不凝结气体水平管外凝结传热

不凝结气体水平管外凝结传热分析摘要：本文阐述了不凝结气体对凝结换热的影响机理，回顾了不凝结气体-蒸汽混合物凝结换热的计算方法，包括：基于边界层理论的数值方法，Peterson质扩散模型以及关联式法。本文采用双膜理论，结合迭代法求气液分界面气体浓度的方法，分别计算水蒸汽-空气，制冷剂-空气混合物在水平管外凝结传热的换热系数。计算结果与文献已有的试验数据对比表明：双膜计算方法可用于不凝结气体浓度10%以下的水平管外层流膜状凝结问题的设计计算，精度约在15%。此法可用于已知换热管壁面温度条件下的水平管外不凝结气体与蒸汽混合物的凝结换热系数计算。关键字：不凝结气体凝结换热关联式0引言Othmer最早发现[1-2]，蒸汽中含有少量不可凝性气体，会对凝结传热产生负面影响，其计算有如下特点：(1)由于蒸汽潜热的存在，热负荷与温度的关系为非线性关系，因此不能像单相气体冷却那样计算传热速率。(2)随着冷凝的进行，蒸汽的露点在不断变化，因此又不能采用努谢尔特公式计算。(3)在混合气体管外膜态凝结中，不凝结气体富集在气-液表面形成了一个扩散层，气体扩散层存在的气体浓差推动蒸汽向界面扩散凝结。因此，既有显热传递过程、又有蒸汽扩散、冷凝传热过程。(4)凝液流向竖直向下，而在扩散层中同时存在对流和扩散作用。由于气-液相界面处于动态平衡中，不断有凝结液体产生，这种凝结对气液界面有一种“抽吸”作用。(5)气-液界面的粘性力使气体扩散层有下沉趋势。当不凝结气体分子量小于凝结蒸汽分子量时，扩散层向上发展；反之，则向下发展。不凝结气体存在时，换热系数计算有三种方法：(1)基于边界层理论的数值方法。研究者通常对流边界层的动量、能量积分方程，然后通过有限差分法等数值方法求解。(2)基于Peterson扩散层模型的分析方法，然后采用传热传质类比方法以及迭代计算等方法求解。(3)关联式法，包括系数法、迭代关联法、非迭代关联法。迭代模型往往需要通过迭代方法求界面的温度、浓度、压力等参数。而非迭代模型避开求气液界面参数。各类关联式列表如下：表1不凝结气体-蒸汽混合物凝结传热关联式灌文献狭关联式及适用访范围际[1]甘。式中：毕为含不凝结气伍体的蒸汽混合海物的运动粘度妙；巡是不凝结气体燕的摩尔分数；姑是不凝结气体浸在可凝蒸汽中妥的互扩散系数磨。适杨于丢0需～越40姨%辆。残[2-3]流式中：润[4]络，式中脑表示不凝结气狗体质量分量。闯适于蒸氏汽音-爆不凝结气体管浆内的凝结传热灵。态[5]汗。式中：尝，亮，津，珠表示界面剪力丘及表面波动对按凝液液膜换热程的影响，正表示界面剪力毅对液膜厚度的首减小效果，抓是凝液流量的擦函数。味是不凝结气体东质量含量的函柔数。适于蒸兽汽虏-桶空气管内凝结冒传热。历[6]颠，式中鉴,旷为无因次准数绒。适于低压水正蒸下汽搬-恼空气管内凝结测传热。谢[7]峡，适于水蒸织汽垦-猾空村气勒4亚5串度斜波纹槽道叫管内冷凝传热惑，号，空气质量含印量耗；摆，适于垂直波条纹槽道管内冷题凝传热，纷，空气质量含距量转。以上试验数据的经验关联式对解决条件类似的问题简捷有效。但是，试验数据均为管内水蒸汽-空气/氦气混合物凝结换热的经验公式，而针对管外凝结换热的研究很少。本文应用Peterson的双膜模型解决不凝结气体存在时管外层流膜状凝结传热问题。1双膜模型图1管外膜状凝结示意图及热阻分析图2混合气体温度、压力及浓度分布不凝结气体与蒸汽混合物管外凝结现象及双膜模型的热阻分析示如图1。图1混合气体温度、压力及浓度分布出自文献。蒸汽-不凝结气体边界层传热、传质基础：气相主体向管壁的传热，既有显热的传递，又有潜热的传递，两者之和为总的传热量。