第二節(jié)熱對(duì)流

1、 對(duì)流僅發(fā)生于流體中，它是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移而導(dǎo)致的熱量傳遞過 程。這是由于流體的整體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)位置的移動(dòng)，使流體間各部分相互充分接觸，流體溫度趨于均勻。除了流體的整體運(yùn)動(dòng)所帶來的熱對(duì)流之外，還伴生有由于流體的微觀粒子運(yùn)動(dòng)造成的熱傳導(dǎo)。 對(duì)流傳熱是液體和氣體熱傳遞的主要方式， 在工程上，常見的是流體流經(jīng)固體表面時(shí)的熱量傳遞過程。 冷流體冷流體t2熱流體熱流體 T2冷流體冷流體t1 熱流體熱流體 T1 在工程上，對(duì)流傳熱是指流體和固體壁面的傳熱過程，它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的。因此與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān)。熱流體將熱量傳給固體壁面，再由壁面?zhèn)?/p>

2、給熱流體。冷流體冷流體t2熱流體熱流體 T2冷流體冷流體t1 熱流體熱流體 T1 由流體力學(xué)可知，流體流經(jīng)壁面時(shí)，在靠近壁面處總有一薄層流體順著壁面做層流流動(dòng)，即層流底層。當(dāng)流體做層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流動(dòng)方向的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，由于大多數(shù)流體的導(dǎo)熱系數(shù)較小，故傳熱熱阻主要集中在層流底層中，溫差也主要集中在該層，而在湍動(dòng)主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)劇烈混合，可近似認(rèn)為無傳熱熱阻，即湍流主體中基本上沒有差。在層流底層和湍流主體之間存在著一個(gè)過渡區(qū)，在過濾區(qū)內(nèi)，熱傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱均起作用，使該區(qū)的溫度發(fā)生緩慢變化。 所以，層流底層的溫度梯度較大，傳熱的主要熱阻集中在此層，因此，減薄層流底層的厚度

3、是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑。熱流體冷流體thtcth,wtc,w 流體通過間壁的熱交換流體與固體壁面之間傳熱：流體與固體壁面之間傳熱;流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起熱交換。4.3 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱（1）機(jī)理）機(jī)理 流體質(zhì)點(diǎn)碰撞、混合，傳遞熱量， 包括對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo) 對(duì)流傳熱與流體流動(dòng)狀況密切相關(guān)對(duì)流傳熱與流體流動(dòng)狀況密切相關(guān) 湍動(dòng)程度越高，對(duì)流的傳熱速率越大。ThmTcmL1ThwL212TCW從對(duì)流傳熱過程分析可知：對(duì)流傳熱過程復(fù)雜，影響因素多。為了方便起見，工程上采用一種簡化方法：即將流體的全部溫差集中在厚度為內(nèi)的一層薄層內(nèi)，但薄層的厚度難以測(cè)定。 假設(shè)把過渡區(qū)和湍流主體的傳熱阻力全部疊加到

4、層流層的熱阻中，假設(shè)把過渡區(qū)和湍流主體的傳熱阻力全部疊加到層流層的熱阻中，在靠近壁面構(gòu)成一層厚度為在靠近壁面構(gòu)成一層厚度為的流體膜，稱為的流體膜，稱為(effective film)。假設(shè)膜內(nèi)為層流流動(dòng)，而膜外為湍流，即把所有熱阻都集中在有效假設(shè)膜內(nèi)為層流流動(dòng)，而膜外為湍流，即把所有熱阻都集中在有效膜中。該模型稱為對(duì)流傳熱的膜中。該模型稱為對(duì)流傳熱的(film theory model)。從對(duì)流傳熱過程分析可知：對(duì)流傳熱過程復(fù)雜，影響因素多。為了方便起見，工程上采用一種簡化方法：即將流體的全部溫差集中在厚度為內(nèi)的一層薄層內(nèi)，但薄層的厚度難以測(cè)定。據(jù)有效膜模型，對(duì)流傳熱可以用熱傳導(dǎo)的方式處理。若

5、熱流據(jù)有效膜模型，對(duì)流傳熱可以用熱傳導(dǎo)的方式處理。若熱流體向壁面作一維穩(wěn)定傳熱，則傳熱速率由傅立葉定律得：體向壁面作一維穩(wěn)定傳熱，則傳熱速率由傅立葉定律得： xtAntAQdd )(WTTAQ?Q對(duì)流傳熱速率，對(duì)流傳熱速率，W；A傳熱面積，傳熱面積，m2； T熱流體側(cè)主體的平均溫度，熱流體側(cè)主體的平均溫度，；TW與熱流體相接觸一側(cè)的壁面溫度，與熱流體相接觸一側(cè)的壁面溫度，；有效膜厚度，有效膜厚度，m2。 由于膜的厚度由于膜的厚度與流體的流動(dòng)情況、流體性質(zhì)、對(duì)流狀態(tài)以與流體的流動(dòng)情況、流體性質(zhì)、對(duì)流狀態(tài)以及傳熱面的形狀等因素有關(guān)，而厚度及傳熱面的形狀等因素有關(guān)，而厚度又難以測(cè)定，所以我們采又難以

