第九章对流传热

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,“,”,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,“,”,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 对流传热,建筑与环境工程系,学习导引,本章主要介绍的是,对流换热,。,牛顿冷却公式,提供了对流换热换热量的计算方法，通过它，定义了表面传热系数，从而使复杂的对流换热问题得以简化,最终的对流换热问题集中于表面传热系数的求取。,关于,表面传热系数,不同情况下的准则关联式。,基本要求,本章重点是,掌握牛顿冷却公式,，了解不同情况下表面传热系数的计算，通过学习应达到以下要求：,1.,理解,对流换热的,基本概念,，,了解,对流换热的,过程及分类,。,2.,理解牛顿冷却公式的物理意义,，会应用牛顿冷却公式计算流体与固体壁面间的对流换热量。,3.,理解表面传热系数,的定义和物理意义，了解影响表面传热系数的因素。,4.,了解主要的无因次准数的含义。,5.,了解常见的无相变和有相变对流换热的换热特征。,6.,了解影响凝结换热和沸腾换热的因素。,主要内容,10.1,对流换热概述,10.2,流体无相变时的对流换热,10.3,流体有相变时对流换热,10.1,对流换热概述,一、对流换热过程分析,二、牛顿冷却公式,三、对流换热的影响因素,一、对流换热过程分析,当流体在管内,湍流时,，在传热方向上截取一截面,A-A,，各层界面处的温度变化为,:,t,h,t,h,t,w1,t,w2,t,c,t,c,湍流主体,的传热以,热对流,为主；,缓冲层,的传热以,导热,和,热对流,进行,;,层流底层,的传热以,导热,的方式进行。,因此，,对流换热的热阻主要集中在流体的层流底层,内，,减薄层流底层的厚度,是强化对流换热的主要途径。,该层温差很大,热阻也大,流体在管内湍流时,其流动状况由层流内层、缓冲层和湍流主体组成,二、牛顿冷却公式,1,、由牛顿,1702,年提出，是用于对流换热量的计算公式。,或,:,热流量，,W,；,A,:,换热面积，,m,2,；,h,:,表面传热系数，,W/,（,m,2,K,）；,t,:,对流换热温差，,t=t,w,-,t,f,，,;,R,W,:,对流换热热阻，,R,W,=1/hA,，,K/W;,R,:,单位面积对流换热热阻，,R,=1/h,，,m,2,K/W,t,f,流体平均温度,表明：,对流换热量,与壁面换热面积,A,及流体与壁面之间的温度差成正比；表面传热系数,h,的大小反映了对流换热的强弱。,表面传热系数,h,表明了当流体与壁面间的温差为,1 K,时，在单位时间内通过单位面积的热流量。,表,9,-1 表面传热系数,h,的大致范围,W/,（,m2,K,）,牛顿冷却公式将影响对流换热的诸多复杂因素，归结为表面传热系数这一参数，对流换热研究的核心也就归结为,表面传热系数的求解,。,2,、表面换热系数,1.,流体流动的起因,2.,流体的流动状态及流速的影响,3.,流体的物理性质,4.,流体有无相变,5.,换热表面的几何因素,三、对流换热的影响因素,一般来说，,强制对流,的,流速,比自然对流,高,，因而,表面传热系数也高,。,1,、流体流动的起因,影响流体的速度分布,2.,流体的流动状态及流的影响,同一流态，流体,流速增加,时，,传热速率加快,。,层流底层,内以导热,传热,外，,湍流主体,以,热对流,传热为主，,h,大,，,对流换热效果好,。,热量传递主要为垂直于流动方向的,导热,，,h,的大小取决于流体的,热导率,。,层流,湍流,3.,流体的物理性质,密度,越大，流体与壁面间的热阻就越小，换热就越强烈；,比定压热容,c,p,热导率,、,c,p,越大，单位质量携带的热量越多，传热能力越大；,动力黏度,越大，黏滞力越大，加大了层流底层的厚度，不利于对流换热。,4.,流体有无相变,有相变时的表面传热系数要比无相变时的大。,有相变,时，流体吸收或放出,潜热,，对流换热要剧烈得多。,无相变,时，流体,显热变化,实现对流换热。,沸腾换热,凝结换热,沸腾时液体中汽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。,5.,换热表面的几何因素,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结果。,热面朝上气流扰动比较激烈，换热强度大,9.2,流体无相变时的对流换热,流体无相变时对流换热的表面传热系数可表示为,经分析，可得流体无相变时对流换热的准则关系式为,一、表面传热系数的一般关联式,将各影响因素经过分析组成若干个无因次准数,表,9-2,准数的符号和含义,表面传热系数的一般关联式,其中,t,流体与壁面之间温度差，,；,l,换热器换热表面的,特征尺寸,，如管内径、外径或平板高度等，,m,；,V,流体的,体积膨胀系数,，,K,-1,，对于理想气体：,T,m,理想气体的,定性温度,，,K,。,由,表面传热系数的一般关联式,对,自然对流,其指数函数形式为,上式称为,准则关联式,，其中,C,、,m,、,n,为常数，均由不同情况时的具体条件进行实验测定后，再由该式计算表面传热系数,h,。