化工原理课件第四章第三节

1、4.3.1 4.3.1 对流传热过程分析对流传热过程分析4.3 4.3 对流传热对流传热4.3.5 4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式4.3.2 4.3.2 对流传热速率方程对流传热速率方程4.3.3 4.3.3 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素4.3.4 4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立对流传热系数经验关联式的建立 4.3.6 4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式有相变时对流传热系数的经验关联式 对流传热：是指流体中质点发生相对位移而引对流传热：是指流体中质点发生相对位移而引 起的热交换。起的热交换。 对流传热仅发生在流体

2、中，与流体的流动对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。状况密切相关。 实质上对流传热是流体的对流与热传导共实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。同作用的结果。4.3.1 4.3.1 对流传热过程分析对流传热过程分析 流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。 热边界层或温度边界层热边界层或温度边界

3、层： 由于对流是依靠流体内部质点发生位移来由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的状况有关。动的状况有关。 在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有层流和湍流。层流和湍流。 层流流动时，由于流体质点只在流动方向层流流动时，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流，于流体内部存在温差还会有少量的自然对流，此

4、时传热速率小，应尽量避免此种情况。此时传热速率小，应尽量避免此种情况。 流体在换热器内的流动大多数情况下为湍流体在换热器内的流动大多数情况下为湍流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情况。情况。 流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运 动，在传热方向上无质点的混合，动，在传热方向上无质点的混合， 温度变化大，传热主要以热传导的温度变化大，传热主要以热传导

5、的 方式进行。方式进行。导热为主，热阻大，温差大。导热为主，热阻大，温差大。湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点 充分混合，温度趋于一致（热阻充分混合，温度趋于一致（热阻 小），传热主要以对流方式进行。小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。质点相互混合交换热量，温差小。过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也 不像层流底层变化明显，传热以热传不像层流底层变化明显，传热以热传 导和对流两种方式共同进行。导和对流两种方式共同进行。质点混合，分子运动共同作用，温度变化平缓。质点混合，分子运动

6、共同作用，温度变化平缓。 如果要加强传热，必须采取措施来减少层如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。流底层的厚度。根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。 流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。底层中。3.3.2 对流传热速率方程对流传热速率方程 对流传热大多是指流体与固体壁面之间的对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。密切相关。 如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。度边界

7、层。温度差主要集中在层流底层中。温度差主要集中在层流底层中。牛顿冷却定律牛顿冷却定律 该膜既不是热边界层，也非流动边界层，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。的虚拟膜。 由此假定，此时的温度分布情况如下图所示。由此假定，此时的温度分布情况如下图所示。 假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为中在厚度为t有效膜中，在有效膜之外无热阻有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。行。 建立膜模型：建立膜

8、模型： te式中式中 ： t 总有效膜厚度；总有效膜厚度； e 湍流区虚拟膜厚度；湍流区虚拟膜厚度； 层流底层膜厚度。层流底层膜厚度。 使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内： 流体被加热：流体被加热： w2()tQA tt4-164-17流体被冷却：流体被冷却： 1()WtQA Tt设设 t对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述：对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述： 流体被加热：流体被加热： w2()QA tt流体被冷却：流体被冷却： 1()WQA Tt4-184-194-214-20 Q ，Q 对流传热速率，对流传热速率，W； A 对流传热面积，对流

9、传热面积，m2。 ，a 对流传热系数，对流传热系数，W/(m2)；tW1， tW2 壁温，壁温，；T，t 流体平均温度，流体平均温度，；式中：式中： 牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律而只是一种推论，是一个实验定律。QA ttttAtRww()1推动力：推动力：tttw阻力：阻力：RA1QAt一定时，和4-224-244-23 对流传热是一个非常复杂的物理过程，实对流传热是一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，只是给出了

10、计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了素都归结到了 当中当中复杂问题简单化表示。复杂问题简单化表示。流体被加热：流体被加热： w2()QA tt流体被冷却：流体被冷却： 1()WQA Tt4-214-204.3.3 4.3.3 影响对流传热系数影响对流传热系数 的因素的因素 对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。热量传递过程，因此它必然与下列因素有