6、測(cè)定，所以我們采用用代替上式中的代替上式中的 RTATTTTAQWW1)( ?比例系數(shù)，又稱比例系數(shù)，又稱(convective heat-tansfer coeficient)或稱為或稱為(film coeficient)W/m2 )(WTTAQ 其其：流體與壁面間相差：流體與壁面間相差1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。表征對(duì)流傳熱的強(qiáng)度。位傳熱面積所傳遞的熱量。表征對(duì)流傳熱的強(qiáng)度。 大量實(shí)驗(yàn)表明，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素有：大量實(shí)驗(yàn)表明，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素有：流體在管內(nèi)湍流流動(dòng)時(shí)，靠近管壁有滯流底層，集流體在管內(nèi)湍流流動(dòng)時(shí)，靠近管壁有滯流底層，集中絕大部分

7、熱阻，當(dāng)中絕大部分熱阻，當(dāng)Re。流體在管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)，不僅靠近管壁處而且沿整流體在管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)，不僅靠近管壁處而且沿整個(gè)管截面流體，都是一層一層地平行流動(dòng)，此時(shí)為個(gè)管截面流體，都是一層一層地平行流動(dòng)，此時(shí)為最大，則最大，則最小，所以有最小，所以有 。對(duì)對(duì)影響較大的特性有：影響較大的特性有：CP，等。等。；CP；Re 易知這些物理性質(zhì)不僅隨著物質(zhì)種類變化，而且也隨著溫度、易知這些物理性質(zhì)不僅隨著物質(zhì)種類變化，而且也隨著溫度、壓力而變化。壓力而變化。是流體在泵、風(fēng)機(jī)或流體壓頭等作用下是流體在泵、風(fēng)機(jī)或流體壓頭等作用下產(chǎn)生的流動(dòng)，其流速產(chǎn)生的流動(dòng)，其流速u的改變對(duì)的改變對(duì)有較大影響。有較大影響。是

8、流體內(nèi)部冷是流體內(nèi)部冷(t1)、熱、熱(t2)各部分的密度差異所產(chǎn)生各部分的密度差異所產(chǎn)生的浮升力作用而引起的流動(dòng)。因的浮升力作用而引起的流動(dòng)。因t12 。若流體的體積。若流體的體積膨脹系數(shù)為膨脹系數(shù)為，則兩密度間的關(guān)系為，則兩密度間的關(guān)系為。于是在重力。于是在重力場內(nèi)單位體積流體由于密度不同所產(chǎn)生的浮升力為場內(nèi)單位體積流體由于密度不同所產(chǎn)生的浮升力為LtgPLtgLgP 2221)( 在此壓頭的推動(dòng)力下，必造成如圖在此壓頭的推動(dòng)力下，必造成如圖(1)所示的環(huán)流，其速度所示的環(huán)流，其速度滿足下面的關(guān)系：滿足下面的關(guān)系： 222LtguLtgPu 由此說明，流體只要存在溫度差，就會(huì)有環(huán)流的存在。

9、由此說明，流體只要存在溫度差，就會(huì)有環(huán)流的存在。圖圖(1)除上述因素外，自然對(duì)流的強(qiáng)弱還與加熱面的位置有關(guān)。除上述因素外，自然對(duì)流的強(qiáng)弱還與加熱面的位置有關(guān)。 如如，b點(diǎn)溫度高于點(diǎn)溫度高于a點(diǎn)，產(chǎn)生如圖所示的流體環(huán)流。點(diǎn)，產(chǎn)生如圖所示的流體環(huán)流。圖圖(1)圖圖(2)圖圖(3)冷流體冷流體 如如，在加熱面上部將產(chǎn)生較大的自然對(duì)流，在其下則，在加熱面上部將產(chǎn)生較大的自然對(duì)流，在其下則不能；不能； 如如，在冷卻面下部，將產(chǎn)生較大的自然對(duì)流，在其上，在冷卻面下部，將產(chǎn)生較大的自然對(duì)流，在其上則不能。則不能。 由以上分析由以上分析，如果為了一定空間獲得較為均勻的，如果為了一定空間獲得較為均勻的加熱器應(yīng)放

10、置于該空間的加熱器應(yīng)放置于該空間的，房間采暖即為一例。反之，為，房間采暖即為一例。反之，為了一定的空間進(jìn)行較為均勻的了一定的空間進(jìn)行較為均勻的，冷卻器應(yīng)放在該空間的，冷卻器應(yīng)放在該空間的，如劇場的冷氣裝置即為一例。，如劇場的冷氣裝置即為一例。 形狀有形狀有圓管圓管、翅片管翅片管、管束管束、平板平板、螺旋板螺旋板等。等。 傳熱面相對(duì)位置有傳熱面相對(duì)位置有、以及以及流動(dòng)和流動(dòng)和流動(dòng)或流動(dòng)或流動(dòng)等；或管束中管子排列放置。流動(dòng)等；或管束中管子排列放置。 傳熱面尺寸有管傳熱面尺寸有管、管、管、的寬與長等。的寬與長等。通常把對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有決定性影響的尺寸稱為通常把對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有決定性影響的尺寸稱為

