如何优化氟利昂蒸气的凝结换热过程？

当饱和蒸气与低于饱和温度的壁面相接触时，它就凝结成液体，并且附着在壁面上。根据冷凝液体是否能够湿润冷却壁面，可以得到两种不同形式的冷凝液状态。

如果能够湿润，它就在壁面上形成一层液膜，并受重力作用而向下流动，称为膜状凝结。此时，壁面上总是覆盖着一层液膜，蒸气凝结时放出的潜热必须经过液膜才能传到冷壁面。水蒸气的膜状凝结换热系数，通常为4600～11000W/（m2·K）。

当冷凝液体不能湿润冷却壁面时，它就在冷表面上形成小液滴，饱和蒸气在这些液滴上凝结，使液滴形成半径越来越大的液珠。当液珠的重力大于其对壁面的附着力时，液珠便脱离凝结核心而沿壁面滚下。这些滚下的液珠冲掉了沿途所有的液滴，于是蒸气又在这些裸露的冷壁面上重新在凝结核心处形成小液滴，这称之为珠状凝结。

由于珠状凝结存在着裸露的表面，所以其热阻大为减小，使换热系数比膜状凝结时大10多倍。工程上的冷凝壁面（多为钢管或铜管）对于水蒸气、R22蒸气都是润湿表面。要使壁面上形成珠状凝结并长久地保持，目前还比较困难，一种方法是将壁面进行改性处理，使之成为非湿润表面。鉴于实际工程应用上都只能实现膜状凝结，所以本节只讨论膜状凝结，并给出计算换热系数的公式。

一、竖壁上的膜状凝结

图16-8为竖壁上的蒸气凝结液膜示意图。蒸气在膜状凝结时，传递给壁面的热量都必须通过冷凝液膜。液膜自上而下的运动情况，类似于流体流过平壁时所形成的速度边界层。竖壁各处的局部换热系数，与液膜导热系数λ和热边界层厚度δx的关系，可由通过液膜的平壁导热公式和牛顿冷却公式得出αx＝λ/δx。这表明液膜越厚，αx越小。液膜内的温度分布为线性。

根据各种蒸气凝结时的大量换热实验，可得出求竖壁平均换热系数α的准则方程为

式中，Ga＝gH3/υ2为伽利略准则，H为竖壁高，单位为m；K＝r/[cp（ts－t W）]为冷凝准则，r为比汽化潜热，以ps（或ts）查附表3 （或2）得r；角标m表示定性温度，取蒸气饱和温度ts与壁温t W的平均值。

图16-8 竖壁上的蒸气凝结液膜

式（16-28）适用于（Ga·Pr·K）＜1015。

将式（16-28）中各准则代入其所包括的物理量，得出求竖壁的平均换热系数公式为

二、水平单管上的膜状凝结

对于水平单管，可以把它的表面看为由不同倾斜角的无数微小斜壁所组成。由实验所得的准则方程经整理后可得求平均换热系数的公式为

式中，d为管子外径，单位为m。

三、水平管束的膜状凝结

由于上一排的凝结液流至下一排水平管上会使液膜增厚，使换热系数降低，因此，顺排或叉排的几排管束的平均换热系数值，可按水平单管的换热系数α乘上一个排数修正系数εn来计算，即(www.xing528.com)

εn值可由图16-9曲线查得。

图16-9 计算顺排和叉排管束平均凝结换热系数αn的修正系数εn值

四、影响凝结换热的主要因素

影响凝结换热的主要因素是蒸气流速和蒸气中不凝结气体的含量。

1.蒸气流速的影响

上述计算公式是在蒸气流速较小即流速低于10 m/s时所得。当蒸气流速大于10m/s时，若流速方向与液膜下流方向一致，则液膜变薄，换热系数α增大；若蒸气流速与液膜下流方向相反，则液膜增厚，α减小。若蒸气流动速度很大，以致将液膜吹离壁面，则α显著增大。

图16-10 气中含有空气时液膜蒸附近温度场和压力场的示意图

2.蒸气中含有不凝结气体的影响

如蒸气中含有空气或其他不凝结气体，换热系数就会显著下降。不含空气的纯净蒸气在凝结过程中的α值只决定于凝结液膜的导热热阻。当蒸气中含有空气时，由于空气不能凝结，因此越接近凝结液膜，空气的分压力pa越大。由于总压力p0不变，故蒸气的分压力pv越小。紧贴液膜处的蒸气分压力要比进入冷凝器的蒸气压力小得多，相对应的饱和温度ts也要低。温差ts－t W的减小影响到对流热流密度q。在计算时把这一因素归结到换热系数上，致使换热系数α因蒸气中含有不凝结气体而显著下降。图16-10示出冷凝器中蒸气分压力、空气分压力和蒸气饱和温度变化情况。可见，集聚在液膜附近的不凝结气体阻碍蒸气分子向液膜运动，宏观上的反映就是换热系数α下降。在氟利昂制冷装置中，一旦氟利昂中混入空气，这些不凝结的空气就会聚集在冷凝器管壁附近而严重影响氟利昂蒸气的凝结换热，致使冷凝器压力过高。因此，必须将聚集在冷凝器中的空气放掉，以改善凝结换热过程，使冷凝压力恢复正常。

例16-3 某R22制冷装置的冷凝器传热面积A＝18m2，冷凝管外径d＝13mm，冷凝压力所对应的饱和温度ts＝35℃，管壁温度t W＝25℃，求凝结换热系数α和冷凝器对流换热量Q各为多少。

解制冷剂R22的液膜温度为tm＝（35＋25）/2＝30℃。

由附表20查得30℃时的R22饱和液体物性参数为

对应于ts＝35℃的R22的比潜热可由附表5查得

将题中所给的条件及上列查得的物性参数代入式（16-30）得

说明 以上求得的α仅是水平管束中的第一排管的α值，严格说来不应将此值作为管束的平均值，应以式（16-31）加以修正。