1、第三节 对流传热 对流是三种基本传热方式之一，指对流是三种基本传热方式之一，指由于流体的宏观运动而引起的热量传递，由于流体的宏观运动而引起的热量传递，因此，对流传热只发生在流体中。因此，对流传热只发生在流体中。工程定义工程定义流体与固体壁面之间的传热过程流体与固体壁面之间的传热过程第三节 对流传热一、对流传热过程分析 湍流湍流层流底层层流底层 热阻与推动力成正比热阻与推动力成正比 湍流主体温度？湍流主体温度？热阻集中部位？热阻集中部位？管壁热流体对流传热管壁冷流体对流传热第三节 对流传热二、对流传热速率方程式二、对流传热速率方程式ATTTAQttw/简化假定：全部阻力都集中在厚度为简化假定：全
2、部阻力都集中在厚度为t t 的有效膜内。膜内导热传热。的有效膜内。膜内导热传热。令：令：t 当量膜当量膜tAtttAQttW/)(wTTAQ)(ttAQW则：则：牛顿冷却定律牛顿冷却定律第三节 对流传热 对流传热系数、给热系数，对流传热系数、给热系数，W/(mW/(m2 2KK）ttAQw流体被加热：流体被加热：流体被冷却：流体被冷却：wTTAQ说明说明定律本身未揭示过程实质，只是将众多因素归结到对流传热系数定律本身未揭示过程实质，只是将众多因素归结到对流传热系数中中第三节 对流传热三、影响三、影响的主要因素的主要因素1.1.流体的状态：流体的状态：影响影响 较大的物性有：较大的物性有：，c
3、cp p 3.3.流体的流动状态流体的流动状态层湍无无相相变变相相变变 雷诺数雷诺数R Re et t热阻热阻R R，t 2.2.流体的物理性质：流体的物理性质：气、液气、液第三节 对流传热自强4.4.引起流动的原因：引起流动的原因：5.5.传热面的形状、大小和位置传热面的形状、大小和位置:不同的壁面形状、尺寸及与流体的相对位置影响流动形态不同的壁面形状、尺寸及与流体的相对位置影响流动形态从而影响从而影响的大小。的大小。自然对流：单位体积流体受到的浮升力自然对流：单位体积流体受到的浮升力ggt ttg 第三节 对流传热pctgluf,无相变时：无相变时：mni式中：式中：i i无因次数群个数；
4、无因次数群个数；n n总变量数；总变量数；m m基本因次数。基本因次数。四、四、的一般关联式因次分析的应用的一般关联式因次分析的应用1.1.准数及其意义：准数及其意义：柏金汉（柏金汉（BuckinghamBuckingham）的定理的定理：对某一物理过程，用因：对某一物理过程，用因次分析所得到的独立无因次数群次分析所得到的独立无因次数群(准数准数)的个数的个数i i，等于总等于总变量数变量数n n与基本因次数与基本因次数m m之差，即之差，即第三节 对流传热对给热过程：对给热过程：n n=8=8，m m=4=4，因此：因此：i=i=n-mn-m=4=4 设四个准数分别为设四个准数分别为，1 1
5、，2 2，3 3，则对流传热过程则对流传热过程准数式为：准数式为：321,第三节 对流传热步骤：步骤：从方程中选取从方程中选取m(4)m(4)个变量作为个变量作为核心物理量；核心物理量；此处选取此处选取l l，作为作为核心物理量核心物理量；m m个核心物理量应包含所涉及的全部因次；个核心物理量应包含所涉及的全部因次；这些物理量不包括待定物理量这些物理量不包括待定物理量(););这这m m个物理量本身不能组成无因次数群。个物理量本身不能组成无因次数群。第三节 对流传热 将剩下的四个变量分别与上面的四个核心物理量组成无将剩下的四个变量分别与上面的四个核心物理量组成无因次数群：因次数群：tglclu
6、lldcbapdcbadcbadcba 333322221111321步骤：步骤：第三节 对流传热 写出各物理量的因次式：写出各物理量的因次式：221132122p11233132L /L m/su TLM /c LM s/mN LM /kg L m M /W smtgmWTLkgJmlTm，单位质量流体的浮力流速，导热系数，定压比热容，粘度，密度，定性长度，给热系数，第三节 对流传热 将各物理量的因次代入准数定义式中，并使各式中各基将各物理量的因次代入准数定义式中，并使各式中各基本因次的指数和为零。本因次的指数和为零。)()()(1333TMTLMLMLMLlddddcccbbadcba因为
7、各基本因次的指数和为零因为各基本因次的指数和为零03:dcbaL对01:dcbM033:C01:dT1001dcba1001 l即即Nul努赛特（Nusselt）准数同理可得同理可得Re1luPr2pCGrtgl2233雷诺（Reynolds）准数普朗特（Prandtl）准数格拉斯霍夫（Grashof）准数第三节 对流传热第三节 对流传热定定 义义 名名 称称意意 义义=Nu=Nu=l/l/努塞尔准数努塞尔准数传热准数，含待求的给热系数传热准数，含待求的给热系数1 1=Re=Re=lulu /雷诺准数雷诺准数反映对流强度对传热的影响反映对流强度对传热的影响2 2=Pr=c=Pr=cp p /普
