對(duì)流換熱教程

1、R RE E G GONG ONG X XUE UE J JI I C CHUHU編輯ppt1第二部分第二部分單元單元7 7 對(duì)流換熱對(duì)流換熱熱工學(xué)基礎(chǔ)2 7.1 7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式（5 5）單元單元7 對(duì)流換熱對(duì)流換熱 7.1.1 7.1.1 對(duì)流換熱的概念對(duì)流換熱的概念（5 5）單元單元7 7 對(duì)流換熱對(duì)流換熱（4 4） 7.1.2 7.1.2 對(duì)流換熱的機(jī)理對(duì)流換熱的機(jī)理（7 7） 7.1.3 7.1.3 牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式（1111） 7.1.4 7.1.4 影響對(duì)流換熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流換熱系數(shù)的主要因素（1313） 7.2 7

2、.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述（1818） 7.2.1 7.2.1 對(duì)流換熱準(zhǔn)則數(shù)對(duì)流換熱準(zhǔn)則數(shù)（1919） 7.2.2 7.2.2 準(zhǔn)則數(shù)之間的關(guān)系準(zhǔn)則數(shù)之間的關(guān)系（2323） 7.2.3 7.2.3 定性溫度與特征尺寸定性溫度與特征尺寸（2525） 7.2.4 7.2.4 換熱計(jì)算的一般步驟換熱計(jì)算的一般步驟（2828） 7.3 7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算（2929） 7.3.1 7.3.1 管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算（2929） 7.3.2 7.3.2 管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算管外流體強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算（3636）3 7.3.3 7.3.

3、3 自然對(duì)流換熱的計(jì)算自然對(duì)流換熱的計(jì)算（4343） 7.4 7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱（5151）單元單元7 對(duì)流換熱對(duì)流換熱 7.4.1 7.4.1 沸騰換熱沸騰換熱（5151） 7.4.2 7.4.2 凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱（6464） 7.4.3 7.4.3 熱管技術(shù)熱管技術(shù)（7272）4【知識(shí)點(diǎn)】【知識(shí)點(diǎn)】牛頓冷卻公式，強(qiáng)制對(duì)流換熱，自然對(duì)流換熱，凝結(jié)換熱，沸騰換熱?！灸芰δ繕?biāo)】【能力目標(biāo)】掌握：各種對(duì)流換熱的基本概念。理解：強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱及其特征。熟悉：各公式的適用范圍以及各種相關(guān)參數(shù)的合理選 擇。應(yīng)用：能應(yīng)用相關(guān)概念和公式進(jìn)行對(duì)流換熱分析和計(jì) 算。單元單元

4、7 對(duì)流換熱對(duì)流換熱5對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象。在這一過(guò)程中，不僅有離壁面較遠(yuǎn)處流體的對(duì)流作用，同時(shí)還有緊貼壁面薄層流體的導(dǎo)熱作用。因此，對(duì)流換熱實(shí)際上是一種由熱對(duì)流和導(dǎo)熱共同作用的復(fù)合換熱形式。對(duì)流換熱按流體流動(dòng)原因分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱；按流體是否有相變分為相變對(duì)流換熱和無(wú)相變對(duì)流換熱；相變對(duì)流換熱又分為凝結(jié)換熱和沸騰換熱?？梢园褜?duì)流換熱分成以下幾類(lèi)，如圖7.1所示：7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式6圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱內(nèi)部流動(dòng)非圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱強(qiáng)制對(duì)流流體流過(guò)單根圓管外壁的對(duì)流換熱無(wú)相變外部流動(dòng) 流體在圓管束外流過(guò)

5、的對(duì)流換熱流體流過(guò)平板的對(duì)流換熱對(duì)流換熱大空間的自然對(duì)流換熱自然對(duì)流有限空間的自然對(duì)流換熱大容器內(nèi)的沸騰換熱沸騰換熱管內(nèi)的沸騰換熱有相變管內(nèi)凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱管外凝結(jié)換熱圖圖7.1 對(duì)流換熱分類(lèi)對(duì)流換熱分類(lèi)7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式7流體的流動(dòng)狀態(tài)可以分為兩種類(lèi)型：一種是流體質(zhì)點(diǎn)始終沿流向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)和流層間彼此不摻混，這種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為層流；另一種是流體質(zhì)點(diǎn)不僅有沿流向的運(yùn)動(dòng)，還有垂直于流向的運(yùn)動(dòng)，流層間相互摻混，這種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為紊流。在紊流中，由于流體的質(zhì)點(diǎn)相互摻混，碰撞更為強(qiáng)烈，因此對(duì)流換熱效果會(huì)更強(qiáng)。當(dāng)具有粘性的流體流過(guò)壁面時(shí)，就會(huì)在壁面上產(chǎn)生粘滯