11、关。1.1.引起流动的原因：引起流动的原因：自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成 的浮升力，造成流体内部质点的上升和的浮升力，造成流体内部质点的上升和 下降运动，一般下降运动，一般u较小，较小， 也较小。也较小。 若流体的体积膨胀系数为若流体的体积膨胀系数为，则，则1与与2的的关系为：关系为： )1 (21t12ttt由于有温度差，即：由于有温度差，即：t2 t1，所以，所以21。4-264-25强制对流：在外力作用下引起的流体流动，强制对流：在外力作用下引起的流体流动， 一般一般 u 较大，故较大，故 较大。较大。自强122()ggt 于是

12、在重力场内，单位体积流体由于密于是在重力场内，单位体积流体由于密度不同所产生的浮生力为：度不同所产生的浮生力为：4-284-27 的影响：的影响： ； 的影响：的影响： Re ； Cp 的影响：的影响：cp cp 单位体积流体的热容量单位体积流体的热容量 大，则大，则 较大；较大； 的影响的影响: Re 当流体种类确定后，根据温度、压力（气当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响体）查对应的物性，影响 较大的物性有：较大的物性有： 2.2.流体的物性：流体的物性：3.3.流动形态：流动形态： 层流：热量主要依靠热传导的方式传热。由于层流：热量主要依靠热传导的方式传热。由于 流

13、体的导热系数比金属的导热系数小得流体的导热系数比金属的导热系数小得 多，所以热阻大。多，所以热阻大。湍流：质点充分混合且层流底层变薄，湍流：质点充分混合且层流底层变薄， 较大。较大。 Re ；但；但Re 动力消耗大。动力消耗大。 湍湍 层层 4. 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、尺寸影响流型；会造成不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使 增大。增大。形状：如管、板、管束等；形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和位置：如管子的排

14、列方式（管束有正四方形和 三角形排列）；管或板是垂直放置还是三角形排列）；管或板是垂直放置还是 水平放置。水平放置。 对于一种类型的传热面常用一个对对流传热对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。来表示其大小。5. 是否发生相变是否发生相变 发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（于温度变化的显热（r远大于远大于cp）。）。 相变相变 无相无相主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。 一般情况下，有相变化时对流传热系数较一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不

15、相同，复杂。大，机理各不相同，复杂。 4.3.4 4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立对流传热系数经验关联式的建立 由于对流传热本身是一个非常复杂的物理由于对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在用牛顿冷却定律把复杂问题用简单问题，现在用牛顿冷却定律把复杂问题用简单形式表示，把复杂问题转到计算对流传热系数形式表示，把复杂问题转到计算对流传热系数上面。上面。 对流传热系数大小的确定成为了一个复杂对流传热系数大小的确定成为了一个复杂问题，其影响因素非常多。问题，其影响因素非常多。 目前还不能对对流传热系数从理论上来推目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联

16、导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联式。式。 一、因次分析一、因次分析 由上面的分析：由上面的分析： f (u，l， ， ，cp， ，g t) u u 特征流速。特征流速。式中：式中：l 特性尺寸；特性尺寸；基本因次：长度基本因次：长度L，时间，时间T，质量，质量M，温度，温度 变量总数：变量总数： 8 8个个 gkaGrCNuPrRe 因次分析之后，所得准数关联式中共有因次分析之后，所得准数关联式中共有4个无因次数群（由个无因次数群（由 定理定理8-4=4） 因次分析结果如下：因次分析结果如下： lNu Nusselt（努塞尔）待定准数（包含对（努塞尔）待定准数（包含对流传热系数）流传热

17、系数）duReReynolds（雷诺）表征流体流动型态（雷诺）表征流体流动型态对对流传热的影响。对对流传热的影响。4-29pcPr223tlgGrgkpatlgcduCl)()()(223Prandtl（普兰特）反映流体物性（普兰特）反映流体物性对对流传热的影响。对对流传热的影响。Grashof（格拉斯霍夫）表征自然（格拉斯霍夫）表征自然对流对对流传热的影响。对流对对流传热的影响。4-30二、定性温度、特性尺寸的确定二、定性温度、特性尺寸的确定 1、定性温度、定性温度 由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以处理实验数据时