8、兰特准数普兰特准数反映流体物性的影响反映流体物性的影响3 3=GrGr=l =l 3 3 2 2 g g t/t/2 2格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数反映自然对流的影响反映自然对流的影响第三节 对流传热经以上分析，准数关联式可写为：经以上分析，准数关联式可写为：GrNuPr,Re,由于由于GrGr 对强制对流的影响比较小，而对强制对流的影响比较小，而Re Re 对自然对对自然对流的影响比较小，因此可以分别写成：流的影响比较小，因此可以分别写成：zyyxGrANuANu 1Pr PrRe 1自自然然对对流流：强强制制对对流流：2.2.对流传热中准数关联式的简化：对流传热中准数关联式的简化：oror
9、：第三节 对流传热3.3.准数关联式的应用条件准数关联式的应用条件公式的应用范围公式的应用范围：雷诺数：雷诺数Re、普朗特准数普朗特准数Pr 等的范围，等的范围，其他应用条件；其他应用条件；特征尺寸特征尺寸：水平管：直径或者当量直径；：水平管：直径或者当量直径；垂直管或者垂直平板：长度或者高度垂直管或者垂直平板：长度或者高度 定性温度定性温度：tm流体的物性参数。流体的物性参数。第三节 对流传热4.4.对流传热分类对流传热分类 对流传热对流传热有相变有相变传热传热无相变无相变传热传热冷凝传热冷凝传热沸腾传热沸腾传热自然对流自然对流强制对流强制对流管外管外对流对流管内管内对流对流圆形圆形直管直管
10、非圆非圆管道管道弯管弯管湍流湍流过渡流过渡流滞流滞流大容器内液体沸腾大容器内液体沸腾管内强制沸腾管内强制沸腾膜状冷凝膜状冷凝滴状冷凝滴状冷凝第三节 对流传热五、流体作强制对流时的给热系数五、流体作强制对流时的给热系数管内流动管内流动1.1.流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数采用迪塔斯贝尔特（采用迪塔斯贝尔特（DittusBoelter）方程：方程：nNuPrRe023.08.0 式中：式中：n普朗特数的指数，普朗特数的指数，流体被加热时，流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，流体被冷却时，n=0.3。气体及低粘度液体：气体及低粘度液体：第三节 对
11、流传热将各无量纲准数代入可得：将各无量纲准数代入可得：npcdud)()(023.08.0 使用范围：使用范围：Re10000，0.7Pr160，50，光滑管光滑管 特征尺寸：特征尺寸：L=管内径管内径di定性温度：流体进、出口温度的算术平均值：定性温度：流体进、出口温度的算术平均值：tm=(t1+t2)/2第三节 对流传热说明说明 当当l/d50时，按下式校正：时，按下式校正：如没有特殊说明，按照如没有特殊说明，按照l/d50计算；计算；npcdud)()(023.08.0 N=？液体：液体：T层流底层厚度层流底层厚度，被加热利于传热；被加热利于传热；Pr1.0，故，故Pr0.4 Pr0.3
12、，可校正；可校正；气体：气体：T层流底层厚度层流底层厚度，被冷却利于传热；被冷却利于传热；但但Pr1.0，故，故Pr0.4 Pr0.3，可校正；可校正；=1+(d/l)=1+(d/l)0.70.7 第三节 对流传热高粘度液体：高粘度液体：14.033.08.0)()()(027.0wpcdud 在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：对于液体，加热时：对于液体，加热时：05.1)(14.0 w ，冷却时：，冷却时：95.0)(14.0 w 应用范围：应用范围：Re104，0.7 Pr 60特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径di定性温度：定性温度
13、：tm=(t1+t2)/2第三节 对流传热2.2.流体在圆管内强制层流时的对流传热系数流体在圆管内强制层流时的对流传热系数14.03/1)()Pr(Re86.1wldNu引入格里兹引入格里兹（Graetz）数：数：lcmGzps自然对流的影响可以忽略自然对流的影响可以忽略因为因为lCmlCudldCudldpspiipii244PrRe4第三节 对流传热14.03114.03101.201.2 wpswlcmdGzNu 适用范围：适用范围：Re10，0.6Pr25000时，应考虑自然对流的影响，此时应对上时，应考虑自然对流的影响，此时应对上式右边乘以校正因子式右边乘以校正因子f：)01501(
