不凝結(jié)氣體水平管外凝結(jié)傳熱

不凝結(jié)氣體水平管外凝結(jié)傳熱分析摘要：本文闡述了不凝結(jié)氣體對凝結(jié)換熱的影響機(jī)理，回顧了不凝結(jié)氣體-蒸汽混合物凝結(jié)換熱的計(jì)算方法，包括：基于邊界層理論的數(shù)值方法，Peterson質(zhì)擴(kuò)散模型以及關(guān)聯(lián)式法。本文采用雙膜理論，結(jié)合迭代法求氣液分界面氣體濃度的方法，分別計(jì)算水蒸汽-空氣，制冷劑-空氣混合物在水平管外凝結(jié)傳熱的換熱系數(shù)。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表明：雙膜計(jì)算方法可用于不凝結(jié)氣體濃度10%以下的水平管外層流膜狀凝結(jié)問題的設(shè)計(jì)計(jì)算，精度約在15%。此法可用于已知換熱管壁面溫度條件下的水平管外不凝結(jié)氣體與蒸汽混合物的凝結(jié)換熱系數(shù)計(jì)算。關(guān)鍵字：不凝結(jié)氣體凝結(jié)換熱關(guān)聯(lián)式0引言O(shè)thmer最早發(fā)現(xiàn)[1-2]，蒸汽中含有少量不可凝性氣體，會(huì)對凝結(jié)傳熱產(chǎn)生負(fù)面影響，其計(jì)算有如下特點(diǎn)：(1)由于蒸汽潛熱的存在，熱負(fù)荷與溫度的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此不能像單相氣體冷卻那樣計(jì)算傳熱速率。(2)隨著冷凝的進(jìn)行，蒸汽的露點(diǎn)在不斷變化，因此又不能采用努謝爾特公式計(jì)算。(3)在混合氣體管外膜態(tài)凝結(jié)中，不凝結(jié)氣體富集在氣-液表面形成了一個(gè)擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層存在的氣體濃差推動(dòng)蒸汽向界面擴(kuò)散凝結(jié)。因此，既有顯熱傳遞過程、又有蒸汽擴(kuò)散、冷凝傳熱過程。(4)凝液流向豎直向下，而在擴(kuò)散層中同時(shí)存在對流和擴(kuò)散作用。由于氣-液相界面處于動(dòng)態(tài)平衡中，不斷有凝結(jié)液體產(chǎn)生，這種凝結(jié)對氣液界面有一種“抽吸”作用。(5)氣-液界面的粘性力使氣體擴(kuò)散層有下沉趨勢。當(dāng)不凝結(jié)氣體分子量小于凝結(jié)蒸汽分子量時(shí)，擴(kuò)散層向上發(fā)展；反之，則向下發(fā)展。不凝結(jié)氣體存在時(shí)，換熱系數(shù)計(jì)算有三種方法：(1)基于邊界層理論的數(shù)值方法。研究者通常對流邊界層的動(dòng)量、能量積分方程，然后通過有限差分法等數(shù)值方法求解。(2)基于Peterson擴(kuò)散層模型的分析方法，然后采用傳熱傳質(zhì)類比方法以及迭代計(jì)算等方法求解。(3)關(guān)聯(lián)式法，包括系數(shù)法、迭代關(guān)聯(lián)法、非迭代關(guān)聯(lián)法。迭代模型往往需要通過迭代方法求界面的溫度、濃度、壓力等參數(shù)。而非迭代模型避開求氣液界面參數(shù)。各類關(guān)聯(lián)式列表如下：表1不凝結(jié)氣體-蒸汽混合物凝結(jié)傳熱關(guān)聯(lián)式灌文獻(xiàn)狹關(guān)聯(lián)式及適用訪范圍際[1]甘。式中：畢為含不凝結(jié)氣伍體的蒸汽混合海物的運(yùn)動(dòng)粘度妙；巡是不凝結(jié)氣體燕的摩爾分?jǐn)?shù)；姑是不凝結(jié)氣體浸在可凝蒸汽中妥的互擴(kuò)散系數(shù)磨。適楊于丟0需～越40姨%輛。殘[2-3]流式中：潤[4]絡(luò)，式中腦表示不凝結(jié)氣狗體質(zhì)量分量。闖適于蒸氏汽音-爆不凝結(jié)氣體管漿內(nèi)的凝結(jié)傳熱靈。