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传热学第六章h

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传热学第六章对流换热

传热学第六章对流换热


6个未知量:：速度 u、v、w；温度 t；压力 p；对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒： ——描述流体温度场 假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量：Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况：
在d时间内， 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内， 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内， 微元体中流体 温度改变了（t / ） d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2＋ 2 2 x y z c x y z
boundary layer）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低； 在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 边界层区：流体的粘性作用起主导作用
主流区：速度梯度为0，τ=0；可视为无粘性理想流体

u , 牛顿粘性定律 y
2）热边界层（Thermal boundary layer） 热边界层：当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t （温度边 界层）：过余温度（t -tw ） 为来流过余温度（tf - tw ） 的99％处定义为t的外边 界
传热学第六章凝结与沸腾换热

传热学第六章凝结与沸腾换热

实验查明，几乎所有的常用蒸气，在洁净 的材料表面上都形成膜状凝结。
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，在非水平的壁面上，因 受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠， 合并成更大的液滴，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
传热学-第六章 单相对流

传热学-第六章 单相对流


8
a 基本依据： 定理，即一个表示n个物理量间关系的 量纲一致的方程式，一定可以转换为包含 n - r 个独立 的无量纲物理量群间的关系。r 指基本量纲的数目。
b 优点: (a)方法简单；(b) 在不知道微分方程的情况 下，仍然可以获得无量纲量 c 例题：以圆管内单相强制对流换热为例
(a)确定相关的物理量
相似原理将回答上述问题
2
2 相似原理的研究内容：研究相似物理现象之间的关系，
(1)物理现象相似：对于同类的物理现象，在相应的时刻与相 应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例。
(2)同类物理现象：用相同形式并具有相同内容的微分方程式 所描写的现象。
3 物理现象相似的特性
(1)同名特征数对应相等；
实验验证范围为： l / d 60，
Prf 0.7 ~ 16700, Ref 104。
32
（3）采用米海耶夫公式：
Nuf

0.021 Ref0.8
Prf0.43


Prf Prw
0.25


定性温度为流体平均温度 tf ，管内径为特征长度。
实验验证范围为： l / d 50，
式中，qm 为质量流量； tf、tf 分别为出口、进口截面上
的平均温度； tm 按对数平均温差计算：
tm

tf tf
ln ttww

tf tf

28
二. 管内湍流换热实验关联式 实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：
Nuf 0.023 Ref0.8 Prfn
德拉[cd] 因此，上面涉及了4个基本量纲：时间[T]，长度[L]，质 量[M]，温度[]
r=4
传热学第六章凝结与沸腾换热

传热学第六章凝结与沸腾换热


第六章 凝结与沸腾换热
17
7. 凝结表面的几何形状
❖ 强化凝结换热的原则是 尽量减薄粘滞在换热表 面上的液膜的厚度。
❖ 可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体 尽快从换热表面上 排泄掉。
第六章 凝结与沸腾换热
18
§6-4 沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
l g
l
2u y 2
0
al
2t y 2
0
第六章 凝结与沸腾换热
7
边界条件：
y 0 时， u 0, t tw
y 时， du 0,
dy
t ts
求解上面方程可得：
(1) 液膜厚度
4l
l (
g
ts
l2 r
tw
)x 1/ 4
定性温度：
tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
第六章 凝结与沸腾换热
10
横管与竖管的对流换热系数之比：
hHg hVg
0.77
l d
1
4
3 边界层内的流态
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时Re，
Re de ul
式中：
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速；
de 为该截面处液膜层的当量直径。
第六章 凝结与沸腾换热
无波动层流
6
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l
(u
u x
v
u y
)
0
考虑（7）忽 略蒸汽密度
dp dx
0
u
x
v y
0
l
(u
u x
v
传热学-第6章-单相对流传热的实验关联式