14、8031/Gr.f 自然对流的影响不可忽略自然对流的影响不可忽略f 第三节 对流传热3.3.圆直管内过渡状态下的对流传热系数圆直管内过渡状态下的对流传热系数当当Re=200010000时，属于过渡状态，先按湍流公式时，属于过渡状态，先按湍流公式计算，然后再乘以校正系数计算，然后再乘以校正系数f1：8.051Re1060.1 f湍湍过渡过渡 1f第三节 对流传热4.4.流体在弯曲圆形管道内强制对流流体在弯曲圆形管道内强制对流由于形成涡流，对流传热系数比直管时要大由于形成涡流，对流传热系数比直管时要大)77.11(Rdi 式中：式中：、弯管及直管中的对流传热系数，弯管及直管中的对流传热系数，W/(
15、m2)di管内径，管内径，m；R弯管的曲率半径，弯管的曲率半径，m。第三节 对流传热5.5.流体在非圆形管道内强制对流流体在非圆形管道内强制对流采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。润润湿湿周周边边流流动动截截面面积积 4de2)12(318.002.0ddrPeRed 流体通过套管环隙湍流时的给热系数：流体通过套管环隙湍流时的给热系数：适用范围：适用范围：d1/d2=1.6517，54102.2101.2Re 例题例题547801521.tm3 13989mkg.KkgJk 4.174=Cp SmPa 0.575=KmW 0.64
16、45=水在水在38381.5mm1.5mm的管内流动，流速为的管内流动，流速为1m/s1m/s，水的进、出口温度分别为水的进、出口温度分别为1515及及8080。试求水。试求水与管壁间的对流传热系数。与管壁间的对流传热系数。解：在定性温度下水的物理性质为解：在定性温度下水的物理性质为例题例题44331010020861057501398911035.duRe723936445010575010174433.CpPrKmW.PrRed.2408043408034775 72393100208610356445002300230第三节 对流传热【例】【例】一列管式换热器，由一列管式换热器，由60根
17、根252.5mm的钢管组成，流量为的钢管组成，流量为6.745104kg/h的水在钢管的水在钢管内流动，水的进口温度为内流动，水的进口温度为20，出口温度为，出口温度为50，管长为，管长为2m。试求：试求：水的对流传热系数水的对流传热系数，W/（m2K）；）；若总传热量为若总传热量为2.3 106 W，求管内壁面的平均温度求管内壁面的平均温度tW，；若将总管数改为若将总管数改为50根，管长为根，管长为2.4m（总传热面积不变），冷却水量不变，总传热面积不变），冷却水量不变，求此时的求此时的（设水的物性不变），设水的物性不变），W/（m2K）。）。11P3mKkgJ 4174c m994.058
18、kg/35)5020(5.0t s/01885m.0h/85m.67058.99410745.6WV334 2242i401885m.06002.0ndA s/9999m.00.0188501885.0AVu 11Km626W.0 第三节 对流传热4431010734.210727.0058.9949999.002.0duRe 124.08.0402.0626.04.0r8.0edKm4797W847.4)10734.2(023.0PR023.0 847.4Pr626.010727.04174c3P)tt(AQmW 6.98tt1257.04797103.2mAQW6 2i1257m.0602
19、02.0LndA 2242i4T01571m.05002.0ndA s/200m.10.0157101885.0AVu 4431010294.310727.0058.9941.20002.0duRe 124.08.0402.0626.04.0r8.0edKm5568W847.4)10294.3(023.0PR023.0第三节 对流传热 管外流动管外流动单根圆管外垂直流过：单根圆管外垂直流过：n 由于沿柱面不同位置，流体流速由于沿柱面不同位置，流体流速及层流边界层厚度均不同，因此各及层流边界层厚度均不同，因此各部位对流传热系数也会发生变化；部位对流传热系数也会发生变化；n 随随而改变，通常取周向
20、而改变，通常取周向的的平均值进行计算。平均值进行计算。流体垂直流过单根圆管外的情况流体垂直流过单根圆管外的情况第三节 对流传热2.2.流体横过管束时的传热流体横过管束时的传热换热器壳程都是横掠管束流动，管的排列分直列和错列。换热器壳程都是横掠管束流动，管的排列分直列和错列。错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。阻力较大，清洗不如直列容易。第三节 对流传热影响因
