對流凝結換熱

對流凝結換熱現象

當蒸汽與低於其飽和溫度的冷壁面接觸時，就會發生凝結換熱現象，蒸汽釋放出汽化潛熱，凝結成為液體。實驗觀察表明：蒸汽在冷壁面上凝結時，凝結液體以2種形式依附在壁面上，分別稱為膜狀凝結和珠狀凝結。

如果凝結液能很好地潤濕壁面，如圖1-a所示，汽、液分界面對壁面形成的邊角

小，則液體潤濕能力強，它就在壁面上形成一層完整的液膜，液膜在重力作用下沿壁面向下流動，稱為膜狀凝結，這是最常見的凝結形式。膜狀凝結時，蒸汽與壁面間隔著一層液膜，凝結只能在膜的表面進行，汽化潛熱則以導熱和對流方式通過液膜傳遞到壁面，處於層流流動的液膜，流動速度非常緩慢，因此傳熱方式主要依靠導熱。這時，液膜層就成為凝結換熱的主要熱阻。如果凝結液不能很好地潤濕壁面，邊角

較大，如圖1-b所示。此時，凝結液體將在壁面上形成一顆顆的小液珠，稱為珠狀凝結。小液珠在冷壁面上形成，並不斷地發展長大，在非水平的壁面上，受重力作用，液珠長大至一定尺寸時就沿壁面滾下。液珠滾下的過程中，一方面匯合沿程相遇的液珠，合併成為更大的液珠，另一方面它清掃了沿途的壁面，使壁面重新裸露並重複液珠的形成和成長過程。

圖2是珠狀凝結的照片，從中可清楚地看出珠狀凝結時壁面上不同大小液珠的存在情況。

珠狀凝結時，壁面上除液珠覆蓋的部分以外，其餘壁面都裸露於蒸汽中。因此，凝結過程是在蒸汽與液珠表面及蒸汽和裸露的壁面之間進行的。由於液珠的表面積比其所占的壁面面積大很多，而且裸露的壁面上無液膜熱阻，故珠狀凝結具有很高的表面傳熱係數。實驗測量表明，大氣壓下的水蒸氣呈珠狀凝結時，表面傳熱係數可達

，而相比之下，膜狀凝結為

W/(m2·℃），二者相差10餘倍2]。但珠狀凝結很不穩定，儘管採用材料改性處理技術]及加珠狀凝結促進劑等技術措施，仍然難以使壁面上長久維持珠狀凝結條件。因此，所有的冷凝換熱設備都是根據膜狀凝結條件設計的，以使換熱設備在不利條件下仍能滿足預定的換熱要求。

影響膜狀凝結的因素及強化換熱的措施

影響因素

（1）蒸汽速度：努謝爾特層流膜狀凝結理論假定蒸汽速度為0，因此汽一液交界面上不存在粘性應力，所獲得的分析解只適用於蒸汽速度較低的情況。如果蒸汽速度較大，必然在液膜表面產生明顯的粘性應力。假如蒸汽速度垂直向下，粘性應力的作用是把液膜更快地拉向豎直壁面的下方，因此使液膜減薄，從而增大凝結換熱量和表面傳熱係數。如蒸汽向上流動，則趨向於阻止液膜向下流動，使液膜層增厚，減小表面傳熱係數。但如果蒸汽速度很大，則不論是向上或向下流動，都會使得液膜脫離壁面，強化了凝結換熱。

（2）不凝性氣體：蒸汽中即使只含有微量的不凝性氣體，如空氣，也將會對凝結換熱產生極其有害的影響。例如，在一般的冷凝溫差下，當不凝性氣體體積分數為0.2%時，表面傳熱係數將下降20%~30%；體積分數為0.5%時，降低50%；而當體積分數達到1%時，表面傳熱係數將僅達到純淨蒸汽的1/3。不凝性氣體對凝結換熱產生影響的原因是：蒸汽凝結時，把不凝性氣體也帶到了液膜附近，因不能凝結而逐漸聚集在液膜表面，使這裡的不凝性氣體濃度（分壓強）高於離膜面較遠處的濃度，從而增加了蒸汽分子向液膜表面擴散的阻力。同時，由於總壓強保持不變，故膜層表面的蒸汽分壓強低於遠處的蒸汽分壓強，膜表面蒸汽的飽和溫度降低，相應地降低了凝結溫差，使換熱量和表面傳熱係數降低。因此，在冷凝器中有效地排除不凝性氣體是非常重要的。增大蒸汽的流速能夠破壞不凝性氣體在液膜表面的聚集，使不凝性氣體的影響減小。多組分蒸汽凝結時，凝結溫度低的組分也具有不凝性氣體的類似作用。

對流凝結換熱

基本介紹