化工原理課件第四章第三節(jié)第1頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.1對(duì)流傳熱過程分析4.3對(duì)流傳熱4.3.5無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式4.3.2對(duì)流傳熱速率方程4.3.3影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素4.3.4對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立

4.3.6有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第2頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)流傳熱：是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。

對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。

實(shí)質(zhì)上對(duì)流傳熱是流體的對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。第3頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.1對(duì)流傳熱過程分析

流體在平壁上流過時(shí)，流體和壁面間將進(jìn)行換熱，引起壁面法向方向上溫度分布的變化，形成一定的溫度梯度，近壁處，流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域，稱為熱邊界層或溫度邊界層。

熱邊界層或溫度邊界層：

第4頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于對(duì)流是依靠流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移來進(jìn)行熱量傳遞，因此對(duì)流傳熱的快慢與流體流動(dòng)的狀況有關(guān)。

在流體流動(dòng)一章中曾講了流體流動(dòng)型態(tài)有層流和湍流。

層流流動(dòng)時(shí)，由于流體質(zhì)點(diǎn)只在流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方向上無質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)主要依靠熱傳導(dǎo)方式來進(jìn)行熱量傳遞，但由于流體內(nèi)部存在溫差還會(huì)有少量的自然對(duì)流，此時(shí)傳熱速率小，應(yīng)盡量避免此種情況。第5頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)大多數(shù)情況下為湍流，下面我們來分析流體作湍流流動(dòng)時(shí)的傳熱情況。

流體作湍流流動(dòng)時(shí)，靠近壁面處流體流動(dòng)分別為層流底層、過渡層（緩沖層）、湍流核心。層流底層：流體質(zhì)點(diǎn)只沿流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方向上無質(zhì)點(diǎn)的混合，溫度變化大，傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。導(dǎo)熱為主，熱阻大，溫差大。第6頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月湍流核心：在遠(yuǎn)離壁面的湍流中心，流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度趨于一致（熱阻小），傳熱主要以對(duì)流方式進(jìn)行。質(zhì)點(diǎn)相互混合交換熱量，溫差小。過渡區(qū)域：溫度分布不像湍流主體那么均勻，也不像層流底層變化明顯，傳熱以熱傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式共同進(jìn)行。質(zhì)點(diǎn)混合，分子運(yùn)動(dòng)共同作用，溫度變化平緩。第7頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果要加強(qiáng)傳熱，必須采取措施來減少層流底層的厚度。根據(jù)在熱傳導(dǎo)中的分析，溫差大熱阻就大。

流體作湍流流動(dòng)時(shí)，熱阻主要集中在層流底層中。第8頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2對(duì)流傳熱速率方程

對(duì)流傳熱大多是指流體與固體壁面之間的傳熱，其傳熱速率與流體性質(zhì)及邊界層的狀況密切相關(guān)。

如圖在靠近壁面處引起溫度的變化形成溫度邊界層。溫度差主要集中在層流底層中?！ｎD冷卻定律第9頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

該膜既不是熱邊界層，也非流動(dòng)邊界層，而是一集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜。由此假定，此時(shí)的溫度分布情況如下圖所示。

假設(shè)流體與固體壁面之間的傳熱熱阻全集中在厚度為δt有效膜中，在有效膜之外無熱阻存在，在有效膜內(nèi)傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。

第10頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月建立膜模型：

式中

：

δt──總有效膜厚度；

δe──湍流區(qū)虛擬膜厚度；δ──層流底層膜厚度。

使用傅立葉定律表示傳熱速率在虛擬膜內(nèi)：

流體被加熱：

4-164-17第11頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月流體被冷卻：

設(shè)對(duì)流傳熱速率方程可用牛頓冷卻定律來描述：

流體被加熱：

流體被冷卻：

4-184-194-214-20第12頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

Q′，Q──對(duì)流傳熱速率，W；A──對(duì)流傳熱面積，m2?！?，a──對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；tW1，

tW2──壁溫，℃；T，t──流體平均溫度，℃；式中：第13頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