18、就要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。的温度称为定性温度。定性温度的取法：定性温度的取法：1）流体进出口温度的平均值：）流体进出口温度的平均值： 122mttt4-312Wmtt膜温t3准数关联式的适用范围。准数关联式的适用范围。2）膜温）膜温 2特性尺寸特性尺寸 它是代表换热面几何特征的长度量，通常选它是代表换热面几何特征的长度量，通常选取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。 实验范围是有限的，准数关联式的使用范围实验范围是有限的，准数关联式的使用范围也就是有限的

19、。也就是有限的。 式中：式中： tW壁温壁温4-324.3.5 4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式一、流体在管内的强制对流一、流体在管内的强制对流1圆形直管内的湍流圆形直管内的湍流 0.80.023RePrnNu 0.80.023()()pncdud适用范围：适用范围：Re10000，0.7Pr 160， 604-344-33注意事项：注意事项：（3）流体被加热时，）流体被加热时，n0.4；被冷却时，；被冷却时，n0.3。（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm （2）特征尺寸为管内径）特征尺寸为管内径di； 上

20、述上述 n取不同值的原因主要是温度对近壁层取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。流底层中流体粘度的影响。 当管内流体被加热时，靠近管壁处层流底当管内流体被加热时，靠近管壁处层流底层的温度高于流体主体温度；层的温度高于流体主体温度； 流体被冷却时，情况正好相反。流体被冷却时，情况正好相反。 对于液体，其粘度随温度升高而降低，液对于液体，其粘度随温度升高而降低，液体被加热时层流底层减薄，大多数液体的导热体被加热时层流底层减薄，大多数液体的导热系数随温度升高也有所减少，但不显著，总的系数随温度升高也有所减少，但不显著，总的结果使对流传热系数增大。结果使对流传热系数增大。 液体被加热

21、时的对流传热系数必大于冷却液体被加热时的对流传热系数必大于冷却时的对流传热系数。时的对流传热系数。 大多数液体的大多数液体的Pr1,即即Pr0.4Pr0.3。 液体被加热时，液体被加热时，n取取0.4；冷却时，；冷却时，n取取0.3。 对于气体，其粘度随温度升高而增大，对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层增厚，气体的导热系气体被加热时层流底层增厚，气体的导热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少。传热系数减少。 气体被加热时的对流传热系数必小于冷气体被加热时的对流传热系数必小于冷却时的对流传热系数。却时的对流传热系数。 同液

22、体一样，气体被加热时同液体一样，气体被加热时 n 取取0.4，冷却，冷却时时 n 取取0.3。大多数气体的大多数气体的Pr1，即，即Pr0.4Pr0.3； 通过以上分析可知，温度对近壁处层流底通过以上分析可知，温度对近壁处层流底层内流体粘度的影响，会引起近壁流层内速度层内流体粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。生相应的变化。（4）特征速度为管内平均流速。）特征速度为管内平均流速。以下是对上面的公式进行修正：以下是对上面的公式进行修正：a高粘度高粘度 14. 033. 08 . 0)()()(027. 0w

23、pcdud4-35 要考虑壁面温度变化引起粘度变化对要考虑壁面温度变化引起粘度变化对 的影的影响（响（ 是在是在tm下；而下；而 W是在是在tw下）。下）。 在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：处理为：对于液体，加热时：对于液体，加热时： 05. 1)(14. 0w冷却时：冷却时： 95. 0)(14. 0w4-374-36b过渡区过渡区 2300Re10000时，先按湍流计算时，先按湍流计算 ，然后乘以校正系数。然后乘以校正系数。1Re1060 . 18 . 05f 过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的的Re小

24、，流体流动的湍动程度减少，层流底小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，层变厚， 减小。减小。 4-38c流体在弯管中的对流传热系数流体在弯管中的对流传热系数先按直管计算，然后乘以校正系数先按直管计算，然后乘以校正系数 f)77. 11 (Rdf式中：式中： d管径；管径； R弯管的曲率半径。弯管的曲率半径。 由于弯管处受离心力的作用，存在二次环由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，流，湍动加剧， 增大。增大。4-39图图4-11 弯管内流体的流动弯管内流体的流动套管环隙：套管环隙： 0.81/30.53210.02()eredR Pdd式中：式中： d1、d2分别为套管分别为套

