才能传递给壁面。珠状凝结：冷凝液不能够湿润壁面，冷凝液只能在壁面上形成液珠。液珠长大后，受重力作用会不断携带沿途的其它液珠沿壁面流下。同时，新的液珠又会在原来的路径上重新复生。凝结放出的汽化潜热能够直接传递给壁面。珠状凝结的换热系数大大高于同样条件下的膜状珠状凝结的换热系数大大高于同样条件下的膜状凝结的换热系数。凝结的换热系数。2024/6/142两种凝结方法2023/8/92中国 南京能源与环境学院能源与环境学院凝结方式分类工业设备中最重要的凝结换热方式蒸汽凝结成微小液滴悬浮在汽相中,当流过渐扩管道压力升高时的凝结.发生在不易湿润的冷却表面，大部分冷却壁面与蒸汽直接接触.发生在蒸汽与冷液体直接接触时，如冷液体喷入蒸汽中，或蒸汽喷入冷液体中.多种蒸汽混合物凝结成各种不混溶液体时，同时存在膜状和珠状凝结.2024/6/143凝结方式分类工业设备中最重要的凝结换热方式蒸汽凝结成微小液滴中国 南京能源与环境学院能源与环境学院当蒸汽在当蒸汽在竖直管外或竖壁竖直管外或竖壁上凝结时，管子上凝结时，管子曲率的影响一般可不予考虑。冷凝液沿竖曲率的影响一般可不予考虑。冷凝液沿竖壁的流动状态，一般上部为层流，在一定壁的流动状态，一般上部为层流，在一定条件下，膜层的下部可能转变为湍流流动。条件下，膜层的下部可能转变为湍流流动。蒸汽在蒸汽在竖直管内竖直管内凝结时，需要考虑蒸汽流凝结时，需要考虑蒸汽流速的影响。蒸汽与流动方向相同时（顺流，速的影响。蒸汽与流动方向相同时（顺流，自上而下），液膜较薄，热阻较小；蒸汽自上而下），液膜较薄，热阻较小；蒸汽与凝结液流动方向相反时（逆流，蒸汽自与凝结液流动方向相反时（逆流，蒸汽自下而上），液膜较厚，热阻较大。下而上），液膜较厚，热阻较大。2024/6/144当蒸汽在竖直管外或竖壁上凝结时，管子曲率的影响一般可不予考虑中国 南京能源与环境学院能源与环境学院当蒸汽在当蒸汽在水平管外水平管外凝结时，流动途径较短，凝结时，流动途径较短，不易形成湍流。在水平管束中凝结时，上不易形成湍流。在水平管束中凝结时，上排管子上的冷凝液滴落在下排管壁上，导排管子上的冷凝液滴落在下排管壁上，导致液膜增厚，换热减弱。致液膜增厚，换热减弱。蒸汽在蒸汽在水平管内水平管内凝结时，管内上部空间积凝结时，管内上部空间积聚蒸汽，下部则积存较多的凝结液，导致聚蒸汽，下部则积存较多的凝结液，导致冷凝管实际传热面积减小，在其它条件相冷凝管实际传热面积减小，在其它条件相同时，水平管内凝结换热系数往往低于竖同时，水平管内凝结换热系数往往低于竖直管内的凝结换热系数。蒸汽流速对换热直管内的凝结换热系数。蒸汽流速对换热与阻力有很大影响。与阻力有很大影响。2024/6/145当蒸汽在水平管外凝结时，流动途径较短，不易形成湍流。在水平管中国 南京能源与环境学院能源与环境学院9.2凝结换热计算（1）垂直垂直管或垂直壁面上的膜状凝结管或垂直壁面上的膜状凝结静止或流动速度不大的洁净蒸汽平均凝结换热系数静止或流动速度不大的洁净蒸汽平均凝结换热系数（2）水平单管水平单管外的膜状凝结外的膜状凝结（3）水平管束水平管束上的膜状凝结上的膜状凝结垂直方向管排数2024/6/1469.2凝结换热计算（1）垂直管或垂直壁面上的膜状凝结（2）中国 南京能源与环境学院能源与环境学院（4）水平管内水平管内的膜状凝结的膜状凝结2024/6/147（4）水平管内的膜状凝结2023/8/97中国 南京能源与环境学院能源与环境学院9.3竖直管外强化凝结传热的基本原理竖直管外壁面上的纵向圆肋竖直管外壁面上的纵向圆肋（或是金属挂线）、矩形肋、（或是金属挂线）、矩形肋、各种纵槽或螺旋槽均可起到各种纵槽或螺旋槽均可起到强化凝结传热的作用。强化凝结传热的作用。