各種對(duì)流換熱過程的特征及其計(jì)算公式ppt課件

1、第一節(jié)第一節(jié) 受迫對(duì)流換熱受迫對(duì)流換熱一、流體沿平壁流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱一、流體沿平壁流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱3121PrRe664. 0mmmNu )(21wfmttt)(21wfmttt管內(nèi)受迫對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征管內(nèi)受迫對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征1流動(dòng)有層流和湍流之分流動(dòng)有層流和湍流之分 層流：層流：過渡區(qū)：過渡區(qū)：旺盛湍流：旺盛湍流：Re23002300Re10000Re10000 二、流體在管道內(nèi)換熱二、流體在管道內(nèi)換熱 入口段的熱邊境層較薄，部分換熱系數(shù)比充分開展段的高，且沿著主流方向逐漸降低，逐漸接近充分開展段，部分換熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。工程技術(shù)

2、中經(jīng)常利用入口段換熱效果好這一特點(diǎn)來強(qiáng)化設(shè)備的換熱。2 2入口段的熱邊境層薄，部分換熱系數(shù)高。入口段的熱邊境層薄，部分換熱系數(shù)高。 層流入口段長(zhǎng)度層流入口段長(zhǎng)度: : 湍流時(shí)湍流時(shí): :/0.05 Re Prld/60ld層流層流湍流湍流3 3特征速度及定性溫度確實(shí)定特征速度及定性溫度確實(shí)定 特征速度：計(jì)算特征速度：計(jì)算ReRe數(shù)時(shí)用到的流速，普通數(shù)時(shí)用到的流速，普通多取截面平均流速。多取截面平均流速。 定性溫度：計(jì)算物性的定性溫度多為截面定性溫度：計(jì)算物性的定性溫度多為截面上流體的平均溫度或進(jìn)出口截面平均溫上流體的平均溫度或進(jìn)出口截面平均溫度。度。 )(21fffttt 實(shí)踐工程換熱設(shè)備中，

3、層流時(shí)的換熱實(shí)踐工程換熱設(shè)備中，層流時(shí)的換熱經(jīng)常處于入口段的范圍?？刹捎靡韵慢R德經(jīng)常處于入口段的范圍?？刹捎靡韵慢R德泰特公式：泰特公式：0.141/ 3RePr1.86/ffffwNuld1 1。管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式。管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式ftwwt定性溫度為流體平均溫度定性溫度為流體平均溫度 按按壁溫壁溫 確定，管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度，管確定，管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度，管子處于均勻壁溫。子處于均勻壁溫。0.0044 9.75fw，0.141/3Re Pr2/fffwl d。Pr0.4816700,f 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：3. 3. 管內(nèi)紊流時(shí)的準(zhǔn)那么方程管內(nèi)紊流時(shí)的準(zhǔn)那么方程 適用上運(yùn)用最廣的是迪貝斯貝爾特公式：適

4、用上運(yùn)用最廣的是迪貝斯貝爾特公式： lRtlRt 加熱流體時(shí)加熱流體時(shí) 冷卻流體時(shí)冷卻流體時(shí) 式中式中: : 定性溫度采用流體平均溫度定性溫度采用流體平均溫度 ，特征長(zhǎng)度，特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑。為管內(nèi)徑。0.80.023RePrnfffNu 0.4n 0.3nft2. 管內(nèi)過渡形狀時(shí)的準(zhǔn)那么方程管內(nèi)過渡形狀時(shí)的準(zhǔn)那么方程在在Ref=2300-104范圍內(nèi)，流動(dòng)為過渡形狀范圍內(nèi)，流動(dòng)為過渡形狀查看查看P198表表16-1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)所。此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)所。45Re10 1.2 10,fPr0.7 120,f/60l d

5、。v普通在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)普通在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)v在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻，在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變。導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變。v 來思索不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響。來思索不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響。(/)Pr /Pr )nnfwfw或（三、流體橫掠圓管時(shí)的換熱三、流體橫掠圓管時(shí)的換熱1.流體橫掠單管時(shí)的換熱流體橫掠單管時(shí)的換熱 外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊境層與熱邊境層能自在外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊境層與熱邊境層能自在開展，不會(huì)遭到臨近壁面存在的限制。開展，不會(huì)遭到臨近壁面存在的限制。 橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方橫掠單管：流體沿著垂直于管子

