44表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)

1、代價：動力消耗。4.4 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)4.4.1 影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素 （2）流體流動原因 強制對流：外部機械作功， 一般流速較大， h也較大。 自然對流：由流體密度差造成的循環(huán)過程, 一般流速較小，h也較小。（1）流體流動狀態(tài)（3）流體的物理性質(zhì) 定性溫度：計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的特征溫度 一般，（4）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，使h增大。（5）相變化的影響 有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰， 無相變傳熱：強制對流、自然對流， 一般地，有相變時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 例：水 強制對流， 蒸汽冷凝，4.4.2 無相變化時對流傳熱過程

2、的量綱分析 （1）量綱分析過程優(yōu)點：減少實驗次數(shù)；依據(jù)：物理方程各項量綱一致；步驟：（a）通過理論分析和實驗觀察，確定相關(guān)因素；（b）構(gòu)造函數(shù)形式；（c）列出量綱指數(shù)的線性方程組（M、L、T、 ）；（d）規(guī)定已知量（指數(shù)）， 確定余下指數(shù)表達(dá)式；（e）整理特征數(shù)方程形式。努賽爾數(shù)說明： 反映對流傳熱的強弱，包含表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； 努賽爾數(shù)恒大于1。 說明： 反映流動狀態(tài)對 h 的影響。l：特征尺寸，平板 流動方向的板長； 管 管徑或當(dāng)量直徑；（2）特征數(shù)的物理意義雷諾數(shù) 普朗特數(shù)說明： 反映流體物性對傳熱的影響 反映熱擴(kuò)散和動量擴(kuò)散的相對大小 反映流動邊界層和熱邊界層的相對厚度使用時注意： * 查

3、取定性溫度下的物性； * 計算所用單位，SI制。說明： 反映自然對流的強弱程度。 格拉曉夫數(shù)（浮升力特征數(shù)）強制對流自然對流混合對流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管內(nèi)強制對流Nu/Pr0.4與Re的關(guān)系Nu / Pr0.4Re14.4.3 無相變化的對流傳熱（1）管內(nèi)強制對流傳熱 一般關(guān)系式： 傳熱流動狀態(tài)劃分（區(qū)別于流體流動時規(guī)律 ） 流體在圓形直管內(nèi)湍流時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a) 一般流體流動狀態(tài)不同，則 c、m、n 值不同流體被加熱，n= 0.4流體被冷卻，n= 0.3定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管內(nèi)徑di保證流體達(dá)到傳

4、熱湍流；適用條件：說明：避開傳熱進(jìn)口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。 傳熱進(jìn)口段：傳熱正在發(fā)展，h不穩(wěn)定 (隨管長增加h減小)OxNux或hxNuxhx Nux或hx的變化趨勢tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分發(fā)展了的邊界層 層流情況下流體在管內(nèi)溫度分布進(jìn)口段溫度分布和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化傳熱進(jìn)口段長度：進(jìn)口到傳熱邊界層匯合點間的長度。說明：經(jīng)驗公式，有一定誤差。b)粘度較大流體近似?。哼m用條件： 定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管內(nèi)徑dic)流體流過短管（l/d80，邊界層分離，使h，有一個最低點。 2）高雷諾數(shù)（140000219000）有兩個最低點： N01： =70-80，層流

5、邊界 層湍流邊界層； N02： =140（分離點）， 發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oNu不同Re下流體橫向流過圓管時局部努塞爾數(shù)的變化Re=21900018600014000010130070800170000常數(shù)C、指數(shù)n見下表沿整個管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：ReCn0.44440404000400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外徑 管束的排列方式 直列（正方形）、 錯列（正三角形） b) 流體橫向流過管束的表面?zhèn)?/p>

6、熱系數(shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意x1x2d錯列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意直列第一排管 直接沖刷 ；第二排管 不直接沖刷；擾動減弱第二排管以后基本恒定。錯列第一排管 錯列和直列基本相同； 第二排管 錯列和直列相差較大， 阻擋減弱，沖刷 增強； 第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d各排管h的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oNu2.01.8150o180o0o90o180o直列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣）1237Nu0.80.60.40.21.01.