6、力。粘滯力阻礙了流體的運(yùn)動(dòng)，使靠近壁面流體的速度降低，使直接貼附于壁面的流體近于停滯不動(dòng)，流體速度u=0。一般地，把從緊貼壁面速度u=0至速度等于來(lái)流速度u=u之間的流體薄層稱(chēng)為流體的速度邊界層。邊界層的厚度一般很小，如圖7.2所示。7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式8以流體在管內(nèi)流動(dòng)為例，流體的流動(dòng)狀態(tài)在沿流向x軸方向和與流向垂直的y軸方向都有變化。如圖7.3所示。 圖圖7.2 速度邊界層速度邊界層圖圖7.3流體的流態(tài)流體的流態(tài)7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式9（1）流體在流動(dòng)方向）流體在流動(dòng)方向x上的流態(tài)變化上的流態(tài)變化在流體入

7、口處，粘滯力起主導(dǎo)作用，速度梯度相當(dāng)大，流體呈現(xiàn)層流狀態(tài)，形成層流段。流體繼續(xù)流動(dòng)，層流邊界點(diǎn)開(kāi)始逐漸偏離壁面，向y方向移動(dòng)。當(dāng)流體到達(dá)一定距離時(shí)，流體的慣性力逐漸強(qiáng)于流體的粘滯力，使邊界層內(nèi)的流動(dòng)變得不穩(wěn)定起來(lái)，流態(tài)朝著紊流方向過(guò)渡，形成過(guò)渡段。隨著流動(dòng)的距離繼續(xù)增加，流體呈現(xiàn)旺盛紊流狀態(tài)，形成紊流段。（2）紊流段中流體在）紊流段中流體在y方向上的流態(tài)變化方向上的流態(tài)變化由于緊貼壁面處的粘滯力仍起主導(dǎo)作用，致使貼附于壁面的極薄層的流體仍保持層流的狀態(tài)，這一薄層流體稱(chēng)為層流底層。底層之上即為紊流層。7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式10當(dāng)流體在壁面上流動(dòng)時(shí)，其緊貼

8、壁面的極薄的層流底層相對(duì)于壁面幾乎是不流動(dòng)的。壁面與流體間的熱量傳遞必須通過(guò)這個(gè)層流底層，熱量傳遞的方式只能是導(dǎo)熱這種方式，因此對(duì)流換熱量實(shí)際上就等于層流底層的導(dǎo)熱量。在層流段，沿壁面法線方向上的熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱作用；在紊流段，層流底層內(nèi)的熱量傳遞方式仍然是導(dǎo)熱，這是紊流段主要的熱阻；但在層流底層以外，對(duì)流的作用仍然占主導(dǎo)作用。因此，對(duì)流換熱實(shí)際上是依靠層流底層的導(dǎo)熱和層流底層以外的對(duì)流共同作用的結(jié)果。對(duì)流換熱的熱阻主要集中在流體的層流內(nèi)層內(nèi)，因此減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流換熱的主要途徑。7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式117.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻

9、公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式127.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式13如前所述，對(duì)流換熱是對(duì)流和導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果，那么所有支配這兩種作用的因素，諸如流動(dòng)的起因、流動(dòng)狀態(tài)、流體物性、物相變化、壁面的幾何參數(shù)、管路的振動(dòng)等等，都會(huì)影響對(duì)流換熱系數(shù)。（1）流體流動(dòng)的起因）流體流動(dòng)的起因流體在壁面上流動(dòng)的原因有兩種：一種是自然對(duì)流，另一種是強(qiáng)制對(duì)流。一般地說(shuō)，強(qiáng)制對(duì)流的流速較自然對(duì)流高，因而對(duì)流換熱系數(shù)也高。例如空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)約為525 W/（m2），強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)10100 W/（m2）；再如受風(fēng)力影響，房屋墻壁外表面的對(duì)流換熱系數(shù)比內(nèi)表面高出一倍以上

