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1、各种对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 第一节第一节 受迫对流换热受迫对流换热 一、流体沿平壁流动时的对流换热一、流体沿平壁流动时的对流换热 3 1 2 1 PrRe664. 0 mmm Nu )( 2 1 wfm ttt )( 2 1 wfm ttt 各种对流换热过程特征及其计算公 式 管内受迫对流换热实验关联式管内受迫对流换热实验关联式 管内受迫管内受迫对流流动和换热的特征对流流动和换热的特征 （1 1）流动有层流和湍流之分）流动有层流和湍流之分 层流：层流： 过渡区：过渡区： 旺盛湍流：旺盛湍流： ReRe10000 Re10000 二、

2、流体在管道内换热二、流体在管道内换热 入口段的热边界层较薄，局部换热系数比充分发展段的高，且沿入口段的热边界层较薄，局部换热系数比充分发展段的高，且沿 着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋 于稳定。工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设于稳定。工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设 备的换热。备的换热。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 （2 2）入口段的热边界层薄，局部换热系数高。）入口段的热边界层薄，局部换热系数高。 层流入口段长度层流入口段长度: : 湍流时湍流时: : /0.05

3、Re Prld /60ld 层流层流湍流湍流 各种对流换热过程特征及其计算公 式 （3 3）特征速度及定性温度的确定）特征速度及定性温度的确定 特征速度：计算特征速度：计算ReRe数时用到的流速，数时用到的流速，一般一般 多取截面平均流速。多取截面平均流速。 定性温度：计算物性的定性温度定性温度：计算物性的定性温度多多为截面为截面 上流体的平均温度上流体的平均温度（或进出口截面平均温（或进出口截面平均温 度）。度）。 )( 2 1 fff ttt 各种对流换热过程特征及其计算公 式 实际工程换热设备中，层流时的换热实际工程换热设备中，层流时的换热 常常处于入口段的范围。可采用下列常常处于入口段

4、的范围。可采用下列齐德齐德 泰特公式：泰特公式： 0.141/ 3 RePr 1.86 / fff f w Nu ld 1 1。管内层流换热关联式。管内层流换热关联式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 f t w w t 定性温度为流体平均温度定性温度为流体平均温度 （ 按按 壁温壁温 确定），确定），管内径为特征长度管内径为特征长度，管，管 子处于均匀壁温。子处于均匀壁温。

5、的管内紊流时的准则方程准则方程 实用上使用最广的是实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式：迪贝斯贝尔特公式： lRt 加热流体时加热流体时 冷却流体时冷却流体时 式中式中: : 定性温度采用流体平均温度定性温度采用流体平均温度 ，特征长度，特征长度 为管内径。为管内径。 0.8 0.023RePr n fff Nu 0.4n 0.3n f t 2. 管内过渡状态时的准则方程管内过渡状态时的准则方程 在在Ref=2300-10Ref=范围内，流动为过渡状态范围内，流动为过渡状态 查看查看P P198198表表16-116-1 各种对流换热过程特征及其计算公 式 实验验证范围：实验

6、验证范围： 此式适用与流体与壁面具有中等以下温此式适用与流体与壁面具有中等以下温 差场合差场合。 45 Re10 1.2 10, f Pr0.7 120, f /60l d 。 v一般在关联式中引进乘数一般在关联式中引进乘数 v在有换热条件下，截面上的温度并不均匀，在有换热条件下，截面上的温度并不均匀， 导致速度分布发生畸变。导致速度分布发生畸变。 来考虑不均匀物性场对换热的影响。来考虑不均匀物性场对换热的影响。 (/)Pr /Pr ) nn fwfw 或（ 各种对流换热过程特征及其计算公 式 三、流体横掠圆管时的换热三、流体横掠圆管时的换热 1.流体横掠单管时的换热流体横掠单管时的换热 各种

7、对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 外部流动：外部流动：换热壁面上的流动边界层与热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边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存 在的限制。在的限制。 横掠单管：横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方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，还向流过管子表面。流动具有边界层特征，还 会发生绕流脱体。会发生绕流脱体。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 1/ 3 RePr n NuC ()/ 2; w tt u。 虽然局部表面传热系数变化比较复虽然局部表面传热系数变化比较复 杂，但从平均表面

