16对流换热计算

a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的
液体中所发生的沸腾；
加热表面
b 强制对流沸腾：强制对流＋沸腾
Liquid flow Bubble flow Slug flow Annular flow Mist flow
Heated Surface
c 过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状
（2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的 汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
沸腾换热计算式
沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍 然适用，即
q (tw ts ) t
但对于沸腾换热的 却又许多不同的计算公式
罗森诺公式——广泛适用的强制对流换热公式 既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr )也 应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得 出了如下实验关联式：
第四节 液体沸腾换热
沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
• 做饭 • 许多其它的工业过程
2 定义：
a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一 种剧烈的汽化过程
b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却 的一种传热方式
3 分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器
沸腾(池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为 过冷沸腾和饱和沸腾。
tw ts
g
竖壁上的膜状凝结
液膜愈厚，αｘ 愈小。
液膜内的温度分布为线性。
珠状凝结可 视化照片
二、水平单管上的膜状凝结
三、水平管束的膜状凝结
由于上一排的凝结液流至下一排水平管上会使液膜增 厚，使换热系数降低。
四、影响凝结换热的主要因素
１．蒸气流速的影响 当蒸气流速大于10 m/s时，若流速方向与液膜下流方 向一致，则液膜变薄，换热系数α增大； 若蒸气流速与液膜下流方向相反，则液膜增厚，α减 小。若蒸气 流动速度很大，以致将液膜吹离壁面，则α显 著增大。

随的x变化
x
速度分布 温度分布
自然对流：不依靠泵或风机等外 力推动，由流体自身温度场的不 均匀所引起的流动。一般地，不 均匀温度场仅发生在靠近换热壁 面的薄层之内。
一、无限空间自然对流换热
换热面附近流体的运动状况只取决于 换热面的形状、尺寸和温度，而与空 间围护壁面无关，因此称为无限空间 自然对流换热。流体的冷却和加热过 程互不影响，边界层不受干扰。
无限空间自然对流换热的实验关联式 工程中广泛使用的是下面的关联式：
Nu C (Gr Pr)n
式中：定性温度采用 tm (tw t )/ 2； Gr 数中的 为 t 与 t 之差， w 对于符合理想气体性质的气体， ＝1 / T 。
t
特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。
边界层的成长和脱体决定 了外掠圆 管换热的 特征 。
可采用以下分段幂次关联式： 式中：C及n的值见下表；定性温度为 (tw t )/ 2; 特征长度为管外径； Re 数的特征速度为来流速度 u 。
Nu C Ren Pr1 / 3
tw 21 ~ 1046 ℃。 t 15.5 ~ 982 ℃ ， 实验验证范围：
态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾 d 饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于 饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾
大容器饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，
共包括 4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸 腾和稳定膜态沸腾，如图所示：
qmax
qmin
几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界热流 密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点 DNB作为 监视接近 qmax 的警戒。这一点对热流密度可控和温度 可控的两种情况都非常重要。
二、有限空间自然对流换热
一般关联式为
H Nu C (Gr Pr)
n
m
第三节
蒸气凝结换热
上面我们分析了无相变的对流换热，包括强制 对流换热和自然对流换热 下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称 之为相变换热，目前涉及的是凝结换热和沸腾换热两 种。 相变换热的特点：由于有潜热释放和相变过程 的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前， 工程上也只能助于经验公式和实验关联式。
凝结过程
tw ts
q
膜状凝结
沿整个壁面形成一层薄膜，并且在
重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜 热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接
g
影响了热量传递。
珠状凝结
当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在 壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面 与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状 凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）
P rl
C pl l
l
上式可以改写为：
g ( l v ) q l r
12
C pl t C r Prs l wl
3
可见，q ~ t 3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到的 q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 t 时，则 可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为明显。 计算时必须谨慎处理热流密度。
l / d e 50，称为短管。
x /


