《熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)》課件13第十三章 對(duì)流換熱

第十三章

對(duì)流換熱學(xué)習(xí)導(dǎo)引

本章主要介紹的是對(duì)流換熱的計(jì)算。牛頓冷卻公式提供了對(duì)流換熱換熱量的計(jì)算方法，通過它，定義了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而使復(fù)雜的對(duì)流換熱問題得以簡(jiǎn)化

最終的對(duì)流換熱問題集中于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取。關(guān)于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取，本文給出了不同情況下的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確了解每個(gè)方程式的適用范圍、物理量的具體含義，通過適當(dāng)?shù)剡x擇，最后計(jì)算出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，進(jìn)而求得對(duì)流換熱量。

學(xué)習(xí)要求

本章重點(diǎn)是掌握牛頓冷卻公式以及不同情況下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算，通過學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到以下要求：1.理解對(duì)流換熱的基本概念，了解對(duì)流換熱的過程及分類。2.理解牛頓冷卻公式的物理意義，會(huì)應(yīng)用牛頓冷卻公式計(jì)算流體與固體壁面間的對(duì)流換熱量。3.理解表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的定義和物理意義，了解影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素。4.了解主要的無因次準(zhǔn)數(shù)的含義，并掌握其計(jì)算方法。5.了解常見的無相變和有相變對(duì)流換熱的換熱特征，能正確選用合適的公式進(jìn)行對(duì)流換熱的定量計(jì)算。6.了解影響凝結(jié)換熱和沸騰換熱的因素。本章難點(diǎn)1.對(duì)流換熱過程的分析比較抽象，較難理解。學(xué)習(xí)中結(jié)合對(duì)流換熱的流動(dòng)狀況和溫度分布圖會(huì)有較為直觀的理解。2.無因次準(zhǔn)數(shù)的含義比較抽象，較難理解。學(xué)習(xí)中應(yīng)重點(diǎn)掌握無因次準(zhǔn)數(shù)的計(jì)算方法。3.應(yīng)用準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式求解表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)需要一定的技巧，有一定的難度。應(yīng)注意公式的適用范圍，定性溫度和特征尺寸的選取，并應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強(qiáng)練習(xí)。

第一節(jié)

對(duì)流換熱概念及牛頓冷卻公式

1.熱對(duì)流

熱對(duì)流只發(fā)生在流體之中，總是與流體運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，并受到流體運(yùn)動(dòng)的影響。

由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，致使冷、熱流體相互摻混而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。

一、對(duì)流換熱的概念

自然對(duì)流

由于流體中各部分的密度不同而引起。

強(qiáng)制對(duì)流

就引起的流動(dòng)原因而論，對(duì)流可分為:

熱對(duì)流如電冰箱冷凝器和房間暖氣片等換熱設(shè)備表面冷、熱空氣的流動(dòng)。流體的流動(dòng)由動(dòng)力機(jī)械的作用造成。

如水泵驅(qū)動(dòng)空調(diào)裝置中的冷媒水流體的熱對(duì)流總是伴隨著導(dǎo)熱。

2.對(duì)流換熱

流體與固體壁之間既直接接觸又相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱量傳遞過程稱為對(duì)流換熱。

對(duì)流換熱是由熱對(duì)流和導(dǎo)熱共同作用的復(fù)合換熱形式。

對(duì)流換熱分類:

按流體流動(dòng)原因分為

強(qiáng)制對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱

按流體是否有相變分為

相變對(duì)流換熱

無相變對(duì)流換熱

凝結(jié)換熱

沸騰換熱

如空氣掠過房間空調(diào)器對(duì)流換熱無相變

有相變

內(nèi)部流動(dòng)外部流動(dòng)

強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱

管內(nèi)凝結(jié)換熱

管外凝結(jié)換熱

凝結(jié)換熱

沸騰換熱

對(duì)流換熱非圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱

流體流過平板的對(duì)流換熱

流體流過圓管束的對(duì)流換熱

流體流過單根圓管的對(duì)流換熱

有限空間的自然對(duì)流換熱大空間的自然對(duì)流換熱管內(nèi)的沸騰換熱

大容器的沸騰換熱

二、對(duì)流換熱過程分析

當(dāng)流體在管內(nèi)湍流時(shí)，在傳熱方向上截取一截面A-A，各層界面處的溫度變化為:

tht

h

tw1

tw2

t

c

tc

湍流主體的傳熱以熱對(duì)流為主；

緩沖層的傳熱以導(dǎo)熱和熱對(duì)流進(jìn)行;