8、换热系数看，渐变规杂，但从平均表面换热系数看，渐变规 律性很明显。律性很明显。 可采用以下分段幂次关联式：可采用以下分段幂次关联式： 式中：定性温度为式中：定性温度为 特征长度为管外径；特征长度为管外径； 数的特征速度为来流速度数的特征速度为来流速度 Re 各种对流换热过程特征及其计算公 式 2、流体横掠圆管束时的换热、流体横掠圆管束时的换热 各种对流换热过程特征及其计算公 式 第二节第二节 自然对流换热自然对流换热 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附近的由温度差异

9、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。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壁面附近的流体不像受迫 对流换热那样朝同一方向流动。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之内。在贴壁处，流体温度等于壁

10、面壁面温度t tW W，在离开壁面，在离开壁面 的方向上逐步降低至周围环境温度。的方向上逐步降低至周围环境温度。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 在一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之在一般情况下，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，流体温度等于壁面温度内。在贴壁处，流体温度等于壁面温度t tw w，在离开壁面的方向上逐，在离开壁面的方向上逐 步降低，直至周围环境温步降低，直至周围环境温 度度t t ，如图 ，如图5 526a26a所示。薄层内的速度所示。薄层内的速度 分布则有两头小中间大的特点。分布则有两头小中间大的

11、特点。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 自然对流亦有层流和湍流之分。自然对流亦有层流和湍流之分。 以一块热竖壁的自然对流为例，其自下而上的以一块热竖壁的自然对流为例，其自下而上的 流动景象示出于下图流动景象示出于下图a a。 在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的 层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍 流。流。 不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流 时，换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热时，换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热 壁面下端开始，随着高度的增壁面下

12、端开始，随着高度的增 加，层流薄层加，层流薄层 的厚度也逐渐增加。局部表面传热系数也随的厚度也逐渐增加。局部表面传热系数也随 高度增加而减小。高度增加而减小。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 流体沿竖壁自然对流的流动性质和流体沿竖壁自然对流的流动性质和 局部表面传热系数的变化局部表面传热系数的变化 各种对流换热过程特征及其计算公 式 从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然对流换从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然对流换 热的准则方热的准则方 程式程式 。 原则上自然对流换热准则方程式可写为： 式中式中GrGr为格拉晓夫数为格拉晓夫数 Gr格拉晓夫数是浮升力格拉晓夫数是浮升力/

13、粘滞力比值的一种度量。粘滞力比值的一种度量。 Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。数的增大表明浮升力作用的相对增大。 自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为Gr数数 各种对流换热过程特征及其计算公 式 一、无限空间自然对流换热一、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。换热。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 根据自然对流换热原

14、则性准则方程，工程中广泛根据自然对流换热原则性准则方程，工程中广泛 使用的是下列形式的关联式：使用的是下列形式的关联式： 定性温度：定性温度： 特征长度：竖平板、竖圆柱为高度特征长度：竖平板、竖圆柱为高度H H，横圆柱为，横圆柱为 外径外径d d n GrCNuPr)( 2/ )( ttt wm 参数参数C、n的选取查看相关表格的选取查看相关表格 各种对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 二、有限空间自然对流换热二、有限空间自然对流换热 流体在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换热时为流体在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换热时为 有限空间自然对流换热。有限空间自然

15、对流换热。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流换热讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流换热 。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度 为特征长度的为特征长度的GrGr数数 般关联式具有般关联式具有 : : 对于竖空气夹层对于竖空气夹层: : 各种对流换热过程特征及其计算公 式 （H/的实验验证范围为的实验验证范围为1142） 对于水平空气夹层，推荐以下关联式：对于水平空气夹层，推荐以下关联式： 值得指出，对于竖直夹层，当值得指出，对于竖直夹层，当GrGr P

16、r2000 Pr2000、对水平夹层、对水平夹层GrGr PrPr 时，夹层中的热量传递过程为纯导热。时，夹层中的热量传递过程为纯导热。 除了自然对流以外，夹层除了自然对流以外，夹层 的热量传递还有辐射换热。通过夹的热量传递还有辐射换热。通过夹 层的换热量应是两者之和。层的换热量应是两者之和。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 第三节第三节 蒸汽凝结换热蒸汽凝结换热 凝结换热实例凝结换热实例 锅炉中的水冷壁锅炉中的水冷壁 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程 各种对流换热过程特征及其计算公 式 凝结换热的关键点凝结换热的关键点

17、 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠 状凝结状凝结 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于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层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的因素 会分析竖壁和横管的换热过程，及会分析竖壁和横管的换热过程，及NusseltNusselt膜膜 状凝结理论状凝结理论 各种对流换热过程特征及其计算公 式 1 1 、凝结换热现象、凝结换热现象 蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化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潜

