第十六章-各種對流換熱過程的特征及其計算公式ppt課件

1、第十六章 各種對流換熱過程的特征及其計算公式,本章要點： 1。著重掌握受迫、自然對流換熱的基本原理和基本計算 2。著重掌握凝結(jié)、沸騰換熱的基本概念及影響因素 本章難點：受迫、自然對流換熱的分析計算 凝結(jié)、沸騰換熱的分析解,本章主要內(nèi)容： 第一節(jié) 受迫對流換熱 第二節(jié) 自然對流換熱 第三節(jié) 蒸汽凝結(jié)換熱 第四節(jié) 液體沸騰換熱,第一節(jié) 受迫對流換熱,一、流體沿平壁流動時的對流換熱,1。當Rem5105(層流）、Prm=0.5-50時，空氣、水和油等,2。當Rem=5105-107(紊流）、Prm=0.550時，空氣、水和油等 Num=(0.037Rem0.8-850)Pr1/3,管內(nèi)受迫對流換熱實

2、驗關(guān)聯(lián)式,管內(nèi)受迫對流流動和換熱的特征 （1）流動有層流和湍流之分 層流： 過渡區(qū)： 旺盛湍流,2）入口段的熱邊界層薄，局部換熱系數(shù)高。 層流入口段長度: 湍流時,3）特征速度及定性溫度的確定 特征速度：計算Re數(shù)時用到的流速，一般多取截面平均流速。 定性溫度：計算物性的定性溫度多為截面上流體的平均溫度（或進出口截面平均溫度,實際工程換熱設備中，層流時的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝旋R德泰特公式,1。管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式,定性溫度為流體平均溫度 （ 按壁溫 確定），管內(nèi)徑為特征長度，管子處于均勻壁溫,實驗驗證范圍為,3. 管內(nèi)紊流時的準則方程 實用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式： lRt

3、加熱流體時 冷卻流體時 式中: 定性溫度采用流體平均溫度 ，特征長度 為管內(nèi)徑,2. 管內(nèi)過渡狀態(tài)時的準則方程 在Ref=2300-104范圍內(nèi)，流動為過渡狀態(tài) 查看P198表16-1,實驗驗證范圍： 此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合,一般在關(guān)聯(lián)式中引進乘數(shù) 在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻，導致速度分布發(fā)生畸變。 來考慮不均勻物性場對換熱的影響,三、流體橫掠圓管時的換熱,1.流體橫掠單管時的換熱,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)展，不會受到鄰近壁面存在的限制,橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體,雖然局部表面?zhèn)?/p>

4、熱系數(shù)變化比較復雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯,可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式,式中：定性溫度為,特征長度為管外徑,數(shù)的特征速度為來流速度,2、流體橫掠圓管束時的換熱,第二節(jié) 自然對流換熱,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)生的浮升力成為運動的動力。 在熱壁面上的空氣被加熱而上浮,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,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tW

5、，在離開壁面 的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度,定義： 由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動稱為自然對流,工程應用： 暖汽管道的散熱 不用風扇強制冷卻的電器元件的散熱 事故條件下核反應堆的散熱 產(chǎn)生原因： 不均勻溫度場造成了不均勻密度場，浮升力成為運動的動力,在一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面溫度tw，在離開壁面的方向上逐步降低，直至周圍環(huán)境溫 度t，如圖526a所示。薄層內(nèi)的速度分布則有兩頭小中間大的特點,自然對流亦有層流和湍流之分。 以一塊熱豎壁的自然對流為例，其自下而上的流動景象示出于下圖a。 在壁的下部，流動剛開始形成，它是有規(guī)則的層流；

6、若壁面足夠高，則上部流動會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌?不同的流動狀態(tài)對換熱具有決定性影響：層流 時，換熱熱阻完全取決了薄層的厚度。從換熱壁面下端開始，隨著高度的增 加，層流薄層的厚度也逐漸增加。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨 高度增加而減小,流體沿豎壁自然對流的流動性質(zhì)和 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化,從對流換熱微分方程組出發(fā)，可以導出適用于自然對流換熱的準則方 程式,原則上自然對流換熱準則方程式可寫為,式中Gr為格拉曉夫數(shù),Gr格拉曉夫數(shù)是浮升力/粘滯力比值的一種度量。 Gr數(shù)的增大表明浮升力作用的相對增大,自然對流亦有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準則數(shù)為Gr數(shù),一、無限空間自然對流換熱,換熱面附近流體的運動狀況只取

