第2章传热107 3.7大空间自然对流传热 大空间自然对流传热是指在热表面或冷表面和四周没有其他阻碍自然对流的 物体存在，例如管道或换热设备的表面与周围大气之间的对流传热就属于这种情 况。此种情况时的对流传热系数准数关联式为 Nu=C (GrPr)" (2-34) 式中常数C,n的值列于表2-9中。 定性温度：壁面温度与流体平均温度的算术平均值。 表2-9式(2-34)中的C,n值 加热表面形状 定性尺寸 (GrP)范围 n 104~109 0.53 4 水平圆管 外径d。 109一1012 0.13 3 104-109 0.59 垂直壁面 4 高度L 109-1012 0.1 [例2-6] 水平放置的蒸汽管道，外径为100mm。若管外壁温度为100℃， 周围大气温度为20℃，试求每米管道通过自然对流的散热量。 解：该问题为大空间自然对流传热，其α可用式(2-34)计算。 a=c(d)(GrPr) 定性温度=(20十100)=60℃，该温度及101.3kPa下空气的物性由附录查 2 得： μ=2.01×10-5Pas;A=2.896×10-2W/(mK);p=1.06kg/m3 Px=0.696
108食品工程原理 A=÷=273+60=3.003×103(0) Gr=g△Td8o2/u2= 3.0w3x103X920190839x01X1.0G=6.55×10 GrPr=6.55×106×0.696=4.56×106 查表2-7，得C=0.53,n=},则 。=0.53(0.02896)(4.56×10)14=7.09[w/(m2.K] 0.1 Q=aS△T=a(πd。L)△T 效 是=7.09×元×0.1×(100-20)=178(wm) 3.8蒸汽冷凝放热 3.8.1冷凝传热过程分析 当饱和蒸汽与低于其温度的冷壁面相接触时，蒸汽将放出潜热，在壁面上凝 结成液体。蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。膜状冷凝是指冷凝液能够 润湿冷壁面，在壁面上形成一层液膜。滴状冷凝是指冷凝液不能够润湿冷壁面， 而在壁面上形成液滴。 膜状冷凝时，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面进行，即蒸汽冷凝放出的潜热必 须通过液膜后才能传给冷壁面。由于蒸汽冷凝时有相的变化，热阻很小，因此这 层液膜就成了冷凝过程的主要热阻。冷凝液膜在重力作用下会沿壁面向下流动， 所形成的液膜愈向下愈厚，所以壁面愈高或水平放置的管径愈大，整个壁面的平 均对流传热系数就愈小。 滴状冷凝时，冷壁面有一部分面积暴露在蒸汽中，蒸汽可以直接在壁面冷 凝。由于这部分没有液膜热阻，因此滴状冷凝传热系数比膜状冷凝的高。但是暴 露在蒸汽中的壁面经过一段时间后，一般又变成可润湿表面，很难持久保持滴状 冷凝的工作条件，所以工业冷凝器的设计都按膜状冷凝处理。 以下讨论单组分饱和蒸汽的膜状冷凝
第2章传热109 3.8.2膜状冷凝传热系数的关联式 (1)蒸汽在垂直壁面上的冷凝当冷凝液膜流动为层流(R<1800) 时 。11528器 (2-35) 当冷凝液膜流动为湍流(Re>1800)时 a=0.077）o (2-36) 式中：L为垂直壁面的高度，m;μ为冷凝液的粘度，Pas；p为冷凝液的密 度，kgm3；入为冷凝液的热导率，W/(m·K)；r为蒸汽的冷凝潜热，Jkg; △T为蒸汽的饱和温度与冷壁面温度之差，K(或℃)。其中Re=4M,M为 单位长度润湿周边上冷凝液的质量流量。 定性温度：除冷凝潜热？取蒸汽饱和温度外，其余取蒸汽饱和温度与壁面 温度的算术平均值。 定性尺寸：垂直壁面的高度。 (2)蒸汽在水平管外冷凝 。=0.ns8r] (2-37) 式中：N为管束在同一垂直面上的管子数，对单根管，N=1；d。为管子外径，m。 其余各项均与式(2-35)相同。 [例2-7]100℃的饱和水蒸气在外径为0.05m、长度为2m的单根垂直 圆管外冷凝，管外壁温度为80℃。试求单位时间的蒸汽冷凝量。如果管子改为 水平放置，问蒸汽冷凝量为多少？ 解：蒸汽的冷凝潜热取100℃下的值，由附录查得：r=2258.4kJkg 定性温度=100+802=90（℃），△T=100-80=20(℃) 由附录查得90℃下水的物性为 入=0.6804W/(mK),p=965.3kgm3,u=31.65×10-5Pas
