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1、代價(jià):動(dòng)力消耗。,4.4 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián) 4.4.1 影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素,(2)流體流動(dòng)原因 強(qiáng)制對(duì)流:外部機(jī)械作功, 一般流速較大, h也較大。 自然對(duì)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(dòng)狀態(tài),(3)流體的物理性質(zhì),定性溫度:計(jì)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(dòng),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(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流, 一般地,有相變時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 例:水 強(qiáng)制對(duì)流, 蒸汽冷凝,,4.4.2 無相變化
2、時(shí)對(duì)流傳熱過程的量綱分析 (1)量綱分析過程 優(yōu)點(diǎn):減少實(shí)驗(yàn)次數(shù); 依據(jù):物理方程各項(xiàng)量綱一致; 步驟:,(a)通過理論分析和實(shí)驗(yàn)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(duì)流傳熱的強(qiáng)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(dòng)狀態(tài)對(duì) h 的影響。,l:特征尺寸,平板 流動(dòng)方向的板長(zhǎng); 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?cái)?shù),說明: 反映流體物性對(duì)傳熱的影響 反映熱擴(kuò)散和動(dòng)量擴(kuò)散的相對(duì)大小 反映流動(dòng)邊界
3、層和熱邊界層的相對(duì)厚度,使用時(shí)注意: * 查取定性溫度下的物性; * 計(jì)算所用單位,SI制。,說明: 反映自然對(duì)流的強(qiáng)弱程度。, 格拉曉夫數(shù)(浮升力特征數(shù)),強(qiáng)制對(duì)流,自然對(duì)流,混合對(duì)流,4.4.3 無相變化的對(duì)流傳熱,(1)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱 一般關(guān)系式:,傳熱流動(dòng)狀態(tài)劃分(區(qū)別于流體流動(dòng)時(shí)規(guī)律 ), 流體在圓形直管內(nèi)湍流時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),a) 一般流體,流動(dòng)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
4、在發(fā)展,h不穩(wěn)定 (隨管長(zhǎng)增加h減小),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(zhǎng)度:進(jìn)口到傳熱邊界層匯合點(diǎn)間的長(zhǎng)度。,說明:經(jīng)驗(yàn)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(jìn)口段,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 計(jì)算:采用以上各式計(jì)算 h,并加以校正。,d) 圓形直管內(nèi)過渡流時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),計(jì)算:采用湍流公式,但需加以校正。,說明:設(shè)計(jì)換熱器時(shí),一般避免過渡流。,e) 圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流 特點(diǎn):1)傳熱進(jìn)口段的管長(zhǎng)所占比例較大; 2)熱流方向不同,也會(huì)影響; 3)自然對(duì)流的影
5、響,有時(shí)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(qiáng)制對(duì)流 特點(diǎn):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(dòng)程度增加,使h增加; 同時(shí),流動(dòng)阻力損失增加。,g ) 非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流 采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計(jì)算, 但特征尺寸采用當(dāng)量直徑。 最好采用專用、經(jīng)驗(yàn)公式。 如:套管環(huán)隙,式中:, 管外強(qiáng)制對(duì)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(gè)最低點(diǎn)。 2)高雷諾數(shù)(140000219000) 有兩個(gè)最低點(diǎn): N0
6、1: =70-80,層流邊界 層湍流邊界層; N02: =140(分離點(diǎn)), 發(fā)生邊界分離。,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):,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(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。,各排管h的變化規(guī)律,可以看出,錯(cuò)列傳熱效果比直列好。 傳熱系數(shù)的計(jì)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(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。,管板,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,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。,說明: 無折流板時(shí),流體平行流過管束, 按管內(nèi)公式計(jì)算,特征尺寸為當(dāng)量直徑。,(3) 自然對(duì)流傳熱 溫度差引起流體密度不均,導(dǎo)致流
8、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:,大空間內(nèi)流體沿垂直壁面進(jìn)行自然對(duì)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(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:, 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián),有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn) 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(duì)流傳熱,相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(jī)理
9、 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: 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(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。, 膜狀冷凝的真實(shí)過程, 簡(jiǎn)化的物理模型 液膜很薄,層流流動(dòng),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)
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(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:, 努塞爾方程的無量綱化 液膜流動(dòng)雷諾數(shù),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/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(rùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果:實(shí)測(cè)值高于理論值(約20
11、%) 原因:液膜的波動(dòng)、假設(shè)的不確切性,(3) 膜狀冷凝傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)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(shí),計(jì)算應(yīng)采用試差法。,完全由實(shí)驗(yàn)獲得,說明:此式計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)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(jì)算:按傾斜壁對(duì)方位角做積分(0-1800)。,層流時(shí),,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(cuò)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(duì)冷凝液膜厚度的影響,管排數(shù)不同時(shí), 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(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(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。,沸騰: 沸騰
13、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: 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)。 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(huì)冷凝。,(5)液體沸騰傳熱,1) 大容積飽和沸騰傳熱機(jī)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(huì)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(zhǎng)。,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(zhǎng)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(dòng) 因此:,實(shí)驗(yàn)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(duì)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(diǎn)臨界點(diǎn)(C點(diǎn))。 臨界值:t、q、Q CD段 :核狀、膜狀共存,膜覆蓋為主,t,h; DEF段
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