各种对流换热过程的特征及其计算公式

第十六章各种对流换热过程的特征及其计算公式 本章要点 1 着重掌握受迫 自然对流换热的基本原理和基本计算2 着重掌握凝结 沸腾换热的基本概念及影响因素本章难点 受迫 自然对流换热的分析计算凝结 沸腾换热的分析解 本章主要内容 第一节受迫对流换热第二节自然对流换热第三节蒸汽凝结换热第四节液体沸腾换热 第一节受迫对流换热 一 流体沿平壁流动时的对流换热 1 当Rem 5 105 层流 Prm 0 5 50时 空气 水和油等 2 当Rem 5 105 107 紊流 Prm 0 5 50时 空气 水和油等Num 0 037Rem0 8 850 Pr1 3 管内受迫对流换热实验关联式 管内受迫对流流动和换热的特征 1 流动有层流和湍流之分层流 过渡区 旺盛湍流 2 入口段的热边界层薄 局部换热系数高 层流入口段长度 湍流时 3 特征速度及定性温度的确定特征速度 计算Re数时用到的流速 一般多取截面平均流速 定性温度 计算物性的定性温度多为截面上流体的平均温度 或进出口截面平均温度 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 可采用下列齐德 泰特公式 1 管内层流换热关联式 定性温度为流体平均温度 按壁温确定 管内径为特征长度 管子处于均匀壁温 实验验证范围为 3 管内紊流时的准则方程实用上使用最广的是迪贝斯 贝尔特公式 l R t加热流体时冷却流体时式中 定性温度采用流体平均温度 特征长度为管内径 2 管内过渡状态时的准则方程在Ref 2300 104范围内 流动为过渡状态查看P198表16 1 实验验证范围 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合 一般在关联式中引进乘数在有换热条件下 截面上的温度并不均匀 导致速度分布发生畸变 来考虑不均匀物性场对换热的影响 三 流体横掠圆管时的换热 1 流体横掠单管时的换热 外部流动 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在的限制 横掠单管 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 还会发生绕流脱体 虽然局部表面传热系数变化比较复杂 但从平均表面换热系数看 渐变规律性很明显 可采用以下分段幂次关联式 式中 定性温度为 特征长度为管外径 数的特征速度为来流速度 2 流体横掠圆管束时的换热 第二节自然对流换热 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 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 壁面附近的流体不像受迫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之内 在贴壁处 流体温度等于壁面壁面温度tW 在离开壁面的方向上逐步降低至周围环境温度 定义 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流 工程应用 暖汽管道的散热不用风扇强制冷却的电器元件的散热事故条件下核反应堆的散热产生原因 不均匀温度场造成了不均匀密度场 浮升力成为运动的动力 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tw 在离开壁面的方向上逐步降低 直至周围环境温度t 如图5 26a所示 薄层内的速度分布则有两头小中间大的特点 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 其自下而上的流动景象示出于下图a 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 从换热壁面下端开始 随着高度的增加 层流薄层的厚度也逐渐增加 局部表面传热系数也随高度增加而减小 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 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程式 原则上自然对流换热准则方程式可写为 式中Gr为格拉晓夫数 Gr格拉晓夫数是浮升力 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 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 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 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 定性温度 特征长度 竖平板 竖圆柱为高度H 横圆柱为外径d 参数C n的选取查看相关表格 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有限空间自然对流换热 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 夹层内流体的流动 主要取决于以夹层厚度 为特征长度的Gr数 般关联式具有 对于竖空气夹层 H 的实验验证范围为11 42 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Gr Pr 2000 对水平夹层Gr Pr 1700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 第三节蒸汽凝结换热 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 凝结换热的关键点凝结可能以不同的形式发生 膜状凝结和珠状凝结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Nusselt膜状凝结理论 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 有两种凝结形式 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 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 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 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 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 一 膜状凝结分析解及关联式 1 纯净蒸汽层流膜状凝结分析解 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 根据以上9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 以竖壁的膜状凝结为例 x坐标为重力方向 如图所示 在稳态情况下 凝结液膜流动的微分方程组为 下脚标l表示液相 考虑假定 3 液膜的惯性力忽略 考虑假定 7 忽略蒸汽密度 只有u和t两个未知量 于是 上面得方程组化简为 考虑假定 5 膜内温度线性分布 即热量转移只有导热 边界条件 求解上面方程可得 1 液膜厚度 定性温度 注意 r按ts确定 2 局部表面传热系数 整个竖壁的平均表面传热系数 定性温度 注意 r按ts确定 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 4 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 水平管 球 横管与竖管的对流换热系数之比 2膜层中凝结液的流动状态 凝结液体流动也分层流和湍流 并且其判断依据仍然时Re 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 对水平管 用代替上式中的即可 并且横管一般都处于层流状态 如图 