7、61.41.2120o90o30o0o60o2.01.8150o180o0o90o180o錯列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣） 可以看出，錯列傳熱效果比直列好。傳熱系數(shù)的計算方法 任一排管子：C、n 取決于管排列方式和管排數(shù)。特征尺寸：管外徑適用范圍： c) 流體在列管換熱器管殼間的傳熱裝有圓缺折流板的列管換熱器 圓缺折流板管板折流擋板 ： 殼程流體的流動方向不斷改變， 較小Re（Re=100），即可達(dá)到湍流。 缺點：流動阻力，殼程壓降的重要因素。作用： 提高湍動程度，h，強化傳熱； 加固、支撐殼體。 圓缺折流板示意圖管板10102103104101021

8、管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算曲線ReRePr有折流擋板時殼程流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：擋板切割度：25%D。特征尺寸：流道的當(dāng)量直徑。正方形排列d0t也可采用關(guān)聯(lián)式：正三角形排列 流速的確定：按最大流通截面 (最小流速) 計算。 DS1S2B 說明： 無折流板時，流體平行流過管束， 按管內(nèi)公式計算，特征尺寸為當(dāng)量直徑。d0t(3) 自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導(dǎo)致流體流動。 分類：大空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。 有限空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。大空間自然對流傳熱：豎直壁面上表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分布近壁處溫度與流速的分布 沿豎壁自然對流的流動和換熱特征大空間內(nèi)流體沿垂

9、直壁面進(jìn)行自然對流：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取：查圖求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流體沿垂直壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流體沿水平壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線lg(GrPr)lg(Nu)大空間內(nèi)流體沿垂直或水平壁面進(jìn)行自然對流傳熱時：定性溫度：膜溫 定型尺寸：豎板，豎管，L； 水平管，外徑 do影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；系數(shù)C和指數(shù)n的取值見下表： 經(jīng)驗關(guān)聯(lián)doL傳熱面的形狀及

10、位置GrPrCn特征長度垂直的平板及圓柱面10-1104104 109109 1013查圖4.1.15(a) 0.59 0.1查圖4.1.15(a)1/41/3高度L水平圓柱面 010-510-510410410910910110.4查圖4.1.15(b)0.530.130查圖4.1.15(b)1/41/3外徑d0水平板熱面朝上或水平板冷面朝下21048106 810610110.540.151/41/3矩形取兩邊平均值圓盤0.9d狹長條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上10510110.581/5有相變對流傳熱的特點相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例：水 4.4.4 有相變化的對流傳熱相

11、變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1) 蒸汽冷凝機理 優(yōu)點：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制 蒸汽冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 冷凝方式： 膜狀冷凝 凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力）， 熱量：蒸汽相液膜表面固體壁面。 滴狀冷凝 凝液結(jié)為小液滴（附著力小于表面張力）， 有裸露壁面，直接傳遞相變熱。比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h滴狀冷凝h膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍， 但工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。膜狀冷凝滴狀冷凝(2) 膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 努塞爾方程的理論推導(dǎo) 研究：垂直管外或壁面的膜狀冷凝；方法：真實模型簡化模型數(shù)學(xué)模型求解。 膜狀冷凝的真實過程 h

12、x 簡化的物理模型 液膜很薄，層流流動，傳熱方式為導(dǎo)熱，溫度分布為線性； 蒸汽靜止，汽-液界面無粘性應(yīng)力 ；汽、液相物性為常數(shù)，壁面溫度恒定，膜表面溫度t=ts；冷凝液為飽和液體。yx努塞爾特膜狀冷凝簡化模型 建立數(shù)學(xué)模型求解 按假設(shè)， 推導(dǎo)膜厚： 做受力分析、質(zhì)量衡算、熱量衡算，得： 特征尺寸：L（豎壁或圓管壁高度）傾斜壁面： 蒸氣在斜壁上的冷凝 努塞爾方程的無量綱化 液膜流動雷諾數(shù)S 為流通面積 ；b 為周邊長度 ；qm/S=G 質(zhì)量流速。冷凝負(fù)荷: M= qm /b 單位潤濕周邊上凝液的質(zhì)量流率，kg/ms；由熱量衡算得，說明：若為垂直管外冷凝，亦可采用上述努塞爾特方程，只 是Re中的潤