層流底層的傳熱以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行。

因此，對(duì)流換熱的熱阻主要集中在流體的層流底層內(nèi)，減薄層流底層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流換熱的主要途徑。

該層溫差很大,熱阻也大流體在管內(nèi)湍流時(shí),其流動(dòng)狀況由層流內(nèi)層、緩沖層和湍流主體組成三、牛頓冷卻公式由牛頓1702年提出，是用于對(duì)流換熱量的計(jì)算公式。

或

:熱流量，W；A:換熱面積，m2；h:表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2

K）；△t:對(duì)流換熱溫差，△t=tw-tf，℃;RW:對(duì)流換熱熱阻，RW

=1/hA，K/W;R:單位面積對(duì)流換熱熱阻，R

=1/h，m2

K/Wtf流體平均溫度表明：

對(duì)流換熱量

與壁面換熱面積A及流體與壁面之間的溫度差Dt成正比；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h表明了當(dāng)流體與壁面間的溫差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱流量。

表13-1表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大致范圍W/（m2

K）

牛頓冷卻公式將影響對(duì)流換熱的諸多復(fù)雜因素，歸結(jié)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)這一參數(shù)，對(duì)流換熱研究的核心也就歸結(jié)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求解。

牛頓冷卻公式對(duì)流換熱方式h對(duì)流換熱方式h空氣自然對(duì)流5～12高壓水蒸氣強(qiáng)制對(duì)流500～3500空氣強(qiáng)制對(duì)流12～100水沸騰600～50000水自然對(duì)流200～1000蒸汽膜狀凝結(jié)4500～18000水強(qiáng)制對(duì)流1000～15000蒸汽珠狀凝結(jié)45000～140000四、影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的主要因素1.流體流動(dòng)的起因

影響流體的速度分布

。2.流體的流動(dòng)狀態(tài)及流速的影響

一般來說，強(qiáng)制對(duì)流的流速比自然對(duì)流高，因而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也高。

如空氣的流動(dòng)同一流態(tài)，流體流速增加時(shí)，傳熱速率加快。

層流底層內(nèi)以導(dǎo)熱傳熱外，湍流主體以熱對(duì)流傳熱為主，h大，對(duì)流換熱效果好。熱量傳遞主要為垂直于流動(dòng)方向的導(dǎo)熱，h的大小取決于流體的熱導(dǎo)率。

層流湍流

3.流體的物理性質(zhì)

密度

越大，流體與壁面間的熱阻就越小，換熱就越強(qiáng)烈；

比定壓熱容cp

熱導(dǎo)率

、cp越大，單位質(zhì)量攜帶的熱量越多，傳熱能力越大；

動(dòng)力黏度

影響因素

越大，黏滯力越大，加大了層流底層的厚度，不利于對(duì)流換熱。

4.流體有無相變有相變時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比無相變時(shí)的大。

有相變時(shí)，流體吸收或放出潛熱，對(duì)流換熱要?jiǎng)×业枚唷?/p>

影響因素?zé)o相變時(shí)，流體顯熱變化實(shí)現(xiàn)對(duì)流換熱。

沸騰換熱

凝結(jié)換熱

沸騰時(shí)液體中汽泡的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)增加了液體內(nèi)部的擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了對(duì)流換熱。

5.換熱表面的幾何因素

換熱表面的形狀、大小、狀況（光滑或粗糙程度）以及相對(duì)位置等幾何因素影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對(duì)流換熱的果。

影響因素?zé)崦娉蠚饬鲾_動(dòng)比較激烈，換熱強(qiáng)度大

第二節(jié)

流體無相變時(shí)的對(duì)流換熱計(jì)算

流體無相變時(shí)對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可表示為經(jīng)分析，可得流體無相變時(shí)對(duì)流換熱的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為

一、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式將各影響因素經(jīng)過分析組成若干個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)

表13-2準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)和含義表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式符號(hào)名稱公式含義Nu

努塞爾數(shù)