显热传递可用气体传热膜系数计算。潜热传递的计算比较复杂。当蒸汽扩散至换热管壁，若管壁温度低于蒸汽露点，则蒸汽在管壁冷凝形成液膜。气相主体的蒸汽分压与液膜温度对应的饱和蒸汽压之差即为传质推动力。蒸汽在冷凝液膜上冷凝，放出潜热。显热与潜热再通过液膜、管壁、冷流体液膜传至冷流体。气流边界层传热包括显热传热、蒸汽凝结潜热传热。因此能量方程可写为：(1)这一热量等于凝液液膜与壁面的传热量。即：(2)联立式(1)、式(2)可得：(3)式中：是凝液流量，是从气相到液膜的显热传热换热系数，是凝结传热换热系数。它由下式求得：(4)锣由绑式杯(3槽)镇可得：(5)观所以，总体换御热系数辟：(6)秆水平横管外层押流时的膜状凝沉结平均换热系幸数按努谢尔特亿理论计算式。(7)(8)轰式中，睡，誓分别表示有不佣凝结气体存在斑时和没有不凝贞结气体存在时仔的经过凝液液涌膜层的传递热歇量的换热系数撞。表示由于不迅凝结气体对凝谱液的波动效果匙而导致换热系布数增加六。构McAdam野s艰建议留值翁为国1.28谁[8]腥。对雷诺数小愈于上180性0船的层流膜状凝霉结传热，其与惨试验值符合较叶好。显热按横肌掠圆管对流换抽热公式计算：(9)旅式中，句是混合气体雷进诺数。潜热按扶下式计算经[9]拳：(10)屑式中：修分别表示不凝鱼结气体在气液删界面、主体的财质量浓度。考观虑到气液界面谁处两相平衡及办道尔顿分压定古律，不凝结气杠体在界面处的性质量浓度带、温度骆有如下关系：(11)拖式中：习分别是总压强雕、气液界面蒸淘汽压力。烟分别是蒸汽、真不凝结气体摩禁尔质量。实际丛上，显热传热寿换热系数声远比凝结传热扬换热系数姓小，可以忽略借，只需求抄即可。二者关删系如下：(12)唯而求快需要求出气液徒界面温度适，求梅需要求出界面氧温度抖以及浓度居。因此，可采访用以下迭代方崇法求解。南2巡傻计算结果与分地析仆取气液界面温他度初始为钞，按式求斑，分别求出输，计算辆。若二者满足屋下式，停止迭腥代计算，否则擦界面温度增叼加上0.1历K压，重复计算党，直至二者满连足误差公式。替计算框图如侧图雾3割：(13)队图选3顷计算框图饭随着不凝结气甜体浓度的增加天，凝结传热系离数降低。当不三凝结气体浓度构较小时，热阻于主要在凝液液偿膜层；当不凝幸结气体浓度继原续增加，混合植气体边界层的膨热阻增加，并愈逐渐超过凝液杀液膜层的热阻肆。前不凝结气体浓祸度增加，凝结紫换热系数随之吓减小。当浓度偷减小还到枪1.5忙%堆左右，换热系守数的降低趋缓建。这一趋势对望制冷剂及水蒸激汽同样存在。3结论世本文采用双膜检理论，结合管县外气体边界层预凝结传热关联此式，分析研究秒了蒸懂汽竿-蜓空气或制冷惰剂翼-湖空气在水平管众外凝结传热。疑结论如下：对蚀不凝结气体浓鄙度小毯于伍10倍%味的混合气体管剑外层流膜状凝卸结，双膜理论伟计算精度约继在嘉±15腥%料。误差分析示兄如沟图常6宣。因此，当壁集面温度已知时位，可应用双膜跪理论，采用迭巡代法求凝液与女气液界面处不落凝结气体浓度德，从而计算出蓬水平管外不凝疏结气体与蒸汽互混合物凝结传扭热系数。参考文献组1晚尾花英冻朗很(叠日舌).辆报热交换器设计验手偿册手-党上加册束[M].粪逐北帐京溪:燃烧石油工业出版唉社昨,1981它:381趟2Siddi董queM,爪Golay育M.W,K赏azimi军M.S.l松ocalh施eattr城ansfer希coeff完icient葛sfor绵forced来conve蛾ction虑conden卧sation枪ofin伶avert醒icalt羡ubein狮thep卫resenc错eofa育non-c询ondens威ableg奏as[J]杨.Nucl惭earTe丢chnolo矛gy,199掌3(6),慎102(3)晨:386-就402泰3Hasan来einH.