由热平衡 所以 3湍流膜状凝结换热 实验证明 1 膜层雷诺数Re 1600时 液膜由层流转变为紊流 2 横管均在层流范围内 因为管径较小 特征 对于紊流液膜 热量的传递 1 靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量 2 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 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 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 利用上面思想 整理的实验关联式 式中 除用壁温计算外 其余物理量的定性温度均为 二 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 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 增大 反之使减小 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 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 3 过热蒸气要考虑过热蒸气与饱和液的焓差 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 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 第四节液体沸腾换热 沸腾的定义 沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾 沸腾的特点1 液体汽化吸收大量的汽化潜热 2 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 所以沸腾换热强度远大于无相变的换热 沸腾换热分类 1 大容器沸腾 池内沸腾 2 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 产生沸腾的条件 理论分析与实验证明 产生沸腾的条件 1 液体必须过热 2 要有汽化核心 一 大容器饱和沸腾曲线 1 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 穿过液体自由面进入容器空间 2 饱和沸腾定义 液体主体温度达到饱和温度 壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾 特点 随着壁面过热度的增高 出现4个换热规律全然不同的区域 3 过冷沸腾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 称过冷沸腾 4 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4个换热规律不同的阶段 自然对流 核态沸腾 过渡沸腾和稳定膜态沸腾 如图所示 如图6 11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 从曲线变化规律可知 随壁面过热度的增大 区段 将整个曲线分成四个特定的换热过程 其特性如下 1 单相自然对流段 液面汽化段 壁面过热度小时 图中 沸腾尚未开始 换热服从单相自然对流规律 2 核态沸腾 饱和沸腾 随着的上升 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 该特定点称为起始沸点 其特点是 开始阶段 汽化核心产生的汽泡互不干扰 称为孤立汽泡区 随着的上升 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 称为相互影响区 随着的增大 q增大 当增大到一定值时 q增加到最大值 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 泡状沸腾 其特点 温压小 换热强度大 其终点的热流密度q达最大值 工业设计中应用该段 3 过渡沸腾 从峰值点进一步提高 热流密度q减小 当增大到一定值时 热流密度减小到 这一阶段称为过渡沸腾 该区段的特点是属于不稳定过程 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 形成一层蒸汽膜 而蒸汽排除过程恶化 致使qm下降 4 稳定膜态沸腾 从开始 随着的上升 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q上升 此阶段称为稳定膜态沸腾 其特点 1 汽膜中的热量传递不仅有导热 而且有对流 2 辐射热量随着的加大而剧增 使热流密度大大增加 3 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的汽膜 后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜 几点说明 1 上述热流密度的峰值qmax有重大意义 称为临界热流密度 亦称烧毁点 一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax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要 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 二 汽化核心的分析 1 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 2 汽泡的存在条件汽泡半径R必须满足下列条件才能存活 克拉贝龙方程 式中 表面张力 N m r 汽化潜热 J kg v 蒸汽密度 kg m3 tw 壁面温度 Cts 对应压力下的饱和温度 C可见 tw ts Rmin 同一加热面上 称为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强 三 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 但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式 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 1 针对一种液体的计算公式 2 广泛适用于各种液体的计算式 1 适用于水的米海耶夫计算式 在压力下大容器饱和沸腾计算式 按 2 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 st f Re Pr 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 上式可以改写为 对于制冷介质而言 以下的库珀 Cooper 公式目前得到广泛的应用 其中 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之比 为表面平均粗糙度 对一般工业用管材表面 为0 3 0 4 为热流密度 五 大容器沸腾的临界热流密度 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 六 大容器膜态沸腾的关联式 1 横管的膜态沸腾 式中 除了r和 l的值由饱和温度ts决定外 其余物性均以平均温度tm tw ts 2为定性温度 特征长度为管子外径d 如果加热表面为球面 则上式中的系数0 62改为0 67 勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算 其中 2 考虑热辐射作用 由于膜态换热时 壁面温度一般较高 因此 有必要考虑热辐射换热的影响 它的影响有两部分 一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 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 影响因素也最多 由于我们只学习了大