第六章 各種對流傳熱過程

1、 一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換熱的特征一、管槽內(nèi)強(qiáng)制對流流動和換熱的特征 1 1、概述、概述 （1 1）流動和傳熱特征：）流動和傳熱特征： 流動有層流和湍流之分流動有層流和湍流之分層流：層流： Re2200過渡區(qū)：過渡區(qū)： 2200Re10000duRfePrRe,fNu 入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。 層流入口段長度層流入口段長度: : 湍流時湍流時: :/0.05 Re Prld/60ld（2 2）熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種）熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種 湍流：湍流：除液態(tài)金屬外，兩種條件的差別可不計除液態(tài)金屬外，兩種條件的差別可不計

2、層流：層流：兩種邊界條件下的換熱系數(shù)差別明顯。兩種邊界條件下的換熱系數(shù)差別明顯。 式中式中， 為質(zhì)量流量；為質(zhì)量流量； 分別為出口、進(jìn)口截面上的平均溫度；分別為出口、進(jìn)口截面上的平均溫度；mq、fftt牛頓冷卻公式中的平均溫差牛頓冷卻公式中的平均溫差 對對恒熱流恒熱流條件，可取條件，可取 作為作為 。對于對于恒壁溫恒壁溫條件，截面上的局部溫差是個變值，條件，截面上的局部溫差是個變值，應(yīng)利用熱平衡式：應(yīng)利用熱平衡式：w wf f( (t t- - t t ) )m mt tm mm mm mp pf ff fh h A At t= = q q c c ( (t t - - t t ) )mthq

3、m mt t按對數(shù)平均溫差計算：按對數(shù)平均溫差計算：lnffmwfwfttttttt當(dāng)出口截面的溫差與進(jìn)口截面的溫差當(dāng)出口截面的溫差與進(jìn)口截面的溫差 在在0.52之間時，之間時， 可用算術(shù)平均溫差可用算術(shù)平均溫差 代替。代替。 fwfwttttm mt t2 ffwttt2. 2. 管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（強(qiáng)迫對流）管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（強(qiáng)迫對流） 實(shí)用上使用最廣的是實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式：迪貝斯貝爾特公式：fffduRe4 . 08 . 0PrRe023. 0fffNu smcaf2fffffcaPrffhdNu式中式中: : 特征溫度采用流體平均溫度特征溫度采用流體平均溫度

4、tf ， 特征長度特征長度為管內(nèi)徑；為管內(nèi)徑；非圓形截面槽道非圓形截面槽道, ,用當(dāng)量直徑用當(dāng)量直徑de作作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去，為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去， 式中：式中： A為槽道的流動截面積；為槽道的流動截面積；P 為濕周長。為濕周長。 特征流速特征流速 為流體平均溫度為流體平均溫度tf下流動截面的平均流速下流動截面的平均流速uf。fffttt 21PAde4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合此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。45Re101.2 10 ,fPr0.7 120,f/60l d 。 在有換熱條件下，截面上的溫度并不均

5、勻，導(dǎo)致速度分在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變。布發(fā)生畸變。 一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)乘數(shù)來考慮不均勻物性場對換熱來考慮不均勻物性場對換熱的影響。的影響。 入口段的傳熱系數(shù)較高。對于通常的工業(yè)設(shè)備中的入口段的傳熱系數(shù)較高。對于通常的工業(yè)設(shè)備中的尖角入口，有以下尖角入口，有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)入口效應(yīng)修正系數(shù)：7 . 01ldl迪貝斯貝爾特修正公式迪貝斯貝爾特修正公式RtlfffNu4 . 08 . 0PrRe023. 0入口效應(yīng)修正系數(shù)（管長修正系數(shù)）入口效應(yīng)修正系數(shù)（管長修正系數(shù)）:對氣體被加熱時，對氣體被加熱時，當(dāng)氣體被冷卻時，當(dāng)氣體被冷卻時， t

6、=1 0.11m 55. 0wftTT對液體對液體液體受熱時液體受熱時液體被冷卻時液體被冷卻時 m=0.25mwftw 表示以壁面平均表示以壁面平均溫度溫度tw作定性溫度時作定性溫度時流體的動力粘度。流體的動力粘度。當(dāng)溫差當(dāng)溫差 不大，可不作溫差修正，即不大，可不作溫差修正，即 t1 。fwttt溫差修正系數(shù)溫差修正系數(shù):螺線管強(qiáng)化了換熱。對此有螺線管強(qiáng)化了換熱。對此有彎管修正系數(shù)：彎管修正系數(shù)：對于氣體對于氣體對于液體對于液體33 .101RdRRdR77. 11彎管效應(yīng)修正系數(shù)彎管效應(yīng)修正系數(shù): 以上所有方程僅適用于以上所有方程僅適用于 的氣體的氣體或液體?；蛞后w。 對對 數(shù)很小的液態(tài)金屬