,对,强制对流,升力的影响较大，,Re,的影响可忽略,表面传热系数的一般关联式,1.,应用范围,2.,定性温度,在使用准则关联式确定表面传热系数,h,时，必须注意,:,即,建立准则关联式时的实验范围,，一般指,Re,、,Pr,、,Gr,的数值范围,，,使用时不能超出该范围。,确定准数中流体物性所依据的温度,就是,定性温度,。,其确定方法不尽相同,。,3.,特征尺寸,对对流换热,有显著影响的几何尺寸,，在建立准则,关联式时就定为特征尺寸。,如管内径、当量直径 等,9.3,流体有相变时对流换热,膜状凝结,1.,蒸汽凝结的两种方式,珠状凝结,一、凝结换热,高强度换热,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。,此现象即为,凝结换热,。,如果,凝结液,能够,很好地润湿壁面,，就会在壁面上,形成连续的液体膜,，这种凝结形式称为,膜状凝结,。,膜状凝结的表面传热系数主要取决于,凝结液的性质,和,液膜的厚度,。,膜状凝结,液膜越厚，其热阻越大，表面传热系数也越小,蒸汽凝结潜热以,导热,的方式通过液膜到达壁面，,液膜,几乎集中了凝结换热的全部热阻,。,工业冷凝器的设计均以膜状凝结换热为计算依据。,冷壁,珠状凝结,如果,凝结液不能很好地润湿壁面,，则因表面张力的作用将凝结液在壁面上,集聚为许多小液珠,，并,随机地沿壁面落下,，这种凝结称为,珠状凝结,。,其,表面传热系数,远比膜状凝结时的大，有时大到几倍甚至几十倍,。,珠状凝结时蒸汽不必通过液膜的附加热阻，而直接在传热面上凝结,（,1,）,蒸汽的流速和流向,3.,影响蒸汽凝结换热的因素,蒸汽流速较大（介于,10,25m/s,）时，若蒸汽与液膜流动方向一致，液膜将加速变薄，表面传热系数增大；当流动方向相反时，液膜将减速增厚，表面传热系数减小。,以水蒸气膜状凝结为例，一般认为,:,蒸汽,流速小于,10m/s,时，流速对传热影响很小，可,忽略不计,。,蒸汽流速很大（大于,25m/s,）时，将会把液膜吹离表面，不论流向如何，都会使表面传热系数增大。,（,2,）,蒸汽中含有不凝性气体,如空气、氮气等，即使含量极微，也会对凝结换热产生,十分有害,的影响,。排除不凝结气体是保证制冷系统冷凝器正常运行的关键。,（,3,）,过热蒸汽,影响蒸汽凝结换热的因素,如水蒸气中含有,1,的空气能使凝结表面传热系数降低,60,实验研究表明，水蒸气的过热度对凝结传热,影响不大,。,一般冷凝器中蒸汽的过热度都不大，传热计算中可按,饱和蒸汽处理。,（,4,）,表面情况的影响,冷凝器凝结壁面,光滑、清洁,、,无油垢,，有利于提高表面传热系数,。,（,5,）,凝结壁面的形状及位置,影响蒸汽凝结换热的因素,对,一根管子,而言，在其它条件相同的情况下，,水平放置,时的换热远比竖直放置时的换热效果好。,在竖直管冷凝器上设置有,疏液装置,。,对于,水平管束,，为了减薄下面管排上液膜的厚度，一般要,减少竖直列上的管子数目,，或者,将管子的排列旋转一定的角度,，使得凝结液沿下一根管子的切线方向流过。,影响蒸汽凝结换热的因素,二、沸腾换热,大容器沸腾,1.,液体沸腾的分类,指加热面被浸在,没有强制对流,的液体中所发生的沸腾现象。,指,液体受热沸腾,过程中,与固体壁面间的换热,现象。,（,1,）大容器沸腾和管内沸腾,此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汽泡运动所导致的液体运动。,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,强制对流沸腾,。,此时，液体的流速对沸腾过程产生影响，而且在加,热面上所产生的汽泡不是自由上浮的，而是被迫与液体,一起流动的，出现了,复杂的气液两相流动,。,沸腾换热,管内沸腾,沸腾换热,（,2,）过冷沸腾和饱和沸腾,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,。,过冷沸腾,此时，在加热面上产生的汽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,的过程实现的。,饱和沸腾,当液体主体的温度达到其相应压力下的饱和温度时，,离开加热面的汽泡不再重新凝结，这种沸腾称为饱和沸腾。,2.,大容器沸腾换热,沸腾温差,t,:,对流沸腾,（,1,）大容器饱和沸腾曲线,以常压下水在金属表面上沸腾的实验为例,:,AB,段,，常压下,t,5,，,q,、,h,随,t,缓慢增加,。,壁面温度,t,w,与液体饱和温度,t,s,之差,。,沸腾温差的量变会引起沸腾换热机理的质变,q,较低，即使壁面上产生了汽,泡也不能脱离上浮。其换热过程符,合,无相变的对流换热规律,。,泡态沸腾,膜态沸腾,BC,段，,t,5,25,，有大量汽泡在壁面上迅速生长,和激烈运动，强烈扰动周围液体，使,h,和,q,都显著增大,，,且,h,达到峰值；,BC,段的沸腾换热主要取决于汽泡的生成和运动。,C,点以后，,t,25,，,不稳定膜态沸腾,大容器沸腾换热,稳定膜态沸腾,DE,段,，壁面全部被一层,稳定的汽膜,所覆盖，这时汽化只能在膜的汽液交界上进行，以后,h,随,t,的增加,基本不变,，而,q,又开始,随,t,的增加而上升,。,CD,段,，大量汽泡在壁面汇合在一起形成一层,不稳定的汽膜,，汽膜的,附加热阻,使得,h,和,q,都急剧下降,。,不稳定膜态沸腾区,