7、決于換熱面的形狀、尺寸和溫度，而與空間圍護壁面無關(guān)，因此稱為無限空間自然對流換熱,根據(jù)自然對流換熱原則性準則方程，工程中廣泛使用的是下列形式的關(guān)聯(lián)式,定性溫度： 特征長度：豎平板、豎圓柱為高度H，橫圓柱為外徑d,參數(shù)C、n的選取查看相關(guān)表格,二、有限空間自然對流換熱,流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進行對流換熱時為有限空間自然對流換熱,討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱,夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度為特征長度的Gr數(shù),般關(guān)聯(lián)式具有,對于豎空氣夾層,H/的實驗驗證范圍為1142,對于水平空氣夾層，推薦以下關(guān)聯(lián)式,值得指出，對于豎直夾層，當Gr Pr2000、對水平夾層G

8、r Pr 1700時，夾層中的熱量傳遞過程為純導熱。 除了自然對流以外，夾層 的熱量傳遞還有輻射換熱。通過夾層的換熱量應是兩者之和,第三節(jié) 蒸汽凝結(jié)換熱,凝結(jié)換熱實例 鍋爐中的水冷壁 寒冷冬天窗戶上的冰花 許多其他的工業(yè)應用過程,凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點 凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié) 冷凝物相當于增加了熱量進一步傳遞的熱阻 層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式 影響膜狀凝結(jié)換熱的因素 會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結(jié)理論,1 、凝結(jié)換熱現(xiàn)象,蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式,2 、凝結(jié)

9、換熱的分類,根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種,1)膜狀凝結(jié),定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。 特點：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上， 此時液膜成為主要的換熱熱阻,2)珠狀凝結(jié),定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié),特點：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。 所以，在其它條件相同時，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù),一、膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式,1、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解,假定：1）常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略

10、；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導熱；6）液膜的過冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動,根據(jù)以上 9 個假設從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡化方程組，從而保持對流換熱理論的統(tǒng)一性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì),以豎壁的膜狀凝結(jié)為例： x 坐標為重力方向，如圖所示,在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為,下腳標 l 表示液相,考慮假定（3）液膜的慣性力忽略,考慮假定（7）忽略蒸汽密度,只有u 和 t 兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為,考慮假定（5） 膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導熱,邊界條件,求解上

11、面方程可得,1) 液膜厚度,定性溫度,注意：r 按 ts 確定,2) 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),定性溫度,注意：r 按 ts 確定,3) 修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高20左右,修正后,4）當是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為,水平管,球,橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比,2 膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài),凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時Re,式中： ul 為 x = l 處液膜層的平均流速； de 為該截面處液膜層的當量直徑,對水平管，用 代替上式中的 即可。 并且橫管一般都處于層流狀態(tài),如圖

12、,由熱平衡,所以,3 湍流膜狀凝結(jié)換熱,實驗證明： （ 1 ）膜層雷諾數(shù) Re=1600 時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?； （ 2 ）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小,特征 :對于紊流液膜，熱量的傳遞：（ 1 ）靠近壁面極薄的層流底層依靠導熱方式傳遞熱量；（ 2 ）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因此，紊流液膜換熱遠大于層流液膜換熱,計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),式中：hl為層流段的傳熱系數(shù)；ht為湍流段的傳熱系數(shù)； xc為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點的高度 l為豎壁的總高度,利用上面思想，整理的實驗關(guān)聯(lián)式,式中： 。除 用壁溫 計算外，其余物理量的定性溫度均

13、為,二、影響膜狀凝結(jié)的因素,工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復雜，受各種因素的影響。 1. 不凝結(jié)氣體 不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下 降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力,2. 蒸氣流速 流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應力。 如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄， 增大；反之使 減小,4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性 如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的 ， 5. 管子排數(shù) 管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(jié)換熱。 前面推導的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管,3. 過熱蒸氣 要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差,6. 管內(nèi)冷凝 此時換熱與

