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

2、時對流傳熱過程的量綱分析 （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 反映熱擴散和動量擴散的相對大小 反映流動邊界

3、層和熱邊界層的相對厚度,使用時注意： * 查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,4.4.3 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,保證流體達到傳熱湍流；,適用條件：,說明：,避開傳熱進口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。,傳熱進口段：傳熱正

4、在發(fā)展，h不穩(wěn)定 (隨管長增加h減小),進口段溫度分布和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化,傳熱進口段長度：進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?。?適用條件：,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管內(nèi)徑di,c)流體流過短管（l/d50）,影響：處于傳熱進口段，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 計算：采用以上各式計算 h，并加以校正。,d) 圓形直管內(nèi)過渡流時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),計算：采用湍流公式，但需加以校正。,說明：設(shè)計換熱器時，一般避免過渡流。,e) 圓形直管內(nèi)強制層流 特點：1）傳熱進口段的管長所占比例較大； 2）熱流方向不同，也會影響； 3）自然對流的影

5、響，有時不可忽略。,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：管內(nèi)徑di。,適用條件：,f ) 圓形彎管內(nèi)的強制對流 特點：離心力使徑向壓力不均，產(chǎn)生二次環(huán)流； 結(jié)果：流體湍動程度增加，使h增加； 同時，流動阻力損失增加。,g ) 非圓形管內(nèi)強制對流 采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計算， 但特征尺寸采用當量直徑。 最好采用專用、經(jīng)驗公式。 如：套管環(huán)隙,式中：, 管外強制對流 a) 流體橫向流過單管,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布 1）低雷諾數(shù)（70800101300）=0-80，層流邊界層厚度增大使h， 80，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： N0

6、1： =70-80，層流邊界 層湍流邊界層； N02： =140（分離點）， 發(fā)生邊界分離。,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)：,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)鳠嵯禂?shù),直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。,各排管h的變化規(guī)律,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：,

7、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,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。,管板,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：流道的當量直徑。,正方形排列,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。,說明： 無折流板時，流體平行流過管束， 按管內(nèi)公式計算，特征尺寸為當量直徑。,(3) 自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導致流

8、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：,大空間內(nèi)流體沿垂直壁面進行自然對流：,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求?。?查圖求解,大空間內(nèi)流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時：,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),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,相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復雜； 分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。,(1) 蒸汽冷凝機理

9、 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。,(2) 膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 努塞爾方程的理論推導 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)學模型求解。, 膜狀冷凝的真實過程, 簡化的物理模型 液膜很薄，層流流動，傳熱方式為導熱，溫度分布為線性； 蒸汽靜止，汽-液界面無粘性應(yīng)

10、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。, 建立數(shù)學模型求解 按假設(shè)，,推導膜厚：,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：, 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

11、%） 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,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 ：,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冷凝液膜厚度的影響,管排數(shù)不同時， 采用平均

12、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）當蒸汽速度較大時，可能形成兩相流動， 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

13、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， 氣泡進入液體主體后冷凝。 飽和沸騰：tts， 氣泡進入液體主體后不會冷凝。,（5）液體沸騰傳熱,1) 大容積飽和沸騰傳熱機理 a） 汽泡能夠存在的條件：, 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：,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； 當兩者作用相抵消，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點臨界點（C點）。 臨界值：t、q、Q CD段 ：核狀、膜狀共存，膜覆蓋為主，t，h； DEF段