牛頓冷卻定律并非從理論上推導(dǎo)的結(jié)果，而只是一種推論，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律。推動(dòng)力：阻力：4-224-244-23第14頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)流傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，實(shí)際上由于有效膜厚度難以測(cè)定，牛頓冷卻定律只是給出了計(jì)算傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并未簡化問題本身，只是把諸多影響過程的因素都?xì)w結(jié)到了當(dāng)中──復(fù)雜問題簡單化表示。流體被加熱：

流體被冷卻：

4-214-20第15頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素

對(duì)流傳熱是流體在具有一定形狀及尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)發(fā)生的熱流體到壁面或壁面到冷流體的熱量傳遞過程，因此它必然與下列因素有關(guān)。1.引起流動(dòng)的原因：自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的浮升力，造成流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的上升和下降運(yùn)動(dòng)，一般u較小，也較小。

第16頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

若流體的體積膨脹系數(shù)為β，則ρ1與ρ2的關(guān)系為：

由于有溫度差，即：t2＞t1，所以ρ2＜ρ1。4-264-25第17頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)制對(duì)流：在外力作用下引起的流體流動(dòng)，一般u較大，故較大。

于是在重力場(chǎng)內(nèi)，單位體積流體由于密度不同所產(chǎn)生的浮生力為：4-284-27第18頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

的影響：；

的影響：Re

；

Cp的影響：cpcp單位體積流體的熱容量大，則較大；

μ的影響:

Re

當(dāng)流體種類確定后，根據(jù)溫度、壓力（氣體）查對(duì)應(yīng)的物性，影響較大的物性有：

2.流體的物性：第19頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月3.流動(dòng)形態(tài)：

層流：熱量主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。湍流：質(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，較大。

Re

δ；但Re動(dòng)力消耗大。

湍

>層

第20頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4.傳熱面的形狀，大小和位置

不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會(huì)造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使增大。形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。

對(duì)于一種類型的傳熱面常用一個(gè)對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)有決定性影響的特性尺寸L來表示其大小。第21頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月5.是否發(fā)生相變

發(fā)生相變時(shí)，由于汽化或冷凝的潛熱遠(yuǎn)大于溫度變化的顯熱（r遠(yuǎn)大于cp）。相變

>無相主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。

一般情況下，有相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)較大，機(jī)理各不相同，復(fù)雜。

第22頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.4對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立

由于對(duì)流傳熱本身是一個(gè)非常復(fù)雜的物理問題，現(xiàn)在用牛頓冷卻定律把復(fù)雜問題用簡單形式表示，把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)到計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)上面。

對(duì)流傳熱系數(shù)大小的確定成為了一個(gè)復(fù)雜問題，其影響因素非常多。

目前還不能對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計(jì)算式，只能通過實(shí)驗(yàn)得到其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。第23頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月一、因次分析

由上面的分析：

＝f(u，l，，，cp，，g△t)

u

——特征流速。式中：l——特性尺寸；基本因次：長度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度變量總數(shù)：8個(gè)第24頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

因次分析之后，所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中共有4個(gè)無因次數(shù)群（由定理8-4=4）因次分析結(jié)果如下：

Nusselt（努塞爾）待定準(zhǔn)數(shù)（包含對(duì)流傳熱系數(shù)）Reynolds（雷諾）表征流體流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響。4-29第25頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月Prandtl（普蘭特）反映流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響。Grashof（格拉斯霍夫）表征自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響。4-30第26頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月二、定性溫度、特性尺寸的確定1、定性溫度

由于沿流動(dòng)方向流體溫度的逐漸變化，在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)就要取一個(gè)有代表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，這個(gè)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。定性溫度的取法：1）流體進(jìn)出口溫度的平均值：

4-31第27頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月3．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。2）膜溫