18、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。有两种凝结形式。过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。 2 2 、凝结换热的分类、凝结换热的分类 根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种 各种对流换热过程特征及其计算公 式 (1) (1)膜状凝结膜状凝结 定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并定义：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，能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式， 称膜状凝结。称膜状凝结。 特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的特点：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相变热（潜热）须穿过液膜才能传

19、到冷 却壁面上，却壁面上， 此时液膜成为主要的换热此时液膜成为主要的换热 热阻热阻 g sw tt 各种对流换热过程特征及其计算公 式 (2)(2)珠状凝结珠状凝结 定义：凝结液体不能很好地湿润壁定义：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。小液珠的凝结形式，称珠状凝结。 特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即特点：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。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。热系数定大于膜

20、状凝结的传热系数。 g sw tt 各种对流换热过程特征及其计算公 式 一、膜状凝结分析解及关联式一、膜状凝结分析解及关联式 1 1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解 假定假定：1 1）常物性；）常物性；2 2）蒸气静止；）蒸气静止；3 3）液膜的惯性）液膜的惯性 力忽略；力忽略；4 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于）气液界面上无温差，即液膜温度等于 饱和温度；饱和温度；5 5）膜内温度线性分布，即热量转移只）膜内温度线性分布，即热量转移只 有导热；有导热；6 6）液膜的过冷度忽略；）液膜的过冷度忽略； 7 7）忽略蒸汽密）忽略蒸汽密 度；度；8 8）液膜表面平整无波

21、动）液膜表面平整无波动 各种对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 根据以上根据以上 9 9 个假设从边界层微分方程组推出努个假设从边界层微分方程组推出努 塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的 统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合 边界层的薄层性质。边界层的薄层性质。 以竖壁的膜状凝结为例：以竖壁的膜状凝结为例： x x 坐标为重力方向，如坐标为重力方向，如 图所示。图所示。 在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ： 各种对流换热过程特

23、 u 0 0 2 2 2 2 y t a y u g l ll 只有只有u u 和和 t t 两个未知量，于是，上面得方两个未知量，于是，上面得方 程组化简为：程组化简为： 考虑假定（考虑假定（5 5） 膜内温度线性分布，即热量膜内温度线性分布，即热量 转移只有导热转移只有导热 各种对流换热过程特征及其计算公 式 边界条件：边界条件： s w tt y u y ttuy ,0 d

tt t 注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定 各种对流换热过程特征及其计算公 式 (3) (3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结修正：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

25、上述得理论值高换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高 2020左右左右 1/ 4 23 ll V lsw gr h1.13 l(tt ) 修正后：修正后： 各种对流换热过程特征及其计算公 式 （4 4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时，）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时， 其平均表面传热系数为：其平均表面传热系数为： 1/ 4 23 ll H lsw gr

26、H 各种对流换热过程特征及其计算公 式 2 2 膜层中凝结液的流动状态膜层中凝结液的流动状态 20Re 1600Re c 无波动层流无波动层流 有波动层流有波动层流 湍流湍流 凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据 仍然时仍然时ReRe， el du Re 式中：式中： u ul l 为为 x = lx = l 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速； de de 为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 ec d4A / P4b/ b4 lml 4u4q Re swml h(tt )lrq sw

27、 4hl( tt) Re r rl 对水平管，用对水平管，用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。 并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态 如图如图 由热平衡由热平衡 所以所以 各种对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 3 3 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热 实验证明：实验证明： （ 1 1 ）膜层雷诺数）膜层雷诺数 Re=1600 Re=1600 时，液膜由层流转时，液膜由层流转 变为紊流变为紊流 ； （ 2 2 ）横管均在层流范围内，因为管径较小。）横管均在层流范围内，因为管径较小。 特征特征 : :对于紊流液膜，热量的传递：（对于紊流液膜，

28、热量的传递：（ 1 1 ）靠近壁）靠近壁 面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（ 2 2 ） 层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因 此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 计算方法：对于竖壁湍流膜状换热，沿整个计算方法：对于竖壁湍流膜状换热，沿整个 壁面上的平均表面传热系数壁面上的平均表面传热系数 cc lt xx hhh1 ll 式中：式中：h hl l为层流段的传热系数；为层流段的传热系数；h ht t为湍流段的传热系数；为湍流