21、素为影响因素为 Re，Pr，管子排列方式，管间距和管排数等：管子排列方式，管间距和管排数等：常用的经验公式：常用的经验公式：第三排及其后的管外给热系数：第三排及其后的管外给热系数：4.06.0034.065.003PrRe348.0 PrRed181.0 d 叉排：叉排：顺排：顺排：32319060 .32317060 .应用范围：应用范围：Re=500070000,s1/d=1.25.0,s2/d=1.25.0特征尺寸：特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速定性温度：定性温度：流体进、出口温度的算术平均值流体进、出口温度的算术平均值第三
22、节 对流传热由于各排的传热系数不同，则整个管束的平均给热系数应按下式求出：由于各排的传热系数不同，则整个管束的平均给热系数应按下式求出：式中：式中：A A1 1、A A2 2、A A3 3分别为第一排，第二排，第三排分别为第一排，第二排，第三排的传热面积；的传热面积；1 1、2 2、3 3分别为第一排，第二排，第三排分别为第一排，第二排，第三排的传热系数。的传热系数。321332211AAAAAAm六、自然对流传热自然对流：加热过程中流体密度发生变化而产生的流动。自然对流：加热过程中流体密度发生变化而产生的流动。如水在锅炉中的受热，用蒸汽盘管在缸底加热油罐中的油。如水在锅炉中的受热，用蒸汽盘管
23、在缸底加热油罐中的油。类型类型无限空间（无限空间（大容积自然对流）大容积自然对流）如房间中的暖气片与周围空气的传热如房间中的暖气片与周围空气的传热有限空间：如夹套内的传热有限空间：如夹套内的传热第三节 对流传热第三节 对流传热大容积自然对流的给热系数仅与大容积自然对流的给热系数仅与 Gr 数和数和 Pr 数有关：数有关：定性温度：取壁温定性温度：取壁温 tw 和流体平均温度和流体平均温度 tm 的算术平均值；的算术平均值；特性尺寸：水平管取外径特性尺寸：水平管取外径do，垂直管或板取管长和板高垂直管或板取管长和板高H。nNuC Gr Pr大容积自然对流的计算大容积自然对流的计算即即：npltg
24、clC 232 第三节 对流传热加热面的形状加热面的形状GrPr流动状态流动状态Cn定性尺寸定性尺寸垂直板或圆柱垂直板或圆柱1041091091013层流层流湍流湍流0.590.101/41/3高度高度H水平圆柱体水平圆柱体1041091091012层流层流湍流湍流0.530.131/41/3外径外径dO水平板，水平板，热面朝上热面朝上1052107210731010层流层流湍流湍流0.540.141/41/3正方形取边正方形取边长，长方形长，长方形取两边平均取两边平均值，圆盘取值，圆盘取0.9d，狭长狭长条取短边。条取短边。水平板，水平板，热面朝下热面朝下层流层流湍流湍流0.271/4不能达
25、到不能达到31053101031010 指数指数n 及系数及系数C 由表中数据查得由表中数据查得第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热一、沸腾传热一、沸腾传热 液体沸腾及其分类液体沸腾及其分类定义：定义：液体与高温壁面接触被加热气化液体与高温壁面接触被加热气化并产生气泡的过程。并产生气泡的过程。加加热热大容积沸腾大容积沸腾(池内沸腾池内沸腾)：热表面浸没于大容器内无强制流动的液体：热表面浸没于大容器内无强制流动的液体中所发生的沸腾中所发生的沸腾 液体沸腾的分类液体沸腾的分类按加热面的形状分类：按加热面的形状分类：特点：特点：汽泡可自由浮升；汽泡可自由浮升；传热由自然对流及气泡的扰动产生。传
26、热由自然对流及气泡的扰动产生。管内强制对流沸腾：液体在压差作用下以一定流速从加热管内流过而管内强制对流沸腾：液体在压差作用下以一定流速从加热管内流过而发生的沸腾。发生的沸腾。特点：特点：汽泡不能自由浮升；汽泡不能自由浮升；气液混相流动。气液混相流动。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热按照液体主体温度分类：按照液体主体温度分类：过冷沸腾：过冷沸腾：饱和沸腾：饱和沸腾：液体主体温度液体主体温度T T操作压力下液体的沸点操作压力下液体的沸点T TS S，而壁温而壁温T TW W 液体沸点液体沸点T TS S；汽泡脱离壁面后在液体主体中重新凝结汽泡脱离壁面后在液体主体中重新凝结 液体主体温度液
27、体主体温度T T饱和温度饱和温度T TS S，而壁温而壁温T TW W液体沸点液体沸点T TS S；汽泡脱离后聚合成较大的气泡汽泡脱离后聚合成较大的气泡第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热(三三)沸腾现象沸腾现象沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。汽泡生成的条件：液体必须过热；汽泡生成的条件：液体必须过热；加热壁面上存在汽化核心。加热壁面上存在汽化核心。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热过热度：过热度：饱和沸腾时液体的实际温度与液体所处压力下沸点的饱和沸腾时液体的实际温度与液体所处压力下沸点的 差值：差值：t-tt-ts s；加热面处的过热度最大；