传热学-第6章-单相对流传热的实验关联式

4 6
0.25
0.14
10 Ref 1.75 10 ; 0.6 Prf 700; 适用参数范围：
定性温度：进出口截面流体平均温度的算术平均值 tf
L d
50
特征长度：管内径d
说明： (1) 非圆形截面的槽道，采用当量直径de 作为特征尺度; (2) 入口段效应则采用修正系数乘以各关联式; (3) 螺旋管中的二次环流的影响，也采用修正系数乘以 各关联式。 （4）短管修正
入口段长度
层流 紊流
l 0.05 RePr d
l 60 平均表面传热系数不需考虑入口效应 d
（3）热边界条件——均匀壁温和均匀热流两种 湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。
（4）特征速度——取截面的平均流速，并通过流量获得
二、 影响管内对流换热的几个因素
二、管内强迫对流传热特征数关联式
换热计算时,先计算Re判断流态，再选用公式 1. 紊流——迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）关联式：
Nuf 0.023Re Pr
0.8 f
n f
0.4 n 0.3
(tw tf ) (tw tf )
适用的参数范围： 104 Ref 1.2 105 ; 0.7 Prf 120;
y 0
t h t y tw

y 0
根据物理量场相似的定义
t h t y y0 tw
Ch Cl t h t y C tw
ChCl 1 C
二、 相似原理
相似原理主要包含以下内容：
物理现象相似的定义； 物理现象相似的性质； 相似特征数之间的关系； 物理现象相似的条件 。 （1）物理现象相似的定义 物理现象的相似以几何相似为前提。两个同类图形对应 尺度成同一比例,则这两个同类图形几何相似。几何相似的两 个图形中对应的空间点之间的距离必然成同一比例。 物理现象相似——同类物理现象之间所有同名物理量场都相 似，即同名的物理量在所有对应时间、对应地点的数值成比例。
传热学第六章

传热学第六章


流动全部为紊流
局部传热系数关联式 Nuxm 0.0296Rex4m/5Prm1/3
平均传热系数关联式 Num 0.037Rem4/5Prm1/3
Rex=0≥108 0.6 Prm 60
混合边界层
h

1 l

xc
0
hcx
dx
1
l
xc
hcx
2 dx
Rem

u d o
层流 Rem 1.4 105
层流、紊流的转变
特征速度 来流速度 u∞ 特征尺寸 管外径 d0
Rem＞1.4 105
定性温度 热边界层的平均温度 tm=1/2(t∞+tw)
1.流动的特征
圆柱前半部，沿流动方向流体处于加速减压状态，沿流向压 力逐渐减小。圆柱后半部，沿流向压力逐渐增加。最大粘滞 摩擦力处于圆柱表面处，因而圆柱表面附近的流体受到的阻 力最大。
小结：利用关联式获取表面换热系数的关键步骤
1，熟悉对象：如流过平板、圆柱、球或管束； 2，确定特征温度，查表获取特征温度下流体的热物理参数； 3，确定特征长度，计算Re数； 4，确定要获取局部、还是平均表面换热系数； 5，选择合适的关联式计算无量纲表面换热系数，即Nu数； 6，计算换热系数。
2017/10/23
第六章 单相对流换热的实验关联式
Convection Heat Transfer
§6-1 管内强制对流传热
6.1.1管内强制对流流动和换热的特征
入口段 充分发展段
1. 层流和湍流判别
层流： Re 2300 过渡区： 2300 Re 10000 旺盛湍流： Re 10000
Nu f
传热学 第6章

传热学 第6章


h(Ts − T∞ )
dT − k fluid dy
y= 0
hLc Nu = k fluid
conductive resist. in the solid vs. convective resist. in the fluid
h(Ts − T∞ )
ksolid
− ksolid
dT dy
Bi =
y= 0
hLc k solid
9 10
Characteristic length Lc is also different !!!!
V∞ ,T∞
No slip condition The fluid adheres to the solid surface, at which the fluid velocity equals to zero. This is called no slip conditions.
y
Bulk Fluid
T2 Fluid layer · Q
The local heat transfer coefficients vary along a surface. The average coefficients are obtained by integrating local values over the entire surface. Average heat transfer coefficients
y =0
2
Newtonian Fluid
Friction(drag) force:
FD = C fA
ρV∞ 2
2
(N)
μ, dynamic viscosity of the fluid, kg/m·s
传热学-第六章3-4