29、段的传热系数； x xc c为层流转变为湍流时转折点的高度为层流转变为湍流时转折点的高度 l l为竖壁的总高度为竖壁的总高度 各种对流换热过程特征及其计算公 式 1 / 3 1 / 4 1 / 23 / 4 w s s Re NuGa Pr 58 Pr(Re253 )9200 Pr 利用上面思想，整理的利用上面思想，整理的实验关联式实验关联式： 式中：式中： 。除。除 用壁温用壁温 计算外，其余物理量的定性温度均为计算外，其余物理量的定性温度均为 N uhl /; 32 Gagl/ w Pr w t s t。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 二、影响膜状凝结的因素二、影响膜状凝结的因素 工

30、程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种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。因素的影响。 1. 1. 不凝结气体不凝结气体 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降，减小了凝结的驱动力 t 。 2. 2. 蒸蒸 气气 流流 速速 流流 速速 较较 高高 时，时， 蒸蒸 气气 流流 对对 液液 膜膜 表表 面面 产产 生生 模模 型型 的的 粘粘 滞滞 应应 力。力。 如如 果果 蒸蒸 气气 流流 动动 与与 液液 膜膜 向向 下下 的的 流流 动动 同同 向向 时，时， 使使

31、液液 膜膜 拉拉 薄，薄， 增增 大；大； 反反 之之 使使 减减 小。小。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 4. 4. 液膜过冷度及温度分布的非线性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 替计算公式中的替计算公式中的 ， 5. 5. 管子排数管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。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。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。 r psw rr0.68c ( tt) 3. 3. 过热蒸气过热蒸气 要考虑过

32、热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 6. 6. 管内冷凝管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。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。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。四周，中心为蒸气核。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 7. 7. 凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状 v强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞

33、在换热表面 上的液膜的厚度。上的液膜的厚度。 v可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉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薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄 掉。掉。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 第四节第四节 液体沸腾换热液体沸腾换热 沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡 的汽化过程称为沸腾。的汽化过程称为沸腾。 沸腾的特点沸腾的特点 1 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热；）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走

34、热量，使加热表）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表 面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸 腾换热强度远大于无相变的换热。腾换热强度远大于无相变的换热。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 沸腾换热分类：沸腾换热分类： 1 1 ）大容器沸腾（池内沸腾）大容器沸腾（池内沸腾） ； 2 2 ）强制对流沸腾（管内沸腾）强制对流沸腾（管内沸腾） 上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。 产生沸腾的条件：产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1 1）液体必须过热；）液体必须

35、过热； 2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 各种对流换热过程特征及其计算公 式 一、一、 大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 （1 1）大容器沸腾）大容器沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中 所发生的沸腾称为大容器沸腾。所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面 进入容器空间。进入容器空间。 （2 2）饱和沸腾）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度定义：液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。高于饱和温度所发生的沸腾称

36、为饱和沸腾。 特点特点 : : 随着壁面过热度的增高，出现随着壁面过热度的增高，出现 4 4 个换热个换热 规律全然不同的区域。规律全然不同的区域。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 （3 3）过冷沸腾）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁 面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷 沸腾。沸腾。 （4 4）大容器饱和沸腾曲线：）大容器饱和沸腾曲线： 表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4 4 个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过个换热规律不同的

37、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：渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示： 各种对流换热过程特征及其计算公 式 qmax qmin 各种对流换热过程特征及其计算公 式 如图如图 6-11 6-11 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐所示，横坐标为壁面过热度（对数坐 标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区 段段、将整个曲线分成四个特定的换将整个曲线分成四个特定的换 热过程，其特性如下：热过程，其特性如下： 1 1 ）单相自然对流段（液面汽化段）单相自然对流段（

38、液面汽化段） 壁面过热度小时（图中壁面过热度小时（图中 ）沸腾尚未开始，）沸腾尚未开始， 换热服从单相自然对流规律。换热服从单相自然对流规律。 4t 各种对流换热过程特征及其计算公 式 2 2 ）核态沸腾（饱和沸腾）核态沸腾（饱和沸腾） 随着随着 的上升，在加热面的一些特定点上开的上升，在加热面的一些特定点上开 始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称 为起始沸点。其特点是：为起始沸点。其特点是： t 开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰， 称为孤立汽泡区；称为孤立汽泡区； 随着随着 的上升，汽化核心增加，生成的

