不凝結氣體程度管外凝結傳熱

不凝結氣體水平管外凝結傳熱分析摘要：本文闡述了不凝結氣體對凝結換熱的影響機理，回顧了不凝結氣體-蒸汽混合物凝結換熱的計算方法，包括：基于邊界層理論的數(shù)值方法，Peterson質(zhì)擴散模型以及關聯(lián)式法。本文采用雙膜理論，結合迭代法求氣液分界面氣體濃度的方法，分別計算水蒸汽-空氣，制冷劑-空氣混合物在水平管外凝結傳熱的換熱系數(shù)。計算結果與文獻已有的試驗數(shù)據(jù)對比表明：雙膜計算方法可用于不凝結氣體濃度10%以下的水平管外層流膜狀凝結問題的設計計算，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氣體與蒸汽混合物的凝結換熱系數(shù)計算。關鍵字：不凝結氣體凝結換熱關聯(lián)式0引言Othmer最早發(fā)現(xiàn)[1-2]，蒸汽中含有少量不可凝性氣體，會對凝結傳熱產(chǎn)生負面影響，其計算有如下特點：(1)由于蒸汽潛熱的存在，熱負荷與溫度的關系為非線性關系，因此不能像單相氣體冷卻那樣計算傳熱速率。(2)隨著冷凝的進行，蒸汽的露點在不斷變化，因此又不能采用努謝爾特公式計算。(3)在混合氣體管外膜態(tài)凝結中，不凝結氣體富集在氣-液表面形成了一個擴散層，氣體擴散層存在的氣體濃差推動蒸汽向界面擴散凝結。因此，既有顯熱傳遞過程、又有蒸汽擴散、冷凝傳熱過程。(4)凝液流向豎直向下，而在擴散層中同時存在對流和擴散作用。由于氣-液相界面處于動態(tài)平衡中，不斷有凝結液體產(chǎn)生，這種凝結對氣液界面有一種“抽吸”作用。(5)氣-液界面的粘性力使氣體擴散層有下沉趨勢。當不凝結氣體分子量小于凝結蒸汽分子量時，擴散層向上發(fā)展；反之，則向下發(fā)展。不凝結氣體存在時，換熱系數(shù)計算有三種方法：(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算等方法求解。(3)關聯(lián)式法，包括系數(shù)法、迭代關聯(lián)法、非迭代關聯(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)。各類關聯(lián)式列表如下：表1不凝結氣體-蒸汽混合物凝結傳熱關聯(lián)式限文獻叮關聯(lián)式卷及適用民范圍本[1]屠。式中聲：肚為含不固凝結氣戴體的蒸豈汽混合胖物的運咐動粘度襯；靜是不凝暑結氣體賢的摩爾什分數(shù)；掉是不凝遺結氣體量在可凝哲蒸汽中涉的互擴籠散系數(shù)徹。適臘于易0裹～緒40說%暮。凝[2-熔3]喬式中：稅[4]刪，式中市表示不拆凝結氣媽體質(zhì)量娛分量。孩適于蒸示汽怎-縫不凝結偽氣體管加內(nèi)的凝添結傳熱乎。呼[5]嶄。式中勿：污，伏，淋，明表示界貓面剪力楚及表面壓波動對庭凝液液培膜換熱文的影響咽，富表示界結面剪力汪對液膜毀厚度的晌減小效晚果，看是凝液守流量的疑函數(shù)。磁是不凝捉結氣體仇質(zhì)量含萍量的函亮數(shù)。適知于蒸窩汽居-璃空氣管綠內(nèi)凝結夕傳熱。魔[6]衡，式中呆,覺為無因雪次準數(shù)鬧。適于啟低壓水確蒸成汽蝕-隔空氣管要內(nèi)凝結體傳熱。張[7]搜，適于因水蒸供汽密-噸空杜氣講4均5輸度斜波肢紋槽道矮管內(nèi)冷鞋凝傳熱件，準，空氣雕質(zhì)量含完量狐；舊，適于墨垂直波置紋槽道織管內(nèi)冷宮凝傳熱水，武，空氣布質(zhì)量含屬量捐。以上試驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗關聯(lián)式對解決條件類似的問題簡捷有效。但是，試驗數(shù)據(jù)均為管內(nèi)水蒸汽-空氣/氦氣混合物凝結換熱的經(jīng)驗公式，而針對管外凝結換熱的研究很少。本文應用Peterson的雙膜模型解決不凝結氣體存在時管外層流膜狀凝結傳熱問題。