7、，換熱規(guī)律完數(shù)很小的液態(tài)金屬，換熱規(guī)律完全不同。全不同。Pr0.6Pr對流換熱系數(shù)：對流換熱系數(shù)：RtlfffffRtlffffffRtlfffducdcdudh2 . 04 . 08 . 08 . 06 . 04 . 04 . 08 . 04 . 08 . 0023. 0023. 0PrRe023. 0式中，用式中，用 來考慮入口效應(yīng)對來考慮入口效應(yīng)對h的影響；的影響； 用用 來考慮溫度場對來考慮溫度場對h的影響。的影響。 實(shí)際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于實(shí)際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入入口段口段的范圍（的范圍（ ）?？刹捎茫？刹捎谬R德齊德泰特公式：泰特公式： /0.05

8、 Re Prld14. 031PrRe86. 1wffffldNu31)(ld3. 3. 管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式（強(qiáng)迫對流）管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式（強(qiáng)迫對流）14. 0wfftwwt特征溫度特征溫度為流體平均溫度為流體平均溫度 （ 按按壁溫壁溫 確定），確定），特征長度特征長度為管內(nèi)徑為管內(nèi)徑，管，管子處于均勻壁溫。子處于均勻壁溫。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為： Ref 0.6 (RefPrfd/l) 10管內(nèi)強(qiáng)迫對流傳熱特點(diǎn)：管內(nèi)強(qiáng)迫對流傳熱特點(diǎn)： 常處于入口段范圍；常處于入口段范圍； 進(jìn)入充分發(fā)展段后，對于常物性流體，進(jìn)入充分發(fā)展段后，對于常物性流體，Nu數(shù)與數(shù)與Re無關(guān)而無關(guān)而保持不變，對流

9、傳熱系數(shù)保持不變，對流傳熱系數(shù)h也不變；也不變； 熱邊界條件對傳熱有顯著影響，一般恒熱流時的傳熱熱邊界條件對傳熱有顯著影響，一般恒熱流時的傳熱強(qiáng)大于恒壁溫。例如：圓管內(nèi)層流充分發(fā)展段，恒熱流強(qiáng)大于恒壁溫。例如：圓管內(nèi)層流充分發(fā)展段，恒熱流時時Nu=4.36，恒壁溫時，恒壁溫時Nu=3.66； 上面的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式只適用于圓管。上面的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式只適用于圓管。4. 4. 過渡區(qū)強(qiáng)迫對流傳熱關(guān)聯(lián)式過渡區(qū)強(qiáng)迫對流傳熱關(guān)聯(lián)式14. 032313/21Pr125Re116. 0wffffldNu 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為： 23002300Ref 6000 外部流動：外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱

10、邊界層能換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。3/12/1PrRe332. 0 xmxxxhNu3121PrRe332. 0 xmxxh局部換局部換熱系數(shù)熱系數(shù)：11230.332xu xhxa 3/12/10mPrRe664. 01llxmdxNulhlNu平均換平均換熱系數(shù)熱系數(shù)：式中：式中：xhNuxx努塞爾努塞爾(Nusselt)數(shù)數(shù)xuxRe雷諾雷諾(Reynolds)數(shù)數(shù)aPr普朗特數(shù)普朗特數(shù)適用范圍：適用范圍： Re 5 105 Pr =0.660(3) (3) 層流層流+ +湍流強(qiáng)迫對流傳熱湍流強(qiáng)迫對流傳熱

11、3/15/4Pr)871Re037. 0(lmNu適用范圍：適用范圍： Rel 5 105流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體。邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體。 邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。的特征。()/ 2;wttu。 雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯?？刹捎靡韵聦?shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：可采用以下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中：式中：特征溫度為特征溫度為tm=

12、特征長度特征長度為管外徑為管外徑d0；Re數(shù)的數(shù)的特征速度特征速度為來流速度為來流速度3/1m0PrRenmChdNu為考慮沖刷角度對平均對流傳熱系數(shù)的影響為考慮沖刷角度對平均對流傳熱系數(shù)的影響。見表見表6-2：當(dāng)當(dāng)=90時，時， =1；當(dāng)當(dāng)90時，時， 1 ;當(dāng)當(dāng)=0時，時，即流體縱掠圓管，此時即流體縱掠圓管，此時最小最小 ，可近似采用縱掠平壁的計算公式可近似采用縱掠平壁的計算公式；u在相同的條件下，流體沖刷同一根單圓管，在相同的條件下，流體沖刷同一根單圓管，橫向沖刷比縱向沖刷時換熱系數(shù)要大得多。橫向沖刷比縱向沖刷時換熱系數(shù)要大得多。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍： ， 。C C及及n n的值見