溉A,Kaz三imiM.爱S,Gola肚yM.W.处Force银dconv纯ection像in-tu蛮beste己amcon至densat面ionin横thep滑resenc图eofn寨on-con县densab旗legase幸s[J].军Inter戒nation跌alJou担rnalo俱fHeat列andM球assTr干ansfer甲,1996持(9),3灰9(13):礼2625-旧2639它4José什L.M.C,式Sergi古oC,J换oséM.C爱,Albe慰rtoE.僵Inter担action蹦betwe碌ennat荷uralc沉onvect搁ionan眉dcond驳ensati白onhea漫ttrans咱ferin阔thep扶assive少conta鼓inment增cooli单ngcon异denser听soft丑heESB香WRrea柿ctor[劣J].Ann闪alsof奸Nucle致arEne作rgy,1滤999(3)地,26(4碍):277惨-300策5Kuhn羡S.Z,S范chrock倍V.E,躬Peters付onP.F.洪Anin毕vestig则ation束ofcon倡densat忍ionfr钥omste斩am-gas筝mixtu握resfl筒owing由downwa泽rdinsi途deav毅ertica揉ltube抵[J].桶Nuclea亭rEngi孔neerin普gand茎Design怠1997(嚷12),1帖77(1-3惊):53-6还9辣6Park菜H.S,N章oH.C,洽BangY期.S.An途alysis慨ofex来perime歇ntsfo艘rin-t林ubest浮eamco牛ndensa箱tioni重nthe败presen慈ceofn毒on-con粗densab赔legas房esat隔alow亚pressu西reusi膏ngthe倘RELAP菠5/MOD3陈.2cod识emodi绵fiedwi冠than柔on-ite松rative虏conde抢nsatio语nmode稠l[J].搂Nucle梨arEng盘ineeri衡ngand洽Desig赛n,2003刑(11),业225(2-融3):17膊3-190心7微罗棣获庵扭,推武黄良兵璧欠.疫路含不凝冻气避(负空母气丛)镰的水蒸汽在波播纹槽道内凝结仁换热实验研纵究扛[J].姜内工程热物理学幕报归,1992浊,13(4寻):416殖-419辩8Hasan薯einH.侮A,Kaz纯imiM.狱S,Gola冒yM.W.预Force站dconv攻ection悔in-tu促beste畜amcon扇densat考ionin辜thep颠resenc肥eofn秘on-con象densab窗legase劈s[J].择Inter手nation典alJou进rnalo特fHeat脂andM聚assTr珍ansfer庙,1996废(9),3谦9(13):扑2625-2残639.确9Rose摧J.W.A软pproxi功mateEq蒙uation溪sfor外forced竹conve辰ction喷conden交sation粘inth欧epres屈enceo喘fanon歉-conde议nsing缺gason溉afla甘tand哥horizo房ntalt叶ube[J许].Int慨ernati酸onalJ斯ournal泰ofHea缸tand决MassT盈ransfe陡r,198部0(4),轻23(4):六539-5