各種對流換熱過程的特征及其計算公式

1、各種對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式第一節(jié)第一節(jié) 受迫對流換熱受迫對流換熱一、流體沿平壁流動時的對流換熱一、流體沿平壁流動時的對流換熱3121PrRe664. 0mmmNu )(21wfmttt)(21wfmttt各種對流換熱過程的特征及其計算公式管內(nèi)受迫對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫管內(nèi)受迫對流流動和換熱的特征對流流動和換熱的特征（1 1）流動有層流和湍流之分）流動有層流和湍流之分 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 入口段的熱邊界層較

2、薄，局部換熱系數(shù)比充分發(fā)展段的高，且沿入口段的熱邊界層較薄，局部換熱系數(shù)比充分發(fā)展段的高，且沿著主流方向逐漸降低，逐漸靠近充分發(fā)展段，局部換熱系數(shù)逐漸趨著主流方向逐漸降低，逐漸靠近充分發(fā)展段，局部換熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。工程技術(shù)中常常利用入口段換熱效果好這一特點來強化設(shè)于穩(wěn)定。工程技術(shù)中常常利用入口段換熱效果好這一特點來強化設(shè)備的換熱。備的換熱。各種對流換熱過程的特征及其計算公式（2 2）入口段的熱邊界層薄，局部換熱系數(shù)高。）入口段的熱邊界層薄，局部換熱系數(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層流層流湍流湍流各種對流換熱過程的特征及其計

3、算公式（3 3）特征速度及定性溫度的確定）特征速度及定性溫度的確定 特征速度：計算特征速度：計算ReRe數(shù)時用到的流速，數(shù)時用到的流速，一般一般多取截面平均流速。多取截面平均流速。 定性溫度：計算物性的定性溫度定性溫度：計算物性的定性溫度多多為截面為截面上流體的平均溫度上流體的平均溫度（或進(jìn)出口截面平均溫（或進(jìn)出口截面平均溫度）。度）。 )(21fffttt各種對流換熱過程的特征及其計算公式 實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝谐３Ｌ幱谌肟诙蔚姆秶?。可采用下列齊德齊德泰特公式：泰特公式：0.141/ 3RePr1.86/ffffwNu

4、ld1 1。管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式。管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式各種對流換熱過程的特征及其計算公式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），確定），管內(nèi)徑為特征長度管內(nèi)徑為特征長度，管，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 實驗驗證范圍為：實驗驗證范圍為：各種對流換熱過程的特征及其計算公式3. 3. 管內(nèi)紊流時的管內(nèi)紊流時的準(zhǔn)則方程準(zhǔn)則方程 實用上使用最廣的是實用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式：迪貝斯貝爾特公式： lRt 加熱流體時加熱流體時 冷卻流體時冷卻流體時 式中式中

5、: : 定性溫度采用流體平均溫度定性溫度采用流體平均溫度 ，特征長度，特征長度為管內(nèi)徑。為管內(nèi)徑。0.80.023RePrnfffNu 0.4n 0.3nft2. 管內(nèi)過渡狀態(tài)時的準(zhǔn)則方程管內(nèi)過渡狀態(tài)時的準(zhǔn)則方程在在Ref=2300-10Ref=2300-104 4范圍內(nèi)，流動為過渡狀態(tài)范圍內(nèi)，流動為過渡狀態(tài)查看查看P P198198表表16-116-1各種對流換熱過程的特征及其計算公式 實驗驗證范圍：實驗驗證范圍： 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合差場合。45Re10 1.2 10,fPr0.7 120,f/60l d 。v一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)一般

6、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。 來考慮不均勻物性場對換熱的影響。來考慮不均勻物性場對換熱的影響。(/)Pr /Pr )nnfwfw或（各種對流換熱過程的特征及其計算公式三、流體橫掠圓管時的換熱三、流體橫掠圓管時的換熱1.流體橫掠單管時的換熱流體橫掠單管時的換熱各種對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式 外部流動：外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱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邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。在的限