39、汽的上升，汽化核心增加，生成的汽 泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。称为相互影响区。 t 各种对流换热过程特征及其计算公 式 随着随着 的增大，的增大， q q 增大，当增大，当 增大到一定增大到一定 值时，值时， q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化，汽泡扰动剧烈，汽化 核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾 （泡状沸腾）。（泡状沸腾）。 t 其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密 度度 q q 达最大值达最大值 。工业

40、设计中应用该段。工业设计中应用该段。 t 各种对流换热过程特征及其计算公 式 3 3 ）过渡沸腾）过渡沸腾 从峰值点进一步提高从峰值点进一步提高 ，热流密度，热流密度 q q 减小；减小； 当当 增大到一定值时，热流密度减小到增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一，这一 阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定阶段称为过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定 过程。过程。 t min q 原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的 速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层 蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使蒸汽膜，而蒸汽排

41、除过程恶化，致使 q m q m 下降。下降。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 4 4 ）稳定膜态沸腾）稳定膜态沸腾 从从 开始，随着开始，随着 的上升，气泡生长速度的上升，气泡生长速度 与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定 的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升时，热流密度上升时，热流密度 q q 上升，此阶段称为稳定膜态上升，此阶段称为稳定膜态 沸腾。沸腾。 min qt t 各种对流换热过程特征及其计算公 式 其特点：其特点： （ 1 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对

42、流；）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 2 ）辐射热量随着）辐射热量随着 的加大而剧增，使热流密度大的加大而剧增，使热流密度大 大增加；大增加； （ 3 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必 须穿过热阻大须穿过热阻大 的汽膜；后者热量必须穿过热阻相的汽膜；后者热量必须穿过热阻相 对较小的液膜。对较小的液膜。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 几点说明：几点说明： （1 1）上述热流密度的峰值）上述热流密度的峰值q qmax max 有重大意义，称为 有重大意义，称为 临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾临界热流密度，亦称

43、烧毁点。一般用核态沸腾 转折点转折点DNBDNB作为监视接近作为监视接近q qmax max的警戒。这一点对 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热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重 要。要。 （2 2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热）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。阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 二、汽化核心的分析二、汽化核心的分析 (1) (1) 汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加 热

44、面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生热面的某些点，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，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。核心，如图所示。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 (2) (2) 汽泡的存在条件汽泡的存在条件 汽泡半径汽泡半径R R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活( (克拉贝龙克拉贝龙 方程方程) ) )( 2 min swv s ttr T RR 式中：式中： 表面张力，表面张力，

45、N/m；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度， C ts 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度， C 可见，可见， (t(tw w t ts s ) ) , R , Rmin min 同一加热面上，称为汽化同一加热面上，称为汽化 核心的凹穴数量增加核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强 各种对流换热过程特征及其计算公 式 三、沸腾换热计算三、沸腾换热计算式式 沸腾换热也是对流换热的一种，因此，沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛牛 顿冷却公式仍然适用顿冷却公式仍然适用，即，即 thtthq sw )(

46、但对于沸腾换热的但对于沸腾换热的h h却又许多不同的计算公式却又许多不同的计算公式 各种对流换热过程特征及其计算公 式 四、大容器饱和核态沸腾四、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。目前存在两种杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种 计算是：计算是： （ 1 1 ）针对一种液体的计算公式；）针对一种液体的计算公式； （ 2 2 ）

47、广泛适用于各种液体的计算式；）广泛适用于各种液体的计算式； 各种对流换热过程特征及其计算公 式 （1 1）适用于水的米海耶夫计算式）适用于水的米海耶夫计算式 Pa 65 10410 在在 压力下大容器饱和沸腾计算式：压力下大容器饱和沸腾计算式： 5 . 033. 2 1 ptCh )(122. 0 33. 35 . 0 1 KNmWC 按按 thq 15. 07 . 0 2 pqCh )(533. 0 15. 03 . 03 . 0 2 KNmWC 各种对流换热过程特征及其计算公 式 （2 2 ）适用于各种液体的计算式）适用于各种液体的计算式: : 既然沸腾换热也属于对流换热，那么，既然沸腾换

48、热也属于对流换热，那么，st = f st = f ( Re, Pr )( Re, Pr )也应该适用。罗森诺正是在这种思路也应该适用。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：下，通过大量实验得出了如下实验关联式： 33. 0 )(Pr vll wl s l pl gr q C r tc 各种对流换热过程特征及其计算公 式 上式可以改写为：上式可以改写为： 3 21 Pr )( s lwl pl vl l rC tC g rq 对于制冷介质而言，以下的对于制冷介质而言，以下的库珀（库珀（CooperCooper）公）公 式式目前得到广泛的应用：目前得到广泛的应用： m p

