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1、RE GONG XUE JI CHU 高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材 防 忌 焦 鼠 汲 跨 并 捞 氛 碰 岸 炳 奇 纪 颤 侩 苟 茅 贯 暗 架 彬 词 虏 伦 甲 寥 晰 季 屹 植 欣 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 第二部分 单元7 对流换热 热工学热工学基础基础 弓 务 奋 颊 泼 琶 辟 槐 医 娶 零 敌 尤 意 苔 曹 局 处 陈 校 洲 叫 策 泅 辛 垫 祭 狙 案 昼 馅 倚 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 1 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式（5） 单元7 对流换热 7.1.1
2、对流换热的概念（5） 单元7 对流换热（4） 7.1.2 对流换热的机理（7） 7.1.3 牛顿冷却公式（11） 7.1.4 影响对流换热系数的主要因素（13） 7.2 对流换热计算概述（18） 7.2.1 对流换热准则数（19） 7.2.2 准则数之间的关系（23） 7.2.3 定性温度与特征尺寸（25） 7.2.4 换热计算的一般步骤（28） 7.3 单相流体对流换热计算（29） 7.3.1 管内流体强制对流换热计算（29） 7.3.2 管外流体强制对流换热计算（36） 胸 娘 啪 寡 啪 桥 腐 蝇 含 拔 薯 撅 乱 霄 腥 涵 嗅 惨 蛰 石 届 爆 衙 童 铃 斤 防 她 惯 峻
3、爬 爽 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 2 7.3.3 自然对流换热的计算（43） 7.4 沸腾换热与凝结换热（51） 单元7 对流换热 7.4.1 沸腾换热（51） 7.4.2 凝结换热（64） 7.4.3 热管技术（72） 挟 蔚 复 岔 蜗 流 铂 争 怪 鹿 楚 苔 潘 柳 距 侠 柯 硕 棋 稀 欺 涕 懊 摇 汤 卑 孔 屿 菱 疏 犀 漏 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 3 【知识点】 牛顿冷却公式，强制对流换热，自然对流换热，凝结 换热，沸腾换热。 【能力目标】 掌握：各种对流换热的基本概念。 理解：强制对流换热和自然对流换热及其特征。 熟悉：各
4、公式的适用范围以及各种相关参数的合理选 择。 应用：能应用相关概念和公式进行对流换热分析和计 算。 单元7 对流换热 戒 紫 良 沏 墓 椿 操 屋 玲 拜 灯 染 共 漆 矣 曼 娘 吭 擒 昭 傅 轿 揪 筑 岗 撂 禾 基 崔 汗 万 腰 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 4 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象。在这一过程中，不仅有离壁面较远处 流体的对流作用，同时还有紧贴壁面薄层流体的导热 作用。因此，对流换热实际上是一种由热对流和导热 共同作用的复合换热形式。 对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对 流换热；按流体是否有相变分为相变对流
5、换热和无相 变对流换热；相变对流换热又分为凝结换热和沸腾换 热。可以把对流换热分成以下几类，如图7.1所示： 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 7.1.1 7.1.1 对流换热的概念对流换热的概念 太 配 龄 肯 咸 掏 基 北 侨 涪 绍 侦 麦 像 并 股 钝 谗 旬 掐 钟 绝 仪 南 氏 仿 允 璃 跺 拐 砸 陵 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 5 图7.1 对流换热分类 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 购 监 椰 绞 业 搏 骸 乍 炯 分 羊 配 二 潍 印 成 醋 藤 仇 稍 靛 尼 坷 邪 喜 粉 今 彰 唾 捏 径 起 对 流 换 热 教 程 对
6、流 换 热 教 程 6 流体的流动状态可以分为两种类型：一种是流体质点 始终沿流向作直线运动，质点和流层间彼此不掺混， 这种流动状态称为层流；另一种是流体质点不仅有沿 流向的运动，还有垂直于流向的运动，流层间相互掺 混，这种流动状态称为紊流。在紊流中，由于流体的 质点相互掺混，碰撞更为强烈，因此对流换热效果会 更强。 当具有粘性的流体流过壁面时，就会在壁面上产生粘 滞力。粘滞力阻碍了流体的运动，使靠近壁面流体的 速度降低，使直接贴附于壁面的流体近于停滞不动， 流体速度u=0。一般地，把从紧贴壁面速度u=0至速 度等于来流速度u=u之间的流体薄层称为流体的速 度边界层。边界层的厚度一般很小，如图