2．特性尺寸

它是代表換熱面幾何特征的長度量，通常選取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。

實(shí)驗(yàn)范圍是有限的，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的使用范圍也就是有限的。式中：

tW——壁溫4-32第28頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.5無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流1．圓形直管內(nèi)的湍流適用范圍：Re>10000，0.7<Pr<160，<2×10-5Pa.s，l/d>604-344-33第29頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月注意事項(xiàng)：（3）流體被加熱時(shí)，n＝0.4；被冷卻時(shí)，n＝0.3。（1）定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值tm

（2）特征尺寸為管內(nèi)徑di；

上述n取不同值的原因主要是溫度對(duì)近壁層流底層中流體粘度的影響。

當(dāng)管內(nèi)流體被加熱時(shí)，靠近管壁處層流底層的溫度高于流體主體溫度；流體被冷卻時(shí)，情況正好相反。

第30頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)于液體，其粘度隨溫度升高而降低，液體被加熱時(shí)層流底層減薄，大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高也有所減少，但不顯著，總的結(jié)果使對(duì)流傳熱系數(shù)增大。

液體被加熱時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)必大于冷卻時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。大多數(shù)液體的Pr>1,即Pr0.4>Pr0.3。

液體被加熱時(shí)，n取0.4；冷卻時(shí)，n取0.3。

第31頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)于氣體，其粘度隨溫度升高而增大，氣體被加熱時(shí)層流底層增厚，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高也略有升高，總的結(jié)果使對(duì)流傳熱系數(shù)減少。

氣體被加熱時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)必小于冷卻時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。

同液體一樣，氣體被加熱時(shí)n取0.4，冷卻時(shí)n取0.3。大多數(shù)氣體的Pr<1，即Pr0.4<Pr0.3；第32頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

通過以上分析可知，溫度對(duì)近壁處層流底層內(nèi)流體粘度的影響，會(huì)引起近壁流層內(nèi)速度分布的變化，故整個(gè)截面上的速度分布也將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。（4）特征速度為管內(nèi)平均流速。以下是對(duì)上面的公式進(jìn)行修正：a．高粘度4-35第33頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

要考慮壁面溫度變化引起粘度變化對(duì)的影響（是在tm下；而W是在tw下）。

在實(shí)際中，由于壁溫難以測(cè)得，工程上近似處理為：對(duì)于液體，加熱時(shí)：

冷卻時(shí)：4-374-36第34頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月b．過渡區(qū)

2300<Re<10000時(shí)，先按湍流計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)。

過渡區(qū)內(nèi)流體比劇烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的Re小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層流底層變厚，

減小。

4-38第35頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月c．流體在彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)先按直管計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)f式中：

d──管徑；

R──彎管的曲率半徑。

由于彎管處受離心力的作用，存在二次環(huán)流，湍動(dòng)加劇，增大。4-39第36頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-11彎管內(nèi)流體的流動(dòng)第37頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月套管環(huán)隙：

式中：d1`、d2——分別為套管內(nèi)管外徑或外管內(nèi)徑。適用范圍：d2/d1=1.65～17，Re=1.2×104～2.2×105d．非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流4-40第38頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月e．當(dāng)l/d<60時(shí)則為短管，由于管入口擾動(dòng)增大，較大，乘上校正系數(shù)f。4-41第39頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月2．圓形直管內(nèi)的層流特點(diǎn)：

1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。2）層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán)重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。3）層流要求的進(jìn)口段長度長，實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。第40頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-12熱流方向?qū)恿魉俣鹊挠绊懙?1頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）Gr<25000時(shí)，自然對(duì)流影響小可忽略適用范圍：Re<2300，l/d>60

定性溫度、特征尺寸取法與前相同，w按壁溫確定，工程上可近似處理為：4-42第42頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于液體，加熱時(shí)：

冷卻時(shí)：4-434-44第43頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在強(qiáng)制層流條件下進(jìn)行傳熱，因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。（2）Gr>25000時(shí)，自然對(duì)流的影響不能忽略時(shí)，乘以校正系數(shù)