11、。 傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小 壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等， 造成邊界層分離，增加湍動(dòng)，使a增大。 上述諸影響因素都是針對(duì)上述諸影響因素都是針對(duì)的單相而言。的單相而言。 在傳熱過程中，有相變時(shí)，如蒸汽在冷壁面上的在傳熱過程中，有相變時(shí)，如蒸汽在冷壁面上的以及以及液體在熱壁面上的液體在熱壁面上的，其，其值比無相變時(shí)大很多。因?yàn)橄嘧冎当葻o相變時(shí)大很多。因?yàn)橄嘧儠r(shí)液體吸收汽化熱時(shí)液體吸收汽化熱變?yōu)檎羝蛘羝懦銎療嶙優(yōu)檎羝蛘羝懦銎療嶙優(yōu)橐后w，對(duì)變?yōu)橐后w，對(duì)于同一液體，其于同一液體，其比比cP大很多，所以相變時(shí)的大很多，所以相變時(shí)的值比無相變時(shí)的值比無相變時(shí)的大

12、。大。 根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，影響該對(duì)流傳熱過程的因素有根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，影響該對(duì)流傳熱過程的因素有 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)cp， ； 傳熱表面的特征尺寸傳熱表面的特征尺寸l； 強(qiáng)制對(duì)流的流速強(qiáng)制對(duì)流的流速u。于是無相變強(qiáng)制對(duì)流的傳熱系數(shù)可表達(dá)為：于是無相變強(qiáng)制對(duì)流的傳熱系數(shù)可表達(dá)為：),(lucfp。；12213113113 TLCTMLMLMLLlLuTMP 這七個(gè)物理量的因次這七個(gè)物理量的因次(單位單位)分別為：分別為： 由此知它們涉及到由此知它們涉及到基本因次，即長度基本因次，即長度L、質(zhì)量、質(zhì)量M、時(shí)間、時(shí)間和溫度和溫度T。按前面介紹的。按前面介紹的定理，過程的無因次數(shù)

13、群的數(shù)目定理，過程的無因次數(shù)群的數(shù)目N347 mnN將式將式(4-18)改寫成冪函數(shù)的形式：改寫成冪函數(shù)的形式：fPedcbaclKu將各個(gè)物理量的單位代入上式得：將各個(gè)物理量的單位代入上式得：fedcbaTLMLTMLMLLLKTM12231311113 根據(jù)因次一致性原理，等式兩邊各基本單位的指數(shù)對(duì)應(yīng)相根據(jù)因次一致性原理，等式兩邊各基本單位的指數(shù)對(duì)應(yīng)相等，則得到等，則得到方程，而其中有方程，而其中有6個(gè)未知數(shù)，需指定其中兩個(gè)個(gè)未知數(shù)，需指定其中兩個(gè)(如如a，f)為已知，求出其余為已知，求出其余4個(gè)得：個(gè)得：; 1 ; ; ;1 abaefacfd將這四個(gè)關(guān)系代入式將這四個(gè)關(guān)系代入式(4-1

14、8a)并整理得：并整理得： )()(bPacluKl其中三個(gè)無因次數(shù)群分別為：其中三個(gè)無因次數(shù)群分別為： lNu 表示對(duì)流與導(dǎo)熱間關(guān)系的準(zhǔn)數(shù)，包含待定的對(duì)流傳熱系數(shù)。表示對(duì)流與導(dǎo)熱間關(guān)系的準(zhǔn)數(shù)，包含待定的對(duì)流傳熱系數(shù)。 ul Re表示流體的流動(dòng)狀態(tài)和湍流程度對(duì)對(duì)流傳熱的影響。表示流體的流動(dòng)狀態(tài)和湍流程度對(duì)對(duì)流傳熱的影響。 pc Pr 表示流體的物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響。表示流體的物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響。 自然對(duì)流產(chǎn)生的原因是單位體積流體的浮升力自然對(duì)流產(chǎn)生的原因是單位體積流體的浮升力(gt)，也，也是直接影響是直接影響的因素，于是對(duì)流傳熱可表示為：的因素，于是對(duì)流傳熱可表示為：),(ltgcfp式中

15、式中7個(gè)物理量涉及個(gè)物理量涉及4個(gè)基本單位，所以有個(gè)基本單位，所以有3個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)。其推個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)。其推導(dǎo)過程同上，得：導(dǎo)過程同上，得： )( )(223baPtglCKl格格拉拉斯斯霍霍夫夫準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)數(shù)。其其中中：- 223 tglGr un為自然對(duì)流的為自然對(duì)流的，顯然，顯然Gr是雷諾數(shù)的變形，它表是雷諾數(shù)的變形，它表征著自然對(duì)流的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)征著自然對(duì)流的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)的影響。的影響。知：知：由式由式 17)-(4tglun 22222)(RennluGr 使用式使用式(4-19)和式和式(4-21) 時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍-關(guān)聯(lián)式中關(guān)聯(lián)式中Re(Gr)，P