10、。7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式14（2）流體的流態(tài)）流體的流態(tài)流體的流動(dòng)存在著兩種不同形式的流態(tài)，即層流和紊流。層流時(shí)，流體沿壁面法線方向的熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱，故對(duì)流換熱系數(shù)的大小取決于流體的導(dǎo)熱系數(shù)。紊流時(shí)，紊流核心的熱阻較小，對(duì)流換熱系數(shù)的大小主要取決于層流底層的熱阻。因此，要強(qiáng)化對(duì)流換熱效果，應(yīng)該在一定程度上提高流體的流速，這樣可以使流體的流態(tài)由層流變?yōu)槲闪?，減小層流底層的厚度，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（3）流體的物理性質(zhì)）流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)如密度、動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)以及定壓比熱容cp等，對(duì)對(duì)流換熱有很大的影響。流體的導(dǎo)熱系數(shù)越大，流體與壁面之間

11、的熱阻就越小，換熱就越強(qiáng)烈；7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式15 流體的比定壓熱容和密度越大，單位質(zhì)量攜帶的熱量就越多，傳遞熱量的能力就越強(qiáng)；流體的粘度越大，粘滯力就越大，這就阻礙了流體的流動(dòng)，加大了層流邊界層的厚度，不利于對(duì)流換熱。（4）流體的相變）流體的相變流體是否發(fā)生了相變，對(duì)對(duì)流換熱的影響很大。流體不發(fā)生相變的對(duì)流換熱，是由流體顯熱的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而對(duì)流換熱有相變時(shí)，流體吸收或放出汽化潛熱。對(duì)于同種流體，潛熱換熱要比顯熱換熱劇烈得多。因此，有相變時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)要比無(wú)相變時(shí)的大。另外，沸騰時(shí)液體中氣泡的產(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。

12、7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式16（5）換熱表面的幾何因素）換熱表面的幾何因素幾何因素是指換熱表面的形狀、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)流換熱的效果。如圖7.4（a）所示，流體在管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)與管外強(qiáng)制流動(dòng)，由于換熱表面不同，流體流動(dòng)產(chǎn)生的邊界層也不同，其換熱規(guī)律和對(duì)流換熱系數(shù)也不相同。在自然對(duì)流中，流體的流動(dòng)與換熱表面之間的相對(duì)位置，對(duì)對(duì)流換熱的影響較大，圖7.4（b）所示的平板表面加熱空氣自然對(duì)流時(shí)，熱面朝上氣流擾動(dòng)比較激烈，換熱強(qiáng)度大；熱面朝下時(shí)流動(dòng)比較平靜，換熱強(qiáng)度較小。 7.1 對(duì)

13、流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式17（6）管路的振動(dòng)）管路的振動(dòng)當(dāng)換熱介質(zhì)流經(jīng)換熱器管路時(shí)，會(huì)或多或少地引起管路的振動(dòng)，尤其是蒸汽介質(zhì)，會(huì)使振動(dòng)更加明顯。以前人們只認(rèn)識(shí)到振動(dòng)對(duì)于管路使用壽命的負(fù)面影響，近來(lái)有的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)實(shí)際上也是對(duì)流換熱過(guò)程中一種能量轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移的方式，振動(dòng)本身加強(qiáng)了換熱介質(zhì)的擾動(dòng)，增強(qiáng)了換熱效果；另外振動(dòng)也減弱了污垢在管壁處的積累，減小了熱阻。圖圖7.4換熱表面幾何因素對(duì)對(duì)流的影響換熱表面幾何因素對(duì)對(duì)流的影響(a)強(qiáng)迫對(duì)流；強(qiáng)迫對(duì)流；(b)自然對(duì)流自然對(duì)流7.1 對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式對(duì)流換熱的概念及牛頓冷卻公式18前邊我們學(xué)過(guò)的對(duì)流換熱牛頓