4-45第44頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月例、套管換熱器外管內(nèi)徑60mm，內(nèi)管規(guī)格φ38×3.0mm，用水將為2500kg/h的某液體有機(jī)物從100℃冷卻至40℃，水走管內(nèi)，有機(jī)物走環(huán)隙，逆流流動(dòng)，操作溫度下，有機(jī)物密度860kg/m3,粘度2.8×10-3Ns/m2，比熱2.26kJ/(kg℃)，導(dǎo)熱系數(shù)0.452W/(m℃),水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和45℃，熱損失忽略不計(jì)。試求：(1)水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)；(2)有機(jī)溶液對(duì)管外壁的給熱系數(shù)；(3)若將水流量增加20%，其他條件不變，重求水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。第45頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月解：⑴水的定性溫度：查得：ρ2=995.7kg/m3；

μ2=0.0008N·s/m2；λ=0.618W/(m·K)；Cp2=4.174kJ/kg·K)；根據(jù)熱量衡算式求得水流量：第46頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月管內(nèi)流速：第47頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月水側(cè)給熱系數(shù)：第48頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵套管環(huán)隙當(dāng)量直徑：環(huán)隙流速：de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm第49頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月(過渡流)第50頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)過渡流給熱系數(shù)的計(jì)算方法，有第51頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月故得溶液側(cè)給熱系數(shù)：⑶水流量增加后的給熱系數(shù)第52頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月二、流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流流體可垂直流過單管和管束兩種情況。

由于工業(yè)中所用的換熱器多為流體垂直流過管束，由于管間的相互影響，其流動(dòng)的特性及傳熱過程均較單管復(fù)雜得多。

故在此僅介紹后一種情況的對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。第53頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月各排管的變化規(guī)律：

第一排管，直列和錯(cuò)列基本相同；

第二排管，直列和錯(cuò)列相差較大；

第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定；從圖中可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。

流體垂直流過管束時(shí)，管束的排列情況可以有直列和錯(cuò)列兩種。1.流體在管束外垂直流過第54頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-13直列和錯(cuò)列管束第55頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月單列的對(duì)流傳熱系數(shù)用下式計(jì)算適用范圍：5000<Re<70000，x1/d=1.2～5，x2/d=1.2～5。（1）特性尺寸取管外徑do，定性溫度取法與前相同tm；（2）流速u取每列管子中最窄流道處的流速，即最大流速。4-46第56頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）C，，n取決于排列方式和管排數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

對(duì)于前幾列而言，各列的，n不同，因此也不同。

排列方式不同（直列和錯(cuò)列），對(duì)于相同的列，，n不同，也不同。（4）對(duì)某一排列方式，由于各列的不同，應(yīng)按下式求平均的對(duì)流傳熱系數(shù)：第57頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：i——各列的對(duì)流傳熱系數(shù)；

Ai——各列傳熱管的外表面積。4-47第58頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月2．流體在換熱器殼程的流動(dòng)

一般在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋板分為圓形和圓缺形兩種。

由于裝有不同形式的折流擋板，流動(dòng)方向不斷改變，在較小的Re下（Re=100）即可達(dá)到湍流。第59頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-14折流擋板第60頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

圓缺形折流擋板，弓形高度25%D，的計(jì)算式：適用范圍：Re=2×103～106。定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值；tw→μw4-484-49第61頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：（1）當(dāng)量直徑de：4-504-51第62頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月d0tt圖4-15正方形與正三角形管束第63頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）流速u根據(jù)流體流過的最大截面積Smax計(jì)算t——相鄰兩管中心距，m。式中：

h——兩塊折流擋板間距離，m；do——管子的外徑，m；D——?dú)んw的內(nèi)徑。

提高殼程的措施：提高殼程u，但hfu2，hf；de；加強(qiáng)殼程的湍動(dòng)程度，如加折流擋板或填充物。4-52第64頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月三、大空間的自然對(duì)流傳熱