28、加热面处的过热度最大；常压下水沸腾时加热面处的过热度为常压下水沸腾时加热面处的过热度为6 688，主体的，主体的 过热度为过热度为0.40.40.80.8。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热汽化核心：汽化核心：粗糙表面上微细的凹缝或裂纹处，由于表面张力较小或粗糙表面上微细的凹缝或裂纹处，由于表面张力较小或 吸附了微量气体或蒸汽等原因，使新相容易生成；吸附了微量气体或蒸汽等原因，使新相容易生成；与壁面材质、粗糙程度有关；与壁面材质、粗糙程度有关；液体润湿壁面能力液体润湿壁面能力附着力附着力汽泡易于脱离；汽泡易于脱离；压力压力P”脱离直径脱离直径“生成气泡频率生成气泡频率对流传热对流传热
29、系数系数。说明：汽泡在加热面上不断产生、长大、脱离，液体不断说明：汽泡在加热面上不断产生、长大、脱离，液体不断冲刷热表面，使其附近激烈扰动，故冲刷热表面，使其附近激烈扰动，故沸腾沸腾无相变无相变。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热(四四)饱和沸腾曲线饱和沸腾曲线 自然对流沸腾区：自然对流沸腾区：t t 较小，壁面处液较小，壁面处液体轻微过热，产生的体轻微过热，产生的少量汽泡尚未升浮达少量汽泡尚未升浮达到自由液面就放热再到自由液面就放热再冷凝而消失。液体的冷凝而消失。液体的运动主要决定于自然运动主要决定于自然对流；当热液体浮升对流；当热液体浮升至液面时，发生表面至液面时，发生表面蒸发。蒸
30、发。自然对流沸腾自然对流沸腾区区第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热核状沸腾区：核状沸腾区：t t增大，加热面上汽增大，加热面上汽泡数量增加，促进液泡数量增加，促进液体扰动，体扰动，值迅速增值迅速增加。加。泡核沸腾区泡核沸腾区点点C：临界点，对应临界点，对应tc、c；如常压水：如常压水：tc=25,c=5.35104W/(m2K)第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热膜态沸腾区：膜态沸腾区：t t 增大过增大过C C 点，汽泡数点，汽泡数大大增加，且生成速率大大增加，且生成速率脱离速率，汽泡连成汽膜，脱离速率，汽泡连成汽膜，值下降。因汽膜很不稳值下降。因汽膜很不稳定，属于核状沸腾和膜
31、状定，属于核状沸腾和膜状沸腾共存的过渡区。沸腾共存的过渡区。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热稳定膜态沸腾：稳定膜态沸腾：t t 继续增大，汽泡迅速形成并继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生稳定的膜状沸腾。上，产生稳定的膜状沸腾。对流对流传热系数传热系数值变化不大。值变化不大。但由于膜内辐射传热的逐渐增强，但由于膜内辐射传热的逐渐增强，和和q q又随又随 t t的增加而升高的增加而升高稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热(五)沸腾传热计算大容器内泡核沸腾的大容器内泡核沸腾的可采用下面的经验公式计算：可采用
32、下面的经验公式计算：1 ntA 式中：式中：t温差，温差，t=tw-ts，A，n与液体物性、操作压力及表面状况与液体物性、操作压力及表面状况 有关的参数，可查有关资料得到。有关的参数，可查有关资料得到。见见P261表表5-6第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热对单根管外大容器沸腾，可采用莫斯廷斯基（对单根管外大容器沸腾，可采用莫斯廷斯基（MostinskiMostinski）半经验公式：半经验公式：33.21163.1tZ 式中：式中：33.3102.117.069.0411048.11081.91.0 RRRcppppZ其中：其中：Pc沸腾液的临界压力，沸腾液的临界压力，Pa;PR沸腾
33、液的对比压力，沸腾液的对比压力，PR=P/Pc应用条件：应用条件：Pc 3MPa，PR=0.010.9。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热(六六)影响沸腾传热的因素及强化沸腾传热的途径影响沸腾传热的因素及强化沸腾传热的途径影响因素：影响因素：液体性质：液体性质：，；，；温差及操作压力：温差温差及操作压力：温差t应控制在核状沸腾区应控制在核状沸腾区 Pts ；热表面的粗糙度、物性及润湿性、表面的布置：热表面的粗糙度、物性及润湿性、表面的布置：新的或者清洁的表面新的或者清洁的表面大；大；水平管束面的沸腾水平管束面的沸腾单管外的沸腾单管外的沸腾。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热强化