传热学-第六章3-4

0.8 Nuf 0.023 Ref Prfn
加热流体时 冷却流体时
n 0.4 n 0.3
t fm ， tf1 tf 2 2
式中: 特征长度为管内径。
定性温度采用流体平均温度 tfm
实验验证范围：
Ref 104
Prf 0.7
1.2 105 ,
120,
L / d 60。
Prf 0.7 16700,
Ref 104。
（3）采用米海耶夫公式：
0.021 Ref
0.8
Prf
0.43
Prf Pr w
0.25
定性温度为流体平均温度 tf ，管内径为特征 长度。 实验验证范围为： L / d 50
Prf 0.6 700,
Ref 104
当 在
Re 1.5 105
时，分离点发生
1400
处。
边界层的成长和脱体决定了外掠 圆管的换热特性。
2、换热特点：
分析图：无论是层流还是 紊流边界层，在 0 800 之间换热系数 h 随着边界 层厚度δ增厚而下降。
h
5）校核，Re、t 是否在所选用公式的范围内
例：p195 5-36 解：1）水被加热时，定性温度 查表得： 0.6415
Re vd
tf tf1 tf 2 2 20 70 450 C 2
0.6075 106
Pr 3.925

39506 1.2 105
Nuf
Ref Prf 1.86 L / d
1/3
f w
0.14
定性温度为流体平均温度 tf （w 按壁温 tw 确定） 管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。 实验验证范围为： Prf 0.48
传热学课件第六章辐射换热计算

传热学课件第六章辐射换热计算


X 1,3

A1 A3 A2 2 A1
X 2,1

A2
A1 A3 2 A2
X 2,3

A2
A3 A1 2 A2
X 3,1

A3 A1 A2 2 A3
X 3,2

A3
A2 2 A3
A1
3．查曲线图法
利用已知几何关系的角系数，确定
其它几何关系的角系数。 例：如图，确定X1,2 由相互垂直且具有公共边的长方形表面
• 若A2和A3的温度相等，则有
J2A2X2，1＋J2A3X3，1 =J2 A2+3X(2+3)，1 角系数的可加性
即 A2+3X(2+3)，1＝A2X2，1＋A3X3，1
利用角系数的可加性，应注意只有对角系数
符号中第二个角码是可加的。
• 三、角系数的确定方法
角系数的确定方法很多，从角系数的定义直 接求解法、查曲线图法、代数分析法和几何图形 法，这里主要介绍定义直求法和代数分析法。
一、表面辐射热阻
对于任一表面A，其本身辐射为E=ε Eb， 投射辐射为G，吸收的辐射能为α G。向外 界发出的辐射能为
J E G Eb 1 G （a）
因此，表面A的净热流密度为
q ＝ J－G
（b）
对于灰体表面α ＝ε ，联解（a）和（b），
消去G得
q

Eb J
1
第六章 辐射换热计算
例内 重 基 题容 点 本 赏精 难 要 析粹 点 求
基本要求
1.掌握角系数的意义、性质及确定方法。 2.掌握有效辐射的确定方法。 3.熟练掌握简单几何条件下透热介质漫灰
面间辐射换热的计算方法。 4.掌握遮热板的原理及其应用
传热学答案第六章

传热学答案第六章

第六章复习题1、什么叫做两个现象相似，它们有什么共性？答：指那些用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描述的现象，如果在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对于成比例，则称为两个现象相似。

凡相似的现象，都有一个十分重要的特性，即描述该现象的同名特征数（准则）对应相等。

（1） 初始条件。

指非稳态问题中初始时刻的物理量分布。

（2） 边界条件。

所研究系统边界上的温度（或热六密度）、速度分布等条件。

（3） 几何条件。

换热表面的几何形状、位置、以及表面的粗糙度等。

（4） 物理条件。

物体的种类与物性。

2．试举出工程技术中应用相似原理的两个例子．3．当一个由若干个物理量所组成的试验数据转换成数目较少的无量纲以后，这个试验数据的性质起了什么变化？4．外掠单管与管内流动这两个流动现象在本质上有什么不同？5、对于外接管束的换热，整个管束的平均表面传热系数只有在流动方向管排数大于一定值后才与排数无关，试分析原因。