25、管内管外径内管外径或或外管内径外管内径。适用范围：适用范围：d2/d1=1.6517，Re=1.21042.2105d非圆形直管内强制对流非圆形直管内强制对流4-40e当当l /d 60时则为短管，由于管入口扰动时则为短管，由于管入口扰动增大，增大， 较大，乘上校正系数较大，乘上校正系数 f 。117 . 0ldf4-412圆形直管内的层圆形直管内的层 流流特点：特点： 1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。导致速度分布受热流方向影响。 2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使

26、得对流传热系数提高。得对流传热系数提高。 3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。对流传热系数提高。 图图4-12热流方向对层流速度的影响热流方向对层流速度的影响（1）Gr25000时，自然对流影响小可忽略时，自然对流影响小可忽略 14. 03/1)()Pr(Re86. 1wldNu适用范围：适用范围：Re60 定性温度、特征尺寸取法与前相同，定性温度、特征尺寸取法与前相同， w按壁温确定，工程上可近似处理为：按壁温确定，工程上可近似处理为：4-42对于液体，加热时：对于液体，加热时： 05. 1)(14. 0w冷却时：冷却时：

27、95. 0)(14. 0w4-434-44 在换热器设计中，应尽量避免在强制层流在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。从而使总传热系数也很小。)01501 (8031/Gr.f（2）Gr25000时，自然对流的影响不能忽略时，时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数乘以校正系数 4-45例 、 套 管 换 热 器 外 管 内 径例 、 套 管 换 热 器 外 管 内 径 6 0 m m ， 内 管 规 格， 内 管 规 格383.0mm，用水将为，用水将为2500kg/h的某液体有机物从的某

28、液体有机物从100冷却至冷却至40，水走管内，有机物走环隙，逆流，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度流动，操作温度下，有机物密度860kg/m3, 粘度粘度2.810-3Ns/m2，比热，比热2.26kJ/(kg)，导热系数，导热系数0.452W/(m), 水的进、出口温度分别为水的进、出口温度分别为15和和45，热损失忽略不计。试求：热损失忽略不计。试求：(1)水对管内壁的给热系数；水对管内壁的给热系数；(2)有机溶液对管外壁的有机溶液对管外壁的给热系数；给热系数；(3)若将水流量增加若将水流量增加20%，其他条件不变，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。重求水对管

29、内壁的给热系数。解：解： 水的定性温度：水的定性温度：t3024515查得：查得： 2=995.7kg/m3； 2=0.0008Ns/m2；=0.618W/(mK)；Cp2=4.174kJ/ kgK)；根据热量衡算式求得水流量：根据热量衡算式求得水流量：111222122500 36002.26100400.7524.17445 15ppWCTTWCttkg管内流速：管内流速：smdWu/087. 1032. 0785. 07 .995/752. 04/2222242221033. 40008. 07 .995087. 1032. 0Redu1114.174 0.0008Pr5.4030.61

30、8pC40.40.0230.0234.33 105.403231.2NuRe Pr水侧给热系数：水侧给热系数：220.618231.24465/()0.032NuWm Kd111222122/ 42500/(3600 860)0.514/0.0600.04/ 4Wuddm s 套管环隙当量直径：套管环隙当量直径：环隙流速：环隙流速：de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm222Pr4.174 1000 0.00085.4030.618pC?1000010158. 30028. 0860514. 002. 0Re3111ude(过渡流过渡流)根据过渡流给热系数的计算

31、方法，有根据过渡流给热系数的计算方法，有40.30.0230.0233.158 101432NuRePr210.45232723/()0.02NuWmKde699. 0)10158. 3(1061Re10618 . 1358 . 15f故得溶液侧给热系数：故得溶液侧给热系数：20.699 723433.4/() fWmK 水流量增加后的给热系数水流量增加后的给热系数0.80.824465 1.25166/()WWWmK二、流体在管外的强制对流二、流体在管外的强制对流流体可垂直流过单管和管束两种情况。流体可垂直流过单管和管束两种情况。 由于工业中所用的换热器多为流体垂直流过由于