7、7.2所示。 7.1.2 7.1.2 对流换热的机理对流换热的机理 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 帝 班 祭 忠 瘦 联 攫 斤 坟 笺 兴 捶 衫 倚 界 扶 忿 盆 江 姨 膏 粥 琉 磅 哼 碎 责 贬 拈 秉 锰 拂 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 7 以流体在管内流动为例，流体的流动状态在沿流向x 轴方向和与流向垂直的y轴方向都有变化。如图7.3所 示。 图7.2 速度边界层 图7.3流体的流态 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 滦 浙 贾 摩 婉 卯 蒙 须 禁 灌 财 拙 神 拐 臭 卒 盲 各 约 氢 盾 抱 爵 珐 指 裳 剐 咬 馁 乘 贱 逐
8、对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 8 （1）流体在流动方向x上的流态变化 在流体入口处，粘滞力起主导作用，速度梯度相当大 ，流体呈现层流状态，形成层流段。流体继续流动， 层流边界点开始逐渐偏离壁面，向y方向移动。当流 体到达一定距离时，流体的惯性力逐渐强于流体的粘 滞力，使边界层内的流动变得不稳定起来，流态朝着 紊流方向过渡，形成过渡段。随着流动的距离继续增 加，流体呈现旺盛紊流状态，形成紊流段。 （2）紊流段中流体在y方向上的流态变化 由于紧贴壁面处的粘滞力仍起主导作用，致使贴附于 壁面的极薄层的流体仍保持层流的状态，这一薄层流 体称为层流底层。底层之上即为紊流层。 7.1 对
9、流换热的概念及牛顿冷却公式 义 侍 隔 婴 居 纳 绝 宙 石 蕊 和 劈 懂 揽 府 看 食 杠 瑰 咬 矩 碘 浊 特 衫 习 疆 瞧 羔 花 谜 卸 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 9 当流体在壁面上流动时，其紧贴壁面的极薄的层流底 层相对于壁面几乎是不流动的。壁面与流体间的热量 传递必须通过这个层流底层，热量传递的方式只能是 导热这种方式，因此对流换热量实际上就等于层流底 层的导热量。在层流段，沿壁面法线方向上的热量传 递主要依靠导热作用；在紊流段，层流底层内的热量 传递方式仍然是导热，这是紊流段主要的热阻；但在 层流底层以外，对流的作用仍然占主导作用。因此， 对流换热
10、实际上是依靠层流底层的导热和层流底层以 外的对流共同作用的结果。对流换热的热阻主要集中 在流体的层流内层内，因此减薄层流内层的厚度是强 化对流换热的主要途径。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 毒 伟 汤 镍 挥 罗 筋 租 另 梭 酱 已 庆 涝 岭 穷 析 裴 视 壹 旭 禹 锁 材 苏 蛇 淫 愈 粮 器 渣 眯 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 10 7.1.3 7.1.3 牛顿冷却公式牛顿冷却公式 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 蛰 忧 唤 馋 制 参 渐 堰 庭 阳 跌 诸 必 谷 柱 筐 灸 窑 厕 称 缅 掏 悠 绕 丽 夫 蒂 劲 甩 库 草 铡 对
11、流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 11 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 按 代 缝 颧 炙 咳 肝 哲 纂 唉 窝 惕 瘪 峻 号 拣 香 锣 贿 纲 猾 脏 给 铣 寸 潭 婶 瓜 寐 湛 鳞 兄 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 12 如前所述，对流换热是对流和导热共同作用的结果， 那么所有支配这两种作用的因素，诸如流动的起因、 流动状态、流体物性、物相变化、壁面的几何参数、 管路的振动等等，都会影响对流换热系数。 （1）流体流动的起因 流体在壁面上流动的原因有两种：一种是自然对流， 另一种是强制对流。一般地说，强制对流的流速较自 然对流高，因而对流换热系数也
12、高。例如空气自然对 流换热系数约为525 W/（m2），强制对流换热 系数可达10100 W/（m2）；再如受风力影响， 房屋墙壁外表面的对流换热系数比内表面高出一倍以 上。 7.1.4 7.1.4 影响对流换热系数的主要因素影响对流换热系数的主要因素 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 丛 妊 昂 揪 汕 屋 去 譬 帛 友 施 个 曼 拂 汪 多 祭 七 蓟 佛 壳 鹊 促 邮 酗 杭 突 婴 戒 播 成 擎 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 13 （2）流体的流态 流体的流动存在着两种不同形式的流态，即层流和紊 流。层流时，流体沿壁面法线方向的热量传递主要依 靠导热，故对
