工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)16對流換熱計算

1、第十六章第十六章 各種對流換熱過程各種對流換熱過程的特征及計算公式的特征及計算公式第一節(jié)第一節(jié) 受迫對流換熱受迫對流換熱第二節(jié)第二節(jié) 自然對流換熱自然對流換熱第三節(jié)第三節(jié) 蒸汽凝結(jié)換熱蒸汽凝結(jié)換熱第四節(jié)第四節(jié) 液體沸騰換熱液體沸騰換熱。密度求兩種不同情況的熱流總換熱系數(shù)為，表層對空氣的，機(jī)艙空氣溫度為表層溫度為不包絕緣材料時裸管的為準(zhǔn)。當(dāng)度不得大于緣材料厚度是以表層溫包扎柴油機(jī)排氣管的絕、qKmWCCC. )(103020050 2 22220010130501 1700101302001 mWtqmWtq絕緣裸管解：。和熱流密度璃窗的熱流量。試求通過該玻，室外大氣溫度為。室內(nèi)空氣溫度為換熱系

2、數(shù)，室外空氣與玻璃板的系數(shù)內(nèi)空氣與玻璃板的換熱。室的大玻璃窗，玻璃厚、尺寸為qQCCKmWKmWKmWcmcmcm2020)(02)(10)(762. 0,104801004 22212 tf220Cttw1tw2q1tf120C是錯誤的。：式）中（教材其中：傳熱系數(shù)請注意：21214222111 8-1315511112.20665257.108010065.257201762. 0104 . 0101)20(2011kPktkAqWFqQmWtRtqt1火管鍋爐爐膽的熱流密度為火管鍋爐爐膽的熱流密度為48000，鋼板，鋼板制成的爐膽厚度為，試求其內(nèi)外壁面的溫差制成的爐膽厚度為，試求其內(nèi)外壁

3、面的溫差,設(shè)設(shè):(1)爐膽兩側(cè)沒有污垢；爐膽兩側(cè)沒有污垢；(2)在水的一側(cè)積有在水的一側(cè)積有1.5厚的水垢；厚的水垢；(3)在水的一側(cè)積有在水的一側(cè)積有1.5，另一側(cè)積有，另一側(cè)積有厚的煙灰。厚的煙灰。CRqtCRqtCqRtRtqCmWCmWCmWtttt2 .10511105 . 15002. 00.11024800032 .911105 . 15002. 04800022 .195002. 048000,1 . 0,1,501333）（）（）（）（）取解：（煙垢水垢鋼2蒸汽管的外徑為蒸汽管的外徑為108,管外包以管外包以0.1/(mK)的絕熱材料的絕熱材料,蒸汽溫度為蒸汽溫度為330(由

4、于蒸汽與管壁間的對流熱阻和管壁的導(dǎo)熱熱阻要比絕熱材料的熱阻小得多由于蒸汽與管壁間的對流熱阻和管壁的導(dǎo)熱熱阻要比絕熱材料的熱阻小得多,可略去不計可略去不計,所以可近似地認(rèn)為絕熱層內(nèi)壁的溫度等于蒸汽的溫度所以可近似地認(rèn)為絕熱層內(nèi)壁的溫度等于蒸汽的溫度)。若要使絕熱層外。若要使絕熱層外壁面的溫度不超過壁面的溫度不超過40,每米管長的熱損失不超過每米管長的熱損失不超過ql150/m,試求絕熱層的最小厚試求絕熱層的最小厚度應(yīng)為多少。度應(yīng)為多少。 內(nèi)徑外徑、注意公式對：、錯：、畫出模擬圖。解說：）（解：1212121212215. 111212min1212min,:ln32,2,2,21128. 010

5、8. 021d 212215. 11501 . 0240330ln2ln40330ddddddddddddmeddddddddq215. 112edd第一節(jié)第一節(jié) 受迫對流換熱受迫對流換熱 管內(nèi)紊流換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式管內(nèi)紊流換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式 實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式：實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式： 加熱流體時加熱流體時 ， 冷卻流體時冷卻流體時 。 式中式中: : 定性溫度采用流體平均溫度定性溫度采用流體平均溫度 ，特征長度為，特征長度為 管內(nèi)徑。管內(nèi)徑。 實(shí)驗驗證范圍：實(shí)驗驗證范圍： 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。0.80.023