1雙膜模型圖1管外膜狀凝結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氣體與蒸汽混合物管外凝結現(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。蒸汽-不凝結氣體邊界層傳熱、傳質(zhì)基礎：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)計算。潛熱傳遞的計算比較復雜。當蒸汽擴散至換熱管壁，若管壁溫度低于蒸汽露點，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的飽和蒸汽壓之差即為傳質(zhì)推動力。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)，是凝結傳熱換熱系數(shù)。它由下式求得：(4)候由龍式榆(3池)兔可得：(5)掛所以，施總體換迫熱系數(shù)憐：(6)速水平橫挑管外層襯流時的效膜狀凝位結平均蟻換熱系綿數(shù)按努費謝爾特紫理論計屋算式。(7)(8)炭式中，球，櫻分別表夫示有不渾凝結氣伐體存在寶時和沒錘有不凝辯結氣體橡存在時串的經(jīng)過傷凝液液竟膜層的盒傳遞熱顯量的換番熱系數(shù)批。表示避由于不頁凝結氣毒體對凝渡液的波給動效果票而導致絲換熱系態(tài)數(shù)增加桌。臥McA翠dam拔s礦建議靠值篩為陣1.2呀8遷[8]株。對雷首諾數(shù)小粗于門180逢0頁的層流賀膜狀凝憲結傳熱孤，其與似試驗值柱符合較松好。顯邪熱按橫甜掠圓管栽對流換烈熱公式街計算：(9)粘式中，跌是混合揪氣體雷吹諾數(shù)。吩潛熱按蓬下式計握算困[9]朵：乏(召10)朗式中：占分別表習示不凝舟結氣體抵在氣液辦界面、充主體的前質(zhì)量濃幫度。考羅慮到氣千液界面泰處兩相內(nèi)平衡及脈道爾頓練分壓定司律，不眼凝結氣迷體在界車面處的修質(zhì)量濃救度售、溫度糖有如下臉關系：呼(守11)罩式中：雄分別是捧總壓強借、氣液縣界面蒸筒汽壓力鼠。肆分別是遠蒸汽、擾不凝結容氣體摩方爾質(zhì)量栽。實際呀上，顯復熱傳熱逃換熱系宴數(shù)袋遠比凝傷結傳熱露換熱系塊數(shù)戲小，可公以忽略耀，只需穩(wěn)求堂即可。捎二者關躺系如下鞏：慎(略12)娃而求疫需要求智出氣液迎界面溫幟度椒，求幟需要求穗出界面貿(mào)溫度很以及濃油度存。因此統(tǒng)，可采嫌用以下死迭代方勝法求解認。虧2元巷計算結弊果與分痛析鎮(zhèn)取氣液箱界面溫共度初始冊為紹，按式恨求差，分別扔求出屢，計算塊。若二歲者滿足誦下式，任停止迭遼代計算敲，否則眠界面溫差度增運加頭0.1樂K將，重復拍計算每，直至表二者滿純足誤差柱公式。屠計算框卡圖如免圖剛3籃：罪(估13)衰圖霞3潔計算框訂圖兵隨著不呢凝結氣補體濃度字的增加技，凝結藝傳熱系折數(shù)降低除。當不買凝結氣妖體濃度宿較小時魂，熱阻星主要在懷凝液液短膜層；數(shù)當不凝瞞結氣體爆濃度繼曬續(xù)增加創(chuàng)，混合希氣體邊谷界層的幣熱阻增猛加，并異逐漸超孫過凝液增液膜層迫的熱阻鐘。沫不凝結潛氣體濃豈度增加巧，凝結危換熱系市數(shù)隨之滑減小。乖當濃度秀減小蛛到帽1.5種%霉左右，虎換熱系擾數(shù)的降康低趨緩挑。這一僻趨勢對津制冷劑球及水蒸氏汽同樣貢存在。堵3葛紅結論柏本文采晃用雙膜習理論，凍結合管連外氣體停邊界層豎凝結傳巡熱關聯(lián)繁式，分歇析研究癢了蒸紋汽疲-歷空氣或莊制冷跡劑努-冶空氣在腹水平管占外凝結秘傳熱。閉結論如部下：對慕不凝結足氣體濃紀度小雄于托10引%撞的混合垂氣體管沒外層流哲膜狀凝勉結，雙澆膜理論攤計算精溜度約屬在程±15沉%撫。誤差蘆分析示女如司圖字6嫂。因此初，當壁炊面溫度追已知時伸，可應慈用雙膜執(zhí)理論，業(yè)采用迭布代法求繭凝液與燥氣液界柏面處不愿凝結氣考體濃度勻，從而久計算出描水平管奏外不凝上結氣體擦與蒸汽蜘混合物延凝結傳竭熱系數(shù)駛。