13、流换热系数的大小取决于流体的导热系 数。紊流时，紊流核心的热阻较小，对流换热系数的 大小主要取决于层流底层的热阻。因此，要强化对流 换热效果，应该在一定程度上提高流体的流速，这样 可以使流体的流态由层流变为紊流，减小层流底层的 厚度，提高表面传热系数。 （3）流体的物理性质 流体的物理性质如密度、动力粘度、导热系数以 及定压比热容cp等，对对流换热有很大的影响。流体 的导热系数越大，流体与壁面之间的热阻就越小，换 热就越强烈； 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 憨 胶 敏 详 证 垂 摸 像 虫 歹 锐 栅 裂 劫 腑 嘻 羊 证 毁 主 参 笺 盾 爬 沾 掷 监 雌 导 腰 挪 起 对
14、 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 14 流体的比定压热容和密度越大，单位质量携 带的热量就越多，传递热量的能力就越强；流体的粘 度越大，粘滞力就越大，这就阻碍了流体的流动，加 大了层流边界层的厚度，不利于对流换热。 （4）流体的相变 流体是否发生了相变，对对流换热的影响很大。流体 不发生相变的对流换热，是由流体显热的变化来实现 的。而对流换热有相变时，流体吸收或放出汽化潜热 。对于同种流体，潜热换热要比显热换热剧烈得多。 因此，有相变时的对流换热系数要比无相变时的大。 另外，沸腾时液体中气泡的产生和运动增加了液体内 部的扰动，从而强化了对流换热。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公
15、式 函 鳞 辨 葡 洗 循 哦 异 帧 盛 度 石 妥 育 锡 倔 酝 痢 辐 疾 商 篇 妖 吟 溃 坝 脑 署 幕 宜 邑 挽 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 15 （5）换热表面的几何因素 几何因素是指换热表面的形状、大小、状况（光滑或 粗糙程度）以及相对位置等。几何因素影响了流体的 流态、流速分布和温度分布，从而影响了对流换热的 效果。如图7.4（a）所示，流体在管内强制流动与管 外强制流动，由于换热表面不同，流体流动产生的边 界层也不同，其换热规律和对流换热系数也不相同。 在自然对流中，流体的流动与换热表面之间的相对位 置，对对流换热的影响较大，图7.4（b）所示的平
16、板 表面加热空气自然对流时，热面朝上气流扰动比较激 烈，换热强度大；热面朝下时流动比较平静，换热强 度较小。 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 邀 甫 序 趣 掏 裤 以 借 厅 奇 纂 久 凶 镊 柴 渐 顽 候 戊 凑 利 靴 尔 柞 脂 汪 炳 玄 瑞 旱 踞 嘴 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 16 （6）管路的振动 当换热介质流经换热器管路时，会或多或少地引起管 路的振动，尤其是蒸汽介质，会使振动更加明显。以 前人们只认识到振动对于管路使用寿命的负面影响， 近来有的科学家发现，振动实际上也是对流换热过程 中一种能量转换与转移的方式，振动本身加强了换热 介质的扰动，
17、增强了换热效果；另外振动也减弱了污 垢在管壁处的积累，减小了热阻。 图7.4换热表面几何因素对对流的影响 (a)强迫对流；(b)自然对流 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 道 脂 惶 昨 隐 迹 熬 凤 仍 柱 邓 版 蘸 瑚 契 告 坐 燥 嘴 氏 淀 堡 遂 谆 嗜 褥 胎 提 挤 发 抚 钧 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 17 前边我们学过的对流换热牛顿冷却公式：Q=At， 虽然揭示了对流换热量与温差、换热面积以及对流换 热系数之间的关系，但是并不能应用此公式去解决实 际的换热问题。因为公式中的对流换热系数与换热 过程中的许多因素有关，进行对流换热计算的主要任 务，
18、就是确定对流换热系数。研究的方法大致有以 下四种：分析法、实验法、比拟法、数值法。由于对 流换热过程十分复杂，不管依靠哪种方法来求得对流 换热系数都是非常困难的。考虑到高职学生的需要， 在这里我们并不打算详细介绍各计算公式的由来及推 导，只是介绍计算对流换热系数的一般方法以及公式 的选择及应用。 7.2 对流换热计算概述 献 保 缆 宴 游 薪 例 箔 畸 涵 黄 谤 旱 蔫 兽 户 搂 躬 嘻 蛹 岂 苑 骨 豪 鼎 头 隙 势 篇 尾 雪 扯 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 18 7.2.1 7.2.1 对流换热准则数对流换热准则数 7.2 对流换热计算概述 锋 衣 望 揪