16、r等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍；等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍；定性尺寸定性尺寸-Nu，Re中的中的l如何取定；如何取定；定性溫度定性溫度-各準(zhǔn)數(shù)中的物性數(shù)據(jù)按什么溫度來確定，各準(zhǔn)數(shù)中的物性數(shù)據(jù)按什么溫度來確定，如換熱過程中，流體的溫度在改變，所以流體的物性參數(shù)數(shù)值如換熱過程中，流體的溫度在改變，所以流體的物性參數(shù)數(shù)值也在改變，因此整理和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，就有如何取各物性參也在改變，因此整理和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，就有如何取各物性參數(shù)的平均值，也即確定定性溫度。數(shù)的平均值，也即確定定性溫度。對(duì)于不同情況，有不同的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，一般分以下對(duì)于不同情況，有不同的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，一般分以下：無相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流；無相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流；無相變時(shí)

17、的自然對(duì)流；無相變時(shí)的自然對(duì)流；有相變時(shí)的蒸汽冷凝；有相變時(shí)的蒸汽冷凝；有相變時(shí)的液體沸騰；有相變時(shí)的液體沸騰； 在這種情況下，對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為式在這種情況下，對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為式(4-19)，即，即nmCNuPrRe式中系數(shù)式中系數(shù)C與指數(shù)與指數(shù)m和和n則由實(shí)驗(yàn)加以確定。經(jīng)對(duì)不同的流體在則由實(shí)驗(yàn)加以確定。經(jīng)對(duì)不同的流體在光滑管內(nèi)傳熱進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)得到：光滑管內(nèi)傳熱進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)得到：nNuPrRe023. 08 . 0 23)-(4 . 3 . 0,4 . 0, nn流體被冷卻流體被冷卻流體被加熱流體被加熱：應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re104，Pr=0.6160,適用于氣體或低粘適

18、用于氣體或低粘度的液體度的液體(即即1，有，有 。所以。所以時(shí)取時(shí)取，時(shí)取時(shí)取。 ：被加熱時(shí)，仍是膜溫大于氣體主體溫度，但氣體的：被加熱時(shí)，仍是膜溫大于氣體主體溫度，但氣體的是隨是隨t增加而增加，故被加熱時(shí)，層流底層中的增加而增加，故被加熱時(shí)，層流底層中的增大，增大，增加增加，則熱阻增加，從而，則熱阻增加，從而加熱加熱減小。但對(duì)于大多數(shù)氣體，減小。但對(duì)于大多數(shù)氣體，Pr1, ，故，故時(shí)用時(shí)用，時(shí)用時(shí)用。： 對(duì)于短管路對(duì)于短管路l/d 3000；特征尺寸：管外徑特征尺寸：管外徑d，流速取流體通過每排管子中最狹，流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。其中錯(cuò)列管距最狹窄處的距離應(yīng)在窄通道處的速

19、度。其中錯(cuò)列管距最狹窄處的距離應(yīng)在(x1-d0)和和(t-d0)兩者之間中取較小的。兩者之間中取較小的。 管束排列數(shù)應(yīng)為管束排列數(shù)應(yīng)為10。 如教材如教材P174圖圖4-12、4-13為常用的列管式換熱器。為常用的列管式換熱器。 對(duì)于管外裝有圓形折流板，其缺口面積為其截面的對(duì)于管外裝有圓形折流板，其缺口面積為其截面的25%。則。則其對(duì)流傳熱系數(shù)在其對(duì)流傳熱系數(shù)在Re=2103106時(shí)，有：時(shí)，有：14. 03155. 0PrRe36. 0wNu eNud 其其中中 大空間自然對(duì)流是指傳熱壁面放置在很大的空間內(nèi)，由于大空間自然對(duì)流是指傳熱壁面放置在很大的空間內(nèi)，由于壁面溫度與周圍液體的溫度不同而

20、引起的自然對(duì)流。例如：管壁面溫度與周圍液體的溫度不同而引起的自然對(duì)流。例如：管道、設(shè)備或曖氣片表面與周圍大氣之間的傳熱。道、設(shè)備或曖氣片表面與周圍大氣之間的傳熱。 自然對(duì)流時(shí)的自然對(duì)流時(shí)的僅與反應(yīng)流體自然對(duì)流狀況的僅與反應(yīng)流體自然對(duì)流狀況的準(zhǔn)數(shù)及準(zhǔn)數(shù)及準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)有關(guān)，關(guān)聯(lián)式為：數(shù)有關(guān)，關(guān)聯(lián)式為：nnlCCNuPr)(Re Pr)(Re 或或膜溫膜溫: ；C和和n由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，可由有關(guān)手冊(cè)查取。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，可由有關(guān)手冊(cè)查取。強(qiáng)制對(duì)流的情況是十分復(fù)雜的，各種經(jīng)驗(yàn)公式雖然強(qiáng)制對(duì)流的情況是十分復(fù)雜的，各種經(jīng)驗(yàn)公式雖然形式但都有共同的形式：形式但都有共同的形式：nmCNuPrRe 這表明影響這表明影響的主要因

