強化冷凝傳熱

強化冷凝傳熱即冷凝傳熱時增加其傳熱能力。由於冷凝液的熱導率低，因此強化冷凝傳熱的關鍵在於減小冷凝液膜厚度。現已研製出多種可減小液膜厚度的縱槽管和波紋管。這些冷凝管利用液體表面張力的作用，使冷凝液體集中於槽溝底部，而其他表面上的液膜厚度減薄。

此外，蒸氣在管束外冷凝時，要合理布置管束位置，以減少上排管子表面的冷凝液對下排管子冷凝作用的影響，並避免液膜明顯增厚。強化冷凝傳熱的另一途徑是維持滴狀冷凝，為此可在壁面上塗以疏水性塗層，或在蒸氣中噴入少量油性添加物，但都難以得到持久的滴狀冷凝，這有待進一步研究。

基本介紹

• 中文名：強化冷凝傳熱
• 外文名：condensation heat transfer enhancement
• 作用：增強冷凝傳熱能力
• 分類：管外、管內強化
• 實例：EHD技術

冷凝傳熱

冷凝傳熱是指蒸氣與溫度低於其飽和溫度的壁面接觸時，將潛熱傳給壁面而自身冷凝的一種對流傳熱過程。工業上經常見到加熱水蒸氣再冷凝；在很多單元操作（如蒸餾、蒸發和製冷）中也有各種組分蒸氣的冷凝。此外，化工生產中還有組分沸點差較大的混合蒸氣的冷凝，在冷凝的同時還伴有可凝蒸氣向冷凝壁面擴散的現象，故屬於熱質傳遞過程。

冷凝類型

蒸氣在壁面上的冷凝有兩種類型：①膜狀冷凝。當冷凝液能潤濕壁面時，在壁面上形成一層連續的液膜；蒸氣在液膜表面冷凝。冷凝放出的潛熱必須通過這層液膜才能傳給壁面，因此液膜是冷凝傳熱的熱阻所在。②滴狀冷凝。若冷凝液不能潤濕壁面，冷凝液以液滴形態附著在壁面上。當液滴增長到一定尺寸後，沿壁面滾落或滴下，露出無液滴的壁面，供繼續冷凝。滴狀冷凝時的傳熱分係數比膜狀冷凝時大 5～10倍或更多。但在實際設備中，滴狀冷凝不穩定,通常是膜狀冷凝,所以冷凝傳熱設備一般按膜狀冷凝設計。

影響因素

單一飽和蒸氣冷凝時，汽相熱阻（來自氣相邊界層）一般很小，往往忽略不考慮，傳熱係數取決於液膜厚度、液膜流動狀況和冷凝液的物性。凡有利於減薄液膜厚度的因素，都會增強冷凝傳熱。例如冷凝液密度大、粘度小以及液膜流向與蒸氣流向一致等，均能使液膜減薄，從而使傳熱分係數提高；而冷凝溫度差的增大，冷壁表面不光滑，則會使液膜加厚，導致傳熱係數下降。

此外，影響冷凝傳熱的因素還有：①不凝性氣體。當蒸氣中存在不凝性氣體時,即使只有1%，也會導致傳熱係數下降50%以上。蒸氣中通常含有少量不凝氣體，在冷凝過程中不凝性氣體會逐漸積累。因此，冷凝器上須備有不凝氣體的排放口，操作時定期排放，以保持良好的傳熱效果。②蒸氣過熱。當過熱蒸氣與溫度低於飽和溫度的壁面接觸時，壁面上會有凝結液析出，形成一層液膜，液膜表面溫度一般認為近似等於飽和溫度，由於飽和溫度低於過熱蒸汽的主流溫度，因此對主流蒸汽產生冷卻作用，這部分熱交換稱為顯熱交換，可由常規對流換熱關聯式計算對流換熱係數，但顯熱換熱量相對於蒸汽凝結釋放的潛熱量一般很小，所以通常忽略之。過熱蒸汽在流動過程中，一邊降低溫度，一邊發生凝結，直到主流溫度降低到飽和溫度，此時溫度不再變化，從這個位置開始，就是常規的飽和蒸汽冷凝段。

強化傳熱原理

(1)改變冷凝表面的物理性質

通過加滴狀冷凝促進劑，冷凝表面鍍貴金屬(金、銀等)和塗高分子材料，冷凝液在表面張力的作用下使冷凝過程呈滴狀冷凝，加大傳熱係數，從而強化傳熱。

(2)使用低翅片管(或螺紋管等)

使用低翅片管可達到增加傳熱面積和改變冷凝液分布的效果，從而強化冷凝傳熱。

管內強化

在20世紀70年代初期採用的是光滑管，換熱管水平放置，製冷劑蒸汽走管內,管外走空氣，主要用於空調器中製冷劑蒸汽的冷凝。為了強化管外的換熱，一般在管外加翅片。許多研究者對於光滑管內的冷凝換熱的機理進行了廣泛的研究，換熱管直徑在3~以上，製冷劑為純質製冷劑、近共沸混合物製冷劑及非共沸混合物製冷劑。

研究證實，冷凝換熱的強度與流動狀態密切相關，光滑管內的冷凝過程一般可分為環狀流、分層流、波狀流、團狀流和柱狀流，團狀流和柱狀流在冷凝過程的末端出現，不同的流動狀態，冷凝換熱係數的大小不同。而流動狀態是由蒸汽的剪下力和重力的大小決定的，當蒸汽剪下力起主要作用時，流動表現為環狀流，當重力起主要作用時，流動表現為分層流、波狀流和團狀流。

管外強化

對於大型冷水機組的冷凝器一般採用管殼式換熱器，製冷劑走管外，管內走冷卻水。對於管外冷凝強化傳熱技術套用得比較普遍的是二維整體翅片管(低肋管)，肋的橫截面形狀為梯形和矩形。低肋管的傳熱強化的原因在於翅片增大了換熱面積及在翅的側面形成較薄的冷凝液膜。由於液體表面張力的作用，在翅的底部，兩翅之間滯留了較厚的冷凝液，這將使有效換熱面積減小。

為了使聚集在翅底的冷凝液儘快排除，很多研究者對翅間距、翅高、翅厚及等進行了最佳化研究隊，針對不同的製冷劑得到了最佳尺寸。

除了對翅片參數進行最佳化外，還採取一些專門冷凝液排放技術來強化冷凝換熱,如排液板技術、EHD排液技術及排液孔技術。