32、工业中所用的换热器多为流体垂直流过管束，由于管间的相互影响，其流动的特性及管束，由于管间的相互影响，其流动的特性及传热过程均较单管复杂得多。传热过程均较单管复杂得多。 故在此仅介绍后一种情况的对流传热系数故在此仅介绍后一种情况的对流传热系数的计算。的计算。各排管各排管 的变化规律：的变化规律： 第一排管，直列和错列基本相同；第一排管，直列和错列基本相同； 第二排管，直列和错列相差较大；第二排管，直列和错列相差较大； 第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定；第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定； 从图中可以看出，错列传热效果比直列好。从图中可以看出，错列传热效果比直列好。 流体垂直流过

33、管束时，管束的排列情况可流体垂直流过管束时，管束的排列情况可以有直列和错列两种。以有直列和错列两种。1. 流体在管束外垂直流过流体在管束外垂直流过图图4-13 直列和错列管束直列和错列管束4 . 0PrRenCNu单列的对流传热系数用下式计算单列的对流传热系数用下式计算适用范围：适用范围：5000Re膜 凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面的附着力大小。对壁面的附着力大小。 膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层 完整的液膜布满液面并连续向下完整的液膜布满液面并连续向下 流动。流动。 若附着力大于表面张力则会形成膜

34、状冷凝，若附着力大于表面张力则会形成膜状冷凝，反之，则形成滴状冷凝。反之，则形成滴状冷凝。 通常滴状冷凝时蒸汽不必通过液膜传热，可通常滴状冷凝时蒸汽不必通过液膜传热，可直接在传热面上冷凝，其对流传热系数比膜状冷直接在传热面上冷凝，其对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数大凝的对流传热系数大510倍倍。 滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。图图4-16 蒸汽冷凝蒸汽冷凝2蒸汽在水平管外冷凝蒸汽在水平管外冷凝计算公式：计算公式： 413/232725.0tlngrr汽化潜热（汽化潜热（ts下），下），kJ/kg。式中：式中： n水平管束在垂直列上的管子数；

35、水平管束在垂直列上的管子数； 冷凝液的密度，冷凝液的密度，kg/m3； 冷凝液的导热系数，冷凝液的导热系数，W/（m.K）；）； 冷凝液的粘度，冷凝液的粘度，Pa.s。4-55特性尺寸特性尺寸l ：管外径：管外径 do 定性温度：定性温度：2sWttt膜温（）用膜温查冷凝液的物性用膜温查冷凝液的物性 、 和和 ； 潜热潜热 r 用饱和温度用饱和温度 ts 查；查； 此时认为主体无热阻，热阻集中在液膜中。此时认为主体无热阻，热阻集中在液膜中。4-563在竖直板或竖直管外的冷凝在竖直板或竖直管外的冷凝 当蒸汽在垂直管或板上冷凝时，冷凝液沿壁当蒸汽在垂直管或板上冷凝时，冷凝液沿壁面向下流动，同时由于

36、蒸汽不断在液膜表面冷凝，面向下流动，同时由于蒸汽不断在液膜表面冷凝，新的冷凝液不断加入，形成一个流量逐渐增加的新的冷凝液不断加入，形成一个流量逐渐增加的液膜流，相应于液膜厚度加大，上部分为层流，液膜流，相应于液膜厚度加大，上部分为层流，当板或管足够高时，下部分可能发展为湍流。当板或管足够高时，下部分可能发展为湍流。 对于冷凝液来说，临界对于冷凝液来说，临界Re =2100。如图所示，从顶向底流动时，液膜如图所示，从顶向底流动时，液膜，； 当当H一定高时，流动从层流过渡到湍流时，一定高时，流动从层流过渡到湍流时，Re ，层流底层，层流底层 ， 。图图4-17 蒸汽在垂直壁面上的冷凝蒸汽在垂直壁面