答：因后排管受到前排管尾流的影响（扰动）作用对平均表面传热系数的影响直到10排管子以上的管子才能消失。

6、试简述充分发展的管内流动与换热这一概念的含义。

答：由于流体由大空间进入管内时，管内形成的边界层由零开始发展直到管子的中心线位置，这种影响才不发生变法，同样在此时对流换热系数才不受局部对流换热系数的影响。

7、什么叫大空间自然对流换热？什么叫有限自然对流换热？这与强制对流中的外部流动和内部流动有什么异同？答：大空间作自然对流时，流体的冷却过程与加热过程互不影响，当其流动时形成的边界层相互干扰时，称为有限空间自然对流。

这与外部流动和内部流动的划分有类似的地方，但流动的动因不同，一个由外在因素引起的流动，一个是由流体的温度不同而引起的流动。

8．简述射流冲击传热时被冲击表面上局部表面传热系数的分布规律．9．简述数数，数，Gr Nu Pr 的物理意义．Bi Nu 数与数有什么区别？ 10．对于新遇到的一种对流传热现象，在从参考资料中寻找换热的特征数方程时要注意什么？相似原理与量纲分析6－1 、在一台缩小成为实物1/8的模型中，用200C 的空气来模拟实物中平均温度为2000C 空气的加热过程。

《传热学第六章》课件

《传热学第六章》课件


现代
计算机技术和数值模拟方法的兴起为 传热学研究提供了新的手段，推动了
传热学在各领域的广泛应用。
02
热传导
热传导的定义
热传导
是指热量在物体内部通过分子、原子 或其他微观粒子的振动和相互碰撞， 从高温部分传向低温部分的过程。
热传导的基本机制
主要包括分子热运动、热辐射和热对 流。
热传导的定律
傅里叶定律
在单位时间内通过某一截面的热量与该截面 面积及温度梯度成正比。
导热系数
表示材料传导热量的能力，其值越大，导热 性能越好。
热阻
表示热量在传递过程中的阻碍程度，热阻越 大，传热效率越低。
热传导的分类
非稳态热传导
热量传递过程中，物体各点的温度随时间变 化。
稳态热传导
热量传递过程中，物体各点的温度不随时间 变化。
详细描述
强制对流是指流体在外力作用下产生运动，从而与固体表面 进行热量交换；自然对流是指流体由于密度差而产生运动， 从而与固体表面进行热量交换；混合对流则同时存在强制对 流和自然对流。
对流换热的计算方法
总结词
对流换热的计算方法包括牛顿冷却公式、对流换热系数和热平衡方程等。
详细描述
牛顿冷却公式是计算对流换热的基本公式，给出了流体温度、固体表面温度、流体性质和换热系数之间的关系； 对流换热系数是表示流体与固体表面之间热量传递效率的系数，可以通过实验测定或经验公式计算；热平衡方程 则用于描述整个系统在稳态或动态下的热量平衡关系。
辐射换热的定律
总结词
辐射换热遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律、普朗克定律和维恩位移定律。
详细描述
斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了物体发射和吸收辐射的能力与温度的关系，普朗克定律则描述了黑体辐射 的特性，而维恩位移定律则揭示了物体发射的辐射峰值波长与温度之间的关系。这些定律是辐射换热 的基础，为计算提供了重要的理论依据。

传热学第六章答案

第六章复习题1、什么叫做两个现象相似，它们有什么共性？答：指那些用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描述的现象，如果在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对于成比例，则称为两个现象相似。