13、表的值見表6-16-1；15.5982t211046wt 對于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對流換熱也可采用上式。對流換熱也可采用上式。lReNu注：注：指數(shù)指數(shù)C C及及n n值見下表，表中示出的幾何值見下表，表中示出的幾何尺寸尺寸 是計算是計算 數(shù)及數(shù)及 數(shù)時用的特征數(shù)時用的特征長度。長度。 式中：定性溫度為式中：定性溫度為tm= 適用于適用于 的情形。的情形。4/55/81/21/32/3 1/40.62RePrRe0.311 (0.4/Pr)282000Nu()/ 2,wttRe Pr0.2上述公式對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要分段整理上述公式對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一

14、般需要分段整理。 邱吉爾與朋斯登對流體橫向外掠單管提出邱吉爾與朋斯登對流體橫向外掠單管提出了以下在了以下在整個實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)則式整個實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)則式。 外掠管束在換熱器中最為常見。外掠管束在換熱器中最為常見。 通常管子有通常管子有叉排叉排和和順排順排兩種排列方式。兩種排列方式。叉排換熱強(qiáng)叉排換熱強(qiáng)、阻力損失大并難于清洗阻力損失大并難于清洗。影響管束換熱的因素除影響管束換熱的因素除 數(shù)外，還有：數(shù)外，還有：叉排叉排或順排或順排；管間距管間距；管束排數(shù)管束排數(shù)等。等。Re Pr、s1s10v0s1s10v0s2a) 順排順排a) 叉排叉排 流體橫掠圓管束的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為流體橫掠圓管

15、束的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為zpkmnfssCNuwfff)()PrPr(PrRe21 后排管受前排管尾流的擾動作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)后排管受前排管尾流的擾動作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響直到的影響直到1010排以上的管子才能消失。排以上的管子才能消失。fffdu0ReffhdNu0fffffcaPr式中：式中：定性溫度為定性溫度為流體平均溫度流體平均溫度tf ；按管束的平均壁溫確定按管束的平均壁溫確定；Prw 系數(shù)系數(shù)C C和指數(shù)和指數(shù)n n、m m、k k、p p的值見下表。的值見下表。Re2000 40000f。特征長度為特征長度為管外徑管外徑d d0 0；ReRe數(shù)中的流速采用數(shù)中的流速采用整個管束

16、中最窄截整個管束中最窄截面處的最大流速。面處的最大流速。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：C和和m的值的值 對于排數(shù)對于排數(shù)少于少于1010排排的管束，平均表面?zhèn)鳠岬墓苁?，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可在上式的基礎(chǔ)上乘以管排修正系數(shù)系數(shù)可在上式的基礎(chǔ)上乘以管排修正系數(shù) 。 nhhnn的值引列在下表。的值引列在下表。 茹卡烏斯卡斯茹卡烏斯卡斯對流體外掠管束換熱總結(jié)出一套在對流體外掠管束換熱總結(jié)出一套在很寬的很寬的 數(shù)變化范圍內(nèi)更便于使用的公式如下數(shù)變化范圍內(nèi)更便于使用的公式如下表所示表所示。 式中：式中：定性溫度定性溫度為進(jìn)出口流體平均流速；為進(jìn)出口流體平均流速； 特征長度特征長度為管子外徑。為管子外徑。 實(shí)驗(yàn)

17、驗(yàn)證范圍：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：PrPrwRePr0.6 500。按管束的平均壁溫確定按管束的平均壁溫確定；數(shù)中的數(shù)中的流速流速取管束中最小截面的平取管束中最小截面的平均流速；均流速；流體橫掠順排管束流體橫掠順排管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算關(guān)聯(lián)式（平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算關(guān)聯(lián)式（ 16排）排） 第二節(jié)第二節(jié) 自然對流換熱及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式自然對流換熱及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 自然對流：自然對流：不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動，由流體自身溫度不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動，由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動。一般地，場的不均勻所引起的流動。一般地，不均勻溫度場僅發(fā)不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。 例如

18、例如：暖氣管道的散熱暖氣管道的散熱、不用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻的電器元件、不用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻的電器元件的散熱。的散熱。 自然對流換熱可分成自然對流換熱可分成大空間大空間和和有限空間有限空間兩類。兩類。 大空間自然對流：大空間自然對流：流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊界層不受干擾。界層不受干擾。大空間自然對流傳熱大空間自然對流傳熱：溫度為：溫度為t的靜止流體被高溫豎壁的靜止流體被高溫豎壁tw加加熱。熱。 波爾豪森分析解與施密特貝克曼實(shí)測結(jié)果波爾豪森分析解與施密特貝克曼實(shí)測結(jié)果豎板層流自然對流邊界層理論分析與實(shí)測結(jié)果的對比豎板層流自然對流邊界層理論分析與實(shí)測結(jié)果的對比 自然對流