层流
紊流
从图中可以看出， x ( x长度上平均大于x处的 x ) 乘上一修正系数 l， l 值应大于 1
弯管修正
螺线管强化了换热。对此有 弯管修正系数：
d 3 对于气体 R 1 10.3( ) R d 对于液体 R 1 1.77 R
大温差修正 无粘性， 速度分布 无畸变 有粘性，速度分布有畸变 粘性越大，畸变越严重。
实际上来说，截面上的温度并不均匀，导致速度 分布发生畸变。 一般在关联式中引进修正系数来考虑不均匀物性 场对换热的影响。

大温差情形，可采用下式计算。
对气体被加热时，
t ( )0.5
tw
tf
当气体被冷却时，
， 。
式中: 定性温度采用流体平均温度 tf ，特征长度为 管内径。 实验验证范围： Re 104 ~ 1.2 105 , Prf 0.7 ~ 120,
f
l / d 60。
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。
短管修正
入口段的热边界层薄，对流换热系数高。 紊流时:
x /
C 和 m 的值见下表。
叉排或顺排、管间距不同时，C、m的选取
Nu C Re
m
排数的影响见教材P202
表16－2
第二节
自然对流换热
流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热 与流体在壁面附近的由温度差异所形成的浮升力有 关。不均匀的温度场造成了不均匀的密度场，由此 产生的浮升力成为运动的动力。在热壁面上的空气 被加热而上浮,而未被加热的较冷空气因密度较大而 下沉。所以自然对流换热时,壁面附近的流体不像受 迫对流换热那样朝同一方向流动。一般情况下，不 均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在 贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度 tW，在离开壁 面的方向上逐步降低至周围环境温度。
2.蒸气中含有不凝结气体的影响 如蒸气中含有空气或其它不凝结气体,换热系数 就会显著下降。 在氟利昂制冷装置中，一旦氟利昂中混入空气， 这些不凝结的空气就会聚集在冷凝器管壁附近而 严重影响氟利昂蒸气的凝结换热，致使冷凝器压 力过高。因此，必须将聚集在冷凝器中的空气放 掉，以改善凝结换热过程,使冷凝压力恢复正常。
作业 P211习题1

＝7420W (m C )
2
第十六章 各种对流换热过程 的特征及计算公式
第一节 受迫对流换热 第二节 自然对流换热
第三节
第四节
蒸汽凝结换热
液体沸腾上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：
Nuf 0.023 Ref Pr l R t
0.8
n f
加热流体时 冷却流体时
n 0.4 n 0.3
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影 响直到10排以上的管子才能消失。 这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管 束排数的因素作为修正系数。 气体横掠10排以上管束的实验关联式为
Nu C Re
m
式中：定性温度为 tr (tw tf )/ 2; 特征长度为 管外径d， Re 数中的流速采用整个管束中最窄截面处 的流速。 实验验证范围： Ref 2000 ~ 40000。
对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也 可采用 Nu C Ren Pr1 / 3 注：指数C及n值见下表，表中示出的几何尺寸 L是计算 Re 数及Nu 数时用的特征长度。
二. 横掠管束换热实验关联式

外掠管束在换热器 中最为常见。 通常管子有叉排和 顺排两种排列方式。 叉排换热强、阻力 损失大并难于清洗。 影响管束换热的因 Pr 数外， 素除 Re 、 还有：叉排或顺排； 管间距；管束排数 等。
St 1 Cwl Re 0.33 Prls
式中， St
Nu r Re Pr C pl t
r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容 g — 重力加速度 l —饱和液体的动力粘度 Cwl — 取决于加热表面－液体 组合情况的经验常数 q — 沸腾传热的热流密度 s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7
t 1
m 0.11 m 0.25
液体受热时 液体被冷却时
对液体
f m t ( ) w
外部流动强制对流换热实验关联式
外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发 展，不会受到邻近壁面存在的限制。 一. 横掠单管换热实验关联式 横掠单管：流体 沿着垂直于管子轴线 的方 向流过管子 表面。流动具有边界 层特征，还会发生绕 流脱体。