表示對(duì)流換熱的強(qiáng)弱，是被決定準(zhǔn)數(shù)，包含待定的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

Re

雷諾數(shù)

表示流體的流動(dòng)類型

Pr

普朗特?cái)?shù)

表示流體的物性影響

Gr

格拉曉夫數(shù)

表示由于溫度差而引起的自然對(duì)流的影響

其中△t

流體與壁面之間溫度差，℃；l

換熱器換熱表面的特征尺寸，如管內(nèi)徑、外徑或平板高度等，m；

V

流體的體積膨脹系數(shù)，K-1，對(duì)于理想氣體：Tm

理想氣體的定性溫度，K。由表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式對(duì)自然對(duì)流其指數(shù)函數(shù)形式為

上式稱為準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，其中C、m、n為常數(shù)，均由不同情況時(shí)的具體條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定后，再由該式計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。對(duì)強(qiáng)制對(duì)流升力的影響較大，Re的影響可忽略

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式1.應(yīng)用范圍2.定性溫度在使用準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h時(shí)，必須注意:

即建立準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式時(shí)的實(shí)驗(yàn)范圍，一般指Re、Pr、Gr的數(shù)值范圍，使用時(shí)不能超出該范圍。

確定準(zhǔn)數(shù)中流體物性所依據(jù)的溫度就是定性溫度。其確定方法不盡相同。

3.特征尺寸

對(duì)對(duì)流換熱有顯著影響的幾何尺寸，在建立準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式時(shí)就定為特征尺寸。

如管內(nèi)徑、當(dāng)量直徑等二、管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算常用的強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式如下表，可在計(jì)算時(shí)選用。1.流體在圓形管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式流型準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式適用范圍定性溫度特征尺寸湍流Nu=0.023Re0.8Prn

（13-6）流體被加熱時(shí)，n＝0.4流體被冷卻時(shí),n＝0.3(1)流體與壁面的溫差較小，一般氣體與壁面溫差不超過50℃；水與壁面溫差不超過30℃；油類溫差不超過10℃(2)104＜Re＜1.2

105(3)0.7＜Pr＜120(4)≥60

流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值

換熱管的內(nèi)徑

di

（13-7）

(1)流體與壁面的溫差較大(2)Re＞104(3)0.7＜Pr＜16700(4)≥60

μw為壁面溫度下的黏度，其余物理量用流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值

層流

（13-8）不考慮自然對(duì)流的影響

(1)Re＜2300(2)0.48＜Pr＜16700(3)0.0044＜＜9.75(4)≥2

μw為壁面溫度下的黏度，其余物理量用流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值

管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

其它關(guān)聯(lián)式中出現(xiàn)的修正項(xiàng)，可以采用如下方法做近似處理：

2.表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算的修正（1）流體溫度的不均勻性對(duì)物性影響的修正

流體被加熱和被冷卻時(shí)，Pr的指數(shù)n分別取0.4和0.3。

液體被加熱時(shí)，

液體被冷卻時(shí)，

氣體無論被加熱還是被冷卻，

Nu=0.023Re0.8Prn

如上表管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

上兩式要求L/di≥60

;當(dāng)L/di＜60時(shí)，可將由上兩式計(jì)算所得的Nu乘以短管效應(yīng)修正系數(shù)

L進(jìn)行修正。

（2）換熱管入口效應(yīng)的修正

Nu=0.023Re0.8Prn

管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

將Re=2300～10000時(shí)作為流體處于管內(nèi)過渡區(qū)流動(dòng)。此時(shí)，可先按湍流時(shí)的公式確定，再將計(jì)算所得的結(jié)果乘以過渡區(qū)修正系數(shù)

，即可獲得h。（3）流體在管內(nèi)流動(dòng)處于過渡區(qū)時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的確定

管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

此時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比起在直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)有所提高。可先按直管計(jì)算后再乘以彎管修正系數(shù)

R即可獲得h

。

（4）流體在彎管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正

對(duì)氣體

對(duì)液體

R:彎管的彎曲半徑，m；

di:管內(nèi)徑，m。管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

仍可用圓形管的公式，一般情況下，只是將特征尺寸用流體阻力計(jì)算中的水力當(dāng)量直徑de代替內(nèi)徑即可。

（5）流體在非圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)確定有些資料中規(guī)定了一些關(guān)聯(lián)式采用傳熱當(dāng)量直徑de′:

究竟采用哪個(gè)當(dāng)量直徑，需要根據(jù)具體的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式來確定。將準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式中的管內(nèi)徑改用當(dāng)量直徑為近似方法

管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的較精確計(jì)算步驟

（1）根據(jù)已知條件，選取適當(dāng)?shù)亩ㄐ詼囟群吞卣鞒叽?，查找相?yīng)的物性參數(shù)。

（2）先由已知條件計(jì)算Re，再根據(jù)Re值判斷管內(nèi)流體的流態(tài)。

（3）根據(jù)管內(nèi)的流態(tài)（層流、湍流或過渡區(qū)）和適宜范圍，選用相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。（4）由已知條件選取或計(jì)算有關(guān)的修正系數(shù)。（5）根據(jù)修正系數(shù)，得到修正后的Nu；（6）由Nu值求得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。

例13-1水流進(jìn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5m的直管，從tf′

25℃被加熱到tf〞

35℃。管內(nèi)徑di

20mm，水在管內(nèi)的流速為2m/s。求平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

三、管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算1.管束的排列方式

流體在管外強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)，常為:

垂直流過管束垂直流過單管工程上常用順排

叉排

在相同的雷諾數(shù)Re和管排數(shù)下，叉排管束的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h一般比順排時(shí)高，同時(shí)叉排的流動(dòng)阻力損失也比順排大。

2.管束表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響因素

管子的排數(shù)

管束排列方式

管間距

管徑管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算排列方式準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式適用范圍液體計(jì)算式對(duì)空氣或煙氣的簡(jiǎn)化式（Pr=0.7）

順排Nu=0.24Re0.63

Re=103～2

105，

Nu=0.018Re0.84Re=2

105～2

106

叉排Re=103～2

105

Nu=0.35Re0.6Nu=0.019Re0.84Re=2

105～2

106

3.管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

表13-4流體強(qiáng)制垂直流過管束的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式

管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算s1:與流向垂直的橫向管間距（m）；s2:與流向平行的縱向管間距（m）（見圖13-4）；Prw的定性溫度為管壁溫度；Nu、Re、Pr的定性溫度取流體在管束間的平均溫度，特征尺寸為管外徑；Re中的流速取值為流通截面最窄處的流速（管束中的最大流速）vmax。

管束和流體的具體情況不同，其準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式也不盡相同

排數(shù)1234568121620順排0.690.800.860.900.930.950.960.980.991.00叉排0.620.760.840.880.920.950.960.980.991.00

若管排數(shù)小于＜20，則求得的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h再乘以一個(gè)管排數(shù)修正系數(shù)

n。

表13-5管排數(shù)修正系數(shù)

n的值管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算表中各式的適用范圍是：管排數(shù)≥20，0.7＜Pr＜500。15°30°45°60°70°80°～90°順排0.410.700.830.940.971.00叉排0.410.530.780.940.971.00表13-6圓管管束沖擊角修正系數(shù)

的值

管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

對(duì)于管殼式換熱器，當(dāng)流向與管軸夾角

小于90

時(shí)，對(duì)應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h應(yīng)乘以沖擊角的修正系數(shù)

。流通截面最窄處的流速vmax的計(jì)算:

若管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算

叉排:

其斜向節(jié)距為:

＜＞若

順排:

v為流體進(jìn)入管束前的流速

對(duì)于流體沿軸向流過管束時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可采用管內(nèi)湍流換熱公式計(jì)算，但特征尺寸應(yīng)取當(dāng)量直徑de。

管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算不論管束是順排還是叉排，de值相同，皆為

式中A

為流道截面積，m2；

x

濕周，m。

例13-2某冷凝器為8排順排管束，管外徑d=40mm，s1/d

2，s2/d

3，空氣的平均溫度tf

20℃，空氣通過最窄截面的平均流速為vmax

10m/s，沖擊角

60

。試求空氣在管束中的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

四、自然對(duì)流換熱計(jì)算

流體自然對(duì)流換熱是指流體與固體壁面相接觸，由于兩者溫度不同，靠近壁面的流體受壁面溫度的影響，造成流體溫度和密度的改變，流體主體與固體壁面附近的流體間因存在密度的差異而形成浮力，結(jié)果導(dǎo)致固體壁面附近的流體上升（或下降）和流體主體的流體下降（或上升）的自然對(duì)流。