19、亦有層流和湍流自然對流亦有層流和湍流之分。之分。 層流時，換熱熱阻主要取層流時，換熱熱阻主要取決于邊界層的厚度。決于邊界層的厚度。 旺盛湍流時，局部表面?zhèn)魍⑼牧鲿r，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)幾乎是常量。熱系數(shù)幾乎是常量。u自然對流傳熱流動狀態(tài)的自然對流傳熱流動狀態(tài)的判定依據(jù)是：格拉曉夫數(shù)判定依據(jù)是：格拉曉夫數(shù)Gr（反映流體的浮升力與（反映流體的浮升力與粘性力的比值）。粘性力的比值）。u強(qiáng)迫對流：強(qiáng)迫對流：Re層流層流過渡流過渡流湍流湍流 從對流換熱微分方程組出發(fā)，可得到自然對流換從對流換熱微分方程組出發(fā)，可得到自然對流換熱的準(zhǔn)則方程式熱的準(zhǔn)則方程式 參照上圖的坐標(biāo)系，對動量方程進(jìn)行簡化。參照上圖的坐標(biāo)

20、系，對動量方程進(jìn)行簡化。 在在 方向，方向， ，并略去二階導(dǎo)數(shù)。，并略去二階導(dǎo)數(shù)。 由于在薄層外由于在薄層外 ，從上式可推得，從上式可推得xxFg 221uudpuuvgxydxy 0uv dpgdx 將此關(guān)系帶入上式得將此關(guān)系帶入上式得22()uuguuvxyy11pTTT 引入引入體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù) ： 代入動量方程并令代入動量方程并令 改寫原方程改寫原方程TT22uuuuvgxyy采用相似分析方法采用相似分析方法，以，以 及及分別作為流速、長度及過余溫度的標(biāo)尺，得分別作為流速、長度及過余溫度的標(biāo)尺，得wt tt 0ul、2*2*00*2*2uuuuuuvgtlxyly 式中式中 。

21、進(jìn)一步化簡進(jìn)一步化簡可得可得*() /()wtttt*22*0*20u luugtluuvxyuy 式中第一個組合量式中第一個組合量 是是雷諾數(shù)雷諾數(shù)，第二個組合量可第二個組合量可改寫為（與雷諾數(shù)相乘）：改寫為（與雷諾數(shù)相乘）：0u l23020u lgtlgtlGru 稱為稱為格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)。 在物理上，在物理上， 數(shù)是數(shù)是浮升力浮升力/ /粘滯力粘滯力比值的一比值的一種量度。種量度。 數(shù)的增大表明浮升力作用的相對增大。數(shù)的增大表明浮升力作用的相對增大。 自然對流換熱準(zhǔn)則方程式為自然對流換熱準(zhǔn)則方程式為GrGrGr(,Pr)Nuf Gr 自然對流換熱可分成自然對流換熱可分成大空間大空間

22、和和有限空間有限空間兩類。兩類。 大空間自然對流：大空間自然對流：流體的冷卻和加熱過程互流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊界層不受干擾。不影響，邊界層不受干擾。如圖兩個熱豎壁如圖兩個熱豎壁。底部封閉，只要。底部封閉，只要 底部開口時，只要底部開口時，只要 壁面換熱就壁面換熱就可按大空間自然對流處理可按大空間自然對流處理。（大空間的相對。（大空間的相對性）性）/0.28;a H/0.01,b H工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式：工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式：對于符合理想氣體性質(zhì)的氣體，體脹系數(shù)：對于符合理想氣體性質(zhì)的氣體，體脹系數(shù)： ，對，對于實(shí)際氣體，可查熱物性表。于實(shí)際氣體，可查熱物性表。 T

23、V1(Pr)nNuC Gr()/2mwttt；式中：式中：定性溫度定性溫度采用采用23mVcvtglGrm為流體在特征溫度為流體在特征溫度tm下的運(yùn)動粘度，下的運(yùn)動粘度，m2/s；t= =tw- -t；特征長度特征長度的選擇：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。的選擇：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。常數(shù)常數(shù)C C和和n n的值見下表的值見下表。 注：注：豎圓柱按上表與豎壁用同一個關(guān)聯(lián)式只限豎圓柱按上表與豎壁用同一個關(guān)聯(lián)式只限于以下情況：于以下情況：1/ 435HdHGr特征尺寸：特征尺寸：高度高度H特征尺寸特征尺寸:外徑外徑dH式中：定性溫度取平均溫度式中：定性溫度取平均溫度 ，特征長度對矩