7、制。 橫掠單管：橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方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。會發(fā)生繞流脫體。各種對流換熱過程的特征及其計算公式1/ 3RePrnNuC()/ 2;wttu。 雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)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)雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。律性很明顯?？刹捎靡韵路侄蝺绱侮P(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 特征長度為管外徑；特征長度為管外徑；數(shù)的特征速度為來流速度數(shù)的特征速度為來流速度Re各種對流換

8、熱過程的特征及其計算公式2、流體橫掠圓管束時的換熱、流體橫掠圓管束時的換熱各種對流換熱過程的特征及其計算公式第二節(jié)第二節(jié) 自然對流換熱自然對流換熱 流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對流換熱流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對流換熱 與流體在壁面與流體在壁面 附近的由溫度差異所形成的浮升力有關(guān)。不均勻的溫度場造成附近的由溫度差異所形成的浮升力有關(guān)。不均勻的溫度場造成 了不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。了不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。 在熱壁面上的空氣被加熱而上浮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而未被加熱的較冷空氣因密 度較大而下沉。所以自

9、然對流換熱時度較大而下沉。所以自然對流換熱時, ,壁面附近的流體不像受迫壁面附近的流體不像受迫 對流換熱那樣朝同一方向流動。對流換熱那樣朝同一方向流動。 一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠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之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度t tW W，在離開壁面，在離開壁面 的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度。的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度。 各種對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式 在一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之在一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近

10、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度t tw w，在離開壁面的方向上逐，在離開壁面的方向上逐步降低，直至周圍環(huán)境溫步降低，直至周圍環(huán)境溫 度度t t，如圖，如圖5 526a26a所示。薄層內(nèi)的速度所示。薄層內(nèi)的速度分布則有兩頭小中間大的特點。分布則有兩頭小中間大的特點。 各種對流換熱過程的特征及其計算公式自然對流亦有層流和湍流之分。自然對流亦有層流和湍流之分。以一塊熱豎壁的自然對流為例，其自下而上的以一塊熱豎壁的自然對流為例，其自下而上的流動景象示出于下圖流動景象示出于下圖a a。在壁的下部，流動剛開始形成，它是有規(guī)則的在壁的下部，流動剛開始形成

11、，它是有規(guī)則的層流；若壁面足夠高，則上部流動會轉(zhuǎn)變?yōu)橥膶恿?；若壁面足夠高，則上部流動會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。流。不同的流動狀態(tài)對換熱具有決定性影響：層流不同的流動狀態(tài)對換熱具有決定性影響：層流 時，換熱熱阻完全取決了薄層的厚度。從換熱時，換熱熱阻完全取決了薄層的厚度。從換熱壁面下端開始，隨著高度的增壁面下端開始，隨著高度的增 加，層流薄層加，層流薄層的厚度也逐漸增加。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨的厚度也逐漸增加。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨 高度增加而減小。高度增加而減小。各種對流換熱過程的特征及其計算公式流體沿豎壁自然對流的流動性質(zhì)和流體沿豎壁自然對流的流動性質(zhì)和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化 各種對流

12、換熱過程的特征及其計算公式從對流換熱微分方程組出發(fā)，可以導(dǎo)出適用于自然對流換從對流換熱微分方程組出發(fā)，可以導(dǎo)出適用于自然對流換熱的準(zhǔn)則方熱的準(zhǔn)則方 程式程式 。原則上自然對流換熱準(zhǔn)則方程式可寫為： 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。自然對流亦有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準(zhǔn)則數(shù)為自然對流亦有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準(zhǔn)則數(shù)為Gr數(shù)數(shù)各種對流換熱過程的特征及其計算公式一、無限空間自然對流換熱一、無限空間自然對流換熱 換熱面