37、上的冷凝udeRe介绍介绍 de 的计算方法。的计算方法。 bSde4MSGbSbSuude4)(4()4(Re4-594-584-57式中：式中： S冷凝液流过的截面积，冷凝液流过的截面积，m2；M单位长度润湿周边上冷凝液的质量单位长度润湿周边上冷凝液的质量 流量，流量，kg/s.m。SGubGM/,/b润湿周边，润湿周边，m；G冷凝液的质量流量，冷凝液的质量流量，kg/s；4-60（1）层流时）层流时 的计算式的计算式4/13213. 1tlgr适用范围：适用范围：Re 1800定性温度：膜温定性温度：膜温特征尺寸特征尺寸l：管高或板高：管高或板高H注：注：Re是指板或管最低处的值（此时是

38、指板或管最低处的值（此时Re为最大）为最大）4-624冷凝传热的影响因素和强化措施冷凝传热的影响因素和强化措施 对于纯的饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中对于纯的饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键。响冷凝传热的关键。 影响液膜状况的所有因素都将影响到冷凝影响液膜状况的所有因素都将影响到冷凝传热。传热。（1）流体物性的影响）流体物性的影响 冷凝液冷凝液 ，则液膜厚度越小，则液膜厚度越小 ；冷；冷凝液凝液 。 冷凝潜热冷凝潜热r ，同样的热负荷，同样的热负荷Q下冷凝液下冷凝液量小，则液膜厚度越小量小，则液膜厚度越小

39、 。 以上的分析与前面讲的经验关联式一致。以上的分析与前面讲的经验关联式一致。 在所有的物质中以水蒸汽的冷凝传热系数在所有的物质中以水蒸汽的冷凝传热系数最大，一般为最大，一般为104/（m2.K）左右，而某些有机）左右，而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至物蒸汽的冷凝传热系数可低至103W/（m2.K）以下。以下。（2）温度差影响）温度差影响 当液膜作层流流动时，当液膜作层流流动时， t = tstW ， t ，则，则蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚 , 。（3）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当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气

40、膜。集形成气膜。 在实际的工业冷凝器中，由于蒸汽中常含在实际的工业冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性气体，如空气。有微量的不凝性气体，如空气。 冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，必须先以冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，必须先以扩散的方式通过这层气膜。扩散的方式通过这层气膜。 这相当于额外附加了一热阻，而且由于气这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数体的导热系数 小，使蒸汽冷凝的对流传热系数小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。大大下降。 实验可证明：当蒸汽中含空气量达实验可证明：当蒸汽中含空气量达1%时，时， 下降下降60%左右。左右。 在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；在冷凝器的设

41、计中，在高处安装气体排放口； 操作时，定期排放不凝气体，减少不凝气体操作时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对对 的影响。的影响。（4）蒸汽流速与流向的影响）蒸汽流速与流向的影响 前面介绍的公式只适用于蒸汽静止或流前面介绍的公式只适用于蒸汽静止或流速不大的情况。速不大的情况。 蒸汽的流速对蒸汽的流速对 有较大的影响，蒸汽流有较大的影响，蒸汽流速较小速较小u10m/s时，还要考虑蒸汽与液时，还要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。膜之间的摩擦作用力。 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄动，使液膜变薄 , ； 蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流蒸汽与液膜流

42、向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚动，使液膜变厚 , ； 但但u 时，会吹散液膜，时，会吹散液膜， 。 一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于此时蒸汽与液膜流向相同，有利于。（5）蒸汽过热的影响）蒸汽过热的影响 蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。过热蒸汽。 过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触（tW ts ），壁面无冷凝现象，此时为无相变的），壁面无冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程。对流传热过程。 过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触过热蒸汽与

43、比其饱和温度低的壁面接触（tW ts ），由两个串联的传热过程组成：），由两个串联的传热过程组成：冷冷却和冷凝。却和冷凝。 整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝，冷到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝，冷凝的推动力仍为凝的推动力仍为 t = ts tW。 一般过热蒸汽的冷凝过程可按饱和蒸汽冷一般过热蒸汽的冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理，所以前面的公式仍适用。凝来处理，所以前面的公式仍适用。 但此时应把显热和潜热都考虑进来：但此时应把显热和潜热都考虑进来： rttcrsvp)(r、tv 为过热蒸汽的比热和温度。为过热蒸汽的比热和温度