冷凝液膜的流动受到重力和冷凝液膜的流动受到重力和表面张力的影响。重力的作表面张力的影响。重力的作用使液膜沿肋根两侧或槽谷用使液膜沿肋根两侧或槽谷自上而下地流脱壁面；表面自上而下地流脱壁面；表面张力的作用使液膜沿水平方张力的作用使液膜沿水平方向流到肋的两侧或槽的谷底。向流到肋的两侧或槽的谷底。这样在肋或槽峰两侧上的冷这样在肋或槽峰两侧上的冷凝液膜就会变得极薄，传热凝液膜就会变得极薄，传热热阻降低。热阻降低。(Gregorig效应效应)2024/6/1489.3竖直管外强化凝结传热的基本原理竖直管外壁面上的纵向圆肋中国 南京能源与环境学院能源与环境学院饱和水蒸汽在竖直圆饱和水蒸汽在竖直圆肋管上凝结传热增强肋管上凝结传热增强实验验证，（右图）。实验验证，（右图）。冷凝管为铝管，外径冷凝管为铝管，外径12.7mm，管壁厚度，管壁厚度0.7mm，有效长度，有效长度1080mm。圆肋（金。圆肋（金属挂线）的直径属挂线）的直径0.79mm，均布，圆肋，均布，圆肋数量为数量为3，4，8，12。8条圆肋的效果最好2024/6/149饱和水蒸汽在竖直圆肋管上凝结传热增强实验验证，（右图）。8条中国 南京能源与环境学院能源与环境学院竖直沟槽表面竖直沟槽表面沟槽形状：沟槽形状：V V型、矩形、半圆形、余弦形、平底尖型、矩形、半圆形、余弦形、平底尖顶型等。顶型等。2024/6/1410竖直沟槽表面2023/8/910中国 南京能源与环境学院能源与环境学院换热系数随温差增大而减小局部换热系数沿流动方向减小2024/6/1411换热系数局部换热系数沿2023/8/911中国 南京能源与环境学院能源与环境学院竖直沟槽管中的液膜厚度与槽竖直沟槽管中的液膜厚度与槽深相等时，为临界液膜厚度，深相等时，为临界液膜厚度，此时相对应的管长为临界管长。此时相对应的管长为临界管长。当冷凝管的长度大于临界管长当冷凝管的长度大于临界管长时，冷凝管上便会出现液泛现时，冷凝管上便会出现液泛现象。象。液泛现象的始发位置为液泛点，液泛现象的始发位置为液泛点，液泛点以下的沟槽表面就不再液泛点以下的沟槽表面就不再起强化凝结传热的作用。起强化凝结传热的作用。临界管长与临界管长与S/H(槽距与槽深之槽距与槽深之比比)相关，沟槽数目越多，则相关，沟槽数目越多，则槽深就越小，容纳和排出冷凝槽深就越小，容纳和排出冷凝液的能力就越低。液的能力就越低。2024/6/1412竖直沟槽管中的液膜厚度与槽深相等时，为临界液膜厚度，此时相对中国 南京能源与环境学院能源与环境学院可以在开可以在开设沟槽的设沟槽的管外壁装管外壁装设排液盘，设排液盘，使冷凝液使冷凝液分段沿排分段沿排液盘滴落。液盘滴落。2024/6/1413可以在开设沟槽的管外壁装设排液盘，使冷凝液分段沿排液盘滴落。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院9.4水平管外的强化凝结传热在水平旋转的环形低在水平旋转的环形低翅管、螺旋翅管螺旋翅管、螺旋翅管螺旋槽管或粗糙肋管等管槽管或粗糙肋管等管外表面上，对水蒸汽、外表面上，对水蒸汽、碳氢化合物以及致冷碳氢化合物以及致冷剂等介质的凝结有强剂等介质的凝结有强化作用。化作用。冷凝液在翅片侧面呈冷凝液在翅片侧面呈膜状，冷凝液膜在相膜状，冷凝液膜在相邻翅片构成的槽道中邻翅片构成的槽道中沿管壁圆周流下，积沿管壁圆周流下，积聚在管子底部的冷凝聚在管子底部的冷凝液呈滴状脱离壁面。液呈滴状脱离壁面。平均滞留角上部液膜较薄,传热强化下部积聚凝结液,不利于传热2024/6/14149.4水平管外的强化凝结传热在水平旋转的环形低翅管、螺旋翅中国 南京能源与环境学院能源与环境学院高效冷凝管1975年问世的粗糙微翅管年问世的粗糙微翅管又称又称THERMOEXCEL-C管，简称管，简称C管。