6、軸線的方向流過管子外表。流動(dòng)具有邊境層特征，還向流過管子外表。流動(dòng)具有邊境層特征，還會(huì)發(fā)生繞流脫體。會(huì)發(fā)生繞流脫體。1/ 3RePrnNuC()/ 2;wttu。 雖然部分外表傳熱系數(shù)變化比較復(fù)雜，但從平雖然部分外表傳熱系數(shù)變化比較復(fù)雜，但從平均外表?yè)Q熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。均外表?yè)Q熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：式中：定性溫度為式中：定性溫度為 特征長(zhǎng)度為管外徑；特征長(zhǎng)度為管外徑；數(shù)的特征速度為來流速度數(shù)的特征速度為來流速度Re2、流體橫掠圓管束時(shí)的換熱、流體橫掠圓管束時(shí)的換熱第二節(jié)第二節(jié) 自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱 流體受壁面加熱或冷卻而引

7、起的自然對(duì)流換熱 與流體在壁面 附近的由溫度差別所構(gòu)成的浮升力有關(guān)。不均勻的溫度場(chǎng)呵斥 了不均勻的密度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。 在熱壁面上的空氣被加熱而上浮,而未被加熱的較冷空氣因密 度較大而下沉。所以自然對(duì)流換熱時(shí),壁面附近的流體不像受迫 對(duì)流換熱那樣朝同一方向流動(dòng)。 普通情況下，不均勻溫度場(chǎng)僅發(fā)生在接近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度tW，在分開壁面 的方向上逐漸降低至周圍環(huán)境溫度。 在普通情況下，不均勻溫度場(chǎng)僅發(fā)生在接近換熱壁面的薄層之在普通情況下，不均勻溫度場(chǎng)僅發(fā)生在接近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面溫度內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面溫

8、度twtw，在分開壁面的方向上逐，在分開壁面的方向上逐漸降低，直至周圍環(huán)境溫漸降低，直至周圍環(huán)境溫 度度tt，如圖，如圖526a526a所示。薄層內(nèi)的速度所示。薄層內(nèi)的速度分布那么有兩頭小中間大的特點(diǎn)。分布那么有兩頭小中間大的特點(diǎn)。 自然對(duì)流亦有層流和湍流之分。自然對(duì)流亦有層流和湍流之分。以一塊熱豎壁的自然對(duì)流為例，其自下而上的以一塊熱豎壁的自然對(duì)流為例，其自下而上的流動(dòng)景象示出于以下圖流動(dòng)景象示出于以下圖a a。在壁的下部，流動(dòng)剛開場(chǎng)構(gòu)成，它是有規(guī)那么在壁的下部，流動(dòng)剛開場(chǎng)構(gòu)成，它是有規(guī)那么的層流；假設(shè)壁面足夠高，那么上部流動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)的層流；假設(shè)壁面足夠高，那么上部流動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。變?yōu)橥牧?。?/p>

9、同的流動(dòng)形狀對(duì)換熱具有決議性影響：層流不同的流動(dòng)形狀對(duì)換熱具有決議性影響：層流 時(shí)，換熱熱阻完全取決了薄層的厚度。從換熱時(shí)，換熱熱阻完全取決了薄層的厚度。從換熱壁面下端開場(chǎng)，隨著高度的增壁面下端開場(chǎng)，隨著高度的增 加，層流薄層加，層流薄層的厚度也逐漸添加。部分外表傳熱系數(shù)也隨的厚度也逐漸添加。部分外表傳熱系數(shù)也隨 高度添加而減小。高度添加而減小。流體沿豎壁自然對(duì)流的流動(dòng)性質(zhì)和流體沿豎壁自然對(duì)流的流動(dòng)性質(zhì)和部分外表傳熱系數(shù)的變化部分外表傳熱系數(shù)的變化 從對(duì)流換熱微分方程組出發(fā)，可以導(dǎo)出適用于自然對(duì)流換從對(duì)流換熱微分方程組出發(fā)，可以導(dǎo)出適用于自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)那么方熱的準(zhǔn)那么方 程式程式 。原那么上

10、自然對(duì)流換熱準(zhǔn)那么方程式可寫為： 式中式中GrGr為格拉曉夫數(shù)為格拉曉夫數(shù) Gr格拉曉夫數(shù)是浮升力格拉曉夫數(shù)是浮升力/粘滯力比值的一種度量。粘滯力比值的一種度量。Gr數(shù)的增大闡明浮升力作用的相對(duì)增大。數(shù)的增大闡明浮升力作用的相對(duì)增大。自然對(duì)流亦有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準(zhǔn)那么數(shù)為自然對(duì)流亦有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準(zhǔn)那么數(shù)為Gr數(shù)數(shù)一、無限空間自然對(duì)流換熱一、無限空間自然對(duì)流換熱 換熱面附近流體的運(yùn)動(dòng)情況只取決于換熱面的外形、尺寸換熱面附近流體的運(yùn)動(dòng)情況只取決于換熱面的外形、尺寸和溫度，而與空間圍護(hù)壁面無關(guān)，因此稱為無限空間自然對(duì)流和溫度，而與空間圍護(hù)壁面無關(guān)，因此稱為無限空間

