2-管壳式热交换器第三部分

2)过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝
过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝分为三段，第 一段为单冷却过程，第二段壁面出现冷凝，主流 区尚未达到饱和温度继续冷却，第三段为饱和冷 凝过程。
第一段特征
由于蒸汽的过热部分冷却到饱和状态，所进行为 单相气体冷却换热，热量传递为显热传递，换热 系数比冷凝换热系数要小得多。而过热蒸汽的比 热较小，显热传递的热量不大。如果过热度比较 显著，那么完成这一阶段的换热需要的换热面积 也比较显著。
②由于蒸发器中的液位有相当高度，溶液 密度一般较大．因而引起上层溶液对下 层溶液产生一定的静压，使下层溶液的沸 点比上层溶液的沸点高，但所产生的二次 蒸汽温度却仍与液面所处的压力相对应、 因而在蒸发器内还存在由于静压的作用而 产生的第二种温降—静压温降。
③在多效蒸发中，还要考虑二次蒸汽流到次效的加 热室的过程中，由于管道阻力引起的压降，使次效 加热蒸汽的饱和温度相应降低。此种饱和温度的降 低构成了蒸发器中的第三种温降－流动阻力温降。 总的结果．由于三种温降的存在，使蒸发器内的有 效温差降低，成为：
3)含不凝气蒸汽的冷凝 蒸汽中所含不凝结性气体可能有两个不 同的来源，一是由于外部漏入，二是由 于冷凝物质所固有或夹带。 当蒸汽中含有不凝气时，传热过程实际 上是由蒸汽的冷凝和不凝气的冷却共同 所组成，这一过程叫做冷凝一冷却过程。
• 在冷凝器中，即使所含不凝气很少．随着冷 凝过程的进行，凝结蒸汽不断凝结，不凝气 相对量增加，会造成换热系数大幅度地下降。
(3)采用蒸汽在水平管内冷凝的方式必须十分慎重。
这种情况下的冷凝器往往采用多管程，第一管 程凝结的液体连同未冷凝的蒸汽一起进入下一 管程，因而在同一管程的管束中，管子下半部 往往积聚较多的凝液，而管子上半部往往积聚 较多的蒸汽，从而使管束中的汽液分配难以均 匀，凝液的积存又起了阻碍传热的作用，使其 换热系数比同样条件下的管外冷凝低。

不凝气及蒸汽的总体(主流)与液膜之间的显 热传递，其动力是气膜的温差，则单位传 热面上显热传递的热量可用牛顿公式表示 为：
随着冷凝过程的进行，气膜中的蒸汽分 压力，液膜温度，以及换热系数都在明 显变化，这个总传热量在每个截面不同。 因此需要分为许多段才能完成含不凝气 蒸汽的冷凝器设计。
另外还需要注意： ① 在含有不凝性气体的蒸汽冷凝时，蒸汽流速 对冷凝放热的影响十分显著。 在蒸汽放热一侧．传质系数起着很大的作用。 不凝气愈多，则传质系数所起作用愈大。当 蒸汽流速提高时，传质系数迅速增大，这样 就使换热得到加强。由此可见，当其它条件 不变时，汽气混合物中不凝气愈多，提高流 速就愈是增强换热的有效手段。
但在某些情况下，采用立式冷凝器也具有一定的 优点： ①当冷凝液需要过冷时，如果采用卧式，会使一 部分传热面浸没冷凝液中才能通过自然对流 传热方式实现过冷。而采用立式冷凝时，冷 凝液呈降膜式向下沉动，此时的换热系数较 高，降低了冷凝液过冷所需传热面。 ②在压降允许范围内，使蒸汽在竖管内冷凝时， 流速可以较高，使液膜减薄，不易在设备内 积聚不凝结气体，汽流速度分布均匀。

含不凝气蒸汽的传热被认为是由两部分 组成的；一部分是由于蒸汽冷凝而产生 的潜热传递；另一部分是不凝气及蒸汽 的总体(主流)与液膜之间的显热传递。

蒸汽凝结部分的热量大小决定于蒸汽分子通 过气膜的扩散，它的推动力是蒸汽的分压差 (Pv-Pvi)，压差越大，蒸汽的扩散速度就越大， 传质(冷凝)的量就越多，根据质交换过程与热 交换过程的相似关系．则可将单位传热面上 的潜热传递的热量表示为：