其翅片侧面管。其翅片侧面粗糙，顶部呈锯齿状。粗糙，顶部呈锯齿状。这种细密、尖锐的表面锯这种细密、尖锐的表面锯齿结构，不但可使冷凝液齿结构，不但可使冷凝液膜变薄，而且有利于冷凝膜变薄，而且有利于冷凝液的滴落。液的滴落。在相同的传热温差下，在相同的传热温差下，R-113、R-11在这种表面上的在这种表面上的凝结系数可为光滑管的凝结系数可为光滑管的812倍；为环形低翅管的倍；为环形低翅管的1.52倍。倍。2024/6/1415高效冷凝管1975年问世的粗糙微翅管又称THERMOEXCE中国 南京能源与环境学院能源与环境学院螺旋槽管的槽深有最佳值。2024/6/1416螺旋槽管的槽深有最佳值。2023/8/916中国 南京能源与环境学院能源与环境学院水平内翅管的凝水平内翅管的凝结换热系数可较结换热系数可较光滑管内的提高光滑管内的提高120300%左右，左右，而流动阻力仅略而流动阻力仅略有增加；有增加；内含扭带管的凝内含扭带管的凝结换热系数可较结换热系数可较光滑管内的提高光滑管内的提高30%左右，但流左右，但流动阻力会增加动阻力会增加250%以上。以上。2024/6/1417水平内翅管的凝结换热系数可较光滑管内的提高120300%左中国 南京能源与环境学院能源与环境学院珠状凝结的先决条件是冷凝液不湿润壁面。珠状凝结的先决条件是冷凝液不湿润壁面。只有冷凝壁材料的表面能较低，冷凝液才能在它只有冷凝壁材料的表面能较低，冷凝液才能在它上面以液珠形式而不是以膜状形式铺展。上面以液珠形式而不是以膜状形式铺展。在过冷壁面的微小凹穴、狭窄细缝或固体微粒凸在过冷壁面的微小凹穴、狭窄细缝或固体微粒凸起处，液珠生成的可能性最大，是珠状凝结的核起处，液珠生成的可能性最大，是珠状凝结的核化中心。在这些小液珠上不断有蒸汽凝结发生，化中心。在这些小液珠上不断有蒸汽凝结发生，凝结放出的汽化潜热主要通过液珠内部的导热传凝结放出的汽化潜热主要通过液珠内部的导热传递给冷凝壁面。递给冷凝壁面。液珠分为附着在壁面上的液珠和沿壁面流动的液液珠分为附着在壁面上的液珠和沿壁面流动的液珠。前者的最大直径记作珠。前者的最大直径记作Dmax，后者开始流动时，后者开始流动时的直径记作的直径记作Ds。2024/6/1418珠状凝结的先决条件是冷凝液不湿润壁面。2023/8/918中国 南京能源与环境学院能源与环境学院珠状凝结可发生在较大的表面过冷度范围之内。珠状凝结可发生在较大的表面过冷度范围之内。当表面过冷度达到一定数值当表面过冷度达到一定数值后，将向膜状凝结过渡。后，将向膜状凝结过渡。在竖直冷凝壁上珠状凝结时，在竖直冷凝壁上珠状凝结时，壁面下部也仍然可保持良好壁面下部也仍然可保持良好的传热性能。的传热性能。饱和水蒸汽速度附着在壁面上液珠最大直径沿壁面开始流动时的液珠直径2024/6/1419珠状凝结可发生在较大的表面过冷度范围之内。当表面过冷度达到一中国 南京能源与环境学院能源与环境学院实现珠状凝结的途径憎水基有机化合物涂层憎水基有机化合物涂层.如油酸、硬脂酸；如油酸、硬脂酸；金属硫化物涂层金属硫化物涂层.如硫化银涂层；如硫化银涂层；贵金属镀层贵金属镀层.金、银、铑、钯、铂、铬等；金、银、铑、钯、铂、铬等；高分子聚合物涂层高分子聚合物涂层.如聚四氟乙烯涂层；如聚四氟乙烯涂层；在蒸汽中注入不湿润性介质在蒸汽中注入不湿润性介质.可维持12500小时2024/6/1420实现珠状凝结的途径憎水基有机化合物涂层.如油酸、硬脂酸；可维中国 南京能源与环境学院能源与环境学院冷凝器用同向双尺度波纹板对于凝结过程，小对于凝结过程，小波纹更有利于减薄波纹更有利于减薄液膜，强化凝结侧液膜，强化凝结侧传热系数；但将影传热系数；但将影响板内外流体的通响板内外流体的通流量。