凡相似的现象，都有一个十分重要的特性，即描述该现象的同名特征数（准则）对应相等。

（1） 初始条件。

指非稳态问题中初始时刻的物理量分布。

（2） 边界条件。

所研究系统边界上的温度（或热六密度）、速度分布等条件。

（3） 几何条件。

换热表面的几何形状、位置、以及表面的粗糙度等。

（4） 物理条件。

物体的种类与物性。

2．试举出工程技术中应用相似原理的两个例子．3．当一个由若干个物理量所组成的试验数据转换成数目较少的无量纲以后，这个试验数据的性质起了什么变化？4．外掠单管与管内流动这两个流动现象在本质上有什么不同？5、对于外接管束的换热，整个管束的平均表面传热系数只有在流动方向管排数大于一定值后才与排数无关，试分析原因。

答：因后排管受到前排管尾流的影响（扰动）作用对平均表面传热系数的影响直到10排管子以上的管子才能消失。

6、试简述充分发展的管内流动与换热这一概念的含义。

答：由于流体由大空间进入管内时，管内形成的边界层由零开始发展直到管子的中心线位置，这种影响才不发生变法，同样在此时对流换热系数才不受局部对流换热系数的影响。

7、什么叫大空间自然对流换热？什么叫有限自然对流换热？这与强制对流中的外部流动和内部流动有什么异同？答：大空间作自然对流时，流体的冷却过程与加热过程互不影响，当其流动时形成的边界层相互干扰时，称为有限空间自然对流。

这与外部流动和内部流动的划分有类似的地方，但流动的动因不同，一个由外在因素引起的流动，一个是由流体的温度不同而引起的流动。

8．简述射流冲击传热时被冲击表面上局部表面传热系数的分布规律．9．简述数数，数，Gr Nu Pr 的物理意义．Bi Nu 数与数有什么区别？ 10．对于新遇到的一种对流传热现象，在从参考资料中寻找换热的特征数方程时要注意什么？ 相似原理与量纲分析6－1 、在一台缩小成为实物1/8的模型中，用200C 的空气来模拟实物中平均温度为2000C 空气的加热过程。

传热学课件-清华大学 (6)

§6-1 管内受迫对流换热第六章单相流体对流换热及准则关联式学习对流换热的目的：学会解决实际问题；会计算表面传热系数h大多数是由大量的实验研究确定的本章给出的具体函数形式Pr)(Re,Nu f =工程上、日常生活中有大量应用：暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器流动进口段：10[ : Re;05.0 ∈≈dLd L 紊流层流：∂u流动进口段： : Re;05.0 ∈≈dLd L 紊流层流：∂u热充分发展段：常物性流体在热充分发展段：h = const（1）管内流体平均速度3、管内流体平均速度及平均温度∫∫=⋅==RRm urdrrdru f u G 0022πρπρρrdr u df u dG πρρ2⋅=⋅=G —质量流量[kg/s]；V —体积流量[m 3/s]；G=ρV∫∫===Rm R m urdrRu urdr R u G 02022 ;2πρπρt∆(管内对流换热进口段的局部Nusselt数2、流体热物性变化对换热的影响对于液体：主要是粘性随温度而变化流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却加热时的值↓⇒↑η t 对于气体：除了粘性，还有密度和热导率等↑↓↑⇒↑λρη，，t液体：1=C R+—R螺旋管曲率半径4、管壁粗糙度的影响粗糙管：铸造管、冷拔管等湍流：粗糙度∆>层流底层厚度δ时: 换热增强层流：影响不大粗糙度∆<层流底层厚度δ时: 影响不大If water at 300K flowsthrough a 3cm -diameterpipe at 5m/s, the thicknessof the viscous sublayer isonly about 20mµ有时利用粗糙表面强化换热—强化表面（1）迪图斯-玻尔特（Dittus-Boelter ）关联式：⎩⎨⎧<>==)( 3.0)( 4.0 ;Pr Re 023.08.0f w f w m f f f t t t t m Nu 由于没有考虑变物性，只适用于壁面和流体的温差不很大的情况：Petukhov 等人的研究表明：上式只在有限的范围内适用。

