化工原理傳熱3

②管外強(qiáng)制對(duì)流

a)流體橫向流過(guò)單管A

流體橫向流過(guò)單根圓管外時(shí)流動(dòng)情況表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布

1）低雷諾數(shù)（70800~101300）φ=0~80°，層流邊界層厚度增大使h↓，φ>80°，邊界層分離，使h↑，有一個(gè)最低點(diǎn)。

2）高雷諾數(shù)（140000~219000）有兩個(gè)最低點(diǎn)：

N01：φ=70~80°，層流邊界層→湍流邊界層；

N02：φ=140°（分離點(diǎn)），發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流體橫向流過(guò)圓管時(shí)局部努塞爾數(shù)的變化Reф=21900018600014000010130070800170000常數(shù)C、指數(shù)n見下表沿整個(gè)管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外徑

◆

管束的排列方式

直列（正方形）、錯(cuò)列（正三角形）b)流體橫向流過(guò)管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)特性的示意x1x2d錯(cuò)列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)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(dòng)減弱；第二排管以后基本恒定。錯(cuò)列第一排管錯(cuò)列和直列基本相同；

第二排管錯(cuò)列和直列相差較大，阻擋減弱，沖刷增強(qiáng)；

第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d◆

各排管h的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ錯(cuò)列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）

可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好?！魝鳠嵯禂?shù)的計(jì)算方法

任一排管子：C、ε、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(dòng)方向不斷改變，較小Re（Re=100），即可達(dá)到湍流。缺點(diǎn)：流動(dòng)阻力↑，殼程壓降↑的重要因素。作用：●提高湍動(dòng)程度，↑h，強(qiáng)化傳熱；

●加固、支撐殼體。

圓缺折流板示意圖管板10102103104101021管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算曲線ReNuPr有折流擋板時(shí)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dot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(jì)算。DS1S2B

說(shuō)明：無(wú)折流板時(shí)，流體平行流過(guò)管束，按管內(nèi)公式計(jì)算，特征尺寸為當(dāng)量直徑。dot(3)自然對(duì)流傳熱溫度差引起流體密度不均，導(dǎo)致流體流動(dòng)。分類：大空間自然對(duì)流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。

有限空間自然對(duì)流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。大空間自然對(duì)流傳熱：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求?。孩俨閳D求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流體沿垂直壁面作自然對(duì)流時(shí)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(duì)流時(shí)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(duì)流傳熱時(shí)：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：②經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)doL傳熱面的形狀及位置GrPrCn特征長(zhǎng)度垂直的平板及圓柱面10-1~104104~109109~1013查圖4.1.15(a)0.590.1查圖4.1.15(a)1/41/3高度L水平圓柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4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2×104~8×1068×106~10110.540.151/41/3矩形取兩邊平均值圓盤0.9d

狹長(zhǎng)條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上105~10110.581/5有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn)①相變過(guò)程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例：水4.4.4有相變化的對(duì)流傳熱②相變過(guò)程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；③分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1)蒸汽冷凝

優(yōu)點(diǎn)：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時(shí)易于控制蒸汽冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。冷凝方式：①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。②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)

①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(shí)模型→簡(jiǎn)化模型→數(shù)學(xué)模型求解?！裟罾淠恼鎸?shí)過(guò)程hx③

汽、液相物性為常數(shù)，壁面溫度恒定，膜表面溫度tδ=ts；④冷凝液為飽和液體。◆簡(jiǎn)化的物理模型①液膜很薄，層流流動(dòng)，傳熱方式為導(dǎo)熱，溫度分布為線性；

②蒸汽靜止，汽-液界面無(wú)粘性應(yīng)力；yx努塞爾特膜狀冷凝簡(jiǎn)化模型◆建立數(shù)學(xué)模型求解按假設(shè)，推導(dǎo)膜厚δ：做受力分析、質(zhì)量衡算、熱量衡算，得：yx

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②努塞爾方程的無(wú)量綱化S

為流通面積；b

為周邊長(zhǎng)度；qm/S=G

質(zhì)量流速。冷凝負(fù)荷:

M=qm/b

單位潤(rùn)濕周邊上凝液的質(zhì)量流率，kg/(m·s)；液膜流動(dòng)雷諾數(shù)——量綱為一努塞爾方程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)測(cè)值高于理論值（約20%）

原因：液膜的波動(dòng)、假設(shè)的不確切性(3)膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)①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(shí)，計(jì)算應(yīng)采用試差法。完全由實(shí)驗(yàn)獲得

水平圓管外膜狀冷凝說(shuō)明：此式計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

②水平管冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（a）水平單管外冷凝理論計(jì)算：按傾斜壁對(duì)方位角做積分（0~180o）。

層流時(shí)，

水平管外膜狀冷凝其他條件相同時(shí)，單根水平圓管與垂直圓管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)之比為：

（b）水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和錯(cuò)排兩種：12342123第一排管子：冷凝情況與單根水平管相同。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(duì)冷凝液膜厚度的影響管排數(shù)不同時(shí)，

▲

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(diǎn)：考慮蒸汽流速對(duì)h的影響

（1）蒸汽流速不大時(shí)，凝液可順利排出，可采用管外冷凝公式計(jì)算。（2）當(dāng)蒸汽速度較大時(shí)，可能形成兩相流動(dòng)，應(yīng)參考有關(guān)公式。(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(guò)熱的影響：過(guò)熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱過(guò)程與無(wú)相變對(duì)流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽和蒸汽冷凝處理。

蒸氣流速的影響：流速不大時(shí)，影響可忽略；流速較大時(shí)，且與液膜同向，h增大；流速較大時(shí)，且與液膜反向，h減小。蒸汽凝液不凝氣

沸騰:

沸騰時(shí)，液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生，氣泡產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)h影響極大。沸騰分類：

①按設(shè)備尺寸和形狀不同

池式沸騰（大容積飽和沸騰）；

強(qiáng)制對(duì)流沸騰（有復(fù)雜的兩相流）。

②按液體主體溫度不同

過(guò)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：t≥ts，

氣泡進(jìn)入液體主體后不會(huì)冷凝。（5）液體沸騰傳熱液體主體

t液體主體

t≥ts

液體主體

t<ts

1)大容積飽和沸騰傳熱機(jī)理

a）汽泡能夠存在的條件：

abcd氣泡的生成過(guò)程

氣泡的力平衡plpvrσσ

必須有汽化核心b）汽泡產(chǎn)生的條件

液體必須過(guò)熱提供必須的汽化熱量說(shuō)明：●因此無(wú)汽化核心，氣泡不會(huì)產(chǎn)生；●液體過(guò)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(zhǎng)。氣泡的產(chǎn)生過(guò)程沸騰過(guò)程：過(guò)熱度↑，汽化核心數(shù)↑，氣泡產(chǎn)生和長(zhǎng)大的速度↑，使沸騰加劇，沸騰傳熱膜系數(shù)↑。說(shuō)明：由于氣泡產(chǎn)生，使液體擾動(dòng)↑。因此：0.11.010102103hABCDEF自然對(duì)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Δt=(tw-ts)/℃實(shí)驗(yàn)條件:

大容積、飽和沸騰。

2)大容積飽和沸騰曲線