6、 RePrnfffNu 0.4n 0.3nft45Re10 1.2 10,fPr0.7 120,f。/60ldtRl1)(值應(yīng)大于，乘上一修正系數(shù)處的大于長度上平均從圖中可以看出，llxxxx/x/x層流紊流 短管修正短管修正入口段的熱邊界層薄，對流換熱系數(shù)高。入口段的熱邊界層薄，對流換熱系數(shù)高。 紊流時紊流時:，稱為短管。50/edl 彎管修正彎管修正螺線管螺線管強(qiáng)化了換熱。對此有強(qiáng)化了換熱。對此有彎管修正系數(shù)：彎管修正系數(shù)： 對于氣體對于氣體對于液體對于液體RdRdRR77. 11)( 3 .1013無粘性，無粘性，速度分布速度分布無畸變無畸變有粘性，速度分布有畸變有粘性，速度分布有畸變粘

7、性越大，畸變越嚴(yán)重。粘性越大，畸變越嚴(yán)重。大溫差修正大溫差修正v實(shí)際上來說，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度實(shí)際上來說，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(fā)生畸變。分布發(fā)生畸變。v一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)修正系數(shù)來考慮不均勻物性一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)修正系數(shù)來考慮不均勻物性場對換熱的影響。場對換熱的影響。大溫差情形，可采用下式計算。大溫差情形，可采用下式計算。對氣體被加熱時，對氣體被加熱時，當(dāng)氣體被冷卻時，當(dāng)氣體被冷卻時，對液體對液體0.11m0.25m液體受熱時液體受熱時液體被冷卻時液體被冷卻時1)(5 . 0twftttmwft)( 外部流動強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式外部流動強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式 外部流

8、動：外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)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在的限制。展，不會受到鄰近壁面存在的限制。 一一. . 橫掠單管換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式橫掠單管換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式 橫掠單管：橫掠單管：流體流體沿著垂直于管子軸線沿著垂直于管子軸線的方的方 向流過管子向流過管子表面。流動具有邊界表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞層特征，還會發(fā)生繞流脫體。流脫體。 邊界層的成長和脫體決定邊界層的成長和脫體決定了外掠圓管換熱的特征。了外掠圓管換熱的特征。可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：式中：式中：C C及及n n的值見下表；定性溫度為的值見

9、下表；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實(shí)驗驗證范圍：實(shí)驗驗證范圍： ， 。1 / 3RePrnNuC()/ 2;wttRe。u15.5 982t 21 1046wt 對于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對流換熱也對于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對流換熱也可采用可采用 注：注：指數(shù)指數(shù)C C及及n n值見下表，表中示出的幾何尺寸值見下表，表中示出的幾何尺寸 L L是計算是計算 數(shù)及數(shù)及 數(shù)時用的特征長度。數(shù)時用的特征長度。ReNu1 / 3RePrnNuC二二. . 橫掠管束換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式橫掠管束換熱實(shí)驗關(guān)聯(lián)式v外掠管束在換熱器外掠

10、管束在換熱器中最為常見。中最為常見。v通常管子有通常管子有叉排叉排和和順排順排兩種排列方式。兩種排列方式。叉排換熱強(qiáng)、阻力叉排換熱強(qiáng)、阻力損失大并難于清洗。損失大并難于清洗。影響管束換熱的因影響管束換熱的因素除素除 數(shù)外，數(shù)外，還有：叉排或順排；還有：叉排或順排；管間距；管束排數(shù)管間距；管束排數(shù)等。等。、RePr氣體橫掠氣體橫掠1010排以上管束的實(shí)驗關(guān)聯(lián)式為排以上管束的實(shí)驗關(guān)聯(lián)式為 式中：定性溫度為式中：定性溫度為 特征長度為特征長度為管外徑管外徑d d， 數(shù)中的流速采用整個管束中最窄截面處數(shù)中的流速采用整個管束中最窄截面處的流速。的流速。 實(shí)驗驗證范圍：實(shí)驗驗證范圍： C C 和和 m m