传热学讲义对流换热——第六章

第六章 单相流体对流换热及准则关联式第一节 管内受迫对流换热本章重点：准确掌握准则方程式的适用条件和定性温度、定型尺寸的确定。

1-1 一般分析),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ=流体受迫在管内对流换热时，还应考虑以下因素的影响：① 进口段与充分发展段，② 平均流速与平均温度，③ 物性场的不均匀性，④ 管子的几何特征。

一、进口段与充分发展段1．流体在管内流动的主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动进口（或发展）段和流动充分发展段，如图所示。

（1）从管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口段。

（2）进入定型流动的区域称为流动充分发展段。

在流动充分发展段，流体的径向速度分量v 为零，且轴向速度u 不再沿轴向变化，即：0=∂∂xu， 0=v 2．管内的流态（1）如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。

2300Re <用νdu m =Re 判断流态, 式中 m u 为管内流体的截面平均流速， d 为管子的内直径，ν为流体的运动黏度。

（2）如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。

410Re >（3）如果边界层汇合时正处于流动从层流向紊流过渡的区域，那么其后的流动就会是过渡性的不稳定的流动，称为流体管内过渡流动过程。

410Re 2300<<3．热进口段和热充分发展段当流体温度和管壁温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。

随着流动从层流变为紊流， 热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。

热充分发展段的特征对常物性流体，在常热流和常壁温边界条件下，热充分发展段的特征是：)(1x f t f =及)(2x f t w =与管内任意点的温度),(r x f t =组成的无量纲温度⎪⎪⎭⎫⎝⎛--x f x w w t t t t ,,x ,随管长保持不变，即： 0,,x ,=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂x f x w w t t t t x 式中，t —管内任意点的温度，),(r x f t = ⇒xf x w w t t tt ,,x ,--仅是r 的函数。

传热学教案6凝结与沸腾换热

第六章 凝结与沸腾换热1 、重点内容：① 凝结与沸腾换热机理及其特点；② 膜状凝结换热分析解及实验关联式；③ 大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。

2 、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。

3 、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。

蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。

其特点是：伴随有相变的对流换热。

工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、再沸器、水冷壁等。

6-1 凝结换热现象一、基本概念1.凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。

2.凝结换热的分类根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种：（1）膜状凝结：①定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。

②特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻。

（2）珠状凝结①定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。

产生珠状凝结时，所形成的液珠不断发展长大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚下。

在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也扫治了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。

图6－3是珠状凝结的照片，从中可清楚地看出珠状凝结时壁面上不同大小液滴的存在情况。

θ小则液体湿润能力强，就会铺展开来。

一般情况下，工业冷凝器，形成膜状凝结，但珠状凝结的形成比较困难且不持久。

特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。

所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。

3.产生的条件：固体壁面温度w t 必须低于蒸气的饱和温度s t ，即w s t t 。

实验查明，几乎所有的常用蒸气，包括水蒸气在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。

《传热学》第六章 单相流体对流换热

影响h的因素分析：
2. 层流换热
西得和塔特常壁温公式：
对于长管，h近似为常数：
3.过渡流换热——格尼林斯基关联式 4.粗糙管壁的换热 ——采用类比原理进行分析
根据类比率得出的准则方程：
其中：
摩擦系数Cf的计算：
ks——粗糙点的平均高度
粗糙度增加对h的影响
紊流 层流
凹处形成涡流， h增大
换热面积增大， h增大
自然对流引起 的雷暴天气
一、无限空间自然对流换热
边界层速度 变化规律：
边界层温度 变化规律： 局部对流表面传热系数hx沿竖壁变化规律—— 在层流段逐渐降低，紊流段后增大，达到旺盛紊流时保持不变
X方向动量方程：
稳态流动： 体积力仅为重力： 根据量纲分析：
X方向动量方程简化为：
将：
代入上式，得：
X方向动量方程变为：
凹处流动不良， h减小
h增大
h不变
不锈钢椭圆管
椭圆管与同周 长圆管相比较
优点：换热强 缺点：阻力大
椭圆管换热器
第二节 外掠圆管对流换热
一、外掠单管
脱体分离点—— 流体产生与原流动方向 相反的回流时的转折点
分离点与流 速的关系：
——不产生脱体 ——层流，脱体点80°~85 ° ——紊流，脱体点140 °左右
二、管内受迫对流换热计算 管内对流换热能量守恒关系式：
1. 紊流换热
迪图斯－贝尔特公式：
定性温度：全管长流体平均温度tf
定型尺寸：管内径
迪图斯－贝尔特公式适用范围：流体和壁面温度差不很大，
西得和塔特公式：
——适用于流体与管壁间温差较大情况
非圆形管修正：采用当量直径
弯管修正：圆管结果乘以修正系数 （R为螺旋管曲率半径）