促參考文蜜獻膛1甘尾花英澇朗肆(鎮(zhèn)日秒).姨位熱交換輸器設計俊手捧冊受-恢上煉冊郊[M]百.透渡北輕京飯:晌代石油工秧業(yè)出版舍社戲,1鞋981謎:3雁81懶2Si旦ddi旦que承M,齡Go功lay摩M.垂W,K身azi碌mi賣M.S晃.l提oca扣lh伯eat杜tr告ans漁fer環(huán)co伯eff鎖ici叫ent樂sf險or拖for失ced鋸co撲nve決cti工on補con姻den譜sat遼ion承of往in膠av掃ert冠ica猜lt非ube糠in住th楊ep束res丙enc暴eo弊fa衰no望n-c崖ond拘ens松abl礎eg年as淚[J]柳.N唯ucl既ear寶Te喇chn表olo明gy,迷199蘭3(6恥),弱102斜(3)仇:3數(shù)86-慰402平3Ha托san違ein擺H.煙A,抖Kaz皆imi淋M.劈S,G暈ola趕yM雞.W.副Fo球rce稿dc堵onv姻ect丙ion消in路-tu關be嘆ste獵am寬con騙den溜sat史ion萄in娛th祖ep第res澆enc敵eo款fn蘭on-子con哄den糧sab折leg箏ase饑s[策J].旋In限ter壞nat事ion礦al阿Jou絲rna放lo輸fH跑eat怪an付dM羊ass莊Tr夾ans掉fer惕,1碎996牛(9)栽,3勇9(1蛇3):區(qū)26植25-燒263仆9鐘4Jo稍sé德L.M姿.C,憤Se司rgi遷oC飾,J脾osé榆M.C疼,A丘lbe市rto段E.字In典ter觀act賞ion情be摩twe需en負nat叔ura濤lc正onv定ect饒ion很an孔dc園ond皮ens坦ati謹on飛hea傅ttr秀ans柱fer派in影th蘇ep糠ass喜ive刻co搭nta么inm鐵ent巷co瓣oli吼ng蒸con塊den饅ser逝so圣ft箱he阿ESB功WR刷rea訂cto敞r[事J].嚇Ann仰als志of胸Nu澇cle梯ar孩Ene怎rgy政,1投999降(3)鴿,2勢6(4電):錦277界-30襯0爆5Ku南hn歸S.Z劑,S夸chr柔ock頑V.挽E,享Pet太ers行onP漸.F.概An宇in娛ves脆tig壓ati突on監(jiān)of按con畝den誤sat扒ion義fr挺om賀ste志am-鏡gas秒mi逮xtu鏡res接fl惱owi培ng祖dow恭nwa炊rdi到nsi袍de建av吹ert捧ica傲lt榴ube拖[J正].包Nuc英lea華rE嘩ngi元nee編rin卻ga宗nd呢Des室ign少19嘩97(淡12)喉,1磨77(堡1-3禿):5撫3-6騾9蝴6Pa混rk長H.S缸,N慚oH境.C,雙Ba貍ngY碑.S.泡An膀aly閱sis斷of束ex揪per寬ime陶nts泉fo畝ri寶n-t匠ube腎st胡eam斑co杠nde遺nsa敏tio麗ni佳nt恐he執(zhí)pre拴sen惹ce石ofn辟on-賺con叉den叮sab填le疾gas晝es陳at次al丸ow康pre斑ssu名re場usi亦ng蓬the扣RE拐LAP目5/M鉤OD3疲.2概cod諒em巴odi鹽fie哭dwi眉th租an旗on-今ite詳rat讀ive泡co模nde呢nsa聰tio疫nm最ode舒l[明J].塞Nu握cle抓ar圾Eng禽ine幅eri卷ng含and緩De努sig躬n,2客003訊(11污),贏225坐(2-愚3):惱17跳3-1娘90晨7栽羅棣享庵累,悉剪黃良欠璧黑.多著含不凝唯氣梨(饒空厭氣苗)剝的水蒸朱汽在波固紋槽道泊內(nèi)凝結些換熱實詠驗研頁究企[J]裝.怠劈工程熱洞物理學僑報泊,1察992鉤,1冠3(4收):高416崇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