11、自然對(duì)流換熱。換熱。根據(jù)自然對(duì)流換熱原那么性準(zhǔn)那么方程，工程中根據(jù)自然對(duì)流換熱原那么性準(zhǔn)那么方程，工程中廣泛運(yùn)用的是以下方式的關(guān)聯(lián)式：廣泛運(yùn)用的是以下方式的關(guān)聯(lián)式： 定性溫度：定性溫度：特征長(zhǎng)度：豎平板、豎圓柱為高度特征長(zhǎng)度：豎平板、豎圓柱為高度H H，橫圓柱為，橫圓柱為外徑外徑d dnGrCNuPr)(2/ )(tttwm參數(shù)參數(shù)C、n的選取查看相關(guān)表格的選取查看相關(guān)表格二、有限空間自然對(duì)流換熱二、有限空間自然對(duì)流換熱流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進(jìn)展對(duì)流換熱時(shí)流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進(jìn)展對(duì)流換熱時(shí)為有限空間自然對(duì)流換熱。為有限空間自然對(duì)流換熱。討論如下圖的豎的和程度的兩種封鎖夾層的自

12、然對(duì)流換熱討論如下圖的豎的和程度的兩種封鎖夾層的自然對(duì)流換熱 。夾層內(nèi)流體的流動(dòng)，主要取決于以?shī)A層厚度夾層內(nèi)流體的流動(dòng)，主要取決于以?shī)A層厚度 為特征長(zhǎng)度的為特征長(zhǎng)度的GrGr數(shù)數(shù) 般關(guān)聯(lián)式具有般關(guān)聯(lián)式具有 : :對(duì)于豎空氣夾層對(duì)于豎空氣夾層: :H/的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為1142對(duì)于程度空氣夾層，引薦以下關(guān)聯(lián)式：對(duì)于程度空氣夾層，引薦以下關(guān)聯(lián)式：值得指出，對(duì)于豎直夾層，當(dāng)Gr Pr2000、對(duì)程度夾層Gr Pr 1700時(shí)，夾層中的熱量傳送過程為純導(dǎo)熱。除了自然對(duì)流以外，夾層 的熱量傳送還有輻射換熱。經(jīng)過夾層的換熱量應(yīng)是兩者之和。 第三節(jié)第三節(jié) 蒸汽凝結(jié)換熱蒸汽凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱實(shí)例凝

13、結(jié)換熱實(shí)例鍋爐中的水冷壁鍋爐中的水冷壁冰冷冬天窗戶上的冰花冰冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業(yè)運(yùn)用過程許多其他的工業(yè)運(yùn)用過程凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點(diǎn)凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點(diǎn)凝結(jié)能夠以不同的方式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠凝結(jié)能夠以不同的方式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)狀凝結(jié)冷凝物相當(dāng)于添加了熱量進(jìn)一步傳送的熱阻冷凝物相當(dāng)于添加了熱量進(jìn)一步傳送的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的要素影響膜狀凝結(jié)換熱的要素會(huì)分析豎壁和橫管的換熱過程，及會(huì)分析豎壁和橫管的換熱過程，及NusseltNusselt膜狀凝結(jié)實(shí)際膜狀凝結(jié)實(shí)際 1 1 、凝結(jié)換熱景象、凝結(jié)換熱景象 蒸汽與低于飽和溫度

14、的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上構(gòu)成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換放給固體壁面，并在壁面上構(gòu)成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱景象。有兩種凝結(jié)方式。熱景象。有兩種凝結(jié)方式。 2 2 、凝結(jié)換熱的分類、凝結(jié)換熱的分類 根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤(rùn)才干不同分兩種根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤(rùn)才干不同分兩種 (1) (1)膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié) 定義：凝結(jié)液體能很好地潮濕壁面，并定義：凝結(jié)液體能很好地潮濕壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)方式，能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)方式，稱膜狀凝結(jié)。稱膜狀凝結(jié)。 特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱

