618 水蒸气-空气混合物在竖板表面冷凝换热计算

背景

在膜蒸馏浓缩吸湿溶液型热敏物料低能耗干燥装置中，预热器内水蒸气-空气混合物冷凝放热来加热流经预热器的吸湿溶液，预热器设计需要掌握水蒸气-空气混合物的冷凝换热系数。

预热器中水蒸气-空气混合物的特点有三方面，一是刚进入预热器的混合物中水蒸气可能为过热蒸气；二是开始冷凝时混合物中水蒸气含量可能很高，质量分数可能80%以上；三是冷凝结束时混合物中水蒸气含量可能低于10%。

预热器中换热元件可能为管或平板，此篇介绍饱和水蒸气-空气混合物流过竖板时的换热系数计算。

特性

水蒸气-空气混合物中的空气属不凝气体，混合物的冷凝与纯水蒸气冷凝有很大不同，主要是水蒸气到达冷凝表面比纯水蒸气时需要多穿过一个气膜层（选自葛剑英，蒸汽及含不凝气体蒸汽在竖直及倾斜管内凝结传热的数值模拟[D]，内蒙古科技大学，2020）。

水蒸气内含有不凝气体对凝结换热系数影响很大；静止水蒸气中含有质量分数1%的空气时，凝结换热系数比纯水蒸气时可能下降约50%。

计算方程

水蒸气-空气混合物在竖板外冷凝的换热系数计算方程（选自衣秋杰，竖壁外含不凝气体蒸汽凝结传热特性研究[PhD]，山东大学，2018）。

alfa=66.44w^-0.7008p^0.1975u^0.4034(T_s-T_w)^0.1186

式中，alfa为饱和水蒸气-空气混合物在竖板表面的换热系数，W/(m².℃)；w为混合物中空气的质量分数，无因次；p为混合物压力，Pa；u为混合物主体流速，m/s；T_s为水蒸气饱和温度，℃；T_w为竖板表面温度，℃。

上式适用范围为：混合物中空气质量分数为0.05~0.5，混合物压力为0.1~0.45MPa，(T_s-T_w)为5~55℃。

上式由实验数据拟合得到，实验装置为宽度50mm，长度为75mm的铝板，混合物自上向下流动；实验参数范围为：混合物压力0.1~0.5MPa，竖板温度30~80℃，混合物入口温度60~110℃，混合物中空气质量分数0.05~0.5，混合物入口速度0~1m/s。

计算示例

水蒸气-空气混合物压力0.1MPa，流速0.1m/s，空气质量分数约0.3，混合物中水蒸气饱和温度约80℃，竖板表面温度70℃，此时混合物在竖板表面的凝结换热系数约为：

alfa=66.44*0.3^-0.7008*100000^0.1975*0.1^0.4034*(80-70)^0.1186

=779W/(m².℃)

实验数据

基于上述实验装置的部分实验数据（选自衣秋杰，竖壁外含不凝气体蒸汽凝结传热特性研究[PhD]，山东大学，2018）。

其他

上述换热系数是混合物沿竖板表面向下流动时的平均凝结换热系数。

竖板长度、竖板表面情况等可能对换热系数也有一定影响，计算方程中暂时没有包括竖板长度项。

计算方程中水蒸气饱和温度-混合物压力-混合物中空气质量分数三者不是独立的，计算时三个数值取值时需要满足内在要求。