34、途径：强化途径：加热面：加热面：液体：液体：使表面粗糙化；使表面粗糙化；采用多孔金属表面；采用多孔金属表面；定期除垢定期除垢 加入添加剂降低液体表面张力；加入添加剂降低液体表面张力；加强搅拌加强搅拌第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热二、二、冷凝传热冷凝传热 蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触，释放出潜热后冷凝蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触，释放出潜热后冷凝为液体，这一过程称为冷凝传热。为液体，这一过程称为冷凝传热。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热 蒸汽冷凝的方式蒸汽冷凝的方式特点：蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才特点：蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与蒸汽间能传递到
35、壁面，液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻。传热的主要热阻。膜状冷凝：膜状冷凝：冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。膜布满液面并连续向下流动。较小较小工业上常见工业上常见第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。较大的液滴而脱落。实现滴状冷凝的方法：实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一层油类物质；在壁面上涂一层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；对管表面进行改性处理。对
36、管表面进行改性处理。特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的凝的 5 510 10 倍甚至更高。倍甚至更高。滴状冷凝：滴状冷凝：较大较大第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热 冷凝传热系数冷凝传热系数第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热1.1.层流时的冷凝传热系数：层流时的冷凝传热系数：冷凝液膜呈层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的冷凝液膜呈层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的 热传导，膜内温度分布为线性；热传导，膜内温度分布为线性；蒸汽静止，汽液界面无粘性应力；蒸汽静止，汽液界面无粘性应力；
37、汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度等汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度等 于饱和蒸气温度；于饱和蒸气温度；忽略液膜的过冷度，冷凝液为饱和液体。忽略液膜的过冷度，冷凝液为饱和液体。努塞特假定：努塞特假定：Re Re 20002000时为层流时为层流:第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热经推导，努塞特提出如下方程：经推导，努塞特提出如下方程：垂直壁：垂直壁：4/13213.1 tLgr 特征尺寸：特征尺寸：L L垂直壁高，垂直壁高，m m；单根水平管单根水平管4/132725.0 tdgrO 特征尺寸：特征尺寸：d dO O管外直径，管外直径，m m。定性温度：定性温度：