24、，特征長度對矩形取短邊長。形取短邊長。 對于對于常熱流常熱流邊界條件下的自然對流，往往邊界條件下的自然對流，往往采用下面方便的專用形式：采用下面方便的專用形式：*(Pr)mNuB Gr4*2gqlGrGrNumt 按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。這里流動比較復(fù)雜，不能套用層流及湍流的分類。這里流動比較復(fù)雜，不能套用層流及湍流的分類。 這里僅討論這里僅討論如圖所示如圖所示的的豎豎的和的和水平水平的兩種的兩種封閉夾層封閉夾層的的自然對流換熱自然對流換熱，而且推薦的冠軍事，而且推薦的冠軍事僅局限于氣體夾層。僅局限于氣體夾層。 12()wwtt封閉夾層示意圖封閉

25、夾層示意圖 夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度 為特征長度的為特征長度的 數(shù)：數(shù)： 當(dāng)當(dāng) 極低極低時換熱依靠純時換熱依靠純導(dǎo)熱導(dǎo)熱： 對于對于豎直夾層豎直夾層，當(dāng)，當(dāng) 對于對于水平夾層水平夾層，當(dāng)，當(dāng)Gr32gtGrGr2860Gr2430Gr。 另：另：隨著隨著 的提高，會依次出現(xiàn)向的提高，會依次出現(xiàn)向?qū)恿魈卣鬟^層流特征過渡的流動（環(huán)流）、渡的流動（環(huán)流）、層流特征的流動、層流特征的流動、湍流特征湍流特征的流動。的流動。 對對豎夾層豎夾層，縱橫比，縱橫比 對換熱有一定影對換熱有一定影響。響。Gr/H一般關(guān)聯(lián)式為一般關(guān)聯(lián)式為(Pr)mnHNuC Gr對

26、于對于豎空氣豎空氣夾層，推薦以下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：夾層，推薦以下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：1/91/40.197(Pr),HNuGr1/91/30.073(Pr),HNuGr35(8.6 10 2.9 10 )Gr57(2.9 10 1.6 10 )Gr式中：式中：定性溫度定性溫度均為均為 數(shù)中的數(shù)中的特特征長度征長度均為均為 。 對于對于水平空氣夾層水平空氣夾層，推薦以下關(guān)聯(lián)式：，推薦以下關(guān)聯(lián)式：1/40.212(Pr),NuGr451 10 4.6 10Gr 1/30.061(Pr) ,NuGr54.6 10Gr12()/2,wwttRe 實(shí)際上，除了自然對流外，夾層中還實(shí)際上，除了自然對流外，夾層中還有輻射

27、換熱，此時通過夾層的換熱量應(yīng)是有輻射換熱，此時通過夾層的換熱量應(yīng)是兩者之和。兩者之和。/11 42H。/H對對豎空氣夾層豎空氣夾層， 的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍 在在對流換熱對流換熱中有時需要既考慮強(qiáng)制對中有時需要既考慮強(qiáng)制對流亦考慮自然對流考察流亦考慮自然對流考察浮升力與慣性力的浮升力與慣性力的比值比值3222 22RegtlGru l2/Re0.1Gr 時，自然對流的影響不能忽略；時，自然對流的影響不能忽略；一般認(rèn)為，一般認(rèn)為， 而而 時，強(qiáng)制對流的影響相對時，強(qiáng)制對流的影響相對于自然對流可以忽略不計。于自然對流可以忽略不計。 自然對流對總換熱量的影響低于自然對流對總換熱量的影響低于10

28、10的作為的作為純強(qiáng)制對流；純強(qiáng)制對流； 強(qiáng)制對流對總換熱量的影響低于強(qiáng)制對流對總換熱量的影響低于1010的作為的作為純自然對流；純自然對流；這兩部分都不包括的中區(qū)域?yàn)榛旌蠈α?。這兩部分都不包括的中區(qū)域?yàn)榛旌蠈α鳌?/Re10Gr 上圖為流動分區(qū)圖。其中上圖為流動分區(qū)圖。其中 數(shù)根據(jù)管內(nèi)徑數(shù)根據(jù)管內(nèi)徑及及 計算。定性溫度為計算。定性溫度為Grdwfttt ()/2mwfttt。式中：式中： 為混合對流時的為混合對流時的 數(shù)，而數(shù)，而 、 則為按給定條件分別用強(qiáng)制對流及自然對流準(zhǔn)則式則為按給定條件分別用強(qiáng)制對流及自然對流準(zhǔn)則式計算的結(jié)果。計算的結(jié)果。混合對流的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式這里不討論?；旌蠈α鞯膶?shí)驗(yàn)

29、關(guān)聯(lián)式這里不討論。推薦一個簡單的推薦一個簡單的估算方法估算方法： nnnMFNNuNuNuMNuNuFNuNNu兩種流動方向相同時取正號，相反時取負(fù)號。兩種流動方向相同時取正號，相反時取負(fù)號。n之值常取為之值常取為3 3。第三節(jié)第三節(jié) 蒸氣凝結(jié)換熱蒸氣凝結(jié)換熱膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)：如果能夠濕潤，蒸汽就在壁面上形成一層液膜如果能夠濕潤，蒸汽就在壁面上形成一層液膜并受重力作用而向下流動，稱為膜狀凝結(jié)。并受重力作用而向下流動，稱為膜狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)：當(dāng)冷凝液體不能濕潤冷卻壁面時當(dāng)冷凝液體不能濕潤冷卻壁面時, ,它就在冷表面它就在冷表面上形成小液滴上形成小液滴, ,飽和蒸氣在這些液滴上凝結(jié)飽和蒸氣