13、附近流體的運動狀況只取決于換熱面的形狀、尺寸換熱面附近流體的運動狀況只取決于換熱面的形狀、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流和溫度，而與空間圍護(hù)壁面無關(guān)，因此稱為無限空間自然對流換熱。換熱。各種對流換熱過程的特征及其計算公式根據(jù)自然對流換熱原則性準(zhǔn)則方程，工程中廣泛根據(jù)自然對流換熱原則性準(zhǔn)則方程，工程中廣泛使用的是下列形式的關(guān)聯(lián)式：使用的是下列形式的關(guān)聯(lián)式： 定性溫度：定性溫度：特征長度：豎平板、豎圓柱為高度特征長度：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)表格各種

14、對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式二、有限空間自然對流換熱二、有限空間自然對流換熱流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進(jìn)行對流換熱時流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進(jìn)行對流換熱時為有限空間自然對流換熱。為有限空間自然對流換熱。各種對流換熱過程的特征及其計算公式討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱 。各種對流換熱過程的特征及其計算公式夾層內(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GrGr數(shù)數(shù) 般關(guān)聯(lián)式具有般關(guān)聯(lián)式具有 : :對于豎空氣夾層對于豎空氣夾層

15、: :各種對流換熱過程的特征及其計算公式（H/的實驗驗證范圍為的實驗驗證范圍為1142）對于水平空氣夾層，推薦以下關(guān)聯(lián)式：對于水平空氣夾層，推薦以下關(guān)聯(lián)式：值得指出，對于豎直夾層，當(dāng)值得指出，對于豎直夾層，當(dāng)GrGr Pr2000 Pr2000、對水平夾層、對水平夾層GrGr PrPr 17001700時，夾層中的熱量傳遞過程為純導(dǎo)熱。時，夾層中的熱量傳遞過程為純導(dǎo)熱。除了自然對流以外，夾層除了自然對流以外，夾層 的熱量傳遞還有輻射換熱。通過夾的熱量傳遞還有輻射換熱。通過夾層的換熱量應(yīng)是兩者之和。層的換熱量應(yīng)是兩者之和。 各種對流換熱過程的特征及其計算公式第三節(jié)第三節(jié) 蒸汽凝結(jié)換熱蒸汽凝結(jié)換熱

16、凝結(jié)換熱實例凝結(jié)換熱實例鍋爐中的水冷壁鍋爐中的水冷壁寒冷冬天窗戶上的冰花寒冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程各種對流換熱過程的特征及其計算公式凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點凝結(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)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的因素影響膜狀凝結(jié)換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及會分析豎壁和橫管的換熱過程，及NusseltNusselt膜膜狀凝結(jié)理論狀凝結(jié)理論各種對流換

17、熱過程的特征及其計算公式 1 1 、凝結(jié)換熱現(xiàn)象、凝結(jié)換熱現(xiàn)象 蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。 2 2 、凝結(jié)換熱的分類、凝結(jié)換熱的分類 根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種 各種對流換熱過程的特征及其計算公式 (1) (1)膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié) 定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并定義：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

18、展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。稱膜狀凝結(jié)。 特點：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的特點：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各種對流換熱過程的特征及其計算公式(2)(2)珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) 定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁定義：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)。 特點：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即特點：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷

19、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各種對流換熱過程的特征及其計算公式一、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，

20、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各種對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式根據(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，

21、如圖所示。圖所示。 在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為 ：各種對流換熱過程的特征及其計算公式2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下腳標(biāo)下腳標(biāo) l l 表示液相表示液相各種對流換熱過程的特征及其計算公式考慮假定（考慮假定（3 3）液膜的慣性力忽略）液膜的慣性力忽略 2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll0)(yuvxuul考慮假定（考慮假定（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度0dxdp各種對流換熱過程的特征及其計算公式0ytvxtu002222ytayuglll 只有只有u u

22、 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)熱各種對流換熱過程的特征及其計算公式邊界條件：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注意：注意：r r 按按 t ts s 確定確定各種對流換熱過程的特征及其計算公式(2) (2) 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1 / 423llxlswg

23、rh4( 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 確定確定各種對流換熱過程的特征及其計算公式(3) (3) 修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高2020左右左右1/ 423llVlswgrh1.13l(tt ) 修正后：修正后：各種對流換熱過程的特征及其計算公式（4 4）當(dāng)是水平圓管及