44、。 4-63 工业中过热蒸汽显热增加较小，可近似工业中过热蒸汽显热增加较小，可近似用饱和蒸汽计算。用饱和蒸汽计算。（6）冷凝面的高度及布置方式）冷凝面的高度及布置方式以减薄壁面上的液膜厚度为目的。以减薄壁面上的液膜厚度为目的。（7）强化传热措施）强化传热措施对于纯蒸汽冷凝，恒压下对于纯蒸汽冷凝，恒压下 ts 为一定值。为一定值。 即在气相主体内无温差也无热阻，即在气相主体内无温差也无热阻， 的大的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。 在流体一定的情况下，一切能使液膜变薄的在流体一定的情况下，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。措施将强化冷凝传热过

45、程。 减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度和布置方式入手。的高度和布置方式入手。 如在垂直壁面上开纵向沟槽，以减薄壁面如在垂直壁面上开纵向沟槽，以减薄壁面上的液膜厚度。上的液膜厚度。 还可在壁面上安装金属丝或翅片，使冷凝液还可在壁面上安装金属丝或翅片，使冷凝液在表面张力的作用下，流向金属丝或翅片附近集在表面张力的作用下，流向金属丝或翅片附近集中，从而使壁面上的液膜减薄；使冷凝传热系数中，从而使壁面上的液膜减薄；使冷凝传热系数得到提高。得到提高。二、液体沸腾时的对流传热系数二、液体沸腾时的对流传热系数 对液体加热时，液体内部伴有液相变为气对液体加热时，液

46、体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。相产生汽泡的过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：按设备的尺寸和形状可分为： 大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而 引起的无强制对流的沸腾现象。引起的无强制对流的沸腾现象。管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热 沸腾（强制对流）；沸腾（强制对流）； 此时液体流速对沸腾过程有影响，而且加此时液体流速对沸腾过程有影响，而且加热面上气泡不能自由上浮，被迫随流体一起热面上气泡不能自由上浮，被迫随流体一起流动，出现了复杂的气液两相的流动结构。流动，出现了复杂的气液

47、两相的流动结构。 工业上有再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等都工业上有再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等都是通过沸腾传热来产生蒸汽。是通过沸腾传热来产生蒸汽。 管内沸腾的传热机理比大容器沸腾更为复杂。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾更为复杂。 本节仅讨论大容器的沸腾传热过程。本节仅讨论大容器的沸腾传热过程。 气泡的生成和过热度气泡的生成和过热度 由于表面张力的作用，要求气泡内的蒸气由于表面张力的作用，要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。压力大于液体的压力。 气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温度，

48、故液体必须过热，度，故液体必须过热，即液体的温度必须高于即液体的温度必须高于气泡内压力所对应的饱和温度。气泡内压力所对应的饱和温度。 在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。 液体的过热是新相液体的过热是新相小气泡生成的必要条件。小气泡生成的必要条件。粗糙表面的气化核心粗糙表面的气化核心开始形成气泡时，气泡内的压力必须无穷大。开始形成气泡时，气泡内的压力必须无穷大。 这种情况显然是不存在的，因此纯净的液这种情况显然是不存在的，因此纯净的液体在绝对光滑的加热面上不可能产生气泡。体在绝对光滑的加热面上不可能产生气泡。 气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，

49、气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，这种点称为气化核心。这种点称为气化核心。无气化核心则气泡不会产生。无气化核心则气泡不会产生。 过热度增大，气化核心数增多。过热度增大，气化核心数增多。 气化核心是一个复杂的问题，它与表面气化核心是一个复杂的问题，它与表面粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均匀性质等多种因素有关。匀性质等多种因素有关。 2沸腾曲线沸腾曲线图图4-18 液体沸腾曲线液体沸腾曲线ABCD 如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明说明 t对的对的 影响。影响。（1）AB段，段， t = tWts ， t很

50、小时，仅在加热面很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。面与液体之间主要以自然对流为主。 t t 5 C时，汽化核心数时，汽化核心数目增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增目增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。气泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。（3）CD段，段， t 25 C进一步增大到一定数值，进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液