15、潛熱須穿過液膜才干傳到冷相變熱潛熱須穿過液膜才干傳到冷卻壁面上，卻壁面上， 此時(shí)液膜成為主要的換熱此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻熱阻 gswtt(2)(2)珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) 定義：凝結(jié)液體不能很好地潮濕壁定義：凝結(jié)液體不能很好地潮濕壁面，凝結(jié)液體在壁面上構(gòu)成一個(gè)個(gè)面，凝結(jié)液體在壁面上構(gòu)成一個(gè)個(gè)小液珠的凝結(jié)方式，稱珠狀凝結(jié)。小液珠的凝結(jié)方式，稱珠狀凝結(jié)。 特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上?？蓚鞯嚼鋮s壁面上。所以，在其它條件一樣時(shí)，珠狀凝結(jié)的外表傳所以，在其它條件一樣時(shí)，珠狀凝結(jié)的外表傳熱系數(shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。熱系數(shù)定大于膜狀凝結(jié)

16、的傳熱系數(shù)。 gswtt一、膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式一、膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式 1 1、純真蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解、純真蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解 假定：假定：1 1常物性；常物性；2 2蒸氣靜止；蒸氣靜止；3 3液膜的慣性液膜的慣性力忽略；力忽略；4 4氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；飽和溫度；5 5膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只需導(dǎo)熱；需導(dǎo)熱；6 6液膜的過冷度忽略；液膜的過冷度忽略； 7 7忽略蒸汽密忽略蒸汽密度；度；8 8液膜外表平整無動(dòng)搖液膜外表平整無動(dòng)搖根據(jù)以上根據(jù)以上 9 9 個(gè)假設(shè)從邊境層微分方程組推出努個(gè)假設(shè)從

17、邊境層微分方程組推出努塞爾的簡(jiǎn)化方程組，從而堅(jiān)持對(duì)流換熱實(shí)際的塞爾的簡(jiǎn)化方程組，從而堅(jiān)持對(duì)流換熱實(shí)際的一致性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動(dòng)和換熱符合一致性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動(dòng)和換熱符合邊境層的薄層性質(zhì)。邊境層的薄層性質(zhì)。 以豎壁的膜狀凝結(jié)為例：以豎壁的膜狀凝結(jié)為例： x x 坐標(biāo)為重力方向，如坐標(biāo)為重力方向，如下圖。下圖。 在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動(dòng)的微分方程組為在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動(dòng)的微分方程組為 ：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下腳標(biāo)下腳標(biāo) l l 表示液相表示液相思索假定思索假定3 3液膜的慣性力忽略液膜的慣性力忽略 2222)(0ytayt

18、vxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll0)(yuvxuul思索假定思索假定7 7忽略蒸汽密度忽略蒸汽密度0dxdp0ytvxtu002222ytayuglll 只需只需u u 和和 t t 兩個(gè)未知量，于是，上面得方兩個(gè)未知量，于是，上面得方程組化簡(jiǎn)為：程組化簡(jiǎn)為： 思索假定思索假定5 5 膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只需導(dǎo)熱轉(zhuǎn)移只需導(dǎo)熱邊境條件：邊境條件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0時(shí)，時(shí)，1/ 4llsw2l4(tt )xgr 求解上面方程可得：求解上面方程可得：(1) (1) 液膜厚度液膜厚度定性溫度：定性溫度：2wsmttt留意：留意：

19、r r 按按 ts ts 確定確定(2) (2) 部分外表傳熱系數(shù)部分外表傳熱系數(shù)1 / 423llxlswgrh4( tt)x sw( tttC )整個(gè)豎壁的平均外表傳熱系數(shù)整個(gè)豎壁的平均外表傳熱系數(shù)1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) 定性溫度：定性溫度：2wsmttt留意：留意：r r 按按 ts ts 確定確定(3) (3) 修正：實(shí)驗(yàn)闡明，由于液膜外表動(dòng)搖，凝結(jié)修正：實(shí)驗(yàn)闡明，由于液膜外表動(dòng)搖，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得實(shí)際值高換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得實(shí)際值高2020左右左右1/ 423llVlswgrh1.13l(tt )

20、修正后：修正后：4 4當(dāng)是程度圓管及球外表上的層流膜狀凝結(jié)時(shí)，當(dāng)是程度圓管及球外表上的層流膜狀凝結(jié)時(shí)，其平均外表傳熱系數(shù)為：其平均外表傳熱系數(shù)為： 1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 程度管：程度管：球：球：橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比：橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比：4177. 0 dlhhVH2 2 膜層中凝結(jié)液的流動(dòng)形狀膜層中凝結(jié)液的流動(dòng)形狀 20Re 1600Rec無動(dòng)搖層流無動(dòng)搖層流有動(dòng)搖層流有動(dòng)搖層流湍流湍流凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判別根據(jù)凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判別根據(jù)依然時(shí)依然時(shí)ReRe，