21、素是的主要因素是、。一定的流體在一定的。一定的流體在一定的溫度下，它們的物性是一定的，特別是氣體原子數(shù)相同時(shí)，其溫度下，它們的物性是一定的，特別是氣體原子數(shù)相同時(shí)，其Pr接近常數(shù)，不隨溫度和壓力變化。例如：接近常數(shù)，不隨溫度和壓力變化。例如：單原子氣體：單原子氣體：；雙原子氣體：；雙原子氣體：?？諝庠诳諝庠?個(gè)大氣壓、個(gè)大氣壓、t=25時(shí)，時(shí)，。通常為了增加通常為了增加可采取以下措施：可采取以下措施：增加湍動(dòng)程度，如加折流板，管中添加物或選用螺紋管等；增加湍動(dòng)程度，如加折流板，管中添加物或選用螺紋管等；在圓管中湍流時(shí)在圓管中湍流時(shí)nNuPrRe023. 08 . 0 2 . 08 . 0du

22、同樣同樣，可以增加可以增加 。 流過管間流過管間( (即流體走殼程即流體走殼程) )時(shí)：時(shí)：45. 055. 014. 03155. 0PrRe36. 0deuNuw 某某蒸汽在套管熱器中冷凝，內(nèi)管為蒸汽在套管熱器中冷凝，內(nèi)管為252.5mm鋼管鋼管，管長，管長2m。蒸汽在管外冷凝，冷卻水走管內(nèi)，管內(nèi)流速為。蒸汽在管外冷凝，冷卻水走管內(nèi)，管內(nèi)流速為1m/s，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為20、50。試求：。試求： 管壁對(duì)水的膜系數(shù)管壁對(duì)水的膜系數(shù)？ 若將管徑縮小一半，流速及其它條件不變，則膜系數(shù)若將管徑縮小一半，流速及其它條件不變，則膜系數(shù)有何變化？有何變化？ 若將流速

23、增加一倍，其它條件都若將流速增加一倍，其它條件都 不變，則膜系數(shù)不變，則膜系數(shù)又又有何變化？有何變化？condensation)和和(dropwise condensation) 。 若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜此種傳熱現(xiàn)象稱為此種傳熱現(xiàn)象稱為。 若冷凝液不能夠潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液若冷凝液不能夠潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿管壁落下，此種傳熱現(xiàn)象稱為在壁面上形成許多液滴，并沿管壁落下，此種傳熱現(xiàn)象稱為。 通常蒸氣在壁面上的冷凝方通常蒸氣在壁面上的冷凝方式有兩種，即式有兩種，即

24、(filmwise 經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明：除前面討論的流體的經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明：除前面討論的流體的、和和以及冷凝傳熱以及冷凝傳熱等影響膜狀冷凝傳熱的因素等影響膜狀冷凝傳熱的因素外，下面再補(bǔ)充一些重要因素：外，下面再補(bǔ)充一些重要因素： 蒸汽冷凝時(shí)，不凝性氣體在液膜表面形成一層蒸汽冷凝時(shí)，不凝性氣體在液膜表面形成一層，使，使。 措施：冷凝器上設(shè)有氣體排放器，以排出不凝性氣體。措施：冷凝器上設(shè)有氣體排放器，以排出不凝性氣體。蒸汽與液膜同向：蒸汽與液膜同向： Ruu膜膜蒸蒸 Ruu膜膜蒸蒸反反向向時(shí)時(shí)： 過熱蒸汽冷凝過程由蒸汽過熱蒸汽冷凝過程由蒸汽和和兩個(gè)過程串聯(lián)組成，兩個(gè)過程串聯(lián)組成，公式中用公式中用代替：代

25、替： 下汽化熱下汽化熱ssvptttc )(一般來講，蒸汽一般來講，蒸汽cp不大，使得過熱蒸汽冷凝放出熱量與飽不大，使得過熱蒸汽冷凝放出熱量與飽和蒸汽放出的熱量差別不大，故工業(yè)一般不采用過熱蒸汽。和蒸汽放出的熱量差別不大，故工業(yè)一般不采用過熱蒸汽。冷凝液膜是膜狀冷凝傳熱的主要熱阻，如何減薄膜厚度降冷凝液膜是膜狀冷凝傳熱的主要熱阻，如何減薄膜厚度降低熱阻，是強(qiáng)化膜狀冷凝傳熱的關(guān)鍵。低熱阻，是強(qiáng)化膜狀冷凝傳熱的關(guān)鍵。 通常液體沸騰有兩種情況：一種是將加熱面浸入在容器的通常液體沸騰有兩種情況：一種是將加熱面浸入在容器的液體中，液體被壁面加熱，而引起無強(qiáng)制對(duì)流的沸騰現(xiàn)象，稱液體中，液體被壁面加熱，而引