態(tài)[5]汗。式中：嘗，亮，津，珠表示界面剪力丘及表面波動(dòng)對按凝液液膜換熱程的影響，正表示界面剪力毅對液膜厚度的首減小效果，抓是凝液流量的擦函數(shù)。味是不凝結(jié)氣體東質(zhì)量含量的函柔數(shù)。適于蒸獸汽虜-桶空氣管內(nèi)凝結(jié)冒傳熱。歷[6]顛，式中鑒,曠為無因次準(zhǔn)數(shù)絨。適于低壓水正蒸下汽搬-惱空氣管內(nèi)凝結(jié)測傳熱。謝[7]峽，適于水蒸織汽墾-猾空村氣勒4亞5串度斜波紋槽道叫管內(nèi)冷凝傳熱惑，號，空氣質(zhì)量含印量耗；擺，適于垂直波條紋槽道管內(nèi)冷題凝傳熱，紛，空氣質(zhì)量含距量轉(zhuǎn)。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對解決條件類似的問題簡捷有效。但是，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為管內(nèi)水蒸汽-空氣/氦氣混合物凝結(jié)換熱的經(jīng)驗(yàn)公式，而針對管外凝結(jié)換熱的研究很少。本文應(yīng)用Peterson的雙膜模型解決不凝結(jié)氣體存在時(shí)管外層流膜狀凝結(jié)傳熱問題。1雙膜模型圖1管外膜狀凝結(jié)示意圖及熱阻分析圖2混合氣體溫度、壓力及濃度分布不凝結(jié)氣體與蒸汽混合物管外凝結(jié)現(xiàn)象及雙膜模型的熱阻分析示如圖1。圖1混合氣體溫度、壓力及濃度分布出自文獻(xiàn)。蒸汽-不凝結(jié)氣體邊界層傳熱、傳質(zhì)基礎(chǔ)：氣相主體向管壁的傳熱，既有顯熱的傳遞，又有潛熱的傳遞，兩者之和為總的傳熱量。顯熱傳遞可用氣體傳熱膜系數(shù)計(jì)算。潛熱傳遞的計(jì)算比較復(fù)雜。當(dāng)蒸汽擴(kuò)散至換熱管壁，若管壁溫度低于蒸汽露點(diǎn)，則蒸汽在管壁冷凝形成液膜。氣相主體的蒸汽分壓與液膜溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓之差即為傳質(zhì)推動(dòng)力。蒸汽在冷凝液膜上冷凝，放出潛熱。顯熱與潛熱再通過液膜、管壁、冷流體液膜傳至冷流體。氣流邊界層傳熱包括顯熱傳熱、蒸汽凝結(jié)潛熱傳熱。因此能量方程可寫為：(1)這一熱量等于凝液液膜與壁面的傳熱量。即：(2)聯(lián)立式(1)、式(2)可得：(3)式中：是凝液流量，是從氣相到液膜的顯熱傳熱換熱系數(shù)，是凝結(jié)傳熱換熱系數(shù)。它由下式求得：(4)鑼由綁式杯(3槽)鎮(zhèn)可得：(5)觀所以，總體換御熱系數(shù)辟：(6)稈水平橫管外層押流時(shí)的膜狀凝沉結(jié)平均換熱系幸數(shù)按努謝爾特億理論計(jì)算式。(7)(8)轟式中，睡，誓分別表示有不傭凝結(jié)氣體存在斑時(shí)和沒有不凝貞結(jié)氣體存在時(shí)仔的經(jīng)過凝液液涌膜層的傳遞熱歇量的換熱系數(shù)撞。表示由于不迅凝結(jié)氣體對凝譜液的波動(dòng)效果匙而導(dǎo)致?lián)Q熱系布數(shù)增加六。構(gòu)McAdam野s艱建議留值翁為國1.28誰[8]腥。對雷諾數(shù)小愈于上180性0船的層流膜狀凝霉結(jié)傳熱，其與慘試驗(yàn)值符合較葉好。顯熱按橫肌掠圓管對流換抽熱公式計(jì)算：(9)旅式中，句是混合氣體雷進(jìn)諾數(shù)。潛熱按扶下式計(jì)算經(jīng)[9]拳：(10)屑式中：修分別表示不凝魚結(jié)氣體在氣液刪界面、主體的財(cái)質(zhì)量濃度。考觀慮到氣液界面誰處兩相平衡及辦道爾頓分壓定古律，不凝結(jié)氣杠體在界面處的性質(zhì)量濃度帶、溫度駱有如下關(guān)系：(11)拖式中：習(xí)分別是總壓強(qiáng)雕、氣液界面蒸淘汽壓力。煙分別是蒸汽、真不凝結(jié)氣體摩禁爾質(zhì)量。