传热学课件第六章--单相流体对流换热


第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析（基本概念）
1.进口段与充分发展段 2>.对于换热状态 将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有： t t t r r R w t t t t r w f w f
由于无因次温度不随x发生变化，仅是r的函数，故对无因次 温度求导后再令r=R，则上式显然应等于一常数。又据傅里叶 定律：q=-（t/r）r=R及牛顿冷却公式：q=h（tw-tf），上 t 式变为： t t r r R h Const w tw t f r tw t f


另外，不同断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律 与边界条件有关。
第一节 管内受迫对流换热
一、定性分析（基本概念）
2.定性参数 2>.管内流体平均温度 ①常热流通量边界条件： t tw// tw/
tf /
进口段 充分发展段
tf// x
如图，此时：tw>tf 经分析：充分发展段后： tf呈线性规律变化 tw也呈线性规律变化 此时，管内流体的平均温度为： t f t f tf 2
第三节
自 然 对 流 换 热
一、无限空间自由流动换热（大空间自然对流）
指热（冷）表面的四周没有其它阻得自由对流的物体存在。 一般准则方程式可整理成： Nu=f（Gr· Pr） 一般Gr· Pr>109时为紊流，否则为层流。 对于常壁温的自由流动换热，其准则方程式常可整理成： Num=C（Gr· Pr）mn C、n可参见表6=5，注意使用范围、定型尺寸、定性温度。 令：Ra=Gr· Pr Ra为瑞利准则数。 既适用常壁温也适用常热流边界的实验准则方程式，常见的 为邱吉尔（Churchill）和朱（Chu）总结的式6-19，20。
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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
第六章 凝结与沸腾换热 20
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. 蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。 如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， h 增大；反之使 h 减小。
第六章 凝结与沸腾换热 15
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。 4. 液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替 计算公式中的 r，
第六章 凝结与沸腾换热 10
横管与竖管的对流换热系数之比： 1 4 hHg l 0.77 hVg d 3 边界层内的流态
无波动层流
凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时Re，
Re 20
有波动层流
Re
d e ul