所謂大空間自然對(duì)流傳熱是指冷表面或熱表面（傳熱面）放置在大空間內(nèi)，并且四周沒有其它阻礙自然對(duì)流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過程、換熱設(shè)備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱。

對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的Gr和反映物性的Pr有關(guān)，依經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算：4-53第65頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：（1）特性尺寸對(duì)水平管取外徑do，垂直管或板取管長和板高H。（2）定性溫度取膜溫（tm+tw）/2。（3）C,n=f（傳熱面的形狀和位置,Gr,Pr），具體數(shù)值列在書表中。4-54第66頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.6有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式一、蒸汽冷凝

蒸汽與低于其飽和溫度的冷壁接觸時(shí)，將凝結(jié)為液體，釋放出氣化熱。1.冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝滴狀冷凝：若冷凝液不能很好地潤濕壁面，僅在其上凝結(jié)成小液滴，此后長大或合并成較大的液滴而脫落。滴>膜

第67頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

凝液潤濕壁面的能力取決于其表面張力和對(duì)壁面的附著力大小。膜狀冷凝：若冷凝液能潤濕壁面，形成一層完整的液膜布滿液面并連續(xù)向下流動(dòng)。

若附著力大于表面張力則會(huì)形成膜狀冷凝，反之，則形成滴狀冷凝。

通常滴狀冷凝時(shí)蒸汽不必通過液膜傳熱，可直接在傳熱面上冷凝，其對(duì)流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)大5～10倍。

滴狀冷凝難于控制，工業(yè)上大多是膜狀冷凝。第68頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-16蒸汽冷凝第69頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月2．蒸汽在水平管外冷凝計(jì)算公式：

r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。式中：

n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)；

——冷凝液的密度，kg/m3；

——冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.K）；

——冷凝液的粘度，Pa.s。4-55第70頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月特性尺寸l：管外徑do定性溫度：用膜溫查冷凝液的物性、和；

潛熱r用飽和溫度ts查；

此時(shí)認(rèn)為主體無熱阻，熱阻集中在液膜中。4-56第71頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月3．在豎直板或豎直管外的冷凝

當(dāng)蒸汽在垂直管或板上冷凝時(shí)，冷凝液沿壁面向下流動(dòng)，同時(shí)由于蒸汽不斷在液膜表面冷凝，新的冷凝液不斷加入，形成一個(gè)流量逐漸增加的液膜流，相應(yīng)于液膜厚度加大，上部分為層流，當(dāng)板或管足夠高時(shí)，下部分可能發(fā)展為湍流。對(duì)于冷凝液來說，臨界Re=2100。如圖所示，從頂向底流動(dòng)時(shí)，液膜，；

當(dāng)H一定高時(shí)，流動(dòng)從層流過渡到湍流時(shí)，Re，層流底層，。第72頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-17蒸汽在垂直壁面上的冷凝第73頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月介紹de的計(jì)算方法。

4-594-584-57第74頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：

S——冷凝液流過的截面積，m2；M——單位長度潤濕周邊上冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s.m。b——潤濕周邊，m；G——冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s；4-60第75頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）層流時(shí)的計(jì)算式適用范圍：Re<1800定性溫度：膜溫特征尺寸l：管高或板高H4-61第76頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）湍流時(shí)的計(jì)算式適用范圍：Re>1800定性溫度：膜溫特征尺寸l：管高或板高H注：Re是指板或管最低處的值（此時(shí)Re為最大）4-62第77頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月4．冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施

對(duì)于純的飽和蒸汽冷凝時(shí)，熱阻主要集中在冷凝液膜內(nèi)，液膜的厚度及其流動(dòng)狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵。