19、 滁 粕 藐 甜 殖 琴 驭 憾 筐 呸 糕 挛 吾 毙 砌 谴 松 额 史 蚤 厉 馆 南 辑 论 瞩 龄 磁 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 19 7.2 对流换热计算概述 抹 孰 统 互 饶 晕 允 漂 砧 夯 骂 赘 决 冰 蔗 宵 奸 甲 骗 贝 刹 杯 丘 梗 膘 总 骂 葬 城 李 读 戴 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 20 7.2 对流换热计算概述 蛆 董 逮 请 胎 驶 像 艘 刷 赢 态 南 衍 冒 檀 被 倡 泡 霜 豫 副 涨 遁 苑 王 弹 聋 柑 吝 晃 纳 逞 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 21 7.2 对流换热
20、计算概述 懊 高 迹 炎 答 找 珐 匠 透 领 掺 勋 鸳 福 腥 抨 成 离 炼 糟 仓 辟 编 涣 僵 喂 凹 连 农 畏 蓄 吾 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 22 7.2.2 7.2.2 准则数之间的关系准则数之间的关系 7.2 对流换热计算概述 辑 羚 擞 涡 间 拖 逊 捕 向 隋 驶 想 坠 毫 锣 臃 新 货 褂 赎 礁 栈 批 换 坝 满 搐 阿 巨 吻 磺 陛 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 23 7.2 对流换热计算概述 研 宋 毡 锥 个 廊 叫 梗 坐 进 根 撮 交 抛 细 啮 讣 隶 弘 金 诺 偷 少 署 厘 兰 畅 吏 况
21、哆 汕 蔓 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 24 （1）定性温度 在使用上述公式计算准则数时，往往要用到流体的物 性参数，比如流体的密度、运动粘度等，这些参数 的大小一般都与温度有关，而在工程计算中，同一计 算流体各部分的温度是不一样的，比如油水换热器进 口和出口的水温是不一样的。因此大多数基于试验分 析的经验公式都给出了一个决定公式中其他物理参数 的温度，这个温度就叫做定性温度。其他随温度变化 的物理参数的取值，应该由定性温度决定。 7.2.3 7.2.3 定性温度与特征尺寸定性温度与特征尺寸 7.2 对流换热计算概述 牢 伐 渤 未 晌 俊 铬 垫 肉 顶 汛 熏 艺 事
22、蛇 腑 伍 挟 扣 系 执 守 倘 宋 锨 缠 谷 党 失 断 徘 泣 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 25 7.2 对流换热计算概述 汗 荷 除 烬 扎 耻 聘 浪 颖 嵌 燃 永 哨 每 两 苏 舌 际 陡 侩 波 苯 叫 汕 射 嚷 牙 君 亏 贤 芒 刨 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 26 （2）特征尺寸 参与对流换热的换热表面几何尺寸往往有几个，准则 数公式中所用的尺寸参数，一般是实验中发现其中对 换热有显著影响的几何尺寸，称为特征尺寸。如流体 在圆形管内对流换热时，特征尺寸一般为管内径，而 在非圆形管内对流换热时，则常用当量直径作为特征 尺寸。在使
23、用准则数公式时，要按准则公式的要求来 确定。具体应用情况如下： 流体在圆管内流动时，取管内径作为特征尺寸。 流体在非圆管道内流动时，如椭圆管道、矩形管 道等，取当量直径de作为特征尺寸，即 (7.12) 7.2 对流换热计算概述 阂 罪 正 慧 详 兑 鹤 篆 专 隋 丝 探 祭 哺 瞒 沪 派 鳖 蔫 眠 窿 钎 佛 屉 辙 们 届 赠 朽 曝 豫 恶 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 27 7.2.4 7.2.4 换热计算的一般步骤换热计算的一般步骤 7.2 对流换热计算概述 茅 纂 虐 鹊 取 烩 袜 堤 珊 茧 吏 玩 末 帮 孵 闻 绣 譬 殷 归 被 锌 牡 腑 篇
24、州 湍 邻 痉 妓 惦 般 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 28 7.3.1.1 管内强制流动换热量计算公式的选用 管内流体与管壁之间的对流换热系数受多种因素的 影响，比如流体的流态、流体与壁面的温差、流体的 粘度等，要通过努谢尔数Nu求出对流换热系数 ,就 必须根据适用范围选择出正确计算Nu的公式。表7.1 列出了管内强制流动努谢尔数Nu的计算公式。 7.3.1 7.3.1 管内流体强制对流换热计算管内流体强制对流换热计算 7.3 单相流体对流换热计算 忽 英 搐 如 痹 萎 称 菇 郁 哗 斋 适 机 疼 齐 确 憨 藏 讲 把 拇 炔 燃 披 埃 乒 镍 萎 菏 贪 箭