14、冷卻公式：Q=At，雖然揭示了對(duì)流換熱量與溫差、換熱面積以及對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系，但是并不能應(yīng)用此公式去解決實(shí)際的換熱問(wèn)題。因?yàn)楣街械膶?duì)流換熱系數(shù)與換熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)，進(jìn)行對(duì)流換熱計(jì)算的主要任務(wù)，就是確定對(duì)流換熱系數(shù)。研究的方法大致有以下四種：分析法、實(shí)驗(yàn)法、比擬法、數(shù)值法。由于對(duì)流換熱過(guò)程十分復(fù)雜，不管依靠哪種方法來(lái)求得對(duì)流換熱系數(shù)都是非常困難的?？紤]到高職學(xué)生的需要，在這里我們并不打算詳細(xì)介紹各計(jì)算公式的由來(lái)及推導(dǎo)，只是介紹計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)的一般方法以及公式的選擇及應(yīng)用。7.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述197.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述207.2 對(duì)流換熱計(jì)算概

15、述對(duì)流換熱計(jì)算概述217.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述227.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述237.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述247.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述25（1）定性溫度）定性溫度在使用上述公式計(jì)算準(zhǔn)則數(shù)時(shí)，往往要用到流體的物性參數(shù)，比如流體的密度、運(yùn)動(dòng)粘度等，這些參數(shù)的大小一般都與溫度有關(guān)，而在工程計(jì)算中，同一計(jì)算流體各部分的溫度是不一樣的，比如油水換熱器進(jìn)口和出口的水溫是不一樣的。因此大多數(shù)基于試驗(yàn)分析的經(jīng)驗(yàn)公式都給出了一個(gè)決定公式中其他物理參數(shù)的溫度，這個(gè)溫度就叫做定性溫度。其他隨溫度變化的物理參數(shù)的取值，應(yīng)該由定性溫度決定。7.2 對(duì)流換熱計(jì)算

16、概述對(duì)流換熱計(jì)算概述267.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述27（2）特征尺寸）特征尺寸參與對(duì)流換熱的換熱表面幾何尺寸往往有幾個(gè)，準(zhǔn)則數(shù)公式中所用的尺寸參數(shù)，一般是實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其中對(duì)換熱有顯著影響的幾何尺寸，稱(chēng)為特征尺寸。如流體在圓形管內(nèi)對(duì)流換熱時(shí)，特征尺寸一般為管內(nèi)徑，而在非圓形管內(nèi)對(duì)流換熱時(shí)，則常用當(dāng)量直徑作為特征尺寸。在使用準(zhǔn)則數(shù)公式時(shí)，要按準(zhǔn)則公式的要求來(lái)確定。具體應(yīng)用情況如下： 流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，取管內(nèi)徑作為特征尺寸。 流體在非圓管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如橢圓管道、矩形管道等，取當(dāng)量直徑de作為特征尺寸，即 4eAdx(7.12)7.2 對(duì)流換熱計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述287.2 對(duì)流換熱

17、計(jì)算概述對(duì)流換熱計(jì)算概述297.3.1.1 管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)換熱量計(jì)算公式的選用管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)換熱量計(jì)算公式的選用管內(nèi)流體與管壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)受多種因素的影響，比如流體的流態(tài)、流體與壁面的溫差、流體的粘度等，要通過(guò)努謝爾數(shù)Nu求出對(duì)流換熱系數(shù) ,就必須根據(jù)適用范圍選擇出正確計(jì)算Nu的公式。表7.1列出了管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)努謝爾數(shù)Nu的計(jì)算公式。 7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算30表表7.1 管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)努謝爾數(shù)管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)努謝爾數(shù)N的計(jì)算公式的計(jì)算公式7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算31續(xù)表續(xù)表 7.17.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算32續(xù)表續(xù)表 7.