影響液膜狀況的所有因素都將影響到冷凝傳熱。（1）流體物性的影響

冷凝液，則液膜厚度越?。焕淠?。第78頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

冷凝潛熱r，同樣的熱負(fù)荷Q下冷凝液量小，則液膜厚度越小。

以上的分析與前面講的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式一致。

在所有的物質(zhì)中以水蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)最大，一般為104/（m2.K）左右，而某些有機(jī)物蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)可低至103W/（m2.K）以下。（2）溫度差影響

當(dāng)液膜作層流流動(dòng)時(shí)，t=ts－tW，t，則蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚,。第79頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）不凝氣體的影響

當(dāng)蒸汽冷凝時(shí)，不凝氣體會(huì)在液膜表面濃集形成氣膜。

在實(shí)際的工業(yè)冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性氣體，如空氣。

冷凝蒸汽到達(dá)液膜表面冷凝前，必須先以擴(kuò)散的方式通過這層氣膜。

這相當(dāng)于額外附加了一熱阻，而且由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，使蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)大大下降。

第80頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

實(shí)驗(yàn)可證明：當(dāng)蒸汽中含空氣量達(dá)1%時(shí)，下降60%左右。

在冷凝器的設(shè)計(jì)中，在高處安裝氣體排放口；

操作時(shí)，定期排放不凝氣體，減少不凝氣體對(duì)的影響。第81頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）蒸汽流速與流向的影響

前面介紹的公式只適用于蒸汽靜止或流速不大的情況。

蒸汽的流速對(duì)有較大的影響，蒸汽流速較小u<10m/s時(shí)，可不考慮其對(duì)的影響。

當(dāng)蒸汽流速u>10m/s時(shí)，還要考慮蒸汽與液膜之間的摩擦作用力。第82頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

蒸汽與液膜流向相同時(shí)，會(huì)加速液膜流動(dòng)，使液膜變薄,；

蒸汽與液膜流向相反時(shí)，會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使液膜變厚,；

但u時(shí)，會(huì)吹散液膜，。

一般冷凝器設(shè)計(jì)時(shí)，蒸汽入口在其上部，此時(shí)蒸汽與液膜流向相同，有利于。第83頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）蒸汽過熱的影響

蒸汽溫度高于操作壓強(qiáng)下的飽和溫度時(shí)稱為過熱蒸汽。

過熱蒸汽與比其飽和溫度高的壁面接觸（tW>ts），壁面無冷凝現(xiàn)象，此時(shí)為無相變的對(duì)流傳熱過程。

過熱蒸汽與比其飽和溫度低的壁面接觸（tW<ts），由兩個(gè)串聯(lián)的傳熱過程組成：冷卻和冷凝。

第84頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

整個(gè)過程是過熱蒸汽首先在氣相下冷卻到飽和溫度，然后在液膜表面繼續(xù)冷凝，冷凝的推動(dòng)力仍為t=ts－tW。

一般過熱蒸汽的冷凝過程可按飽和蒸汽冷凝來處理，所以前面的公式仍適用。但此時(shí)應(yīng)把顯熱和潛熱都考慮進(jìn)來：r′、tv為過熱蒸汽的比熱和溫度。

4-63第85頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

工業(yè)中過熱蒸汽顯熱增加較小，可近似用飽和蒸汽計(jì)算。（6）冷凝面的高度及布置方式以減薄壁面上的液膜厚度為目的。（7）強(qiáng)化傳熱措施對(duì)于純蒸汽冷凝，恒壓下ts為一定值。

即在氣相主體內(nèi)無溫差也無熱阻，的大小主要取決于液膜的厚度及冷凝液的物性。

第86頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

在流體一定的情況下，一切能使液膜變薄的措施將強(qiáng)化冷凝傳熱過程。

減小液膜厚度最直接的方法是從冷凝壁面的高度和布置方式入手。

如在垂直壁面上開縱向溝槽，以減薄壁面上的液膜厚度。

還可在壁面上安裝金屬絲或翅片，使冷凝液在表面張力的作用下，流向金屬絲或翅片附近集中，從而使壁面上的液膜減薄；使冷凝傳熱系數(shù)得到提高。第87頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月二、液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