24、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 dlhhVH各種對流換熱過程的特征及其計算公式2 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) 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，

25、elduRe式中：式中： u ul l 為為 x = 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。各種對流換熱過程的特征及其計算公式ecd4A / P4b/ b4lml4u4qReswmlh(tt )lrqsw4hl( tt)Rerrl對水平管，用對水平管，用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)并且橫管一般都處于層流狀態(tài)如圖如圖由熱平衡由熱平衡所以所以各種對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式3 3 湍流膜狀凝結(jié)換熱湍流膜狀凝結(jié)換熱實驗證明：實驗證明： （ 1

26、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)，因為管徑較小。）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。 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。 各種對流換熱過程的特征及其計算公式計算方法：對

27、于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)壁面上的平均表面?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)折點的高度為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點的高度 l l為豎壁的總高度為豎壁的總高度各種對流換熱過程的特征及其計算公式1 / 31 / 41 / 23 / 4wssReNuGaPr58 Pr(Re253 )9200Pr利用上面思想，整理的利用上面思想，整理的實驗關(guān)聯(lián)式實驗關(guān)聯(lián)式：式中：式中： 。除。除 用壁溫用壁溫 計

28、算外，其余物理量的定性溫度均為計算外，其余物理量的定性溫度均為N uhl /;32Gagl/wPrwtst。各種對流換熱過程的特征及其計算公式二、影響膜狀凝結(jié)的因素二、影響膜狀凝結(jié)的因素 工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種工程實際中所發(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。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 。2. 2. 蒸蒸氣氣流流速速 流流速速較較高高時，時，蒸蒸氣氣流流對對液液膜膜表表面面產(chǎn)產(chǎn)生生模模型型的的

29、粘粘滯滯應(yīng)應(yīng)力。力。 如如果果蒸蒸氣氣流流動動與與液液膜膜向向下下的的流流動動同同向向時，時，使使液液膜膜拉拉薄，薄， 增增大；大；反反之之使使 減減小。小。各種對流換熱過程的特征及其計算公式 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際情況，要用下式代如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，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。r

30、pswrr0.68c ( 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。要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。各種對流換熱過程的特征及其計算公式 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。 蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于蒸氣流速低時，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。 流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子流速較高時，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。各種對流換熱過程的特征及其計算公式 7. 7. 凝結(jié)表面的幾何形狀凝結(jié)表面的幾何形狀v強化凝結(jié)

31、換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面強化凝結(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。v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。各種對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式第四節(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。 沸騰的特點沸騰的特點 1 1 ）液體汽化吸收大量的汽化潛熱；）液體汽化吸收大量

32、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）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烈的擾動，所以沸面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。騰換熱強度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。 各種對流換熱過程的特征及其計算公式沸騰換熱分類：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 ）強制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）強制對流沸騰（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： 理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件：理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件

33、： 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 各種對流換熱過程的特征及其計算公式一、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由表面的液體中定義：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：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面特點：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。進(jìn)入容器空間。 （2 2）飽和沸騰）飽和沸騰 定義：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度定義：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度 ，壁面溫度，壁面溫度 高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸

34、騰。高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。 特點特點 : : 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 個換熱個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。規(guī)律全然不同的區(qū)域。 各種對流換熱過程的特征及其計算公式（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個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰

35、、過個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：各種對流換熱過程的特征及其計算公式qmaxqmin各種對流換熱過程的特征及其計算公式如圖如圖 6-11 6-11 所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對數(shù)坐所示，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）。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)從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段段、將整個曲線分成四個特定的換將整個曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下：熱過程，其特性如下： 1 1 ）單相自然對流段（液面汽化段）單相自然對流段

36、（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，）沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律。換熱服從單相自然對流規(guī)律。4t各種對流換熱過程的特征及其計算公式2 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上開的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。其特點是：為起始沸點。其特點是： t開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，開始階段，汽化核心產(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，汽化核心增加，生成的汽的上升，汽化