有限空間自然對(duì)流換熱

分為:大空間自然對(duì)流換熱如雙層玻璃窗之間的空氣層

1.大空間自然對(duì)流換熱

大空間自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)僅與Pr和Gr有關(guān)，其準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：

定性溫度tm為壁面溫度tw和流體溫度tf的平均值(將壁溫看作定值)。即式中，C和n是由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，其值由表13-7查取。

對(duì)于豎直圓柱，須滿足:≥否則上式中C取為0.686，n的值與豎直壁面的情況相同。

表13-7大空間自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式中的c和n值大空間自然對(duì)流換熱流動(dòng)情況示意圖層流湍流層流湍流層流湍流

層流

流態(tài)C和n值

熱面朝下或冷面朝上的水平壁

熱面朝上或冷面朝下的水平壁

水平圓柱

豎直平壁或豎直圓柱表面形狀及位置0.580.150.540.1250.480.851.020.10

0.59

C壁面高度H

104～109

1/4

109～1013

1/3

n105～10111/58

106～10111/3

矩形取兩個(gè)邊長(zhǎng)的平均值；非規(guī)則形取面積與周長(zhǎng)之比；圓盤取0.9d

2

104～8

1061/4107～10121/3104～1070.25102～1040.188圓柱外徑d

10-2～1020.148特征尺寸

適用范圍（GrPr）

有限空間的自然對(duì)流換熱是指在封閉的夾層內(nèi)由高溫壁向低溫壁的傳熱過程。

封閉夾層的幾何位置可分為豎直、水平及傾斜三種情況。

工程應(yīng)用中引入當(dāng)量熱導(dǎo)率

e，即將該換熱過程簡(jiǎn)化為按平壁導(dǎo)熱方式。

2.有限空間中的自然對(duì)流換熱t(yī)w1，tw2分別為熱面和冷面的平均溫度

有限空間自然對(duì)流換熱

當(dāng)量熱導(dǎo)率

e與流體的熱導(dǎo)率

的比值可用準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式表示為

定性溫度為；特征尺寸為夾層的厚度

；H為豎直夾層的高度；C、m、n為常數(shù)。

表13-8給出了流體為氣體時(shí)常見的幾種當(dāng)量熱導(dǎo)率準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。

對(duì)豎直夾層，當(dāng)

/H＞0.33時(shí)，按大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算。當(dāng)豎直夾層的Gr＜2000或水平夾層熱面在上時(shí)，按導(dǎo)熱過程處理，即

e

。

表13-8有限空間氣體自然對(duì)流當(dāng)量熱導(dǎo)率準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式有限空間自然對(duì)流換熱2×105＜GrPr＜1.1×107

6000＜GrPr＜2×105

豎直夾層

適用范圍

關(guān)聯(lián)式

夾層位置

7000＜GrPr＜3.2×105=0.212(GrPr)1/4

1700＜GrPr＜7000=0.059(GrPr)0.4

水平夾層（熱面在下）

1708＜GrPrcos

＜5900傾斜夾層（熱面在下與水平夾角為

）

GrPr＞3.2×105=0.061(GrPr)1/3

9.23×104＜GrPrcos

＜106=0.157(GrPrcos

)0.2855900＜GrPrcos

＜9.23×104=0.229(GrPrcos

)0.252

例13-3有一根放置在空氣中冷卻的水平管道，外徑為0.1m，外表面溫度tw為170℃，溫度為30℃空氣在管外作自然對(duì)流，試求單位管長(zhǎng)的熱損失。

例13-4冷、熱兩個(gè)豎直壁面之間夾層的厚度為25mm，高度為500mm，熱壁面的溫度為15℃，冷壁面的溫度為-15℃，求夾層之間空氣的當(dāng)量熱導(dǎo)率及單位面積的傳熱量。

第三節(jié)流體有相變時(shí)對(duì)流換熱

膜狀凝結(jié)1.蒸汽凝結(jié)的兩種方式珠狀凝結(jié)

一、凝結(jié)換熱

高強(qiáng)度換熱

蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面相接觸時(shí)，就會(huì)放出汽化潛熱，凝結(jié)成液體附著在壁面上。此現(xiàn)象即為凝結(jié)換熱。

