清华大学热能工程教学课件-第7章 对流受热面传热计算(1)

Δt1 − Δt 2 Δt = Δt1 ln Δt 2
对流室传热面积Act确定
Qc = K 0 Act Δt
Act = Qc / K 0 Δt
Qc为对流室热负荷，Δt为对数平均温差，K0为总传热系数，
计算思路和换热器传热面积的计算思路一 样。
对流室传热面积Act确定
对流室的热负荷：
QC = Q − QR
LC d ′ ——钉头数。 p
dC l
三 对流室的主要尺寸
对流管横向排列的圆筒炉：
1 对流室的长度 对流室外形长度：LK = D′- ( 0.4～0.6 ) 2 对流管的有效长度 LC = LK – 2( 0.2 + h1 + h2 )
三 对流室的主要尺寸
3.对流室的宽度
SC
l
dC
b
* 采用光管，排列方式为三角形，且每排炉管根数相同时，对流室 净宽度为： b = ( nW – 1 ) SC + 0.5SC + SC = ( nW + 0.5 ) SC * 对流管采用钉头管或翅片管，三角形排列时，对流室净宽度为： b = ( nW – 1 ) SC + 0.5SC + dC + 2 [ l + ( 0.03～0.05 )]
1 光管的对流传热系数αoc
α oc
λg ⎛ d cGg ⎜ =α dc ⎜ μg ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
0.6
⎛ C pg μ g ⎜ ⎜ λ g ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
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α ——与管束的排列形式有关的系数 正三角排列： α = 0.33 正方形排列： α = 0.26 Monrad关联式：
23 Gmax ⋅ Tg

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热工基础课程在人才培养中的地位与作用
热工基础是现代工程技术人才必备的技 术基础知识，是21世纪工科各类专业人才工 程素质的重要组成部分。除了能源、动力类 专业学生必须进一步深入学习工程热力学与 传热学之外，热工基础课程应该是机械类、 交通运输类、航空航天类、武器类、土建类、 材料类、化工与制药类、轻工纺织食品类、 环境与安全类等各类专业大学本科生必修的 一门技术基础课。
500
400
300
200
100
0 1960
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1970
1980
1991
1997
中国 世界先进
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3）环境污染严重
工业的发展带来了严重的环境污染，据调查，
我国57%的城市空气中总悬浮颗粒超标； 48个大中城市空气中的SO2浓度超标； 82%城市出现过酸雨；
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二，占 世界总排放量的13.6%。
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据统计，目前通过热能形式利用的能源在我 国占总能源利用的90％以上，世界其它各国平均 也超过85％。由此可见，在能量转换与利用过程 中，热能不仅是最常见的形式，而且具有特殊重 要的作用。热能的有效利用对于解决我国的能源 问题乃至对人类社会的发展有着重大意义。
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热能利用的基本方式
我国大陆地区年总发电量 2.5 亿千瓦， 人均 0.2 千瓦/（人·年）；台湾地区人均 1.0千瓦/ （人·年）；
欧、美、日本等发达国家 6 千瓦/人·年） 。
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2）能源开发利用设备和技术落后，能源利 用效率低，浪费严重
我国能源的终端利用效率为32 ％ ～33％；

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凝结传热的模式
7.1.1 珠状凝结与膜状凝结
一、凝结换热过程 当蒸汽与 低于其相应压力下的饱和温度的壁面接触时，将
发生凝结过程。凝结时蒸汽释放出汽化潜热并传递给固体壁。 二、分类
根据凝结液在表面上的润湿情况，凝结换热可以分为 膜状 凝结和珠状凝结 。
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凝结传热的模式
1、膜状凝结（ film condensation ） 凝结液体能很好地润湿壁面，它在 壁面上铺展成膜。
? 立式冷凝器在凝液下流的过程中分 段排泄，有效控制了液膜厚度； ? 卧式冷凝器泄流板可以使布置在 该板上部水平管束上的冷凝液不会聚 集到其下其他管束上。
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目录
? 7.1 凝结传热的模式 ? 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化 ? 7.4 沸腾传热的模式 ? 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化
2、珠状凝结（ dropwise condensation ） 凝结液体不能很好地润湿壁面，它 在壁面上形成一个个小的液珠。
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凝结传热的模式
上图显示了在不同的润湿能力下，气液分界面对壁面形成边 角（接触角） θ 的形状。接触角小则液体润湿能力强，液体会铺 展在壁面上。
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凝结传热的模式
7.1.2 凝结换热主要热阻
汽泡是在加热面上所谓的 汽化 核心 处生成的，而形成汽化核 心的最佳位置是加热面上的凹 缝、孔隙处，这里残留着微量 气体，最容易生成汽泡核（即 微小汽泡）。
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沸腾传热模式
气泡的力平衡：
? R2 ?PV ? Pl ?? 2? R?
式中： σ——气液界面的表面张力； Pl——气泡外压力，近似 等于沸腾系统的环境压力 Pl≈Ps;界面内外温度相等，即 tl=tv;即 气泡外的液体是过热的，贴壁处具有最大过热度 tw-ts

自然对流 h 5 25W /(m2 K ) 强迫对流
h 10 100W /(m2 K )
2. 流动的状态 —— 层流流动与湍流流动
层流（Laminar flow） 流速缓慢 沿轴线或平行于壁面作规则分层运动 热量传递：主要靠导热（垂直于流动方向）
u∞ tf u∞ u 0 导热 q x
u∞
主流区 u∞ tf u∞ u 过渡区 q
对流
u 层流底层 x
δ 0 层流边界层
导热
湍流边界层
Example
Air-- the flow of low-viscosity fluid at high velocities is typically turbulent.
3. 流体有无相变
有相变的换热 —— 沸腾换热与凝结换热
A A
平均表面传热系数：
Q 1 h hx dA (t w t f ) A A A
u∞ tf
tw-tf=Const
qx tw 0 x
twx hx
A
对流换热的核心问题
x
1-2 对流换热的影响因素
1. 流动的起因 —— 强迫对流与自然对流
强迫对流换热（Forced Flow ） 流体在风机，水泵或其他外部动力作用下产生的流动。 自然对流换热（Natural Flow） 流体在不均匀的体积力作用下产生的流动。 对空气h：
• 外部绕流（外掠平板，圆管）： tf 为流体的主流温度。
• 内部流动（各种形状槽道内的流动）： tf 为流体的平均温度。 tf
d
外部绕流
管内流动
4. 局部表面传热系数与平均表面传热系数
局部对流换热时，局部热流密度：
qx hx (tw t f ) x