30、在這些液滴上凝結(jié), ,使液滴形成半徑使液滴形成半徑愈來愈大的液珠。當(dāng)液珠的重力大于其對壁面的附著力時愈來愈大的液珠。當(dāng)液珠的重力大于其對壁面的附著力時, ,液液珠便脫離凝結(jié)核心而沿壁面滾下。這些滾下的液珠沖掉了沿珠便脫離凝結(jié)核心而沿壁面滾下。這些滾下的液珠沖掉了沿途所有的液滴途所有的液滴, ,于是蒸氣又在這些裸露的冷壁面上重新在凝結(jié)于是蒸氣又在這些裸露的冷壁面上重新在凝結(jié)核心處形成小液滴。這稱之為珠狀凝結(jié)。核心處形成小液滴。這稱之為珠狀凝結(jié)。 珠狀凝結(jié)存在著裸露的表面，所以，其對流換熱系數(shù)珠狀凝結(jié)存在著裸露的表面，所以，其對流換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)大。比膜狀凝結(jié)大。 (1) (1)膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)

31、 定義：定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。稱膜狀凝結(jié)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，卻壁面上， 此時液膜成為主要的換熱此時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：定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。 特

32、點(diǎn)：特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即凝結(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，在其它條件相同時，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)魉裕谄渌鼦l件相同時，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?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)的傳熱系數(shù)。 gswtt凝結(jié)換熱的凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn) 凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)狀凝結(jié) 冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻 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)換熱的因素影響膜狀凝結(jié)換熱的因素膜狀凝結(jié)分析解

33、及關(guān)聯(lián)式膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式 1 1、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解、純凈蒸汽層流膜狀凝結(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)移只有導(dǎo)熱；有導(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）液膜表面平整無波動）液膜表面平整無波動根據(jù)以上根據(jù)以上 9 9 個假設(shè)從邊界層微分方程組推出努個假設(shè)從邊界層微分方程組

34、推出努塞爾的簡化方程組，從而保持對流換熱理論的塞爾的簡化方程組，從而保持對流換熱理論的統(tǒng)一性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動和換熱符合統(tǒng)一性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。邊界層的薄層性質(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，如圖所示。圖所示。 在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為微分方程組為 ：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下腳標(biāo)下腳標(biāo) l l 表示液相表示液相考慮假定（考慮假定（3 3）液膜的慣性力忽略）液膜的慣性力忽略 2222)(0ytaytvx

35、tuyugdxdpyuvxuuyvxullll0)(yuvxuul考慮假定（考慮假定（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度0dxdp0ytvxtu002222ytayuglll 只有只有u u 和和 t t 兩個未知量，于是，上面得方兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為：程組化簡為： 考慮假定（考慮假定（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)移只有導(dǎo)熱轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱邊界條件：邊界條件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0時，時，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注

36、意：注意：r r 按按 t ts s 確定確定(2) (2) 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1 / 423llxlswgrh4( tt)x sw( tttC )整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) 定性溫度：定性溫度：2wsmttt注意：注意：r r 按按 t ts s 確定確定(3) (3) 修正：修正：實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高2020左右左右1/ 423llVlswgrh1.13

37、l(tt ) 修正后：修正后：（4 4）當(dāng)是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，）當(dāng)是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為： 1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 水平管：水平管：球：球：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：4177. 0 dlhhVH2 2 膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài)膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài) 凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時仍然時ReRe，elduRe式中：式中： u ul l 為為 x =

38、 lx = 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。20Re 1600Rec無波動層流無波動層流有波動層流有波動層流湍流湍流Hecd4A / P4b/ b4如圖如圖由熱平衡由熱平衡所以所以bquml44RemwsqAtth)(Htthws)(4ReHbA 式中：式中：qm為液膜流動截面的質(zhì)量流量，為液膜流動截面的質(zhì)量流量，kg/s； 為汽化潛熱，由飽和溫度為汽化潛熱，由飽和溫度ts查取，查取，J/kg豎壁層流膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：豎壁層流膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：413213. 1wsVttHgh式中：特性溫度取式中：特性溫度取