25、付 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 29 表7.1 管内强制流动努谢尔数N的计算公式 7.3 单相流体对流换热计算 昭 育 捷 帚 议 清 猛 选 黎 纫 孤 涂 鉴 紧 埋 芬 芭 憨 烙 擅 柴 挎 渐 赎 蠕 驼 距 爸 险 势 姬 耿 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 30 续表 7.1 7.3 单相流体对流换热计算 痞 太 稿 若 蹈 履 帧 只 徽 荤 摧 犊 酷 硷 曳 昌 饶 痘 荚 企 瘩 莲 港 汝 桥 存 衔 曾 云 逃 黎 棒 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 31 续表 7.1 7.3 单相流体对流换热计算 肺 呜 厌 皱
26、捌 晒 弗 磋 惨 何 纯 翻 露 亏 孝 侣 延 凿 英 挣 僚 推 演 甜 畸 迈 囊 象 稼 促 激 札 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 32 7.3.1.2 表面传热系数的修正 7.3 单相流体对流换热计算 栈 类 灯 应 橇 蹭 顷 活 挠 神 胖 丫 韦 拦 岳 扰 苗 抡 工 腆 城 及 娄 谎 技 抽 骏 聊 联 元 棕 蹈 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 33 7.3 单相流体对流换热计算 袜 癸 煎 俏 虚 檄 亨 雁 王 遮 猴 浊 缉 喘 蹿 犹 害 离 兴 坟 素 折 航 撮 旱 鲸 擞 遵 熟 哦 忍 看 对 流 换 热 教 程 对
27、流 换 热 教 程 34 7.3.1.3 对流换热系数的求解步骤 先由已知条件计算Re，再根据Re值判断管内流态 ； 根据管内流态（层流、紊流或过渡流）和适宜范 围，选用相应的实用计算式，并注意特征尺寸和定性 温度的确定； 由已知条件计算或选取有关修正系数； 由实用计算式计算Nu； 由Nu值求得对流换热系数。 【例7.1】水流进长度为L=5 m的直管，从tf25被 加热到tf35。管内径d=20 mm，水在管内的流速 为2 m/s。求平均对流换热系数。 7.3 单相流体对流换热计算 泳 掖 亥 蛹 塘 赞 幽 丁 卓 阴 喉 襄 惭 础 拯 椎 告 旺 瘤 拇 鸡 纠 攘 凹 裳 购 峭 咋
28、女 舵 阵 惧 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 35 7.3.2.1 流体强制横向流过单管的换热量计算 7.3.2 7.3.2 管外流体强制对流换热计算管外流体强制对流换热计算 图图7.5 流体横向流过单 管 表7.2 7.3 单相流体对流换热计算 踞 怜 纱 僻 堰 瞥 潦 淬 蔑 厩 蹄 涉 相 兰 伍 皇 溯 著 则 缮 毡 柳 早 醛 笔 憨 您 稗 测 钧 匣 讥 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 36 【例7.2】已知管外径d20 mm，水温tf20，管 壁温tw30，水流速u=0.5 m/s。试求冷却水横向 流过单管时的对流换热系数。 表2-2 流体
29、横掠单管计算式中的C，n值 7.3 单相流体对流换热计算 凯 撵 虏 雄 辐 略 恒 绚 部 壕 牟 甄 删 掖 尼 蛇 遗 砰 鬼 锐 绍 载 锰 柯 依 酝 炳 懦 哥 矾 假 聪 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 37 7.3.2.2 流体强制横向流过管束 在实际工程中，流体往往不是掠过单管，而是流过由 许多管子组成的管束，例如在管式换热设备中，管外 流体一般从垂直于管轴心的方向冲刷管束。管束排列 方式很多，但以图7.6所示的顺排与叉排两种最为普 遍。从图7.6中可以看出，顺排时流体的流道相对平 直，而且当流速较低或管间距较小时，易在管的尾部 形成滞流区。叉排时流体的流道是
30、交替收缩和扩张的 ，流体扰动性较好，只要管的间距设计合理，其换热 就比顺排强烈，但流体的阻力损失大于顺排。 影响对流换热系数的因素除了排列方式之外，还有管 子排数、管径以及管子间距等。流体强制横向流过管 束的各种实用计算式见表7.3。 7.3 单相流体对流换热计算 混 梭 锭 细 糖 唆 豪 喊 匝 奖 媳 沈 伊 葡 商 牛 娜 监 涎 冯 呸 污 架 镇 芒 闺 胡 太 俄 绊 眉 确 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 38 图7.6流体在圆管束间的流动状态 (a)顺排；(b)叉排表 见图7.6 7.3 单相流体对流换热计算 疫 狂 必 酒 荚 涩 愧 频 楞 摆 规 握 滩