为此提出了流量。为此提出了能兼顾流通面积和能兼顾流通面积和强化传热效应的同强化传热效应的同向双尺度波纹。向双尺度波纹。2024/6/1421冷凝器用同向双尺度波纹板对于凝结过程，小波纹更有利于减薄液膜中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Mathematic model and calculation for heat transfer during condensation on surfaces of corrugated plates cross corrugated plate channels 2024/6/1422Mathematic model and calculati中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Fig.2 condensation model for Fig.3 flow coordinates a pitch of corrugation2024/6/1423Fig.2 condensation model for 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院2024/6/14242023/8/924中国 南京能源与环境学院能源与环境学院(a)(b)(c)Fig.4 results of certain corrugation plates2024/6/1425(a)2023/8/925中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Fig.5 B versus q with different l0 at H=300mm 2024/6/1426Fig.5 B versus q with diff中国 南京能源与环境学院能源与环境学院(a)H=300mm (b)H=600mmFig.6 /0 versus q with different l0 at=40,=60,r2=1.5mm,=0.5mm.2024/6/1427(a)H=300mm 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Fig.7/0 versus q with different r2 at=40,=60,l0=20mm,H=300mm2024/6/1428Fig.7/0 versus q with diff中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Fig.8/0 versus q with different at r2=1.5mm,=60,l0=20mm,H=300mm 2024/6/1429Fig.8/0 versus q with diffe中国 南京能源与环境学院能源与环境学院 Fig.9/0 versus q with different at r2=1.5mm,=40,l0=20mm,H=300mm2024/6/1430 Fig.9/0 versus q with dif中国 南京能源与环境学院能源与环境学院螺旋流动和倾斜折流板疏液强化凝结传热研究国家自然科学基金面上项目：国家自然科学基金面上项目：资助号：51276035；总经费：80万元；起始和结题时间：2013.1-2016.12；负责人：陈亚平 改善冷凝液液膜形态和有效疏液流动是提高冷凝改善冷凝液液膜形态和有效疏液流动是提高冷凝器膜状凝结传热效率的关键；器膜状凝结传热效率的关键；本项目重点围绕由立式螺旋折流板冷凝器壳侧螺本项目重点围绕由立式螺旋折流板冷凝器壳侧螺旋流动以及倾斜折流板对管束上液膜的引导疏液旋流动以及倾斜折流板对管束上液膜的引导疏液与对传热表面的更新作用相关的凝结液膜形态变与对传热表面的更新作用相关的凝结液膜形态变化对传热影响这一科学问题开展相关基础探索；化对传热影响这一科学问题开展相关基础探索；通过数值模拟、可视化试验与传热性能试验。