如果凝結(jié)液能夠很好地潤(rùn)濕壁面，就會(huì)在壁面上形成連續(xù)的液體膜，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)。

膜狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)主要取決于凝結(jié)液的性質(zhì)和液膜的厚度。

膜狀凝結(jié)液膜越厚，其熱阻越大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也越小

蒸汽凝結(jié)潛熱以導(dǎo)熱的方式通過液膜到達(dá)壁面，液膜幾乎集中了凝結(jié)換熱的全部熱阻。

工業(yè)冷凝器的設(shè)計(jì)均以膜狀凝結(jié)換熱為計(jì)算依據(jù)。冷壁

珠狀凝結(jié)

如果凝結(jié)液不能很好地潤(rùn)濕壁面，則因表面張力的作用將凝結(jié)液在壁面上集聚為許多小液珠，并隨機(jī)地沿壁面落下，這種凝結(jié)稱為珠狀凝結(jié)。

其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)比膜狀凝結(jié)時(shí)的大，有時(shí)大到幾倍甚至幾十倍

。

珠狀凝結(jié)時(shí)蒸汽不必通過液膜的附加熱阻，而直接在傳熱面上凝結(jié)

（1）豎直平壁表面的膜狀凝結(jié)換熱

凝結(jié)液膜作層流（Re＜1600）運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)豎直平壁表面膜狀凝結(jié)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為

2.膜狀凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算上式中除r外，其余物性參數(shù)都按凝結(jié)液膜的平均溫度確定。

:凝結(jié)液密度，kg/m3；

:凝結(jié)液熱導(dǎo)率，W/（mK）；ts:冷凝溫度，℃；tw

:壁面溫度，℃；H:壁面高度，m；r

:汽化潛熱，由飽和溫度查取，J/kg。（2）水平圓管外表面的膜狀凝結(jié)換熱

水平管外的凝結(jié)比豎管更為有利。當(dāng)L/d

50時(shí)，水平管的平均凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比豎管高出一倍。因此，冷凝器通常采用水平管。

由于管徑一般不很大，蒸汽在水平圓管外膜狀凝結(jié)液膜一般為層流，其平均凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可按下式計(jì)算

d:圓管外徑

（3）水平管束外的膜狀凝結(jié)換熱

蒸汽在管束外凝結(jié)時(shí)，上排管的凝結(jié)液會(huì)部分地落到下排管上去，使下排管的凝結(jié)液膜增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；但由于液滴下落時(shí)的沖擊、擾動(dòng)，又會(huì)使下排管的凝結(jié)液膜產(chǎn)生紊動(dòng)，使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)回升。

水平管束外凝結(jié)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為

式中nm

豎直方向上的平均管排數(shù)。nm的取值與管子的排列方式有關(guān)

對(duì)于順排管束，水平方向上各列管子在豎直方向上的排數(shù)相同，令為n，則

對(duì)于叉排管束，若水平方向有z列管子，各列管子在豎直方向的排數(shù)不相等，分別為n1、n2、

、nz，則平均管排數(shù)按下式計(jì)算水平管束外的膜狀凝結(jié)換熱nm

n

以上討論的是純飽和蒸汽在靜止或流速影響可忽略不計(jì)的情況下凝結(jié)換熱的計(jì)算，工程實(shí)際中還應(yīng)考慮:

（1）蒸汽的流速和流向

3.影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素

蒸汽流速較大（介于10～25m/s）時(shí)，若蒸汽與液膜流動(dòng)方向一致，液膜將加速變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；當(dāng)流動(dòng)方向相反時(shí)，液膜將減速增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。以水蒸氣膜狀凝結(jié)為例，一般認(rèn)為:

蒸汽流速小于10m/s時(shí)，流速對(duì)傳熱影響很小，可忽略不計(jì)。

蒸汽流速很大（大于25m/s）時(shí)，將會(huì)把液膜吹離表面，不論流向如何，都會(huì)使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。

（2）蒸汽中含有不凝性氣體

如空氣、氮?dú)獾龋词购繕O微，也會(huì)對(duì)凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響

。排除不凝結(jié)氣體是保證制冷系統(tǒng)冷凝器正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