2.7 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点
2.7.1 管壳式冷凝器的工作特点 工质由汽态变为液态的过程叫凝结，当 蒸汽与低于它的饱和温度的流体和壁面接 触时，就会发生凝结并放出潜热。蒸汽在 冷壁凝结并放出潜热，而冷却流体在壁面 的另一侧吸收热量，这就是冷凝器的工作 原理。
按照冷凝方式，凝结换热分珠状凝结和膜状 凝结，一般膜状凝结普遍，冷凝器按膜状凝 结进行设计。 按被冷凝的物质进行分类，冷凝过程又可分 为可凝蒸汽的冷凝和含有不凝气蒸汽的冷凝。 而可凝蒸汽可以是单一成分的纯净蒸汽，也 可能是多种组分的混合蒸气。 因此我们分三种情况讨论冷凝器的设计 1）纯净蒸汽的冷凝 2）含有不凝气蒸汽的冷凝 3）混合蒸汽冷凝
④有些物料有浓缩或稀释热反应，如水和 物的形成与分解，浓度越高越显著。
蒸发器如果有显著的过热或过冷则应该 考虑分段设计，一般这种情况不多见。
对于相变换热，我们主要讨论了由于相变与 单相对流换热不同而引发的换热方面的计算 差异。
而高温高压和低温时管壳式换热器设计问题， 由于同为单相对流换热，换热规律受温度和 压力影响不大，着眼放在换热器耐受温度和 压力引起的应力要求下结构和材质的改变。
• ③由于混合蒸气的冷凝与含不凝气蒸汽 冷凝有相似之处，后冷凝的蒸气也会滞积 在壁面附近形成气膜，在此气膜内同样由 于蒸气分压的变化而存在误差，因而通过 气膜先冷凝的液体温度较高，在往后流动 中也必然要进一步被冷却而放出显热。
2.7.2 管壳式蒸发器的工作特点
• 蒸发器中所进行着的沸腾换热和冷凝换热一样， 均属于强化型换热，液体在沸腾时能吸收大量的 汽化潜热，汽泡在形成和脱离加热面时，在边界 层内产生强烈的扰动，从而达到很高的换热系 数，与单相流体的对流换热系数相比，可提高几 倍乃至二、三十倍。 • 因而在工业上的应用甚为广泛，例如动力、化工 等部门用的蒸汽锅炉、蒸发器、再沸器等高参数、 高热负荷设备。
(2)对饱和蒸汽的冷凝，一般都采取卧式冷凝器。 根据冷凝过程的机理，当冷凝液膜处于层流状态时， 以横管和竖管的管外冷凝相比，在两者的温差及冷凝介质 的物性相同时，采用横管时的换热系数总是高于竖管的换 热系数。 此时若使饱和蒸汽在管外冷凝，不仅换热系数高，而且 压降也少，使易结垢的水在管内流动，可以保持较高的流
速，对传热和防止结垢都很有很有利。
如果管排数很多，采用斜转排列方式，减小后排管子液 膜厚度。
• 对于卧式冷凝器，按转角等边三角形排列时，
板的轴线与水平轴线间比较有利的偏转角，如图 2.10所示，可按下式计算： θ＝30o－arcsin(do/2s) do：管子外径；s：管间距。 目的：减少液膜在换热管上的包角及液膜厚度
实验表明，蒸汽中即使只有1％体积的空气， 也会使换热系数降低60％。因此，工业上应 用的冷凝器，一般都应设置气体排出机构。 例如，在正压下工作的冷凝器，在适当部位 装置排气阀．在负压下工作的汽轮机冷凝器， 则设置射汽抽气器。
总压不变，在壁面液膜外，由于蒸汽凝结， 不凝气的分子积聚形成一层气模，在此处不 凝气的分压力升高，蒸汽分压下降。 在液膜外面的这层气膜使蒸汽必须借助扩散 使蒸汽分子通过气膜而达到液膜冷凝。这层 气膜构成了冷凝过程的主要热阻，使换热系 数大为降低。 此外．由于这层气膜中蒸汽分压Pvi低，冷 凝温度也将由与Pv相对应的饱和温度tv降低 到与气液膜分界面上Pvi相对应的ti，其结果 是使冷凝温差减小，降低了冷凝强度。
② 当不凝气的相对含量高时，则不凝气的含量 对换热热的影响是主要的。 当汽气混合物在管束中冷凝时，由于蒸汽的 不断冷凝，容积流量不断降低，流通截面又 改变很小，因而在冷凝器的后半部分流速猛 烈下降，且不凝气相对含量达到相当高的程 度。这就使得传质系数迅速下降、使换热强 度显著地减小。
4)混合蒸气的冷凝
第二章 管壳式热交换器
管壳式冷凝器与蒸发器