對(duì)液體加熱時(shí)，液體內(nèi)部伴有液相變?yōu)闅庀喈a(chǎn)生汽泡的過程稱為沸騰。按設(shè)備的尺寸和形狀可分為：

大容器沸騰：加熱壁面浸入液體，液體被加熱而引起的無強(qiáng)制對(duì)流的沸騰現(xiàn)象。管內(nèi)沸騰：在一定壓差下流體在流動(dòng)過程中受熱沸騰（強(qiáng)制對(duì)流）；第88頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

此時(shí)液體流速對(duì)沸騰過程有影響，而且加熱面上氣泡不能自由上浮，被迫隨流體一起流動(dòng)，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

工業(yè)上有再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等都是通過沸騰傳熱來產(chǎn)生蒸汽。管內(nèi)沸騰的傳熱機(jī)理比大容器沸騰更為復(fù)雜。

本節(jié)僅討論大容器的沸騰傳熱過程。第89頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月氣泡的生成和過熱度

由于表面張力的作用，要求氣泡內(nèi)的蒸氣壓力大于液體的壓力。

氣泡生成和長大都需要從周圍液體中吸收熱量，要求壓力較低的液相溫度高于汽相的溫度，故液體必須過熱，即液體的溫度必須高于氣泡內(nèi)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度。

在液相中緊貼加熱面的液體具有最大的過熱度。液體的過熱是新相——小氣泡生成的必要條件。第90頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月粗糙表面的氣化核心開始形成氣泡時(shí)，氣泡內(nèi)的壓力必須無窮大。

這種情況顯然是不存在的，因此純凈的液體在絕對(duì)光滑的加熱面上不可能產(chǎn)生氣泡。

氣泡只能在粗糙加熱面的若干點(diǎn)上產(chǎn)生，這種點(diǎn)稱為氣化核心。無氣化核心則氣泡不會(huì)產(chǎn)生。

第91頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月過熱度增大，氣化核心數(shù)增多。

氣化核心是一個(gè)復(fù)雜的問題，它與表面粗糙程度、氧化情況、材料的性質(zhì)及其不均勻性質(zhì)等多種因素有關(guān)。第92頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月2．沸騰曲線圖4-18液體沸騰曲線ABCD第93頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

如圖所示，以常壓水在大容器內(nèi)沸騰為例，說明t對(duì)的影響。（1）AB段，t=tW－ts，t很小時(shí)，僅在加熱面有少量汽化核心形成汽泡，長大速度慢，所以加熱面與液體之間主要以自然對(duì)流為主。

t<5C時(shí)，汽化僅發(fā)生在液體表面，嚴(yán)格說還不是沸騰，而是表面汽化。此階段，較小，且隨t升高得緩慢。第94頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）BC段，25C>t>5C時(shí)，汽化核心數(shù)目增大，汽泡長大速度增快，對(duì)液體擾動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)流傳熱系數(shù)增加，由汽化核心產(chǎn)生的氣泡對(duì)傳熱起主導(dǎo)作用，此時(shí)為核狀沸騰。（3）CD段，t>25C進(jìn)一步增大到一定數(shù)值，加熱面上的汽化核心大大增加，以至氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離壁面的速度，氣泡相連形成氣膜，將加熱面與液體隔開，由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

較小，使，此階段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰。第95頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月

工業(yè)上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，其優(yōu)點(diǎn)是：此階段下

大，tW小。

從核狀沸騰到膜狀沸騰的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C稱為臨界點(diǎn)（此后傳熱惡化），其對(duì)應(yīng)臨界值tc、c、qc。

第96頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于常壓水在大容器內(nèi)沸騰時(shí)：

tc

=25C、qc

=1.25×106W/m2。

3．沸騰傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施（1）流體物性或，；流體的、、、等有影響；或，