11、 的值見下表。的值見下表。RemNuC()/2 ;rwftttRe。Re2000 40000f后排管受前排管尾流的擾動作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影后排管受前排管尾流的擾動作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響直到響直到1010排以上的管子才能消失。排以上的管子才能消失。這種情況下，先給出不考慮排數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式，再采用這種情況下，先給出不考慮排數(shù)影響的關(guān)聯(lián)式，再采用管管束排數(shù)束排數(shù)的因素作為修正系數(shù)。的因素作為修正系數(shù)。叉排或順排、管間距不同時，叉排或順排、管間距不同時，C、m的選取的選取RemNuCv排數(shù)的影響見教材P202 表162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

12、對流換熱流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對流換熱 與流體在壁面附近的由溫度差異所形成的浮升力有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了不均勻的密度場，由此關(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(yùn)動的動力。在熱壁面上的空氣產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動的動力。在熱壁面上的空氣被加熱而上浮被加熱而上浮,而未被加熱的較冷空氣因密度較大而而未被加熱的較冷空氣因密度較大而下沉。所以自然對流換熱時下沉。所以自然對流換熱時,壁面附近的流體不像受壁面附近的流體不像受迫對流換熱那樣朝同一方向流動。一般情況下，不迫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

13、靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在均勻溫度場僅發(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貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度tW，在離開壁，在離開壁面的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度。面的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度。 自然對流：自然對流：不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動，由流體自身溫度場的不力推動，由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動。一般地，不均勻所引起的流動。一般地，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。面的薄層之內(nèi)。x 速度分布速度分布 溫度分布溫度分布 隨的隨的x變化變化一、無限空間自然對流換熱一、無限空間自然對流換熱換熱面附近流體

14、的運(yùn)動狀況只取決于換熱面附近流體的運(yùn)動狀況只取決于換熱面的形狀、尺寸和溫度，而與空換熱面的形狀、尺寸和溫度，而與空間圍護(hù)壁面無關(guān)，因此稱為無限空間間圍護(hù)壁面無關(guān)，因此稱為無限空間自然對流換熱。流體的冷卻和加熱過自然對流換熱。流體的冷卻和加熱過程互不影響，邊界層不受干擾。程互不影響，邊界層不受干擾。工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式：工程中廣泛使用的是下面的關(guān)聯(lián)式： 式中：定性溫度采用式中：定性溫度采用 數(shù)中的數(shù)中的 為為 與與 之差，之差， 對于符合理想氣體性質(zhì)的氣體，對于符合理想氣體性質(zhì)的氣體， 。 特征長度特征長度的選擇：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。的選擇：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外

15、徑。 (Pr)nNuC Gr；()/2mwtttGrtwtt 1/T 無限空間自然對流換熱的實(shí)驗關(guān)聯(lián)式無限空間自然對流換熱的實(shí)驗關(guān)聯(lián)式二、有限空間自然對流換熱二、有限空間自然對流換熱一般關(guān)聯(lián)式為一般關(guān)聯(lián)式為(Pr)mnHNuC Gr 上面我們分析了無相變的對流換熱，包括強(qiáng)制上面我們分析了無相變的對流換熱，包括強(qiáng)制對流換熱和自然對流換熱對流換熱和自然對流換熱 下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為之為相變換熱相變換熱，目前涉及的是，目前涉及的是凝結(jié)凝結(jié)換熱和換熱和沸騰沸騰換熱兩換熱兩種。種。 相變換熱的相變換熱的特點(diǎn)特點(diǎn)：由于有潛熱釋放和相變過程

16、：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實(shí)驗關(guān)聯(lián)式。工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實(shí)驗關(guān)聯(lián)式。第三節(jié)第三節(jié) 蒸氣凝結(jié)換熱蒸氣凝結(jié)換熱 凝結(jié)過程凝結(jié)過程 膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié) 沿整個壁面形成一層薄膜，并且在沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動，凝結(jié)放出的汽化潛重力的作用下流動，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) 當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成許多小