26、起無強(qiáng)制對(duì)流的沸騰現(xiàn)象，稱為為或或(pool boiling)。另一種是液體在管。另一種是液體在管內(nèi)流動(dòng)過程中被加熱沸騰，稱為內(nèi)流動(dòng)過程中被加熱沸騰，稱為。 液體加熱沸騰的主要液體加熱沸騰的主要是在液體內(nèi)部的加熱壁面上不斷是在液體內(nèi)部的加熱壁面上不斷有汽泡有汽泡，、和和到液面，然后破裂。到液面，然后破裂。 液體被加熱時(shí)，汽泡總是產(chǎn)生在液體被加熱時(shí)，汽泡總是產(chǎn)生在（ttW-tS）較高的加熱面上且形成汽化核心位置是在粗糙不平的地點(diǎn)。較高的加熱面上且形成汽化核心位置是在粗糙不平的地點(diǎn)。右圖給出了在常壓下水飽和沸騰時(shí)，右圖給出了在常壓下水飽和沸騰時(shí)，與與t=tW-tS的關(guān)系曲線，稱為的關(guān)系曲線，稱為自

27、然對(duì)流自然對(duì)流核狀沸騰核狀沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰ABCDt/K 此階段此階段較小，只有少量汽泡產(chǎn)生，而且汽泡長大的速度較小，只有少量汽泡產(chǎn)生，而且汽泡長大的速度也很慢，不能脫離壁面，因此看不到沸騰現(xiàn)象，熱量依靠自然也很慢，不能脫離壁面，因此看不到沸騰現(xiàn)象，熱量依靠自然對(duì)流由壁面?zhèn)鬟f到液體主體，蒸發(fā)在液體表面進(jìn)行，對(duì)流由壁面?zhèn)鬟f到液體主體，蒸發(fā)在液體表面進(jìn)行，隨隨t增增加而略有增大。這一區(qū)稱為加而略有增大。這一區(qū)稱為。隨隨t，汽化核心數(shù)增加，汽泡生成速度、成長速度以及浮，汽化核心數(shù)增加，汽泡生成速度、成長速度以及浮升速度都加快。汽泡不斷地離開壁面上升，使液體受到劇烈的攪升速度都加快。汽泡不斷地離開

28、壁面上升，使液體受到劇烈的攪拌作用，使拌作用，使值隨值隨t增大而迅速增大。稱此過程為增大而迅速增大。稱此過程為。隨隨t，生成的汽泡多而快，產(chǎn)生氣泡的速度大于脫離表面，生成的汽泡多而快，產(chǎn)生氣泡的速度大于脫離表面的速度，氣泡連成一片，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜，覆蓋在加的速度，氣泡連成一片，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜，覆蓋在加熱壁面上，使液體不能直接和加熱面接觸，由于蒸汽導(dǎo)熱性能熱壁面上，使液體不能直接和加熱面接觸，由于蒸汽導(dǎo)熱性能差，使熱阻差，使熱阻， 從而從而。此過程稱為。此過程稱為。在上述液體沸騰的各個(gè)階段中，核狀沸騰具有在上述液體沸騰的各個(gè)階段中，核狀沸騰具有大，大，tw低的低的優(yōu)點(diǎn)，故工業(yè)上的

29、加熱器都盡量設(shè)法保持在核狀沸騰下操作。優(yōu)點(diǎn)，故工業(yè)上的加熱器都盡量設(shè)法保持在核狀沸騰下操作。(C點(diǎn)點(diǎn)) 由核狀沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。由核狀沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。tC 處于臨界點(diǎn)處的過熱度，即處于臨界點(diǎn)處的過熱度，即tC=tW-tS。自然對(duì)流自然對(duì)流核狀沸騰核狀沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰ABCDt/K 在一般情況下，液體的導(dǎo)熱系數(shù)和密在一般情況下，液體的導(dǎo)熱系數(shù)和密 ttttsw , 研究不同液體，發(fā)現(xiàn)核狀沸騰階段的研究不同液體，發(fā)現(xiàn)核狀沸騰階段的t近似為直線。近似為直線。 提高提高P，即是提高液體的飽和溫度，從而使其表面張力及，即是提高液體的飽和溫度，從而使其表面張力及粘度均下降，有利于