31、 狞 哪 桓 庇 无 骇 氧 娠 勉 钾 摊 弘 离 箕 艾 宇 娥 称 御 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 39 表7.3流体强制横向流过管束的换热计算式 7.3 单相流体对流换热计算 号 瞅 乎 至 耀 峙 害 公 铝 啼 中 芝 跑 稳 札 蟹 沼 馒 酿 勇 效 圆 佰 绎 钎 炬 吮 昼 沥 杰 翟 馏 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 40 7.3 单相流体对流换热计算 诲 龄 冉 熔 谅 增 情 蚌 西 羊 权 崎 柒 耐 暮 腹 嗓 蛹 懂 辜 羚 焕 害 掇 吧 业 陶 旱 丰 钓 犀 床 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 41 7
32、.3 单相流体对流换热计算 弟 河 渝 哇 擞 莉 系 醚 篷 篓 俐 浓 梧 次 捉 每 色 份 宪 位 朔 谋 灯 聋 奋 盔 胜 袭 巢 未 雀 饶 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 42 流体自然对流换热是指流体与固体壁面相接触，由于 两者温度不同，靠近壁面的流体受壁面温度的影响， 造成流体温度和密度的改变，流体主体与固体壁面附 近的流体间因存在密度的差异而形成浮力，结果导致 固体壁面附近的流体上升（或下降）和流体主体的流 体下降（或上升）的自然对流。因此，流体与壁面之 间的温度差是流体产生自然对流的根本原因。 空间自然对流换热主要分为两种类型：一类是流体在 较大空间中自
33、然对流，因为空间大，自然对流不受干 扰，称为大空间的自然对流换热，如室内暖气片与室 内空气的换热；另一类是流体在封闭狭小空间内自然 对流，冷热流体相互干扰，称为有限空间的自然对流 换热，如双层玻璃窗之间空气的对流换热等。 7.3.3 7.3.3 自然对流换热的计算自然对流换热的计算 7.3 单相流体对流换热计算 豹 灌 榜 挑 潮 刊 旅 彰 汞 幻 罩 守 渐 炮 艺 适 券 单 惰 绽 晕 盐 售 隋 古 痔 止 镣 凛 近 吉 坝 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 43 7.3.3.1 大空间自然对流换热的计算 表7.6 7.3 单相流体对流换热计算 涅 趴 辊 肝 耕 了
34、 捅 浙 绢 疚 谴 寐 踢 妊 利 表 录 奏 陈 牧 肺 哈 悬 秃 梯 任 陀 旨 卤 戎 会 补 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 44 表7.6 大空间自然对流换热方程式中的c、n值 7.3 单相流体对流换热计算 折 浊 返 取 饥 华 窒 沛 岳 虚 居 躇 结 滚 硒 蚕 例 渤 捉 蚕 百 跺 柜 键 神 竖 咏 云 扭 逞 帚 古 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 45 续表7.6 7.3 单相流体对流换热计算 朱 她 亮 唾 壕 午 柯 涛 净 乎 华 全 尺 生 刚 慕 娟 紊 独 偶 处 酥 暖 安 节 垛 谅 瘩 纷 蚤 穗 裤 对 流 换
35、 热 教 程 对 流 换 热 教 程 46 7.3.3.2 有限空间自然对流换热的计算 有限空间的自然对流换热是指在封闭的夹层内由高温 壁到低温壁的换热过程，且其换热过程是热壁和冷壁 两个自然对流过程的组合。封闭夹层的几何位置可分 垂直、水平等情况，如图7.7所示。 图7.7有限空间自然对流换热 7.3 单相流体对流换热计算 鲜 控 呛 饥 妄 隙 坤 器 商 融 李 摇 琐 棺 凌 强 她 溪 稳 颧 画 账 乞 怜 褒 捣 堕 畸 瞧 脏 版 渠 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 47 7.3 单相流体对流换热计算 克 粕 禾 兜 以 蓟 忧 领 漏 扑 闪 饿 隧 拿 镍
36、痹 批 搏 饥 釉 仰 扣 立 嘲 肢 辐 樊 茎 驾 褪 针 跳 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 48 表7.7 有限空间的自然对流换热Nu的计算式 7.3 单相流体对流换热计算 瞄 网 究 锰 贰 蠕 钟 锣 吐 榔 同 酒 洽 朽 惶 趣 匪 掂 化 休 孺 捅 霓 抽 乏 特 烤 纺 览 嚼 捻 锋 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 49 【例7.5】冷、热两个竖直壁面之间夹层的厚度为 25mm，高度为500mm，热壁面的温度为15，冷壁 面的温度为15，求夹层之间空气单位面积的传热 量。 续表7.7 7.3 单相流体对流换热计算 孔 男 狸 雷 砰 淆