49、r m rr Rm KmWC ppMCqh lg2 . 012. 0 )/(90 )lg( 66. 033. 0 55. 05 . 067. 0 各种对流换热过程特征及其计算公 式 其中：其中： 为液体的相对分子质量；为液体的相对分子质量； 为对比压力（液体压力与该流体的临界压力为对比压力（液体压力与该流体的临界压力 之比）；之比）； 为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表 面，为面，为0.30.40.30.4）；）； 为热流密度。为热流密度。 r M r P p R q 各种对流换热过程特征及其计算公 式 五、大容器沸腾的临界热流密度五、大容器沸腾的临界

50、热流密度 对于大容器沸腾的临界热流密度的对于大容器沸腾的临界热流密度的 计算，推荐采用如下半经验公式：计算，推荐采用如下半经验公式： 41 21 max )( 24 vlv grq 各种对流换热过程特征及其计算公 式 六、大容器膜态沸腾的关联式六、大容器膜态沸腾的关联式 （1 1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾 41 3 )( )( 62. 0 swv vvlv ttd gr h 式中，除了式中，除了r r 和和 l l 的值由饱和温度 的值由饱和温度 t ts s 决定外，其 决定外，其 余物性均以平均温度余物性均以平均温度 t tm m ( t( tw wt ts s ) / 2 ) /

51、2 为定性温度，为定性温度， 特征长度为管子外径特征长度为管子外径d, d, 如果加热表面为球面，则上式中如果加热表面为球面，则上式中 的系数的系数0.620.62改为改为0.670.67 各种对流换热过程特征及其计算公 式 勃洛姆来建议采用如下勃洛姆来建议采用如下超越方程超越方程来计算：来计算： 343434 rc hhh sw sw r TT TT h )( 44 其中：其中： （2）考虑热辐射作用）考虑热辐射作用 由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有 必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，

52、一 是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从 而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 七、影响沸腾换热的因素七、影响沸腾换热的因素 沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的， 影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换 热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。 1 1 不凝结气体对膜状凝结换热的影响不凝结气体对膜状凝结换热的影响

53、 与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结 气体会使沸腾换热得到某种程度的强化气体会使沸腾换热得到某种程度的强化 各种对流换热过程特征及其计算公 式 2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流 换热时，换热时， ，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。 n fw tth)( 3 3 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表 面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一 定值时，表面传热系数会明显地随液定

54、值时，表面传热系数会明显地随液 位的降低位的降低 而升高而升高( (临界液位临界液位) )。 各种对流换热过程特征及其计算公 式 图中介质为一个图中介质为一个 大气压下的水大气压下的水 各种对流换热过程特征及其计算公 式 4 4 重力加速度重力加速度 随着航空航天技术的发展，超重力和微重力随着航空航天技术的发展，超重力和微重力 条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没 到成熟的地步，就现有的成果表明：到成熟的地步，就现有的成果表明： 从从0.1 9.8 m/s9.8 m/s2 2 的范围内，的范围内，g g对核态对核态 沸腾换热

55、规律没有影响，但对自然对流换热有影沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影 响，由于响，由于 因此，因此，g g Nu Nu 换热加强。换热加强。 2 3 tlg Gr n CNuPr)(Re 各种对流换热过程特征及其计算公 式 5 5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心， 因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。 近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表 面凹坑。目前有两种常用的手段：面凹坑。目前有两种常用的手段： 用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与 化化 学手段在换热表面上形成多孔结构。学手段在换热表面上形成多孔结构。 (1)(1)机械加工方法。机械加工方法。 各种对流换热过程特征及其计算公 式

【摘要】：对空气在金属泡沫管内的强制对流换热进行了二维数值模拟.动量方程采用Brinkman-Forchheimer扩展达西模型,能量方程采用考虑流体和固体局部不平衡的二方程模型,并用金属泡沫方形通道的试验数据验证了程序的正确性.模拟结果表明:金属泡沫管的努塞尔数随孔隙率的减小或孔密度的增加而增大,且随流体和固体导热系数比值的减小而增大;金属泡沫管的强化换热效果十分明显,但其压降远大于光管.数值模拟结果与相关文献的结果符合较好.