30、汽泡的生成和脫離，強(qiáng)化了傳熱，在同樣粘度均下降，有利于汽泡的生成和脫離，強(qiáng)化了傳熱，在同樣t下，可增大下，可增大。 自然對(duì)流自然對(duì)流核狀沸騰核狀沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰ABCDt/K度增加，粘度和表面張力減小，都能增大沸騰傳熱速率。度增加，粘度和表面張力減小，都能增大沸騰傳熱速率。 粗糙表面能使汽化核心增加，沸騰傳熱加強(qiáng)，因此可采粗糙表面能使汽化核心增加，沸騰傳熱加強(qiáng)，因此可采用機(jī)械加工或腐蝕的方法將金屬表面用機(jī)械加工或腐蝕的方法將金屬表面，如將細(xì)小的金屬，如將細(xì)小的金屬顆粒顆粒(如銅如銅)通過鉛焊或燒結(jié)在金屬板或管上，制成多孔金屬表面通過鉛焊或燒結(jié)在金屬板或管上，制成多孔金屬表面可使可使提高十幾

31、倍。即提高十幾倍。即，； 一般使用清潔的加熱面時(shí)，一般使用清潔的加熱面時(shí)，較高，當(dāng)壁面被油脂等玷較高，當(dāng)壁面被油脂等玷污后，會(huì)使污后，會(huì)使嚴(yán)重下降。如加熱面為新的鉻板時(shí)嚴(yán)重下降。如加熱面為新的鉻板時(shí)q=370kW/m2,而而舊鉻板的舊鉻板的q=140kW/m2。故設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到操作后期情況。故設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到操作后期情況。除了上述因素外，還有設(shè)備除了上述因素外，還有設(shè)備、加熱面、加熱面和和以及以及等都會(huì)對(duì)沸騰傳熱有影響。等都會(huì)對(duì)沸騰傳熱有影響。 使用各種情況下對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)需要注意以使用各種情況下對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：下幾點(diǎn)：按公式應(yīng)用范圍正確按公式應(yīng)用范圍正確選用選用

32、具體計(jì)算式；具體計(jì)算式；有相變：冷凝無相變：強(qiáng)制對(duì)流有相變：冷凝無相變：強(qiáng)制對(duì)流 沸騰沸騰 自然對(duì)流自然對(duì)流準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)，的范圍；的范圍；，；傳熱面；傳熱面：管，板。：管，板。 正確計(jì)算有關(guān)物理量：正確計(jì)算有關(guān)物理量：定性溫度：注意何時(shí)用定性溫度：注意何時(shí)用tm，何時(shí)考慮，何時(shí)考慮tw。定性尺寸：內(nèi)徑，外徑，板高定性尺寸：內(nèi)徑，外徑，板高(長長)等。等。流體流速：指哪一個(gè)截面的流體流速：指哪一個(gè)截面的u。公式中單位必須統(tǒng)一。公式中單位必須統(tǒng)一。對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的說明：對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的說明： 準(zhǔn)確性；多樣性；通用性。準(zhǔn)確性；多樣性；通用性。KmWKmW 22/ / 換換熱熱方方式式換換熱熱方方式式 00030

33、05 有有機(jī)機(jī)蒸蒸汽汽冷冷凝凝：165005500 水水蒸蒸汽汽膜膜狀狀冷冷凝凝：0015005 有有機(jī)機(jī)液液體體強(qiáng)強(qiáng)制制對(duì)對(duì)流流：30030 空空氣氣強(qiáng)強(qiáng)制制對(duì)對(duì)流流：30001500 水水沸沸騰騰：80000001 水水強(qiáng)強(qiáng)制制對(duì)對(duì)流流：0001002 水水自自然然對(duì)對(duì)流流：255 空空氣氣自自然然對(duì)對(duì)流流：氣體氣體液體液體冷凝冷凝沸騰沸騰強(qiáng)制強(qiáng)制自然自然，無相變時(shí)，無相變時(shí)一般一般 :)(計(jì)算類型計(jì)算類型 ：設(shè)計(jì)型計(jì)算：已知設(shè)計(jì)型計(jì)算：已知th1，th2，tc1 ，qmc，qmh，K 求 傳熱面積A；操作型計(jì)算：操作型計(jì)算： 已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求th2 、tc

34、2、Q。錯(cuò)流錯(cuò)流折流折流錯(cuò)流錯(cuò)流并流并流冷流體tc2熱流體 th1Tc1冷流體 th2熱流體 熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ 計(jì)算基礎(chǔ)：計(jì)算基礎(chǔ)：熱量衡算方程和傳熱速率方程熱量衡算方程和傳熱速率方程 。 4.6.1 熱流量衡算方程熱流量衡算方程 穩(wěn)態(tài)傳熱，忽略熱損失時(shí)， 冷流體吸收熱量冷流體吸收熱量 = 熱流體放出熱量熱流體放出熱量 (1) 無相變傳熱無相變傳熱4.6 傳熱過程的計(jì)算傳熱過程的計(jì)算tc2 th1tc1th2.取定性溫度下數(shù)值其中，Pc)()(12,21,cccpcmhhhphmttcqttcq即：)(21,hhhphmhttcq熱流體放熱量：)(12,cccpcmct