18、17.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算337.3.1.2 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算347.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算357.3.1.3 對(duì)流換熱系數(shù)的求解步驟對(duì)流換熱系數(shù)的求解步驟 先由已知條件計(jì)算Re，再根據(jù)Re值判斷管內(nèi)流態(tài)； 根據(jù)管內(nèi)流態(tài)（層流、紊流或過(guò)渡流）和適宜范圍，選用相應(yīng)的實(shí)用計(jì)算式，并注意特征尺寸和定性溫度的確定； 由已知條件計(jì)算或選取有關(guān)修正系數(shù)； 由實(shí)用計(jì)算式計(jì)算Nu； 由Nu值求得對(duì)流換熱系數(shù)。【例【例7.1】水流進(jìn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5 m的直管，從tf25被加熱到tf35。管內(nèi)徑d=20

19、mm，水在管內(nèi)的流速為2 m/s。求平均對(duì)流換熱系數(shù)。7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算367.3.2.1 流體強(qiáng)制橫向流過(guò)單管的換熱量計(jì)算流體強(qiáng)制橫向流過(guò)單管的換熱量計(jì)算圖圖圖圖7.5 流體橫向流過(guò)單流體橫向流過(guò)單管管表7.27.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算37【例7.2】已知管外徑d20 mm，水溫tf20，管壁溫tw30，水流速u(mài)=0.5 m/s。試求冷卻水橫向流過(guò)單管時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)。 表表2-2 流體橫掠單管計(jì)算式中的流體橫掠單管計(jì)算式中的C，n值值7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算387.3.2.2 流體強(qiáng)制橫向流過(guò)管束流體強(qiáng)制橫向流過(guò)管

20、束在實(shí)際工程中，流體往往不是掠過(guò)單管，而是流過(guò)由許多管子組成的管束，例如在管式換熱設(shè)備中，管外流體一般從垂直于管軸心的方向沖刷管束。管束排列方式很多，但以圖7.6所示的順排與叉排兩種最為普遍。從圖7.6中可以看出，順排時(shí)流體的流道相對(duì)平直，而且當(dāng)流速較低或管間距較小時(shí)，易在管的尾部形成滯流區(qū)。叉排時(shí)流體的流道是交替收縮和擴(kuò)張的，流體擾動(dòng)性較好，只要管的間距設(shè)計(jì)合理，其換熱就比順排強(qiáng)烈，但流體的阻力損失大于順排。影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素除了排列方式之外，還有管子排數(shù)、管徑以及管子間距等。流體強(qiáng)制橫向流過(guò)管束的各種實(shí)用計(jì)算式見(jiàn)表7.3。7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算39圖圖7.6流

21、體在圓管束間的流動(dòng)狀態(tài)流體在圓管束間的流動(dòng)狀態(tài)(a)順排；順排；(b)叉排表叉排表見(jiàn)圖見(jiàn)圖7.67.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算40表表7.3流體強(qiáng)制橫向流過(guò)管束的換熱計(jì)算式流體強(qiáng)制橫向流過(guò)管束的換熱計(jì)算式7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算417.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算427.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算43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

22、主體的流體下降（或上升）的自然對(duì)流。因此，流體與壁面之間的溫度差是流體產(chǎn)生自然對(duì)流的根本原因。空間自然對(duì)流換熱主要分為兩種類(lèi)型：一類(lèi)是流體在較大空間中自然對(duì)流，因?yàn)榭臻g大，自然對(duì)流不受干擾，稱(chēng)為大空間的自然對(duì)流換熱，如室內(nèi)暖氣片與室內(nèi)空氣的換熱；另一類(lèi)是流體在封閉狹小空間內(nèi)自然對(duì)流，冷熱流體相互干擾，稱(chēng)為有限空間的自然對(duì)流換熱，如雙層玻璃窗之間空氣的對(duì)流換熱等。7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算447.3.3.1 大空間自然對(duì)流換熱的計(jì)算大空間自然對(duì)流換熱的計(jì)算表表7.67.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算45表表7.6 大空間自然對(duì)流換熱方程式中的大空間自然對(duì)流換熱

23、方程式中的c、n值值7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算46續(xù)表續(xù)表7.67.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算477.3.3.2 有限空間自然對(duì)流換熱的計(jì)算有限空間自然對(duì)流換熱的計(jì)算有限空間的自然對(duì)流換熱是指在封閉的夾層內(nèi)由高溫壁到低溫壁的換熱過(guò)程，且其換熱過(guò)程是熱壁和冷壁兩個(gè)自然對(duì)流過(guò)程的組合。封閉夾層的幾何位置可分垂直、水平等情況，如圖7.7所示。圖圖7.7有限空間自然對(duì)流換熱有限空間自然對(duì)流換熱7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算487.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算49表表7.7 有限空間的自然對(duì)流換熱有限空間的自然對(duì)流換熱Nu的計(jì)算式