在上一部分我们学习了一台常温常压单相对流 热管壳式换热器的设计。 在接下来的部分，将考察存在相变换热、以及 高温高压或是低温换热情况下，管壳式换热器 的设计有哪些不同之处，或者说应该特别注意 的问题。 对于相变换热主要考察传热机理不同带来的设 计改变；对于高温、高压或是低温换热情况， 主要考察换热器耐受高温高压及低温时所作的 结构、材料等的改变。
• 它由加热室及分
离室组成，由于 中心循环管的直 径比加热管的直 径大得多。使中 心循环管内溶液 的密度大于周围 加热管内强烈沸 腾着的溶液的密 度，从而产生了 自然循环。
• 蒸发器内加热的蒸汽称为一次蒸汽，溶液受热蒸发 发而产生的蒸汽称为二次蒸汽。 • 为使那些需要蒸发大量水分的场合减少加热蒸汽 耗量，可采用多效蒸发(或称多级蒸发)的方法，其 特点是将每一效蒸发器中所产生的二次蒸汽用作 下一效的加热蒸汽，如此则在下一效又产生了新 的二次蒸汽，既使溶液浓度得到提高，又节省了 加热蒸汽量。一般限于2—3效，也有4—6效的。 • 工作压力及温度逐级降低。
第二阶段和第三阶段出现了凝结液，主要换 热方式为凝结热，主要是潜热传热方式，换 热系数比较大。
由于换热方式不同，对过热蒸汽的冷却过程 和冷凝过程应该分段计算。第一段为一阶段， 第二三段为另一阶段。方法：设计一个换热 器，此换热器的面积应该是两部分相加。一 部分是完成第一阶段需要的换热面积，计算 单相对流换热，另一部分是完成第二三阶段 换热所需要的换热面积。这两部分采用的换 也有一些设备中，沸腾换热反而构 成了传热过程的主要热阻。 如低沸点流体沸腾，沸腾侧换热系数将 低于加热液体侧换热系数。比如氟利昂 沸腾换热系数比水侧冷凝小。在这些情 况下，也就有必要对沸腾换热过程的强 化给以充分的注意。
举例： • 在各种工业企业生产过程中，常需将溶有 固体物质的水溶液加以浓缩。 • 其主要方法是用蒸发器将稀溶液加热至沸 腾，使其中部分水蒸发而使溶液的浓度得 到提高。 • 图2.52所示的是一种在水溶液蒸发过程中 使用比较普遍的中心循环管式蒸发器。
工业上还会遇到由两种以上可凝性蒸气混合而 成的混合蒸气的冷凝。在冷凝过程中，一定温度 下，各种成分以不同的比例冷凝；在另—温度下 又是另一个比例冷凝，亦即它们的冷凝量随着温 度的不同而改变，这是一个显著的特点。 混合蒸气冷凝还与它的各成分在液态时能否互 溶有关。
• 混合蒸气冷凝过程可归结为以下几方面的特点 • ①混合蒸气冷凝时，冷凝温度不断下降，因而是 一个非等温的冷凝过程。同时，由于各组分的冷 凝潜热不同，温度的变化和所放出的热量一般不 成比例。因而在温度变化范围大时，应该分段计 算平均温差； • ②在冷凝过程中气体和液体的组成也在不断改 变，因而物性和换热系数均沿程不断交化．由 此，当进口、出口温度变化范围大时，也需要分 段计算流体的平均温度，并求出相应的物性和换 热系数。