35、tcq冷流體吸熱量： (2) 有相變傳熱有相變傳熱cchhrDrD兩側(cè)均有相變：cchhhphmrDttcq)(2 ,1 ,一側(cè)沸騰： 飽和狀態(tài)下飽和狀態(tài)下hhcccpcmrDttcq)(1 ,2 ,一側(cè)冷凝：說明：說明： 換熱過程中各流股熱流量間關(guān)系； 各流股間相互制約，熱量守恒。 非飽和狀態(tài)下非飽和狀態(tài)下例：過熱蒸氣冷凝過冷液體hLPhLhmhhmVhPhVhmtcqrqtcq又如：過冷液體 沸騰 過熱蒸氣cVpcVmccmccLpcLcmtcqrqtcqcpccmtcq過熱蒸汽冷流體熱流體過冷液體hphhmtcq管內(nèi)壁熱量：熱流體對(duì)流傳熱管外壁熱傳導(dǎo) 冷流體對(duì)流傳熱4.6.2 總傳熱速率

36、方程總傳熱速率方程 間壁傳熱過程：間壁傳熱過程：各部分傳熱速率方程：各部分傳熱速率方程：管內(nèi)側(cè)流體： 管壁導(dǎo)熱： 管外側(cè)流體：)(,whhiiittAabttAwcwhmm/ )(,)(,000cwcttAa熱流體冷流體thtcth,wtc,w熱流體冷流體thtcth,wtc,w對(duì)穩(wěn)態(tài)傳熱對(duì)穩(wěn)態(tài)傳熱:omimwcwhiiwhhAbttAatt,100,1Aattcwc0011AaAbAattmiich因此，Rt00111AaAbAaKARmii令：)(chttKA總傳熱速率方程： 式中，K 總傳熱系數(shù)，W/m2K。 注意注意： K 與 A 對(duì)應(yīng)，選Ai、Am 或 A0 000011111AhA

37、bAhAKAKAKmiimmii）代替（用平均傳熱溫差chmtttmtKA總傳熱速率方程：)()(12,21,cccpcmhhhphmmttcqttcqtKA無相變，DrttcqtKAhhhphmm)(21,有相變，故穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，故穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，4.6.3 傳熱系數(shù)和傳熱面積傳熱系數(shù)和傳熱面積mtKAKAtm1K 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)，表示換熱設(shè)備性能的重要參數(shù)。表示換熱設(shè)備性能的重要參數(shù)。(1) K的計(jì)算的計(jì)算 在實(shí)際生產(chǎn)中以外表面積A0作為傳熱面積。K的來源：的來源： 實(shí)驗(yàn)測(cè)定； 取生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 計(jì)算求得。000000111AaARAbARAaAKdmidiii000001111aRAA

38、bAARAAaKKKKdomiodiii表示，則有：用將0000111AaAbAaAKmii實(shí)際計(jì)算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：000111aRddbddRddaKdomiodiii圓管中：圓管中： ioiomdddddln其中，）（近似?。篿omddd21LdA00平壁：平壁：moiAAAdodiimioRabRaKKK211111(2) 污垢熱阻污垢熱阻 Rdi和和 Rdo污垢熱阻影響：污垢熱阻影響：使a，熱流量。污垢熱阻取值：污垢熱阻取值： 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 注意注意：傳熱系數(shù)、污垢熱阻的單位。 列管式換熱器的壁厚列管式換熱器的壁厚b=1mm，管徑為，管徑為50mm。已知。已知1=50W/m2，

39、 2=1000W/m2，=0.1W/m。 求總傳熱系數(shù)求總傳熱系數(shù)K=？ 1不變，不變， 2=2000、10000W/m2時(shí)，時(shí)，K=？ 2不變，不變， 1=100、300W/m2時(shí)，時(shí)，K=？ 當(dāng)當(dāng)1與與2接近時(shí)，改變兩者均可達(dá)到提高接近時(shí)，改變兩者均可達(dá)到提高K的目的；的目的； 當(dāng)當(dāng)12時(shí)，時(shí)，K2； 由此說明：提高總傳熱系數(shù)由此說明：提高總傳熱系數(shù)K的關(guān)鍵在于提高較小的的關(guān)鍵在于提高較小的。此外當(dāng)污垢熱阻影響較大時(shí)，減小污垢熱阻對(duì)提高此外當(dāng)污垢熱阻影響較大時(shí)，減小污垢熱阻對(duì)提高K也是比較也是比較關(guān)鍵，通常采取定期清洗換熱器等措施。關(guān)鍵，通常采取定期清洗換熱器等措施。1 1 2 2 K K 2 2 1 1 K K 5050 10001000 47.447.42000 505048.548.520002000 48.548.510010094.394.31000010000 49.5 49.5 300254.2 (3) 壁溫計(jì)算壁溫計(jì)算 忽略污垢熱阻，穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)： mwcwhiiwhhAbttAatt,100,1Aattcwc結(jié)論：壁溫接近表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的一側(cè)流體溫度。結(jié)論：壁溫接近表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的一側(cè)流體溫度。iihwhAatt,