工程热力学和传热学16对流换热计算

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蒸汽凝结换热第四节液体沸腾换热。密度求两种不同情况的热流＝总换热系数为，表层对空气的，机舱空气温度为表层温度为不包绝缘材料时裸管的为准。当度不得大于缘材料厚度是以表层温包扎柴油机排气管的绝、qKmWCCC.)(1030200502222200101305011700101302001mWtqmWtq绝缘裸管＝解：。和热流密度璃窗的热流量。试求通过该玻，室外大气温度为－。室内空气温度为＝换热系数，室外空气与玻璃板的＝系数内空气与玻璃板的换热。室的大玻璃窗，玻璃厚、尺寸为qQCCKmWKmWKmWcmcmcm2020)(02)(10)(762.0,1048010042221α2tf2＝－20°Cttw1tw2qα1tf1＝20°C是错误的。：式）中（教材其中：传热系数请注意：＝＝－－212142221118-1315511112.20665257.108010065.257201762.0104.0101)20(2011kPktkAqWFqQmWtRtqt1．火管锅炉炉胆的热流密度为48000Ｗ／ｍ２，钢板制成的炉胆厚度为２０ｍｍ，试求其内外壁面的温差,设:(1)炉胆两侧没有污垢；(2)在水的一侧积有1.5㎜厚的水垢；(3)在水的一侧积有1.5㎜，另一侧积有２㎜厚的烟灰。CRqtCRqtCqRtRtqCmWCmWCmWtttt2.10511105.15002.00.11024800032.911105.15002.04800022.195002.048000,1.0,1,501333＋）＝＋＋（）（）＝＋（）（＝＝＝＝）取解：（－－－烟垢水垢钢2．蒸汽管的外径为108ｍｍ,管外包以λ＝0.1Ｗ/(m·K)的绝热材料,蒸汽温度为330℃(由于蒸汽与管壁间的对流热阻和管壁的导热热阻要比绝热材料的热阻小得多,可略去不计,所以可近似地认为绝热层内壁的温度等于蒸汽的温度)。若要使绝热层外壁面的温度不超过40℃,每米管长的热损失不超过ql＝150Ｗ/m,试求绝热层的最小厚度应为多少。内径外径、注意公式对：、错：、画出模拟图。解说：＝＝＝）（解：1212121212215.111212min1212min,:ln32,2,2,21128.0108.021d212215.11501.0240330ln2ln40330ddddddddddddmeddddddddq215.112edd第一节受迫对流换热管内紊流换热实验关联式实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：加热流体时，冷却流体时。式中:定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。实验验证范围：此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。0.80.023RePrnfffNu0.4n0.3nft45Re10~1.210,fPr0.7~120,f。/60ldtRl1)(值应大于，乘上一修正系数处的大于长度上平均从图中可以看出，llxxxx/x/x层流紊流短管修正入口段的热边界层薄，对流换热系数高。紊流时:，称为短管。50/edl弯管修正螺线管强化了换热。对此有弯管修正系数：对于气体对于液体RdRdRR77.11)(3.1013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。大温差修正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，当气体被冷却时，对液体0.11m0.25m液体受热时液体被冷却时1)(5.0twftttmwft)(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。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；定性温度为特征长度为管外径；数的特征速度为来流速度实验验证范围：℃，℃。1/3RePrnNuC()/2;wttRe。u15.5~982t21~1046wt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注：指数C及n值见下表，表中示出的几何尺寸L是计算数及数时用的特征长度。ReNu1/3RePrnNuC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。影响管束换热的因素除数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。、RePr气体横掠10排以上管束的实验关联式为式中：定性温度为特征长度为管外径d，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：C和m的值见下表。RemNuC()/2;rwftttRe。Re2000~40000f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。叉排或顺排、管间距不同时，C、m的选取RemNuC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。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。x速度分布温度分布随的x变化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。工程中广泛使用的是下面的关联式：式中：定性温度采用数中的为与之差，对于符合理想气体性质的气体，。特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。(Pr)nNuCGr；()/2mwtttGrtwtt＝1/T无限空间自然对流换热的实验关联式二、有限空间自然对流换热一般关联式为(Pr)mnHNuCGr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。第三节蒸气凝结换热凝结过程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）gswttgswttq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10m/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。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。第四节液体沸腾换热沸腾换热现象•蒸汽锅炉•做饭•许多其它的工业过程1生活中的例子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。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；b强制对流沸腾：强制对流＋沸腾加热表面HeatedSurfaceLiquidflowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflowc过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，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：qmaxqmin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。（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tttqsw)(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：slwlCStPrRe33.01式中，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=1.7tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPr上式可以改写为：321Pr)(slwlplvllrCtCgrq可见，，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。3~tqt作业P211习题1)(74202CmW＝