（3）過熱蒸汽

影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素如水蒸氣中含有1％的空氣能使凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60％實(shí)驗(yàn)研究表明，水蒸氣的過熱度對(duì)凝結(jié)傳熱影響不大。

一般冷凝器中蒸汽的過熱度都不大，傳熱計(jì)算中可按飽和蒸汽處理。

（4）表面情況的影響

冷凝器凝結(jié)壁面光滑、清潔、無油垢，有利于提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

。

（5）凝結(jié)壁面的形狀及位置

影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素

對(duì)一根管子而言，在其它條件相同的情況下，水平放置時(shí)的換熱遠(yuǎn)比豎直放置時(shí)的換熱效果好。

在豎直管冷凝器上設(shè)置有疏液裝置

。

對(duì)于水平管束，為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般要減少豎直列上的管子數(shù)目，或者將管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使得凝結(jié)液沿下一根管子的切線方向流過。

（6）管內(nèi)凝結(jié)

影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素

如風(fēng)冷式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器。

豎直管內(nèi)部凝結(jié)水平管內(nèi)部凝結(jié)

當(dāng)蒸汽流向由上向下流動(dòng)時(shí)，可使液膜流速加快，液膜變薄，使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大大提高。

采用豎直管內(nèi)部凝結(jié)時(shí)，冷凝器一般做成單管程，并使蒸汽比較均勻地分配到每一根管內(nèi)。

影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素

對(duì)水平管，冷凝器往往采用多管程，其氣液難以做到均勻分配。

水平管內(nèi)的凝結(jié)與水平管外的凝結(jié)相比較，在其它條件相同的情況時(shí)，前者的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要低一些。

水平管內(nèi)部凝結(jié)

如薄膜冷凝器

豎直管內(nèi)部凝結(jié)

凝結(jié)液膜總是向下流動(dòng)二、沸騰換熱

大容器沸騰

1.液體沸騰的分類

指加熱面被浸在沒有強(qiáng)制對(duì)流的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。

指液體受熱沸騰過程中與固體壁面間的換熱現(xiàn)象。

（1）大容器沸騰和管內(nèi)沸騰

此時(shí)液體內(nèi)一方面存在著由溫度差引起的自然對(duì)流，另一方面又存在著因汽泡運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的液體運(yùn)動(dòng)。

是液體在一定壓差作用下，以一定的流速流經(jīng)加熱管時(shí)所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，又稱為強(qiáng)制對(duì)流沸騰。

此時(shí)，液體的流速對(duì)沸騰過程產(chǎn)生影響，而且在加熱面上所產(chǎn)生的汽泡不是自由上浮的，而是被迫與液體一起流動(dòng)的，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng)。

沸騰換熱

管內(nèi)沸騰

沸騰換熱（2）過冷沸騰和飽和沸騰

當(dāng)液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，而加熱面溫度又高于飽和溫度時(shí)，將產(chǎn)生過冷沸騰。

過冷沸騰

此時(shí)，在加熱面上產(chǎn)生的汽泡將在液體主體重新凝結(jié)，熱量的傳遞是通過這種汽化

凝結(jié)的過程實(shí)現(xiàn)的。

飽和沸騰

當(dāng)液體主體的溫度達(dá)到其相應(yīng)壓力下的飽和溫度時(shí)，離開加熱面的汽泡不再重新凝結(jié)，這種沸騰稱為飽和沸騰。2.大容器沸騰換熱沸騰溫差

t:①對(duì)流沸騰

（1）大容器飽和沸騰曲線

以常壓下水在金屬表面上沸騰的實(shí)驗(yàn)為例:

AB段，常壓下

t＜5℃，q、h隨

t緩慢增加。壁面溫度tw與液體飽和溫度ts之差。沸騰溫差的量變會(huì)引起沸騰換熱機(jī)理的質(zhì)變

q較低，即使壁面上產(chǎn)生了汽泡也不能脫離上浮。其換熱過程符合無相變的對(duì)流換熱規(guī)律。

②泡態(tài)沸騰

③膜態(tài)沸騰

BC段，

t

5～25℃，有大量汽泡在壁面上迅速生長(zhǎng)和激烈運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)烈擾動(dòng)周圍液體，使h和q都顯著增大，且h達(dá)到峰值；

BC段的沸騰換熱