化工原理传热3

②管外强制对流

a)流体横向流过单管A

流体横向流过单根圆管外时流动情况表面传热系数分布

1）低雷诺数（70800~101300）φ=0~80°，层流边界层厚度增大使h↓，φ>80°，边界层分离，使h↑，有一个最低点。

2）高雷诺数（140000~219000）有两个最低点：

N01：φ=70~80°，层流边界层→湍流边界层；

N02：φ=140°（分离点），发生边界分离。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化Reф=21900018600014000010130070800170000常数C、指数n见下表沿整个管周的平均表面传热系数：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外径

◆

管束的排列方式

直列（正方形）、错列（正三角形）b)流体横向流过管束的表面传热系数x2x1d直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意x1x2d错列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意直列第一排管直接冲刷；第二排管不直接冲刷，扰动减弱；第二排管以后基本恒定。错列第一排管错列和直列基本相同；

第二排管错列和直列相差较大，阻挡减弱，冲刷增强；

第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d◆

各排管h的变化规律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ错列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气）

可以看出，错列传热效果比直列好。◆传热系数的计算方法

任一排管子：C、ε、n

取决于管排列方式和管排数。特征尺寸：管外径适用范围：

c)流体在列管换热器管壳间的传热装有圆缺折流板的列管换热器

圆缺折流板管板折流挡板：

壳程流体的流动方向不断改变，较小Re（Re=100），即可达到湍流。缺点：流动阻力↑，壳程压降↑的重要因素。作用：●提高湍动程度，↑h，强化传热；

●加固、支撑壳体。

圆缺折流板示意图管板10102103104101021管壳式换热器表面传热系数计算曲线ReNuPr有折流挡板时壳程流体表面传热系数：挡板切割度：25%D。特征尺寸：流道的当量直径。正方形排列dot也可采用关联式：正三角形排列流速的确定：按最大流通截面(最小流速)计算。DS1S2B

说明：无折流板时，流体平行流过管束，按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。dot(3)自然对流传热温度差引起流体密度不均，导致流体流动。分类：大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰。

有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰。大空间自然对流传热：表面传热系数的求取：①查图求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流体沿垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流体沿水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时：定性温度：膜温定型尺寸：竖板，竖管，L；水平管，外径do影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式；系数C和指数n的取值见下表：②经验关联doL传热面的形状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板及圆柱面10-1~104104~109109~1013查图4.1.15(a)0.590.1查图4.1.15(a)1/41/3高度L水平圆柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4查图4.1.15(b)0.530.130查图4.1.15(b)1/41/3外径d0水平板热面朝上或水平板冷面朝下2×104~8×1068×106~10110.540.151/41/3矩形取两边平均值圆盘0.9d

狭长条取短边水平板热面朝下或水平板冷面朝上105~10110.581/5有相变对流传热的特点①相变过程中产生大量相变热（潜热）；例：水4.4.4有相变化的对流传热②相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；③分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。(1)蒸汽冷凝

优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制蒸汽冷凝的表面传热系数较大。冷凝方式：①膜状冷凝凝液呈液膜状（附着力大于表面张力），热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面。②滴状冷凝凝液结为小液滴（附着力小于表面张力），有裸露壁面，直接传递相变热。比较两种冷凝方式的表面传热系数

h滴状冷凝＞h膜状冷凝，相差几倍到几十倍，但工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝(2)膜状冷凝表面传热系数

①努塞尔方程的理论推导研究：垂直管外或壁面的膜状冷凝；方法：真实模型→简化模型→数学模型求解。◆膜状冷凝的真实过程hx③

汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度tδ=ts；④冷凝液为饱和液体。◆简化的物理模型①液膜很薄，层流流动，传热方式为导热，温度分布为线性；

②蒸汽静止，汽-液界面无粘性应力；yx努塞尔特膜状冷凝简化模型◆建立数学模型求解按假设，推导膜厚δ：做受力分析、质量衡算、热量衡算，得：yx

特征尺寸：L（竖壁或圆管壁高度）倾斜壁面：

蒸气在斜壁上的冷凝②努塞尔方程的无量纲化S

为流通面积；b

为周边长度；qm/S=G

质量流速。冷凝负荷:

M=qm/b

单位润湿周边上凝液的质量流率，kg/(m·s)；液膜流动雷诺数——量纲为一努塞尔方程。

实验结果：实测值高于理论值（约20%）

原因：液膜的波动、假设的不确切性(3)膜状冷凝表面传热系数的经验关联①垂直管外或壁面上的冷凝（a）液膜层流（b）液膜湍流

注意：壁温未知时，计算应采用试差法。完全由实验获得

水平圆管外膜状冷凝说明：此式计算值和实验结果基本一致。

②水平管冷凝表面传热系数（a）水平单管外冷凝理论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0~180o）。

层流时，

水平管外膜状冷凝其他条件相同时，单根水平圆管与垂直圆管的表面传热系数之比为：

（b）水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和错排两种：12342123第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的影响，表面传热系数依次下降。水平管束的排列及其对冷凝液膜厚度的影响管排数不同时，

▲

采用平均管排数：▲近似取壳体直径上的管根数NTc（c）水平管内冷凝

特点：考虑蒸汽流速对h的影响

（1）蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出，可采用管外冷凝公式计算。（2）当蒸汽速度较大时，可能形成两相流动，应参考有关公式。(4)影响冷凝传热的因素

冷凝液膜两侧的温度差：

流体物性的影响：

不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。

蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。

蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；流速较大时，且与液膜同向，h增大；流速较大时，且与液膜反向，h减小。蒸汽凝液不凝气

沸腾:

沸腾时，液体内部有气泡产生，气泡产生和运动情况，对h影响极大。沸腾分类：

①按设备尺寸和形状不同

池式沸腾（大容积饱和沸腾）；

强制对流沸腾（有复杂的两相流）。

②按液体主体温度不同

过冷沸腾：液体主体温度t<ts，气泡进入液体主体后冷凝。

饱和沸腾：t≥ts，

气泡进入液体主体后不会冷凝。（5）液体沸腾传热液体主体

t液体主体

t≥ts

液体主体

t<ts

1)大容积饱和沸腾传热机理

a）汽泡能够存在的条件：

abcd气泡的生成过程

气泡的力平衡plpvrσσ

必须有汽化核心b）汽泡产生的条件

液体必须过热提供必须的汽化热量说明：●因此无汽化核心，气泡不会产生；●液体过热度增大，汽化核心数增多。汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，气泡能附着在其周围生长。气泡的产生过程沸腾过程：过热度↑，汽化核心数↑，气泡产生和长大的速度↑，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数↑。说明：由于气泡产生，使液体扰动↑。因此：0.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区不稳定膜状沸腾温度差和表面传热系数关系Δt=(tw-ts)/℃实验条件:

大容积、饱和沸腾。

2)大容积饱和沸腾曲线