21、elduRe式中：式中： ul ul 為為 x = l x = l 處液膜層的平均流速；處液膜層的平均流速；de de 為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。ecd4A / P4b/ b4lml4u4qReswmlh(tt )lrqsw4hl( tt)Rerrl對(duì)程度管，用對(duì)程度管，用 替代上式中的替代上式中的 即可。即可。并且橫管普通都處于層流形狀并且橫管普通都處于層流形狀如圖如圖由熱平衡由熱平衡所以所以3 3 湍流膜狀凝結(jié)換熱湍流膜狀凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明： 1 1 膜層雷諾數(shù)膜層雷諾數(shù) Re=1600 Re=1600 時(shí)，液膜由層流轉(zhuǎn)時(shí)，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髯優(yōu)槲闪?/p>

22、 ； 2 2 橫管均在層流范圍內(nèi)，由于管徑較小。橫管均在層流范圍內(nèi)，由于管徑較小。 特征特征 : :對(duì)于紊流液膜，熱量的傳送：對(duì)于紊流液膜，熱量的傳送： 1 1 接近壁接近壁面極薄的層流底層依托導(dǎo)熱方式傳送熱量；面極薄的層流底層依托導(dǎo)熱方式傳送熱量； 2 2 層流底層以外的紊流層以紊流傳送的熱量為主。因?qū)恿鞯讓右酝獾奈闪鲗右晕闪鱾魉偷臒崃繛橹鳌Ｒ虼?，紊流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱。此，紊流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱。 計(jì)算方法：對(duì)于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個(gè)計(jì)算方法：對(duì)于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個(gè)壁面上的平均外表傳熱系數(shù)壁面上的平均外表傳熱系數(shù) ccltxxhhh1ll式中：式中：hlhl為層流段

23、的傳熱系數(shù)；為層流段的傳熱系數(shù)；htht為湍流段的傳熱系數(shù)；為湍流段的傳熱系數(shù)； xcxc為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)的高度為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)的高度 l l為豎壁的總高度為豎壁的總高度1 / 31 / 41 / 23 / 4wssReNuGaPr58 Pr(Re253 )9200Pr利用上面思想，整理的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：利用上面思想，整理的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中：式中： 。除。除 用壁溫用壁溫 計(jì)算外，其他物理量的定性溫度均為計(jì)算外，其他物理量的定性溫度均為N uhl /;32Gagl/wPrwtst。二、影響膜狀凝結(jié)的要素二、影響膜狀凝結(jié)的要素 工程實(shí)踐中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種要素的

24、影響。1. 不凝結(jié)氣體 不凝結(jié)氣體添加了傳送過程的阻力，同時(shí)使飽和溫度下 降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力t 。2. 2. 蒸蒸氣氣流流速速 流流速速較較高高時(shí)，時(shí)，蒸蒸氣氣流流對(duì)對(duì)液液膜膜外外表表產(chǎn)產(chǎn)生生模模型型的的粘粘滯滯應(yīng)應(yīng)力。力。 假假設(shè)設(shè)蒸蒸氣氣流流動(dòng)動(dòng)與與液液膜膜向向下下的的流流動(dòng)動(dòng)同同向向時(shí)，時(shí)，使使液液膜膜拉拉薄，薄， 增增大；大；反反之之使使 減減小。小。 4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性 假設(shè)思索過冷度及溫度分布的實(shí)踐情況，要用下式替代計(jì)算公式中的 ， 5. 管子排數(shù) 管束的幾何布置、流體物性都會(huì)影響凝結(jié)換熱。 前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。rpswrr0.68c

25、( tt) 3. 3. 過熱蒸氣過熱蒸氣 要思索過熱蒸氣與飽和液的焓差。要思索過熱蒸氣與飽和液的焓差。 6. 管內(nèi)冷凝管內(nèi)冷凝 此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。 蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣那么位于蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣那么位于 管子上半部。管子上半部。 流速較高時(shí)，構(gòu)成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管子流速較高時(shí)，構(gòu)成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管子 周圍，中心為蒸氣核。周圍，中心為蒸氣核。 7. 凝結(jié)外表的幾何外形凝結(jié)外表的幾何外形強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原那么是盡量減薄粘滯在換熱外表強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原那么是盡量減薄粘滯在換熱外表上的液膜的厚度。上的