110食品工程原理 (1)单根垂直圆管外冷凝先假设为层流，则选用式(2-35)。 =1.13(2) 1.13(9.81×2258.4X103×965:32×0.6804)14 31.65×10-5×2×20 5380[w/(m2K)] 由牛顿冷却定律，得 Q=aS△T=5380×π×0.05×2×20=3.380×104(W) 蒸汽冷凝量为 w.=9-223806=0.0150(ke/ 校核流型： M=0.015 π×0.05=0.0955[kg/(ms)] Re-4H-053=1207<180(层流) 假设正确。 (2)单根水平管外冷凝以av和αH分别表示管垂直和水平放置时的冷凝 传热系数，用式(2-37)除以式(2-35)，并注意到N=1,得 思-()-（器）()1.61 11/4 故 aH=1.61av=1.61×5380=8662[W/(m2.K)] 3.8.3影响冷凝传热的因素及冷凝过程的强化 前已述及，单一组分饱和蒸汽冷凝时，热阻集中在冷凝液膜内，对一定的组 分，液膜厚度及流动状况是影响冷凝传热的关键。凡是影响液膜状况的因素都会 影响冷凝传热。 (1)流体的物性及液膜两侧的温差冷凝液的密度越大，粘度越小，则液膜 的厚度越小，因而冷凝传热系数越大。热导率大也有利于传热。冷凝潜热大，则 在同样的热流量下冷凝液少，液膜就薄，故α就大。当液膜呈层流流动时，液
第2章传热111 膜两侧的温差加大，则蒸汽冷凝速率增加，因而液膜增厚，使得α下降。 (2)蒸汽流速及流向蒸汽流速对冷凝传热影响很大，前面介绍的计算式只 适用于蒸汽静止或流速很小的情况。当蒸汽流速较大时，蒸汽与液膜之间的摩擦 力不能忽略。若蒸汽和液膜流动方向相同，摩擦力的作用将使液膜减薄，并促使 液膜产生一定的波动，因而使α增大。若两者逆向流动，则α减小。但是当这 种力的作用超过重力时，液膜会被蒸汽吹离壁面，而使α急剧增大。蒸汽流速 对α的影响与其压强有关，随着压强的增大，影响加剧。 (3)不凝气体的影响若蒸汽中含有空气等不凝气体，当蒸汽冷凝时，它们 会在液膜表面形成一层富集的气膜层。这样，可凝蒸汽在抵达液膜表面进行冷凝 之前，必须以扩散方式通过这层气膜。扩散过程的阻力引起蒸汽分压和相应的饱 和温度下降，使液膜表面的温度低于蒸汽主体温度。这相当于附加一额外热阻， 使蒸汽冷凝传热系数大大降低。 为了降低不凝气的不良影响，在冷凝器的设计中要设有不凝气排气口，在操 作过程中要定期排放不凝气。 (4)蒸汽过热的影响蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度为过热蒸汽。过 热蒸汽与低于蒸汽饱和温度的冷壁面相接触时的传热由两个串联环节组成，即过 热的消除和蒸汽的冷凝。在壁面附近，过热蒸汽首先在汽相下冷却到饱和温度， 然后在液膜表面继续冷凝，在汽、液界面处的温度仍为饱和温度。因此，对于液 膜传热，其温差与蒸汽不过热时相同。实验表明，蒸汽过热对冷凝传热系数的影 响很小，可以忽略不计。通常可把过热蒸汽按饱和蒸汽处理，前面给出的α计 算式仍然适用。 (5)冷凝传热过程的强化如上所述， 单一组分蒸汽的膜状冷凝，传热热阻集中于 液膜内，因而设法减小液膜厚度是强化冷凝 传热的主要途径。 减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁 的高度、布置方式及结构上人手。对于水平 (a) (b) 放置的列管式冷凝器，应减少垂直方向上的 (a)正排列(b)斜转排列 管子数，或采用斜转排列方式，使冷凝液尽 图2-8冷凝器中管子的排列 量沿各排管子的切向流过（图2-8）。此外， 还可安装除去冷凝液的挡板；对于垂直放置的壁面，可开若干条纵向凹槽，使冷 凝液沿凹槽流下，以减薄壁面上的液膜厚度。还可以在壁面上沿纵向安装金属丝 或直翅片，使冷凝液在表面张力作用下，流向金属丝或翅片附近集中，形成一股