14、蒸氣的流速關(guān)系很大。 蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于 管子上半部。 流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子 四周，中心為蒸氣核,7. 凝結(jié)表面的幾何形狀 強化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度。 可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉,第四節(jié) 液體沸騰換熱,沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰,沸騰的特點 1 ）液體汽化吸收大量的汽化潛熱； 2 ）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱,沸騰換熱分類： 1 ）大

15、容器沸騰（池內(nèi)沸騰） ； 2 ）強制對流沸騰（管內(nèi)沸騰） 上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰,產(chǎn)生沸騰的條件： 理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件： 1）液體必須過熱； 2）要有汽化核心,一、 大容器飽和沸騰曲線,1）大容器沸騰,定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。 特點：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進入容器空間,2）飽和沸騰 定義：液體主體溫度達到飽和溫度 ，壁面溫度 高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。 特點 : 隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn) 4 個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域,3）過冷沸騰 指液體主體溫度低于相應壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)

16、生的沸騰換熱，稱過冷沸騰,4）大容器飽和沸騰曲線： 表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示,如圖 6-11 所示，橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標為熱流密度（算術(shù)密度）。 從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段、將整個曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下,1 ）單相自然對流段（液面汽化段,壁面過熱度小時（圖中 ）沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律,2 ）核態(tài)沸騰（飽和沸騰,隨著 的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。其特點是,開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡

17、互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū),隨著 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響區(qū),隨著 的增大， q 增大，當 增大到一定值時， q 增加到最大值 ，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰,其特點：溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密度 q 達最大值 。工業(yè)設計中應用該段,3 ）過渡沸騰,從峰值點進一步提高 ，熱流密度 q 減??；當 增大到一定值時，熱流密度減小到 ，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程,原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使

18、 q m 下降,4 ）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰,從 開始，隨著 的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使 上升時，熱流密度 q 上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰,其特點： （ 1 ）汽膜中的熱量傳遞不僅有導熱，而且有對流； （ 2 ）輻射熱量隨著 的加大而劇增，使熱流密度大大增加； （ 3 ）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點：前者熱量必須穿過熱阻大 的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜,幾點說明： （1）上述熱流密度的峰值qmax 有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點對熱流密

19、度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。 （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汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多,二、汽化核心的分析 (1) 汽泡的成長過程 實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示,2) 汽泡的存在條件 汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活(克拉貝龍方程,式中： 表面張力，N/m；r 汽化潛熱，J/kg v 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面溫度，C ts 對應壓力下的飽和溫度， C 可見， (tw ts ) , Rmin 同一加

20、熱面上，稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心數(shù)增加 換熱增強,三、沸騰換熱計算式,沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即,但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計算公式,四、大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復雜，導致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是： （ 1 ）針對一種液體的計算公式； （ 2 ）廣泛適用于各種液體的計算式,1）適用于水的米海耶夫計算式,在 壓力下大容器飽和沸騰計算式,按,2 ）適用于各種液體的計算式,既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st = f

21、( Re, Pr )也應該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式,上式可以改寫為,對于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀（Cooper）公式目前得到廣泛的應用,其中： 為液體的相對分子質(zhì)量； 為對比壓力（液體壓力與該流體的臨界壓力之比）； 為表面平均粗糙度，（對一般工業(yè)用管材表面，為0.30.4）； 為熱流密度,五、大容器沸騰的臨界熱流密度,對于大容器沸騰的臨界熱流密度的計算，推薦采用如下半經(jīng)驗公式,六、大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式,1）橫管的膜態(tài)沸騰,式中，除了r 和 l 的值由飽和溫度 ts 決定外，其余物性均以平均溫度 tm ( twts ) / 2 為定性溫度，特征長度為管子外徑d, 如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.67,勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算,其中,2）考慮熱輻射作用,由于膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應,七、影響沸騰換熱的因素,沸騰換熱是我們學過的換熱現(xiàn)象中最復雜的，影響因素也最多，由于我們只