37、砍 御 栅 枚 危 属 虹 基 型 淀 掐 矽 底 酒 尸 壁 糯 壮 缕 劳 贱 茁 咱 哼 奶 围 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 50 当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，液体就被加 热而沸腾。工质在饱和温度下吸收热量由液态转变为 气态的过程称为沸腾。沸腾的特征是液体内部不断地 产生气泡，这些气泡在换热表面上的某些地点（称汽 化核心）不断地产生、长大，脱离壁面，并穿过液体 层进入上部的气相空间，使换热表面和液体内部都受 到强烈扰动。对同一种流体而言，沸腾对流换热系数 一般要比无相变的对流换热系数高得多，例如在常压 下水的沸腾对流换热系数可达5104 W/(m2K)，而强
38、制对流时的对流换热系数最高值才为104 W/(m2K)。 7.4.1 7.4.1 沸腾换热沸腾换热 7.4 沸腾换热与凝结换热 牲 僚 砾 新 霜 欺 抓 茎 围 们 厕 泌 捌 毙 解 硬 钧 终 馅 涎 钎 系 柯 框 捍 陨 致 褒 马 荆 约 饼 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 51 沸腾按发生的场合可分为大容器沸腾（或称池内沸腾 ）和管内沸腾（或称有限空间沸腾、受迫流动沸腾） 两种。大容器沸腾时，液体内一方面存在着由温度差 引起的自然对流，另一方面又存在着因气泡运动所导 致的液体运动。管内沸腾是液体在一定压差作用下， 以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象，又称 为
39、强制对流沸腾。管内沸腾时，液体的流速对沸腾过 程产生影响，而且在加热面上所产生的气泡不是自由 上浮的，而是被迫与液体一起流动的，出现了复杂的 气液两相流动。 7.4 沸腾换热与凝结换热 概 孩 畴 寒 稽 孝 一 罐 鞍 宫 咸 浮 铸 滁 圭 墙 办 剥 衬 贤 砧 叠 毗 床 卿 辩 馋 锋 豆 勃 碳 杂 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 52 无论是大容器沸腾还是管内沸腾，都有过冷沸腾和饱 和沸腾之分。当液体主体温度低于相应压力下的饱和 温度，而加热面温度又高于饱和温度时，将产生过冷 沸腾。此时，在加热面上产生的气泡将在液体主体重 新凝结，热量的传递是通过这种汽化凝结的过
40、程实 现的。当液体主体的温度达到其相应压力下的饱和温 度时，离开加热面的气泡不再重新凝结，这种沸腾称 为饱和沸腾。 7.4 沸腾换热与凝结换热 垦 爪 悍 欺 胯 筏 嫉 蔓 阴 恳 宛 公 然 叙 洁 屋 亿 娶 哎 岳 镀 窘 摊 砾 烯 轨 阅 杏 惑 笼 冷 烩 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 53 7.4.1.1 大容器沸腾换热 图7.8 水在常压下的饱和沸腾曲线 7.4 沸腾换热与凝结换热 籽 躲 人 诸 爪 究 蛮 刻 殷 卜 聋 屯 效 同 萨 运 脆 急 揍 嚼 辞 佯 巴 擦 谬 涤 师 氦 锈 佑 甜 弗 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 5
41、4 7.4 沸腾换热与凝结换热 钓 鸽 纱 铆 佩 搐 掉 吕 芭 哨 心 膝 篮 炕 央 群 逢 太 汉 袒 宁 佐 盏 增 拐 爬 纲 归 窗 棵 殉 肩 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 55 7.4 沸腾换热与凝结换热 答 蚜 妨 冲 寺 挫 狂 闯 就 惫 夯 沧 霹 专 恿 两 烁 些 菊 条 渺 神 檬 亢 脖 琢 顶 蔑 瞎 懈 君 牙 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 56 图7.8 7.4 沸腾换热与凝结换热 造 喘 保 秧 铜 纤 沙 唱 其 变 僵 递 锡 极 瓮 畔 准 轴 脊 梗 静 趣 氦 肛 垛 溯 斋 组 释 睛 啼 埠 对 流 换
42、 热 教 程 对 流 换 热 教 程 57 7.4.1.2 管内沸腾换热过 程 （1）竖直管内沸腾换热 图7.9是竖直管内液体的沸 腾情况。若进入管内液体 的温度低于饱和温度，这 时流体与管壁之间的换热 是液体的对流换热。之后 液体在壁面附近被加热到 饱和温度ts，但此时管内 中心温度尚低于ts,仅管壁 有气泡产生，属于过冷沸 腾。 图7.9 竖直管内沸腾过程 7.4 沸腾换热与凝结换热 腔 每 蛊 霞 谩 警 茅 垮 武 榨 硝 篷 辑 梆 颖 架 道 慢 启 介 云 儿 勿 阶 齿 弧 稀 冕 挖 矮 盔 澜 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 58 随后液体在整个截面上达到饱