17、液珠，此時壁面的部分表面壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)（可能大幾倍，甚至一個數(shù)量級）凝結(jié)（可能大幾倍，甚至一個數(shù)量級）gswttgswttq豎壁上的膜狀凝結(jié)豎壁上的膜狀凝結(jié) 液膜愈厚，液膜愈厚， 愈小。愈小。液膜內(nèi)的溫度分布為線性。液膜內(nèi)的溫度分布為線性。珠狀凝結(jié)可珠狀凝結(jié)可視化照片視化照片二、水平單管上的膜狀凝結(jié)二、水平單管上的膜狀凝結(jié)三、水平管束的膜狀凝結(jié)三、水平管束的膜狀凝結(jié)由于上一排的凝結(jié)液流至下一排水平管上會使液膜增厚，使換熱系數(shù)降低。四、影響凝結(jié)換熱的主要因素四、影響凝結(jié)換熱的主要因素蒸氣

18、流速的影響 當(dāng)蒸氣流速大于10 m/s時，若流速方向與液膜下流方向一致，則液膜變薄，換熱系數(shù)增大； 若蒸氣流速與液膜下流方向相反，則液膜增厚，減小。若蒸氣 流動速度很大，以致將液膜吹離壁面，則顯著增大。2.蒸氣中含有不凝結(jié)氣體的影響蒸氣中含有不凝結(jié)氣體的影響如蒸氣中含有空氣或其它不凝結(jié)氣體,換熱系數(shù)就會顯著下降。在氟利昂制冷裝置中，一旦氟利昂中混入空氣，在氟利昂制冷裝置中，一旦氟利昂中混入空氣，這些不凝結(jié)的空氣就會聚集在冷凝器管壁附近而這些不凝結(jié)的空氣就會聚集在冷凝器管壁附近而嚴(yán)重影響氟利昂蒸氣的凝結(jié)換熱，致使冷凝器壓嚴(yán)重影響氟利昂蒸氣的凝結(jié)換熱，致使冷凝器壓力過高。因此，必須將聚集在冷凝器中

19、的空氣放力過高。因此，必須將聚集在冷凝器中的空氣放掉，以改善凝結(jié)換熱過程掉，以改善凝結(jié)換熱過程,使冷凝壓力恢復(fù)正常。使冷凝壓力恢復(fù)正常。第四節(jié)第四節(jié) 液體沸騰換熱液體沸騰換熱 沸騰換熱現(xiàn)象沸騰換熱現(xiàn)象 蒸汽鍋爐蒸汽鍋爐 做飯做飯 許多其它的工業(yè)過程許多其它的工業(yè)過程1 生活中的例子生活中的例子2定義定義：a 沸騰：沸騰：工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過程種劇烈的汽化過程 b 沸騰換熱：沸騰換熱：指工質(zhì)通過氣泡運(yùn)動帶走熱量，并使其冷卻指工質(zhì)通過氣泡運(yùn)動帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式的一種傳熱方式3 分類分類沸騰的分類很多，書中

20、僅介紹了常見的沸騰的分類很多，書中僅介紹了常見的大容器大容器沸騰沸騰(池內(nèi)沸騰池內(nèi)沸騰)和和強(qiáng)制對流沸騰強(qiáng)制對流沸騰，每種又分為每種又分為過冷沸騰過冷沸騰和和飽和沸騰飽和沸騰。a 大容器沸騰大容器沸騰(池內(nèi)沸騰池內(nèi)沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自由表面的加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰；液體中所發(fā)生的沸騰；b 強(qiáng)制對流沸騰：強(qiáng)制對流沸騰強(qiáng)制對流沸騰：強(qiáng)制對流沸騰加熱表面加熱表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flowc 過冷沸騰：過冷沸騰：指液體主流尚未達(dá)到飽和溫度，即處于過冷狀指液體主流尚未達(dá)

21、到飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產(chǎn)生氣泡，稱之為過冷沸騰態(tài)，而壁面上開始產(chǎn)生氣泡，稱之為過冷沸騰d 飽和沸騰：飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度，而壁面溫度高于液體主體溫度達(dá)到飽和溫度，而壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰，稱之為飽和沸騰飽和溫度所發(fā)生的沸騰，稱之為飽和沸騰 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，表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰騰和和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：，如圖所示：qmaxqmin幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明：（1）上述熱流密度的峰值）上述熱流密度的峰值qmax 有重大意義，稱為臨界熱流有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNB作為作為監(jiān)視接近監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(diǎn)對熱流密度可控和溫度的警戒。這一點(diǎn)對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要?？煽氐膬煞N情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的）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。汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)