24、的計(jì)算式7.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算50【例【例7.5】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，求夾層之間空氣單位面積的傳熱量。續(xù)表續(xù)表7.77.3 單相流體對(duì)流換熱計(jì)算單相流體對(duì)流換熱計(jì)算51當(dāng)液體與高于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)，液體就被加熱而沸騰。工質(zhì)在飽和溫度下吸收熱量由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為沸騰。沸騰的特征是液體內(nèi)部不斷地產(chǎn)生氣泡，這些氣泡在換熱表面上的某些地點(diǎn)（稱(chēng)汽化核心）不斷地產(chǎn)生、長(zhǎng)大，脫離壁面，并穿過(guò)液體層進(jìn)入上部的氣相空間，使換熱表面和液體內(nèi)部都受到強(qiáng)烈擾動(dòng)。對(duì)同一種流體而言，沸騰對(duì)流換熱系數(shù)一

25、般要比無(wú)相變的對(duì)流換熱系數(shù)高得多，例如在常壓下水的沸騰對(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)5104 W/(m2K)，而強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)最高值才為104 W/(m2K)。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱52沸騰按發(fā)生的場(chǎng)合可分為大容器沸騰（或稱(chēng)池內(nèi)沸騰）和管內(nèi)沸騰（或稱(chēng)有限空間沸騰、受迫流動(dòng)沸騰）兩種。大容器沸騰時(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氣泡運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的液體運(yùn)動(dòng)。管內(nèi)沸騰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(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流沸騰。管內(nèi)沸騰時(shí)，液體的流速對(duì)沸騰過(guò)程產(chǎn)生影響，而且在加熱面上所產(chǎn)生的氣泡不是自由上浮的，而是被迫與液體一起流

26、動(dòng)的，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng)。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱53無(wú)論是大容器沸騰還是管內(nèi)沸騰，都有過(guò)冷沸騰和飽和沸騰之分。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(guò)冷沸騰。此時(shí)，在加熱面上產(chǎn)生的氣泡將在液體主體重新凝結(jié)，熱量的傳遞是通過(guò)這種汽化凝結(jié)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。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(kāi)加熱面的氣泡不再重新凝結(jié)，這種沸騰稱(chēng)為飽和沸騰。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱547.4.1.1 大容器沸騰換熱大容器沸騰換熱圖圖7.8 水在常壓下的飽和沸騰曲線水在常壓下的飽和沸騰曲線7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與

27、凝結(jié)換熱557.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱567.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱57圖圖7.87.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱587.4.1.2 管內(nèi)沸騰換熱過(guò)程管內(nèi)沸騰換熱過(guò)程（1）豎直管內(nèi)沸騰換熱）豎直管內(nèi)沸騰換熱圖7.9是豎直管內(nèi)液體的沸騰情況。若進(jìn)入管內(nèi)液體的溫度低于飽和溫度，這時(shí)流體與管壁之間的換熱是液體的對(duì)流換熱。之后液體在壁面附近被加熱到飽和溫度ts，但此時(shí)管內(nèi)中心溫度尚低于ts,僅管壁有氣泡產(chǎn)生，屬于過(guò)冷沸騰。圖圖7.9 豎直管內(nèi)沸騰過(guò)程豎直管內(nèi)沸騰過(guò)程7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱59 隨后液體在整個(gè)截面上達(dá)到飽和溫度，進(jìn)入飽

28、和核態(tài)沸騰。這時(shí)流動(dòng)狀態(tài)先是泡狀流，漸變成塊狀流，進(jìn)入泡態(tài)沸騰。隨著液體被加熱和氣泡的繼續(xù)增多，在管中心形成氣體芯，液體被壓成環(huán)狀，緊貼管壁呈薄膜流動(dòng)，出現(xiàn)環(huán)狀流。此時(shí)的汽化過(guò)程主要發(fā)生在液氣交界面上，熱量主要以對(duì)流方式通過(guò)液膜，屬于液膜的對(duì)流沸騰。繼而液體薄膜受熱進(jìn)一步汽化，中間氣相的流速繼續(xù)增加。由于氣液界面的摩擦，氣流能將液面吹離壁面，并攜帶于蒸汽流中，這樣液膜變成了小液珠分散在氣流中，似霧狀，故稱(chēng)為霧狀流。此時(shí)管壁接觸的是蒸汽，因此對(duì)流換熱系數(shù)驟然下降，管壁溫度升高。若霧狀的小液珠再進(jìn)一步汽化，就發(fā)展成單一的氣相了，從而進(jìn)入單相蒸汽流的對(duì)流換熱過(guò)程。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與