26、液膜的厚度?？捎酶鞣N帶有尖峰的外表使在其上冷凝的液膜拉薄，可用各種帶有尖峰的外表使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱外表上排泄掉?；蛘呤挂涯Y(jié)的液體盡快從換熱外表上排泄掉。第四節(jié)第四節(jié) 液體沸騰換熱液體沸騰換熱沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。的汽化過程稱為沸騰。 沸騰的特點(diǎn)沸騰的特點(diǎn) 1 1 液體汽化吸收大量的汽化潛熱；液體汽化吸收大量的汽化潛熱；2 2 由于汽泡構(gòu)成和脫離時(shí)帶走熱量，使加熱外由于汽泡構(gòu)成和脫離時(shí)帶走熱量，使加熱外表不斷遭到冷流體的沖刷和劇烈的擾動(dòng)，所以沸表不斷遭到冷流體的沖刷和劇烈的擾

27、動(dòng)，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。 沸騰換熱分類：沸騰換熱分類： 1 1 大容器沸騰池內(nèi)沸騰大容器沸騰池內(nèi)沸騰 ； 2 2 強(qiáng)迫對(duì)流沸騰管內(nèi)沸騰強(qiáng)迫對(duì)流沸騰管內(nèi)沸騰上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。產(chǎn)生沸騰的條件：產(chǎn)生沸騰的條件： 實(shí)際分析與實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生沸騰的條件：實(shí)際分析與實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生沸騰的條件： 1 1液體必需過熱；液體必需過熱； 2 2要有汽化中心要有汽化中心 一、一、 大容器飽和沸騰曲線大容器飽和沸騰曲線 1 1大容器沸騰大容器沸騰 定義：指加熱壁面沉浸在具有自在外表的液體中定義：指加熱壁面沉浸在具有自在外表的液

28、體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。 特點(diǎn)：產(chǎn)生的氣泡能自在浮升，穿過液體自在面特點(diǎn)：產(chǎn)生的氣泡能自在浮升，穿過液體自在面進(jìn)入容器空間。進(jìn)入容器空間。 2 2飽和沸騰飽和沸騰 定義：液體主體溫度到達(dá)飽和溫度定義：液體主體溫度到達(dá)飽和溫度 ，壁面溫度，壁面溫度 高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。 特點(diǎn)特點(diǎn) : : 隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn)隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn) 4 4 個(gè)換熱個(gè)換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。規(guī)律全然不同的區(qū)域。 3 3過冷沸騰過冷沸騰 指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面

29、溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。冷沸騰。 4 4大容器飽和沸騰曲線：大容器飽和沸騰曲線： 表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4 4個(gè)換熱規(guī)律不同的階段：自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過個(gè)換熱規(guī)律不同的階段：自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如下圖：渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如下圖：qmaxqmin如圖如圖 6-11 6-11 所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度對(duì)數(shù)坐所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度對(duì)數(shù)坐標(biāo)；縱坐標(biāo)為熱流密度算術(shù)密度。標(biāo)；縱坐標(biāo)為熱流密度算術(shù)密度。 從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)從曲線變化

30、規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段段、將整個(gè)曲線分成四個(gè)特定的換將整個(gè)曲線分成四個(gè)特定的換熱過程，其特性如下：熱過程，其特性如下： 1 1 單相自然對(duì)流段液面汽化段單相自然對(duì)流段液面汽化段 壁面過熱度小時(shí)圖中壁面過熱度小時(shí)圖中 沸騰尚未開場(chǎng)，換熱服從單相自然對(duì)流規(guī)律。沸騰尚未開場(chǎng)，換熱服從單相自然對(duì)流規(guī)律。4t2 2 核態(tài)沸騰飽和沸騰核態(tài)沸騰飽和沸騰 隨著隨著 的上升，在加熱面的一些特定點(diǎn)上開場(chǎng)出現(xiàn)汽化中心，并的上升，在加熱面的一些特定點(diǎn)上開場(chǎng)出現(xiàn)汽化中心，并隨之構(gòu)成汽泡，該特定點(diǎn)稱為起始沸點(diǎn)。其特點(diǎn)是：隨之構(gòu)成汽泡，該特定點(diǎn)稱為起始沸點(diǎn)。其特點(diǎn)是： t開場(chǎng)階段，汽化中心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，開