實(shí)際叢上，顯熱傳熱壽換熱系數(shù)聲遠(yuǎn)比凝結(jié)傳熱揚(yáng)換熱系數(shù)姓小，可以忽略借，只需求抄即可。二者關(guān)刪系如下：(12)唯而求快需要求出氣液徒界面溫度適，求梅需要求出界面氧溫度抖以及濃度居。因此，可采訪用以下迭代方崇法求解。南2巡傻計(jì)算結(jié)果與分地析仆取氣液界面溫他度初始為鈔，按式求斑，分別求出輸，計(jì)算輛。若二者滿足屋下式，停止迭腥代計(jì)算，否則擦界面溫度增叼加上0.1歷K壓，重復(fù)計(jì)算黨，直至二者滿連足誤差公式。替計(jì)算框圖如側(cè)圖霧3割：(13)隊(duì)圖選3頃計(jì)算框圖飯隨著不凝結(jié)氣甜體濃度的增加天，凝結(jié)傳熱系離數(shù)降低。當(dāng)不三凝結(jié)氣體濃度構(gòu)較小時(shí)，熱阻于主要在凝液液償膜層；當(dāng)不凝幸結(jié)氣體濃度繼原續(xù)增加，混合植氣體邊界層的膨熱阻增加，并愈逐漸超過凝液殺液膜層的熱阻肆。前不凝結(jié)氣體濃禍度增加，凝結(jié)紫換熱系數(shù)隨之嚇減小。當(dāng)濃度偷減小還到槍1.5忙%堆左右，換熱系守?cái)?shù)的降低趨緩建。這一趨勢對望制冷劑及水蒸激汽同樣存在。3結(jié)論世本文采用雙膜檢理論，結(jié)合管縣外氣體邊界層預(yù)凝結(jié)傳熱關(guān)聯(lián)此式，分析研究秒了蒸懂汽竿-蜓空氣或制冷惰劑翼-湖空氣在水平管眾外凝結(jié)傳熱。疑結(jié)論如下：對蝕不凝結(jié)氣體濃鄙度小毯于伍10倍%味的混合氣體管劍外層流膜狀凝卸結(jié)，雙膜理論偉計(jì)算精度約繼在嘉±15腥%料。誤差分析示兄如溝圖常6宣。因此，當(dāng)壁集面溫度已知時(shí)位，可應(yīng)用雙膜跪理論，采用迭巡代法求凝液與女氣液界面處不落凝結(jié)氣體濃度德，從而計(jì)算出蓬水平管外不凝疏結(jié)氣體與蒸汽互混合物凝結(jié)傳扭熱系數(shù)。參考文獻(xiàn)組1晚尾花英凍朗很(疊日舌).輛報(bào)熱交換器設(shè)計(jì)驗(yàn)手償冊手-黨上加冊束[M].糞逐北帳京溪:燃燒石油工業(yè)出版唉社昨,1981它:381趟2Siddi董queM,爪Golay育M.W,K賞azimi軍M.S.l松ocalh施eattr城ansfer希coeff完icient葛sfor綿forced來conve蛾ction慮conden臥sation槍ofin伶avert醒icalt羨ubein獅thep衛(wèi)resenc錯(cuò)eofa育non-c詢ondens威ableg奏as[J]楊.Nucl慚earTe丟chnolo矛gy,199掌3(6),慎102(3)晨:386-就402泰3Hasan來einH.溉A,Kaz三imiM.愛S,Gola肚yM.W.處Force銀dconv純ection像in-tu蠻beste己amcon至densat面ionin橫thep滑resenc圖eofn寨on-con縣densab旗legase幸s[J].軍Inter戒nation跌alJou擔(dān)rnalo俱fHeat列andM球assTr干ansfer甲,1996持(9),3灰9(13):禮2625-舊2639它4José什L.M.C,式Sergi古oC,J換oséM.C愛,Albe慰rtoE.僵Inter擔(dān)action蹦betwe碌ennat荷uralc沉onvect擱ionan眉dcond駁ensati白o(hù)nhea漫ttrans咱ferin闊thep扶assive少conta鼓inment增cooli單ngcon異denser聽soft丑heESB香WRrea柿ctor[劣J].Ann閃alsof奸Nucle致arEne作rgy,1濾999(3)地,26(4礙):277慘-300策5Kuhn羨S.Z,S范chrock倍V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