29、凝結(jié)換熱60（2）水平管內(nèi)沸騰換熱）水平管內(nèi)沸騰換熱對(duì)于發(fā)生在水平管內(nèi)的沸騰換熱，如果流速較高時(shí)，管內(nèi)的情形與豎直管基本相似。但在流速較低時(shí)，受重力的影響，氣體和液體分別集中在管的上、下兩半部分，如圖7.10所示。進(jìn)入環(huán)狀流后，管道上半部容易過(guò)熱而燒壞。 圖圖7.10 水平管內(nèi)沸騰過(guò)程水平管內(nèi)沸騰過(guò)程7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱617.4.1.3 影響沸騰換熱的因素影響沸騰換熱的因素沸騰對(duì)流換熱系數(shù)除了與液體的物理性質(zhì)參數(shù)有關(guān)外，還受到沸騰液體的潤(rùn)濕能力、導(dǎo)熱性能以及壁面材料、表面形狀等因素的影響。（1）液體表面壓力）液體表面壓力液體表面壓力的大小決定了液體的沸點(diǎn)（飽和溫度）的

30、高低。在飽和狀態(tài)下，壓力越低，沸點(diǎn)就越低，換熱溫差就越大，越有利于沸騰換熱。（2）液體的性質(zhì)）液體的性質(zhì)液體沸騰時(shí)，其內(nèi)部的擾動(dòng)程度，氣、液兩相的導(dǎo)熱能力，以及形成氣泡的脫離與液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度和表面張力有關(guān)，所以這些因素對(duì)沸騰換熱有重要的影響。一般情況下，對(duì)流換熱系數(shù)隨著液體的導(dǎo)熱系數(shù)和密度的增加而增大，隨液體的粘度和表面張力的增大而減小。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱62（3）不凝性氣體）不凝性氣體在制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器管路內(nèi)，不凝性氣體如空氣的存在會(huì)使蒸發(fā)器內(nèi)的總壓力升高，導(dǎo)致沸點(diǎn)升高，換熱溫差降低，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的吸熱制冷。因此應(yīng)嚴(yán)禁不凝性氣體混入制冷系統(tǒng)內(nèi)。（4）液位

31、高度）液位高度在大容器沸騰中，當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時(shí)，沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無(wú)關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時(shí)，沸騰對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)明顯地隨液位的降低而升高，這一特定的液位值稱(chēng)為臨界液位。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱63（5）沸騰表面的結(jié)構(gòu)）沸騰表面的結(jié)構(gòu)熱壁面的材料不同，粗糙度不同，則形成氣泡核心的條件不同，對(duì)沸騰換熱將產(chǎn)生顯著的影響。通常是新的或清潔的加熱壁面對(duì)流換熱系數(shù)的值較高，當(dāng)加熱壁面被油垢玷污后，對(duì)流換熱系數(shù)急劇下降。壁面越粗糙，氣泡核心越多，越有利于沸騰換熱。換熱器表面上的微小凹坑最容易產(chǎn)生汽化核心。為加強(qiáng)換熱，可采用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)的方

32、法，在換熱器表面上形成一層多孔或多溝槽結(jié)構(gòu)，也可采用機(jī)械加工的方法在換熱器表面形成溝槽結(jié)構(gòu)，或在沸騰管路上設(shè)置散熱肋片。如圖7.11所示,W-TX管管壁加工出很多細(xì)小的凹槽，GEWA-T管加工出細(xì)密的螺紋，而多孔管表面形成了多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)這些措施，既可以增加汽化核心，也可以增加表面換熱面積，當(dāng)然前者的作用是主要的。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱64工質(zhì)在飽和溫度下釋放熱量由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為凝結(jié)（冷凝）。凝結(jié)換熱是伴隨相變的對(duì)流換熱。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。在制冷系統(tǒng)中冷凝器內(nèi)制冷劑蒸氣與管壁之間的換熱、在發(fā)電