31、場(chǎng)階段，汽化中心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)；稱為孤立汽泡區(qū)； 隨著隨著 的上升，汽化中心添加，生成的汽的上升，汽化中心添加，生成的汽泡數(shù)量添加，汽泡相互影響并合成汽塊及汽柱，泡數(shù)量添加，汽泡相互影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響區(qū)。稱為相互影響區(qū)。 t隨著隨著 的增大，的增大， q q 增大，當(dāng)增大，當(dāng) 增大到一定增大到一定值時(shí)，值時(shí)， q q 添加到最大值添加到最大值 ，汽泡擾動(dòng)猛烈，汽化，汽泡擾動(dòng)猛烈，汽化中心對(duì)換熱起決議作用，那么稱該段為核態(tài)沸騰中心對(duì)換熱起決議作用，那么稱該段為核態(tài)沸騰泡狀沸騰。泡狀沸騰。 t其特點(diǎn)：溫壓小，換熱強(qiáng)度大，其終點(diǎn)的熱流密其特點(diǎn)：溫壓小，換熱強(qiáng)度大，

32、其終點(diǎn)的熱流密度度 q q 達(dá)最大值達(dá)最大值 。工業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用該段。工業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用該段。 t 3 過渡沸騰過渡沸騰 從峰值點(diǎn)進(jìn)一步提高從峰值點(diǎn)進(jìn)一步提高 ，熱流密度，熱流密度 q 減??；當(dāng)減小；當(dāng) 增大到一定值時(shí)，熱流增大到一定值時(shí)，熱流密度減小到密度減小到 ，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過程。，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過程。 tminq緣由：汽泡的生長(zhǎng)速度大于汽泡躍離加熱面的緣由：汽泡的生長(zhǎng)速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，構(gòu)成一層速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，構(gòu)成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，

33、致使 q m q m 下降。下降。 4 4 穩(wěn)定膜態(tài)沸騰穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 從從 開場(chǎng)，隨著開場(chǎng)，隨著 的上升，氣泡生長(zhǎng)速度與躍離速度趨于平衡。的上升，氣泡生長(zhǎng)速度與躍離速度趨于平衡。此時(shí)，在加熱面上構(gòu)成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜此時(shí)，在加熱面上構(gòu)成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使層，致使 上升時(shí)，熱流密度上升時(shí)，熱流密度 q 上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。 minqtt 其特點(diǎn)： 1 汽膜中的熱量傳送不僅有導(dǎo)熱，而且有對(duì)流； 2 輻射熱量隨著 的加大而劇增，使熱流密度大大添加； 3 在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn)：前者熱量必需穿過熱阻大 的

34、汽膜；后者熱量必需穿過熱阻相對(duì)較小的液膜。 幾點(diǎn)闡明：幾點(diǎn)闡明：1上述熱流密度的峰值上述熱流密度的峰值qmax 有艱苦意義，有艱苦意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。普通稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。普通用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)DNB作為監(jiān)視接近作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和的警戒。這一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。溫度可控的兩種情況都非常重要。2對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，由于熱量必需穿過對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，由于熱量必需穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。凝結(jié)小得多。二、汽化中心的分析二、汽化中心的分析 (1) (

35、1) 汽泡的生長(zhǎng)過程汽泡的生長(zhǎng)過程 實(shí)驗(yàn)闡明，通常情況下，沸騰時(shí)汽泡只發(fā)實(shí)驗(yàn)闡明，通常情況下，沸騰時(shí)汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個(gè)加熱面生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個(gè)加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化中心，上，這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化中心，較普遍的看法以為，壁面上的凹穴和裂痕較普遍的看法以為，壁面上的凹穴和裂痕易殘留氣體，是最好的汽化中心，如下圖。易殘留氣體，是最好的汽化中心，如下圖。(2) (2) 汽泡的存在條件汽泡的存在條件 汽泡半徑汽泡半徑R R必需滿足以下條件才干存活必需滿足以下條件才干存活( (克拉克拉貝龍方程貝龍方程) )(2minswvsttrTRR式中：式中： 外表

36、張力，外表張力，N/m；r 汽化潛熱，汽化潛熱，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面溫度，壁面溫度，C ts 對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度， C可見，可見， (tw ts ) , Rmin 同一加熱面上，稱為汽化中同一加熱面上，稱為汽化中心的凹穴數(shù)量添加心的凹穴數(shù)量添加 汽化中心數(shù)添加汽化中心數(shù)添加 換熱加強(qiáng)換熱加強(qiáng)三、沸騰換熱計(jì)算式三、沸騰換熱計(jì)算式 沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式依然適用，即牛頓冷卻公式依然適用，即thtthqsw)(但對(duì)于沸騰換熱的但對(duì)于沸騰換熱的h h卻又許多不同的計(jì)算公式卻又許多不同的