38、t tm m=(t=(ts s+t+tw w)/2)/2第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热定性温度：定性温度：t tm m=(t=(ts s+t+tw w)/2)/22.2.湍流时的冷凝传热系数湍流时的冷凝传热系数垂直壁：垂直壁：3241039/52324 rtLg特征尺寸特征尺寸L L：管长或板高管长或板高Re Re 20002000时为湍流时为湍流:第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热说明：说明：雷诺数雷诺数Re Re 的求算：的求算：设设S S 为凝液流通截面积，为凝液流通截面积，B B 为润湿周边（垂直壁宽），为润湿周边（垂直壁宽），m ms s 为凝为凝液的质量流量，液
39、的质量流量，M M 为单位壁宽的冷凝液流量冷凝负荷，则为单位壁宽的冷凝液流量冷凝负荷，则若传热速率若传热速率Q Q已知已知ReReSmu,BSd,BmMses 4SM/SmBSudRese44 ReRe20002000时，层流时，层流ReRe20002000时，湍流时，湍流rBQBmM,rQmss 第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热3.3.水平管束外的冷凝对流传热系数水平管束外的冷凝对流传热系数:考虑由于向下流动的液体使下面的管子液膜增考虑由于向下流动的液体使下面的管子液膜增厚及液滴撞击和飞溅的影响，对单根管外冷凝厚及液滴撞击和飞溅的影响，对单根管外冷凝给热系数的公式进行修正：给热系数
40、的公式进行修正：4/103/232725.0tdngr式中：式中：n n垂直方向上管列的管子平均根数；垂直方向上管列的管子平均根数；特征尺寸：特征尺寸：odnl32 第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热正方形直列正方形直列正方形错列正方形错列518.0370.1Nns 480.0288.1Nns 三角形直列三角形直列 三角形错列三角形错列495.008.2Nns 519.0022.1Nns 垂垂直直列列数数管管束束的的管管子子总总根根数数 snNn第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素1.1.流体物性的影响：流体物性的影响：冷凝液冷凝液 or o
41、r ReRe or or 液膜厚度液膜厚度 ；冷凝液冷凝液 ；冷凝潜热冷凝潜热r r，同样的热负荷同样的热负荷Q Q 下下冷凝液量冷凝液量m ms s液液 膜厚度膜厚度。2.2.液膜温差的影响：液膜温差的影响：当液膜层流流动时，当液膜层流流动时，t=t=t ts st tW W，t t 蒸汽冷凝速率蒸汽冷凝速率液膜增厚液膜增厚 。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热3.3.冷凝壁面的状况：冷凝壁面的状况：表面粗糙度、有腐蚀或氧化层表面粗糙度、有腐蚀或氧化层 4.4.蒸汽过热度的影响：蒸汽过热度的影响：过热蒸汽的冷凝传热系数略大于相同温度下饱和蒸汽的冷凝给热系过热蒸汽的冷凝传热系数略大于相
42、同温度下饱和蒸汽的冷凝给热系 数：数：大气压下，过热大气压下，过热3030的蒸汽较饱和蒸汽的的蒸汽较饱和蒸汽的高高1%1%。r=r+r=r+C CP P(t(tg g-t-ts s)第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热校正：用校正：用过热蒸汽的气化潜热代替前面计算公式中的气化潜热过热蒸汽的气化潜热代替前面计算公式中的气化潜热5.5.蒸汽流速与流向的影响蒸汽流速与流向的影响：蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄 ；蒸汽流速蒸汽流速 10m/s 40 4050m/s 50m/s 时，时，提高提高30%30%左右。左右。蒸汽与液膜流向
43、相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚 ；但但u u时，会吹散液膜时，会吹散液膜。6.6.不凝气体的影响不凝气体的影响：当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜，大大增加热当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜，大大增加热 阻。因此在操作时，应注意排放不凝气。阻。因此在操作时，应注意排放不凝气。第四节第四节 沸腾与冷凝传热沸腾与冷凝传热一、一、间壁两侧流体的传热间壁两侧流体的传热 间壁式换热器及其传热过程间壁式换热器及其传热过程套管式换热器套管式换热器 冷溶液进冷溶液进 冷溶液出冷溶液出 热溶液进热溶液进热溶液出热溶液出第五节第五节 两