13、濕周邊b需用d0代替，d0為豎管外徑。 將上式代入努塞爾方程，則有： 量綱為一努塞爾方程。 實驗結(jié)果：實測值高于理論值（約20%） 原因：液膜的波動、假設(shè)的不確切性(3) 膜狀冷凝傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián) 垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜層流 （b）液膜湍流 注意：壁溫未知時，計算應(yīng)采用試差法。完全由實驗獲得 水平圓管外膜狀冷凝說明：此式計算值和實驗結(jié)果基本一致。 水平管冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) （a）水平單管外冷凝 理論計算：按傾斜壁對方位角做積分（0-1800）。 層流時， 水平管外膜狀冷凝 （b）水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和錯排兩種 ：12342123第一排管子：冷凝情況與單根水平管相

14、同。其他各排管子：冷凝情況必受到其上排管流下冷凝液的 影響，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)依次下降。 水平管束的排列及其對冷凝液膜厚度的影響管排數(shù)不同時， 采用平均管排數(shù)： 近似取殼體直徑上的管根數(shù)NTc（c）水平管內(nèi)冷凝 特點：考慮蒸汽流速對h的影響 （1）蒸汽流速不大時，凝液可順利排出， 可采用管外冷凝公式計算。（2）當(dāng)蒸汽速度較大時，可能形成兩相流動， 應(yīng)參考有關(guān)公式。蒸汽凝液不凝氣(4) 影響冷凝傳熱的因素 冷凝液膜兩側(cè)的溫度差： 流體物性的影響： 不凝性氣體的影響：形成氣膜，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅度下降。 蒸氣過熱的影響：過熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱過程與無相變對流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽和

15、蒸汽冷凝處理。 蒸氣流速的影響：流速不大時，影響可忽略； 流速較大時，且與液膜同向，h增大； 流速較大時，且與液膜反向，h減小。 沸騰: 沸騰時，液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生， 氣泡產(chǎn)生和運動情況，對h影響極大。 沸騰分類： 按設(shè)備尺寸和形狀不同 池式沸騰（大容積飽和沸騰）； 強制對流沸騰（有復(fù)雜的兩相流）。 按液體主體溫度不同 過冷沸騰：液體主體溫度t ts， 氣泡進(jìn)入液體主體后冷凝。 飽和沸騰：tts， 氣泡進(jìn)入液體主體后不會冷凝。（5）液體沸騰傳熱液體主體 t液體主體 tts 液體主體 t ts 1) 大容積飽和沸騰傳熱機理 a） 汽泡能夠存在的條件： abcd氣泡的生成過程 氣泡的力平衡plpv

16、r 必須有汽化核心b） 汽泡產(chǎn)生的條件 液體必須過熱 提供必須的汽化熱量 說明： 因此無汽化核心，氣泡不會產(chǎn)生； 液體過熱度增大，汽化核心數(shù)增多。汽化核心：體積很小的孔穴或固體顆粒， 氣泡能附著在其周圍生長。氣泡的產(chǎn)生過程沸騰過程： 過熱度，汽化核心數(shù)，氣泡產(chǎn)生和長大的速度，使沸騰加劇，沸騰傳熱膜系數(shù)。說明：由于氣泡產(chǎn)生，使液體擾動 因此：0.11.010102103hABCDEF自然對流核狀沸騰膜狀沸騰穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定膜狀沸騰溫度差和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系t = (tw-ts)/實驗條件: 大容積、飽和沸騰。 2) 大容積飽和沸騰曲線 曲線獲得：AB段 ：無相變自然對流，無汽泡產(chǎn)生，h 緩慢增加 BC段 ：核狀沸騰 一方面， 另一方面，汽膜覆蓋，又使h； 當(dāng)兩者作用相抵消，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點臨界點（