通过数值模拟、可视化试验与传热性能试验。2024/6/1431螺旋流动和倾斜折流板疏液强化凝结传热研究国家自然科学基金面上中国 南京能源与环境学院能源与环境学院研究立式螺旋折流板冷凝器几何结构因素对凝结过程传热的影响几何结构因素对凝结过程传热的影响折流板倾斜角变化，变倾斜角，相邻折流板有无周向重叠，折流板出口有无挡液边，折流板外围有无排液缺口，单头与多头螺旋等。2024/6/1432研究立式螺旋折流板冷凝器几何结构因素对凝结过程传热的影响20中国 南京能源与环境学院能源与环境学院探索各因素对凝结形态演化与局部热力学特征的探索各因素对凝结形态演化与局部热力学特征的影响；影响；描述在此凝结过程中汽流与液膜形态耦合共存的描述在此凝结过程中汽流与液膜形态耦合共存的基本现象、热力学非平衡性和汽液流动与传热规基本现象、热力学非平衡性和汽液流动与传热规律，寻求相关分析预测方法，较深层地认识相关律，寻求相关分析预测方法，较深层地认识相关基础物理现象与过程；基础物理现象与过程；并将上述方案的结果与传统的弓形折流板换热器并将上述方案的结果与传统的弓形折流板换热器方案进行对比；方案进行对比；完善相关技术和基础理论，为相关技术改进和应完善相关技术和基础理论，为相关技术改进和应用奠定基础。用奠定基础。2024/6/1433探索各因素对凝结形态演化与局部热力学特征的影响；2023/8中国 南京能源与环境学院能源与环境学院第十章强化传热技术的应用10.1 气气-气换热器气换热器如空气预热器：烟气如空气预热器：烟气-空气空气管式管式光管；螺纹槽管；管内螺旋翅片、螺旋线圈，管外翅片交叉流；多次交叉；逆流；顺流板式板式平板式；波纹板式板翅式：板翅式：压缩空气风冷却器压缩空气风冷却器热管式：热管式：两侧翅片或肋片，可控制壁面温度。两侧翅片或肋片，可控制壁面温度。蓄热式（回转式）：蓄热式（回转式）：电厂、新风机组电厂、新风机组2024/6/1434第十章强化传热技术的应用10.1 气-气换热器如空气预热中国 南京能源与环境学院能源与环境学院10.2 气气-液换热器液换热器如：油如：油-风冷却器，水风冷却器，水/乙二醇乙二醇-风冷却器、锅风冷却器、锅炉省煤器、燃气燃油锅炉节能器炉省煤器、燃气燃油锅炉节能器板翅式板翅式管翅式，风机盘管管翅式，风机盘管管壳式管壳式套管式套管式III型螺旋板式型螺旋板式波面热板波面热板气气+喷淋水喷淋水-液换热器液换热器2024/6/143510.2 气-液换热器气+喷淋水-液换热器2023/8/9中国 南京能源与环境学院能源与环境学院10.3 气气-相变工质换热器相变工质换热器如：风冷冷凝器、蒸发器如：风冷冷凝器、蒸发器板翅式板翅式管翅式（风机盘管）管翅式（风机盘管）管壳式：折流杆式，螺旋折流板式管壳式：折流杆式，螺旋折流板式套管式套管式III型螺旋板式型螺旋板式波面热板波面热板2024/6/143610.3 气-相变工质换热器2023/8/936中国 南京能源与环境学院能源与环境学院10.4 液液-液换热器液换热器油油-水冷却器水冷却器各种形式都可用。污水换热器污水换热器有除垢装置海水换热器（闭式冷却器）海水换热器（闭式冷却器）有反冲过滤、胶球清洗、除垢装置，耐海水腐蚀材料（钛）管式、板式（半可拆）2024/6/143710.4 液-液换热器2023/8/937