44、流体间的传热计算两流体间的传热计算传热过程分析传热过程分析：热流体与壁面的对流传热；热流体与壁面的对流传热；管壁的导热；管壁的导热；管壁与冷流体侧的对流传热。管壁与冷流体侧的对流传热。对流对流导热导热对流对流第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算二、二、换热器的热负荷及热量衡算方程式换热器的热负荷及热量衡算方程式 热负荷热负荷定义：定义：单位时间冷、热流体间交换的热量单位时间冷、热流体间交换的热量计算：计算：比热法、热焓法比热法、热焓法第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 很显然，在不计换热器的热损失时，换热器的热负荷很显然，在不计换热器的热损失时，换热器的热负荷等于
45、单位时间内热流体放出的热量或冷流体吸收的热量。等于单位时间内热流体放出的热量或冷流体吸收的热量。热流体放出热量：热流体放出热量：211,11TTcmQp 冷流体吸收热量：冷流体吸收热量：122,22ttcmQp 如果只发生单纯的温度变化，则：如果只发生单纯的温度变化，则：n如果只发生单纯的相变化，则：如果只发生单纯的相变化，则：111mQ 222mQ 冷流体吸收热量：冷流体吸收热量：热流体放出热量：热流体放出热量：n当流体既有相变化又有温度变化时，则：当流体既有相变化又有温度变化时，则：热流体放出热量：热流体放出热量：冷流体吸收热量：冷流体吸收热量：)(122222ttCmQp)(211111
46、TTCmQp第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算如果忽略热损失（如果忽略热损失（Q Qf f=0=0），则有：则有：21QQQQ Q称为换热器的热负称为换热器的热负荷，单位为荷，单位为W W。如果热损失不能忽略如果热损失不能忽略(Q Qf f0)0)，则，则根据热负荷的定义确定根据热负荷的定义确定：视流程而定，以流经管程的流体计视流程而定，以流经管程的流体计第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算例：套管式换热器，热流体走管外，冷流体走管内，例：套管式换热器，热流体走管外，冷流体走管内，放出和吸收的热量分别为放出和吸收的热量分别为Q Q1 1、Q Q2 2 ，传热损失为
47、冷流，传热损失为冷流体吸收热量的体吸收热量的5%5%，则换热器的热负荷为：，则换热器的热负荷为：（A A）Q Q1 1 （B B）Q Q2 2 （C C）0.95Q0.95Q1 1（D D）0.95Q0.95Q2 2第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算 热量衡算方程式热量衡算方程式以套管换热器为例：以套管换热器为例：当冷、热流体均不发生相变时：当冷、热流体均不发生相变时：热流体放出热量：热流体放出热量：211,11TTcmQp 冷流体吸收热量：冷流体吸收热量：122,22ttcmQp 能量守恒：能量守恒：Q1Q2QfQf=0Q1Q2第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计
48、算 例：例：在一套管换热器中，用冷却水将在一套管换热器中，用冷却水将1.25kg/s1.25kg/s的苯由的苯由350K350K冷却至冷却至300K300K，冷却水在冷却水在25252.52.5的内管中流动，其进出口的内管中流动，其进出口温度分别为温度分别为290K290K和和320K320K，忽略热损失，试求冷却水的消耗量忽略热损失，试求冷却水的消耗量及冷却水侧的对流传热系数？及冷却水侧的对流传热系数？解：解：(1)(1)苯的平均温度苯的平均温度KTTTm3252300350221 查得苯在查得苯在325K325K下的比热为下的比热为KkgkJ84.1 水的平均温度水的平均温度Ktttm30
49、52320290221查得水在查得水在305K305K下的比热为下的比热为pC=KkgkJ84.1粘度为粘度为=310774.0PaSPaS第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算=0.621W/(mK),=0.621W/(mK),3/995mkg导热系数为导热系数为密度密度根据热量衡算方程式根据热量衡算方程式)()(12222111ttCmTTCmpp代入数据代入数据290320174.430035084.125.12w解得解得W W2 2=0.9180.918（kg/S)kg/S)第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算(2)4321055.710774.002.04918.002.0Redu2.5621.010774.010174.433prCP4.08.0PrRe023.0d4.08.042.5)1055.7(02.0621.0023.0)/(101.124KmW第五节第五节 两流体间的传热计算两流体间的传热计算