33、廠中凝汽器內(nèi)水蒸氣與管壁之間的換熱等都是凝結(jié)換熱。圖圖7.11 強(qiáng)化沸騰換熱的表面結(jié)構(gòu)強(qiáng)化沸騰換熱的表面結(jié)構(gòu)7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱65根據(jù)凝結(jié)液潤(rùn)濕壁面的性能不同，蒸汽凝結(jié)分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種。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(chēng)為膜狀凝結(jié)，如圖7.12所示。隨著凝結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，液體層在壁面上逐漸增厚，達(dá)到一定厚度以后，凝結(jié)液將沿著壁面流下或墜落，但在壁面上覆蓋的液膜始終存在。在膜狀凝結(jié)中，純蒸汽凝結(jié)時(shí)氣相內(nèi)不存在溫度差，所以沒(méi)有熱阻。而蒸汽凝結(jié)所放出的熱量，必須以導(dǎo)熱的方式通過(guò)液膜才能到達(dá)壁面，又由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)不大，所以液

34、膜幾乎集中了凝結(jié)換熱的全部熱阻。因此，液膜越厚，其熱阻越大，對(duì)流換熱系數(shù)就越小。膜狀凝結(jié)的對(duì)流換熱系數(shù)主要取決于凝結(jié)液的性質(zhì)和液膜的厚度。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱66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(chēng)為珠狀凝結(jié)，如圖7.12所示。 圖圖7.12 膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱67隨著凝結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，液珠逐漸增大，待液珠增大到一定程度后，則從壁面上落下，使得壁面重新露出，可供再次生成液珠。由于珠狀凝結(jié)時(shí)蒸汽不必通過(guò)液膜的附加熱阻，而直接在傳熱面上凝結(jié)

35、，故其對(duì)流換熱系數(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。工程實(shí)際中采用的冷凝器中，大多數(shù)為膜狀凝結(jié)，即使采取了產(chǎn)生珠狀凝結(jié)的措施，也往往因?yàn)閭鳠崦嫔辖Y(jié)垢或其他原因，難以持久地保持珠狀凝結(jié)。所以，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)。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱687.4.2.2 影響凝結(jié)換熱的因素影響凝結(jié)換熱的因素（1）蒸汽所受的壓力）蒸汽所受的壓力蒸汽所受壓力的大小決定了氣體冷凝溫度（飽和溫度）的高低。在飽和狀態(tài)下，壓力越大，冷凝溫度就越高，與壁面換熱溫差就越大，越有利于凝結(jié)換熱。（2）蒸汽的流速和流向）蒸汽的流速和流向如果蒸汽流動(dòng)方向與液膜流動(dòng)方向一致可加速液膜

36、流動(dòng)，使之變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。當(dāng)流動(dòng)方向相反時(shí)，會(huì)增加液膜厚度，對(duì)流換熱系數(shù)減小。但如果蒸汽流速較高時(shí)，將會(huì)把液膜吹離表面，不論流向如何，都會(huì)使對(duì)流換熱系數(shù)增大。7.4 沸騰換熱與凝結(jié)換熱沸騰換熱與凝結(jié)換熱69（3）蒸汽中含有不凝性氣體）蒸汽中含有不凝性氣體當(dāng)蒸汽中含有不凝性氣體（如空氣、氮?dú)猓r(shí)，即使含量極微，也會(huì)對(duì)凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響。例如水蒸氣中含有1的空氣能使凝結(jié)對(duì)流換熱系數(shù)降低60%。因?yàn)椴荒Y(jié)氣體層的存在，使蒸汽在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)之前，必須以擴(kuò)散方式穿過(guò)不凝結(jié)氣體層，使蒸汽與壁面之間的熱阻加大，削弱了熱量的傳遞。因此，排除不凝性氣體是保證制冷系統(tǒng)冷凝器正常運(yùn)行的關(guān)鍵。（4）冷凝器壁面情況的影響）冷凝器壁面情況的影響若冷凝器凝結(jié)壁面粗糙、有銹層或有油膜時(shí)，將增加液膜流動(dòng)的阻力，從而使液膜加厚