39、； 為凝結(jié)液熱導(dǎo)率，為凝結(jié)液熱導(dǎo)率，W/(m.k);對于對于豎管壁豎管壁，也可采用上式計算。，也可采用上式計算。)(21wsmttt當(dāng)是當(dāng)是水平圓管水平圓管上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：傳熱系數(shù)為： 水平管：水平管：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：u一般工程上管子長度比外徑要大得多，及橫管的平一般工程上管子長度比外徑要大得多，及橫管的平均對流傳熱系數(shù)要比豎管大，故冷凝器通常采用橫均對流傳熱系數(shù)要比豎管大，故冷凝器通常采用橫管布置。管布置。410644. 0dHhhVH41032728. 0wsHttdgh3 3 湍流膜狀凝結(jié)

40、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，液膜由層流轉(zhuǎn)時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髯優(yōu)槲闪?； （ 2 2 ）橫管均在層流范圍內(nèi)，因?yàn)楣軓捷^小。）橫管均在層流范圍內(nèi)，因?yàn)楣軓捷^小。 特征特征 : :對于紊流液膜，熱量的傳遞：（對于紊流液膜，熱量的傳遞：（ 1 1 ）靠近壁）靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（ 2 2 ）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因?qū)恿鞯讓右酝獾奈闪鲗右晕闪鱾鬟f的熱量為主。因此，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

41、。 計算方法計算方法：對于對于豎壁湍流膜狀換熱豎壁湍流膜狀換熱，沿整個，沿整個壁面上的壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ccltxxhhh1ll式中：式中：h hl l為層流段的傳熱系數(shù)；為層流段的傳熱系數(shù)；h ht t為湍流段的傳熱系數(shù)；為湍流段的傳熱系數(shù)； x xc c為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點(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，整理的利用上面思想，整理的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中：式中： 。除。除 用壁溫用壁溫 計算外，其余物理量的定

42、性溫度均為計算外，其余物理量的定性溫度均為N uhl /;32Gagl/wPrwtst。影響膜狀凝結(jié)的因素影響膜狀凝結(jié)的因素 工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因素的影響。種因素的影響。1. 1. 不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體 不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下 降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力t 。h2. 2. 蒸氣流速蒸氣流速 流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生粘滯應(yīng)力。流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生粘滯應(yīng)力。 如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，如

43、果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 減小。減小。h 4. 4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性液膜過冷度及溫度分布的非線性 如果考慮過冷度及溫度分布的實(shí)際情況，要用下式代如果考慮過冷度及溫度分布的實(shí)際情況，要用下式代替計算公式中的替計算公式中的 ， 5. 5. 管子排數(shù)管子排數(shù) 管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(jié)換熱。管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(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。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 ( tt) 3. 3. 過熱蒸氣過熱蒸氣 要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。要考慮過熱

44、蒸氣與飽和液的焓差。 6. 6. 管內(nèi)冷凝管內(nèi)冷凝 此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。 蒸氣流速低蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于 管子上半部。管子上半部。 流速較高流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子 四周，中心為蒸氣核。四周，中心為蒸氣核。 7. 7. 凝結(jié)表面的幾何形狀凝結(jié)表面的幾何形狀 強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度。上的液膜的厚度。 可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉可用各種帶有尖峰的表

45、面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉。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：沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化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。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 ）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。無相變的換

46、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)制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）強(qiáng)制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）上述每種又分為上述每種又分為過冷沸騰過冷沸騰和和飽和沸騰飽和沸騰。產(chǎn)生沸騰的條件：產(chǎn)生沸騰的條件： 理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生沸騰的條件：理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生沸騰的條件： 1 1）液體必須過熱；）液體必須過熱； 2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 1 1 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：定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸

47、騰。沸騰稱為大容器沸騰。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進(jìn)入容器產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進(jìn)入容器空間。空間。 （2 2）飽和沸騰）飽和沸騰 定義：定義：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度液體主體溫度達(dá)到飽和溫度 ，壁面溫度，壁面溫度 高于飽和高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。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 個換熱規(guī)律全然個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。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，壁面溫度指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫

48、度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。 （4 4）大容器飽和沸騰曲線：）大容器飽和沸騰曲線： 熱流密度熱流密度q隨過熱度隨過熱度t= =tw-ts的變化關(guān)系。的變化關(guān)系。 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個換熱規(guī)個換熱規(guī)律不同的階段：律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和和穩(wěn)定膜穩(wěn)定膜態(tài)沸騰態(tài)沸騰，如圖所示：，如圖所示：qmaxqmin如圖如圖 6-11 6-11 所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對數(shù)坐標(biāo)）；縱所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對數(shù)坐標(biāo)）；縱坐標(biāo)為熱流密度（算術(shù)密度）。坐標(biāo)

49、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)段從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段、將整個曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下：將整個曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下： 1 1 ）單相自然對流段（液面汽化段）單相自然對流段（液面汽化段） 壁面過熱度小時（圖中壁面過熱度小時（圖中 ）沸騰尚未開始，換熱）沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律。服從單相自然對流規(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)上開始出現(xiàn)的上升，在加熱面的一些特定點(diǎn)上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點(diǎn)稱為起始沸點(diǎn)。其汽化

