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对流凝结

/convective condensation/
最后更新 2023-03-14
浏览 127
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流动的蒸气同低于其饱和温度的冷壁面接触时凝结为液体的物理现象。

英文名称
convective condensation
所属学科
工程热物理及动力工程

对流凝结属于凝结现象的一类,其主要特征是蒸气呈流动状态,与冷壁面存在宏观运动。另一类凝结现象是静止凝结或池凝结现象,其特征是蒸气与冷壁面无宏观运动。对流凝结一般指纯物质蒸气凝结。此外还有共沸混合物质蒸气凝结、非共沸混合工质凝结和含不凝气体凝结,这些凝结现象属于缓和气体凝结。

纯物质蒸气指由同种化学物质(或分子)组成的一类物质的蒸气,分为单质与化合物两类,例如氮气属于纯物质蒸气,水蒸气、氨蒸气等属于化合物蒸气。

共沸混合物质蒸气是指两种或多种不同成分的均相溶液的蒸气。共沸混合物质溶液在一定比例混合时,在固定的压力下,仅具有一个沸点,达到其共沸点时,其沸腾所产生的气体部分之成分比例与液体部分完全相同。

共沸混合物质蒸气凝结可按照纯物质蒸气凝结处理。

蒸气流动速度通常不可忽略,蒸气流动对在固体壁面形成的凝结液膜或液滴有剪切作用。对于膜状凝结,对于水平壁面,蒸气流动在气液相变的分界面产生剪切力,对液膜起到剪切和扰动作用,强化对流传热并加速水平壁面上凝结液的排除。对于竖直壁面,根据蒸气流动方向与重力作用方向的不同,蒸气的流动可能起到剪薄或增厚液膜的作用,从而影响凝结换热;当蒸气竖直向下流动时,蒸气对液膜的剪切力方向与液膜所受的重力方向相一致,加速竖直壁面上凝结液的排除,剪薄液膜厚度,有利于强化凝结换热;蒸气竖直向上流动对液膜的剪切作用与液膜受到的重力方向相反,容易造成固体表面或通道中凝结液的积聚,不利于凝结液的排除,使液膜的厚度增加,凝结传热热阻增加,不利于凝结换热。对于滴状凝结,在水平壁面,蒸气的流动克服壁面附着力,附着在壁面的液滴在壁面滑动或从壁面脱离。在剪切流场的作用下,液滴在壁面出现滚动现象,或从壁面脱离悬浮于主流中,随主流流体共同运动,液滴同时受到表面张力的作用会产生形变或产生破裂现象,刷新了壁面,起到增强传热的作用。对于竖直壁面,蒸气竖直向下流动,对液滴的剪切力方向与液滴所受的重力方向一致,有利于液滴的脱落,减小了凝结液滴的脱落直径,提高了过冷壁面的刷新频率,有利于强化凝结换热性能。蒸气竖直向上流动时,蒸气对液滴的剪切作用与液滴所受的重力方向相反,蒸气剪切力的存在阻碍了液滴的脱落行为,增大了液滴脱落的直径,降低了过冷壁面的刷新频率,造成凝结液的积聚,甚至出现壁面淹没的现象,不利于蒸气的凝结换热。

对流凝结包括大空间对流凝结和通道内对流凝结。大空间对流凝结中蒸气流速不改变,液膜在冷壁面上流动增长,不存在流型的演变。大空间的对流凝结的竖直平壁层状膜状凝结可以按照忽略蒸气流速的诺谢尔特凝结理论计算,只考虑液膜热阻,忽略其他影响因素。竖直圆管和水平圆管外的层状膜状凝结可以参照竖直平壁层状膜状凝结理论计算。

膜状凝结分为层流液膜凝结和湍流液膜凝结,液膜雷诺数按照液膜流动参数和特征尺寸定义。液膜雷诺数小于1600的膜状凝结称为层流膜状凝结,液膜雷诺数大于1600的膜状凝结称为湍流膜状凝结。湍流膜状凝结的传热在层流底层依靠导热传递热量,在液膜其他区域依靠湍流传递热量,湍流膜状凝结传热远高于层流膜状凝结。

通道内对流凝结的蒸气受壁面制约,在流动方向上蒸气的质量流速随凝结的发生逐步降低,存在流型的演变。沿液膜增长方向,通道内对流凝结的流型有环状流、分层流、间歇流、波状流、塞状流和弥散流。

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