Re c 1600
湍流
式中： ul 为 x = l 处液膜层的平均流速； de 为该截面处液膜层的当量直径。
求解上面方程可得： (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
ts tw tm 2
1/ 4
定性温度： 注意：r
按 ts 确定
第六章 凝结与沸腾换热 8
(2) 局部对流换热系数
( t ts tw C )
gr hx 4l ( t s t w )x
第五章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。
第六章 凝结与沸腾换热
第六章 凝结与沸腾换热 2
凝结换热中的重要参数
•
• • •
蒸汽的饱和温度与壁面温度之差（ts - tw）
汽化潜热 r 特征尺度 其他标准的热物理性质，如动力粘度、导热系 数、比热容等
第六章 凝结与沸腾换热
3
1 凝结过程
tw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
4
湍流膜状凝结换热 液膜从层流转变为湍流的临界雷诺数可定为1600。横管因 直径较小，实际上均在层流范围。 对湍流液膜，除了靠近壁面的层流底层仍依靠导热来传递 热量外，层流底层之外以湍流传递为主，换热大为增强 对竖壁的湍流凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热 系数计算式为：
xc h hl ht l
t(y)
x
Thermal boundary layers
u(y)
Velocity boundary layers
u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
2 l 3 l
1/ 4
整个竖壁的平均表面传热系数
gr 1 l hV hx dx 0.943 0 l l l( t s t w ) ts tw 定性温度： t m 注意：r 按 ts 确定 2
2 l 3 l
1/ 4
(3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强 化，因此，实验值比上述得理论值高20％左右
修正后：
gr hV 1.13 l l( t s t w )
2 l 3 l
第六章 凝结与沸腾换热
1/ 4
9
对于倾斜壁，则用 gsin 代替以上各式中的 g 即可 另外，除了对波动的修正外，其他假设也有人做了相关的 研究，如当
r Ja 1 时，惯性力项和液膜过冷度 c p (t s t w ) 的影响均可忽略。Ja-雅各布
第六章 凝结与沸腾换热 25
为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海 耶夫公式，压力范围：105～4106 Pa
1/ 4
(Re3 / 4 253 ) 9200
3 2 Ga gl / Nu hl / ; 式中： 。除 Prw用壁温
tw
计算外，其余物理量的定性温度均为
t s。
Ga——伽里略数
第六章 凝结与沸腾换热
14
§6-3 影响膜状凝结的因素
工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种 因素的影响。 1. 不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下 降，减小了凝结的驱动力 t。
• 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。
第六章 凝结与沸腾换热 19
假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略； 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜 内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度 忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动
第六章 凝结与沸腾换热 5
tw ts
g
m ( x)
微元控制体
边界层微分方程组：
第六章 凝结与沸腾换热
17
7. 凝结表面的几何形状 强化凝结换热的原则是 尽量减薄粘滞在换热表 面上的液膜的厚度。 可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体 尽快从换热表面上 排泄掉。

第六章 凝结与沸腾换热
18
§6-4 沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
下脚标 l 表示液相
对应于p.141页(5-14)，(5-15)，(5-16)
第六章 凝结与沸腾换热 6
考虑（3）液膜的惯性力忽略 u u l (u v ) 0 x y 考虑（7）忽 略蒸汽密度
dp 0 dx
u v x y 0 u u dp 2u l (u x v y ) dx l g l 2 y t t 2t u x v y al 2 y
r r 0.68c p ( ts tw )
5. 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。
第六章 凝结与沸腾换热
16
6. 管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。 流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。
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
4 汽泡动力学简介
(1) 汽泡的成长过程
我们这本书仅介绍大容器的饱和沸腾
实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某 些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽 化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留 气体，是最好的汽化核心，如图所示。
xc 1 l
式中：hl 为层流段的传热系数； ht 为湍流段的传热系数； xc 为层流转变为湍流时转折点的高度 l 为竖壁的总高度
第六章 凝结与沸腾换热 13
利用上面思想，整理的实验关联式：
Nu Ga
1/ 3
Re 58 Pr
1 / 2 s
Prw Pr s
（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。
第六章 凝结与沸腾换热
24
§6-5 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 h(t w t s ) ht
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式
1 大容器饱和核态沸腾 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而 汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配， 所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧 较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另 一种是广泛适用于各种液体的。
数
Pr 1并且，
(4) 水平圆管
努塞尔的理论分析可推广到水平圆管及球表面上的层流 膜状凝结 1/ 4 1/ 4 2 3 2 3 gr l l gr l l hS 0.826 hH 0.729 d( t t ) s w l l d( ts tw ) 式中：下标“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 为水 平管或球的直径。 定性温度与前面的公式相同
第六章 凝结与沸腾换热
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如图
de 4 Ac / P 4b / b 4
4 ul
Re


4qml

由热平衡
所以
h( ts tw )l rqml
4hl( ts t w ) Re r
对水平管，用
r代替上式中的 l 即可。
第六章 凝结与沸腾换热 12
并且横管一般都处于层流状态
1
§6-1 凝结换热
凝结换热实例 • 锅炉中的水冷壁 • 寒冷冬天窗户上的冰花 • 许多其他的工业应用过程 凝结换热的显著特点： 凝结现象可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结 冷凝物相会增加了热量进一步传递的热阻 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式