37、計(jì)算公式 四、大容器飽和核態(tài)沸騰四、大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的要素主要是過熱度和影響核態(tài)沸騰的要素主要是過熱度和汽化中心數(shù)，而汽化中心數(shù)受外表資料、汽化中心數(shù)，而汽化中心數(shù)受外表資料、外表情況、壓力等要素的支配，所以沸騰外表情況、壓力等要素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了個(gè)計(jì)算公換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了個(gè)計(jì)算公式分歧較大。目前存在兩種計(jì)算是：式分歧較大。目前存在兩種計(jì)算是： 1 針對(duì)一種液體的計(jì)算公式；針對(duì)一種液體的計(jì)算公式； 2 廣泛適用于各種液體的計(jì)算式；廣泛適用于各種液體的計(jì)算式； 1 1適用于水的米海耶夫計(jì)算式適用于水的米海耶夫計(jì)算式 Pa6510410 在在

38、壓力下大容器飽和沸騰計(jì)算式：壓力下大容器飽和沸騰計(jì)算式： 5 . 033. 21ptCh)(122. 033. 35 . 01KNmWC按按 thq15. 07 . 02pqCh )(533. 015. 03 . 03 . 02KNmWC2 2 適用于各種液體的計(jì)算式適用于各種液體的計(jì)算式: : 既然沸騰換熱也屬于對(duì)流換熱，那么，既然沸騰換熱也屬于對(duì)流換熱，那么，st = f st = f ( Re, Pr )( Re, Pr )也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思緒也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思緒下，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：下，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：33. 0)(Prvllw

39、lslplgrqCrtc上式可以改寫為：上式可以改寫為：321Pr)(slwlplvllrCtCgrq 對(duì)于制冷介質(zhì)而言，以下的庫(kù)珀對(duì)于制冷介質(zhì)而言，以下的庫(kù)珀CooperCooper公公式目前得到廣泛的運(yùn)用：式目前得到廣泛的運(yùn)用： mprmrrRmKmWCppMCqhlg2 . 012. 0)/(90)lg(66. 033. 055. 05 . 067. 0其中：其中： 為液體的相對(duì)分子質(zhì)量；為液體的相對(duì)分子質(zhì)量； 為對(duì)比壓力液體壓力與該流體的臨界壓力為對(duì)比壓力液體壓力與該流體的臨界壓力之比；之比； 為外表平均粗糙度，對(duì)普通工業(yè)用管材外為外表平均粗糙度，對(duì)普通工業(yè)用管材外表，為表，為0.30

40、.40.30.4； 為熱流密度。為熱流密度。rMrPpRq 五、大容器沸騰的臨界熱流密度五、大容器沸騰的臨界熱流密度 對(duì)于大容器沸騰的臨界熱流密度的對(duì)于大容器沸騰的臨界熱流密度的計(jì)算，引薦采用如下半閱歷公式：計(jì)算，引薦采用如下半閱歷公式：4121max)(24vlvgrq 六、大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式六、大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式1 1橫管的膜態(tài)沸騰橫管的膜態(tài)沸騰413)()(62. 0swvvvlvttdgrh 式中，除了式中，除了r r 和和 l l 的值由飽和溫度的值由飽和溫度 ts ts 決議外，決議外，其他物性均以平均溫度其他物性均以平均溫度 tm tm ( tw( twts ) / 2

41、ts ) / 2 為定性溫為定性溫度，特征長(zhǎng)度為管子外徑度，特征長(zhǎng)度為管子外徑d, d, 假設(shè)加熱外表為球面，那么假設(shè)加熱外表為球面，那么上式中的系數(shù)上式中的系數(shù)0.620.62改為改為0.670.67勃洛姆來建議采用如下超越方程來計(jì)算：勃洛姆來建議采用如下超越方程來計(jì)算：343434rchhhswswrTTTTh)(44其中：其中：2思索熱輻射作用思索熱輻射作用 由于膜態(tài)換熱時(shí)，壁面溫度普通較高，因此，有由于膜態(tài)換熱時(shí)，壁面溫度普通較高，因此，有必要思索熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一必要思索熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接添加了換熱量，另一個(gè)是增大了汽膜厚度，從是直接添加了換熱量，另