50、核心，并隨之形成汽泡，該特定點(diǎn)稱為起始沸點(diǎn)。其特點(diǎn)是：特點(diǎn)是： t開始階段開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為孤孤立汽泡區(qū)；立汽泡區(qū)； 隨著隨著 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，稱為增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響相互影響區(qū)。區(qū)。 t隨著隨著 的增大，的增大， q q 增大，當(dāng)增大，當(dāng) 增大到一定值時，增大到一定值時， q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為作用，則稱該段為核態(tài)沸騰

51、（泡狀沸騰）。核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。 t 其特點(diǎn)其特點(diǎn)：溫壓小，換熱強(qiáng)度大，其終點(diǎn)的熱流密度溫壓小，換熱強(qiáng)度大，其終點(diǎn)的熱流密度 q q 達(dá)達(dá)最大值最大值 。工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用該段。工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用該段。 t 3 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 q 減小；當(dāng)減?。划?dāng) 增增大到一定值時，熱流密度減小到大到一定值時，熱流密度減小到 ，這一階段稱為，這一階段稱為過渡過渡沸騰沸騰。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過程。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過程。 tminq原因：原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡

52、聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使除過程惡化，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 開始，隨著開始，隨著 的上升，氣泡生長速的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使使 上升時，熱流密度上升時，熱流密度 q q 上升，此階段稱為上升，此階段稱為穩(wěn)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。定膜態(tài)沸騰。 minqtt 其特點(diǎn)：其特點(diǎn)：（ 1 1 ）汽膜中的熱量傳

53、遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對流；）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對流； （ 2 2 ）輻射熱量隨著）輻射熱量隨著 的加大而劇增，使熱流密度大的加大而劇增，使熱流密度大大增加；大增加； （ 3 3 ）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn)：前者熱量必）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn)：前者熱量必須穿過熱阻大須穿過熱阻大 的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜。對較小的液膜。 幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明：（1 1）上述熱流密度的峰值）上述熱流密度的峰值q qmaxmax 有重大意義，稱為有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)

54、轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNBDNB作為監(jiān)視接近作為監(jiān)視接近q qmaxmax的警戒。這一點(diǎn)對的警戒。這一點(diǎn)對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重?zé)崃髅芏瓤煽睾蜏囟瓤煽氐膬煞N情況都非常重要。要。（2 2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘仨毚┻^的是熱）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘仨毚┻^的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。2 2 汽化核心的分析汽化核心的分析 (1) (1) 汽泡的成長過程汽泡的成長過程 實(shí)驗(yàn)表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在實(shí)驗(yàn)表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個加熱面上，這些加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡

55、的點(diǎn)被稱為產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化核心汽化核心，較普遍的看法，較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。好的汽化核心，如圖所示。(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必須滿足下列條件才能存活必須滿足下列條件才能存活( (克拉貝龍克拉貝龍方程方程) )(2minswvsttrTRR式中：式中： 表面張力，表面張力，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 對應(yīng)壓力下的飽和溫度，對應(yīng)壓力下的飽和溫度， C可見，可見， (t(

56、tw w t ts s ) ) , R , Rminmin 同一加熱面上，稱為汽化同一加熱面上，稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心數(shù)增加汽化核心數(shù)增加 換熱增強(qiáng)換熱增強(qiáng)沸騰換熱計算沸騰換熱計算式式 沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用牛頓冷卻公式仍然適用，即，即thtthqsw)(但對于沸騰換熱的但對于沸騰換熱的h h卻又許多不同的計算公式卻又許多不同的計算公式大容器飽和核態(tài)沸騰大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數(shù)，而影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓

57、力等因素的支配，汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了個計算公式分歧所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是：較大。目前存在兩種計算是：（ 1 1 ）針對一種液體的計算公式；）針對一種液體的計算公式； （ 2 2 ）廣泛適用于各種液體的計算式；）廣泛適用于各種液體的計算式； （1 1）適用于水的米海耶夫計算式）適用于水的米海耶夫計算式 Pa6510410 在在 壓力下大容器飽和沸騰計算式：壓力下大容器飽和沸騰計算式： 5 . 033. 21448. 0pth按按 thq15. 07 . 056. 0pqh （2

58、2 ）適用于各種液體的計算式）適用于各種液體的計算式: : 既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，Nu = f ( Re, Pr )Nu = f ( Re, Pr )也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式下，通過大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：33. 0)(PrvllwlslplgrqCrtc上式可以改寫為：上式可以改寫為：321Pr)(slwlplvlCtCgq 對于制冷介質(zhì)而言，以下的對于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀（庫珀（CooperCooper）公）公式式目前得到廣泛的應(yīng)用：目前得到廣泛的應(yīng)用： mprmr