37、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，泡數(shù)量增加，汽泡互相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各種對流換熱過程的特征及其計算公式隨著隨著 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，值時， q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡擾動劇烈，汽化，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰核心對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。（泡狀沸騰）。 t其特點：溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密其特點：溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密度度 q q 達(dá)最大值達(dá)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

38、段。 t各種對流換熱過程的特征及其計算公式 3 3 ）過渡沸騰）過渡沸騰 從峰值點進(jìn)一步提高從峰值點進(jìn)一步提高 ，熱流密度，熱流密度 q q 減小；減小；當(dāng)當(dāng) 增大到一定值時，熱流密度減小到增大到一定值時，熱流密度減小到 ，這一，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。過程。 tminq原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的原因：汽泡的生長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，形成一層速度，使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，致使蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使 q m q m 下降。下降。 各

39、種對流換熱過程的特征及其計算公式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，此階段稱為穩(wěn)上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。定膜態(tài)沸騰。 minqtt各種對流換熱過程的特征及其計算公式 其特點：其特點：（ 1 1 ）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(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

40、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：前者熱量必）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點：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。 各種對流換熱過程的特征及其計算公式幾點說明：幾點說明：（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。一般用核態(tài)沸騰臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點轉(zhuǎn)折點DNBDNB作為監(jiān)視接近作為監(jiān)視接近q qmax

41、max的警戒。這一點對的警戒。這一點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，因為熱量必須穿過的是熱）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過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。各種對流換熱過程的特征及其計算公式二、汽化核心的分析二、汽化核心的分析 (1) (1) 汽泡的成長過程汽泡的成長過程 實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，

42、較普遍的看法產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，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。各種對流換熱過程的特征及其計算公式各種對流換熱過程的特征及其計算公式(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

43、，對應(yīng)壓力下的飽和溫度， C可見，可見， (t(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 換熱增強換熱增強各種對流換熱過程的特征及其計算公式三、沸騰換熱計算三、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，牛牛頓冷卻公式仍然適用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各種對流換熱過程的特征及其計算公式 四、大容器飽和核態(tài)沸騰四、大容器飽和核

44、態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核影響核態(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、壓心數(shù)，而汽化核心數(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)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較大。目前存在兩種雜，導(dǎo)致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是：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； 各種對流換熱過程的特征及其計算公式（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 Pa6510

45、410 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. 21ptCh)(122. 033. 35 . 01KNmWC按按 thq15. 07 . 02pqCh )(533. 015. 03 . 03 . 02KNmWC各種對流換熱過程的特征及其計算公式（2 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，st = f st = f ( Re, Pr )( 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，通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式：下，通過大

46、量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式：33. 0)(PrvllwlslplgrqCrtc各種對流換熱過程的特征及其計算公式上式可以改寫為：上式可以改寫為：321Pr)(slwlplvllrCtCgrq 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： mprmrrRmKmWCppMCqhlg2 . 012. 0)/(90)lg(66. 033. 055. 05 . 067. 0各種對流換熱過程的特征及其計算公式其中：其中： 為液體的相對分子質(zhì)量；為液體的相對分子質(zhì)量； 為對比壓力（液體壓力與該流體的臨界壓力為對比壓力

47、（液體壓力與該流體的臨界壓力之比）；之比）； 為表面平均粗糙度，（對一般工業(yè)用管材表為表面平均粗糙度，（對一般工業(yè)用管材表面，為面，為0.30.40.30.4）；）； 為熱流密度。為熱流密度。rMrPpRq各種對流換熱過程的特征及其計算公式 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 對于大容器沸騰的臨界熱流密度的對于大容器沸騰的臨界熱流密度的計算，推薦采用如下半經(jīng)驗公式：計算，推薦采用如下半經(jīng)驗公式：4121max)(24vlvgrq各種對流換熱過程的特征及其計算公式 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 t ts s 決定外，其決定外，其余物性均以平均溫度余物性均以平均溫度 t tm m ( t