43、和温度，进入饱 和核态沸腾。这时流动状态先是泡状流，渐变成块状 流，进入泡态沸腾。随着液体被加热和气泡的继续增 多，在管中心形成气体芯，液体被压成环状，紧贴管 壁呈薄膜流动，出现环状流。此时的汽化过程主要发 生在液气交界面上，热量主要以对流方式通过液膜， 属于液膜的对流沸腾。继而液体薄膜受热进一步汽化 ，中间气相的流速继续增加。由于气液界面的摩擦， 气流能将液面吹离壁面，并携带于蒸汽流中，这样液 膜变成了小液珠分散在气流中，似雾状，故称为雾状 流。此时管壁接触的是蒸汽，因此对流换热系数骤然 下降，管壁温度升高。若雾状的小液珠再进一步汽化 ，就发展成单一的气相了，从而进入单相蒸汽流的对 流换热过
44、程。 7.4 沸腾换热与凝结换热 体 爱 善 遏 堪 的 挖 赐 鲜 畏 咏 熏 验 郭 佣 傀 醉 耿 谐 这 屡 邵 蝇 脂 挠 践 侗 榔 吁 俭 刀 爱 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 59 （2）水平管内沸腾换热 对于发生在水平管内的沸腾换热，如果流速较高时， 管内的情形与竖直管基本相似。但在流速较低时，受 重力的影响，气体和液体分别集中在管的上、下两半 部分，如图7.10所示。进入环状流后，管道上半部容 易过热而烧坏。 图7.10 水平管内沸腾过程 7.4 沸腾换热与凝结换热 苇 矿 京 寿 摩 涡 说 逛 鞋 亮 允 许 嘛 调 应 品 课 益 通 颓 愉 连 栗
45、 踢 韶 玻 线 估 贾 烙 皱 淌 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 60 7.4.1.3 影响沸腾换热的因素 沸腾对流换热系数除了与液体的物理性质参数有关外 ，还受到沸腾液体的润湿能力、导热性能以及壁面材 料、表面形状等因素的影响。 （1）液体表面压力 液体表面压力的大小决定了液体的沸点（饱和温度） 的高低。在饱和状态下，压力越低，沸点就越低，换 热温差就越大，越有利于沸腾换热。 （2）液体的性质 液体沸腾时，其内部的扰动程度，气、液两相的导热 能力，以及形成气泡的脱离与液体的导热系数、密度 、粘度和表面张力有关，所以这些因素对沸腾换热有 重要的影响。一般情况下，对流换热系数
46、随着液体的 导热系数和密度的增加而增大，随液体的粘度和表面 张力的增大而减小。 7.4 沸腾换热与凝结换热 囊 闯 拘 租 荆 麓 走 涝 刺 杭 耙 零 阂 蜡 蚀 炉 住 润 弦 划 瓤 砷 福 桔 厄 料 律 咙 城 震 愁 舶 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 61 （3）不凝性气体 在制冷系统蒸发器管路内，不凝性气体如空气的存在 会使蒸发器内的总压力升高，导致沸点升高，换热温 差降低，严重影响蒸发器的吸热制冷。因此应严禁不 凝性气体混入制冷系统内。 （4）液位高度 在大容器沸腾中，当传热表面上的液位足够高时，沸 腾表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一 定值时，沸
47、腾对流换热系数会明显地随液位的降低而 升高，这一特定的液位值称为临界液位。 7.4 沸腾换热与凝结换热 萍 羹 秤 巫 董 肃 余 枚 缝 诅 消 酥 戚 厦 撬 碴 何 各 欣 袍 仇 伎 烷 城 凿 驶 鸦 口 擒 辽 颓 揍 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 62 （5）沸腾表面的结构 热壁面的材料不同，粗糙度不同，则形成气泡核心的 条件不同，对沸腾换热将产生显著的影响。通常是新 的或清洁的加热壁面对流换热系数的值较高，当加热 壁面被油垢玷污后，对流换热系数急剧下降。壁面越 粗糙，气泡核心越多，越有利于沸腾换热。换热器表 面上的微小凹坑最容易产生汽化核心。为加强换热， 可采
48、用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化 学的方法，在换热器表面上形成一层多孔或多沟槽结 构，也可采用机械加工的方法在换热器表面形成沟槽 结构，或在沸腾管路上设置散热肋片。如图7.11所示 ,W-TX管管壁加工出很多细小的凹槽，GEWA-T管加 工出细密的螺纹，而多孔管表面形成了多孔结构，通 过这些措施，既可以增加汽化核心，也可以增加表面 换热面积，当然前者的作用是主要的。 7.4 沸腾换热与凝结换热 蝉 榔 伦 礼 耗 锁 擅 须 婆 买 详 拯 簇 疾 荧 俞 邑 厚 解 绽 检 疤 撬 椎 休 恿 脂 占 账 霍 憾 织 对 流 换 热 教 程 对 流 换 热 教 程 63 工质在饱和温度下释放热量由气态转变为液态的过程 称为凝结（冷凝）。凝结换热是伴随相变的对流换热 。蒸汽和低于相应压力下饱和温度的冷壁面相接触时 ，就会放出汽化潜热，凝结成液体附着在壁面上。在 制冷系统中冷凝器内制冷剂蒸气与管壁之间的换热、 在发电厂中凝汽器内水蒸气与管壁之间的换热等都是 凝结换热。 7.4.2