西安交大熱工基礎(chǔ)第11章對流換熱2

1、熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer1 1/66/66強(qiáng)制對流換熱及其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式強(qiáng)制對流換熱及其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.1. 管槽內(nèi)強(qiáng)制流動與換熱的特點(diǎn)管槽內(nèi)強(qiáng)制流動與換熱的特點(diǎn)內(nèi)部流動過程中，一側(cè)固體表面上的邊界層在內(nèi)部流動過程中，一側(cè)固體表面上的邊界層在形成和發(fā)展過程中可能受到另一側(cè)固體表面的形成和發(fā)展過程中可能受到另一側(cè)固體表面的限制，形成邊界層干擾或匯合限制，形成邊界層干擾或匯合熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundam

2、entals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2 2/66/66流動入口段：速度邊界層厚度由零發(fā)展到匯流動入口段：速度邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心合于通道中心換熱入口段：熱邊界層厚度由零發(fā)展到匯合換熱入口段：熱邊界層厚度由零發(fā)展到匯合于通道中心，換熱強(qiáng)度由最高而逐漸減弱于通道中心，換熱強(qiáng)度由最高而逐漸減弱充分發(fā)展段充分發(fā)展段0ux0 x熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer

3、Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3 3/66/66Turbulent flow熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4 4/66/66特征長度；截面平均速度；截面平均溫度特征長度；截面平均速度；截面平均溫度dcAmcudAuAccpAbpAc t udAtcudA熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics an

4、d Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5 5/66/662.2. 管內(nèi)湍流換熱計(jì)算管內(nèi)湍流換熱計(jì)算 Bolter-Dittus公式公式0.80.023RePrnfffNu0.4,n 加熱流體0.3,n 冷卻流體三大特征量三大特征量特征尺度：內(nèi)徑特征尺度：內(nèi)徑di定性溫度：定性溫度：tf =(tin+tout)/2特征流速特征流速熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics

5、 and Heat Transfer6 6/66/66適用范圍適用范圍 Re=104 1.2105，旺盛湍流，旺盛湍流 Pr=0.7 120，包括空氣、水、油，包括空氣、水、油 l/d60，平均換熱系數(shù)；如果是短管則需，平均換熱系數(shù)；如果是短管則需修正修正 邊界條件：給定溫度或給定熱流邊界均可邊界條件：給定溫度或給定熱流邊界均可熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer7 7/66/66t = tw - tf氣氣50水水

6、20油油10中等溫差，非中等溫差，非tin - tout思考：思考： 不適用于液態(tài)金屬，不適用于液態(tài)金屬，Pr10-212060tw=50air 熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer8 8/66/66應(yīng)用范圍擴(kuò)大應(yīng)用范圍擴(kuò)大 短管短管l/d60熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodyna

7、mics and Heat Transfer9 9/66/66 彎管彎管(螺旋管螺旋管)，R R 流體流過彎管時(shí)會產(chǎn)生二次流，強(qiáng)化換熱，要修正一下。流體流過彎管時(shí)會產(chǎn)生二次流，強(qiáng)化換熱，要修正一下。熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer10 10/66/66 大溫差大溫差(突破中等溫差極限突破中等溫差極限)，t t 對變物性修對變物性修正正q氣體被加熱，氣體被加熱， t 1 氣體被冷卻，氣體被冷卻， t = 1q液體

8、被加熱或被冷卻液體被加熱或被冷卻熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer11 11/66/66 非圓截面非圓截面當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑de (equivalent)4ceAdP熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer12 12/66/66綜合表達(dá)式綜

9、合表達(dá)式0.80.023RePrnffflrtNuC C C0.80.80.40.40.60.20.4, ,pnhfucd ，0.8次冪，影響最大，其次為次冪，影響最大，其次為 u, 0.8次冪次冪 ：1m/s 1.5m/s， h40% d，h熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer13 13/66/663. 外掠物體時(shí)的強(qiáng)制對流換熱外掠物體時(shí)的強(qiáng)制對流換熱 縱掠等溫平板縱掠等溫平板公式公式 11-17 特征尺度：板長

10、特征尺度：板長(局部為局部為x，平均為，平均為l)注意注意 定性溫度：定性溫度：tm=(t+tw)/2 流態(tài)流態(tài)Rec5 105 x， ，h熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer14 14/66/66 外掠單管外掠單管(flow over single cylinder)流動特點(diǎn)流動特點(diǎn) 前半周，加速流動前半周，加速流動0,0dpdudxdx 脫體，脫體，flow separation0,0dpdudxdx 后半周，

11、減速流動后半周，減速流動0,0dpdudxdx 脫體位置取決于脫體位置取決于Re數(shù)數(shù)熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer15 15/66/66Re10,不脫體；5Re1.5 10 ,80851016消失消失 沖刷方向有影響（沖角）沖刷方向有影響（沖角）熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermo

12、dynamics and Heat Transfer21 21/66/66順排叉排熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2222/66/66平均換熱特性的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式平均換熱特性的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式zpkfnfmfssCNu21wmax,PrPrPrRe熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynam

13、ics and Heat Transfer2323/66/66 注意：注意： tf、tw、d、umax C、m、n、k、p表表11-2（P.185）zpkfnfmfssCNu21wmax,PrPrPrRe z表表11-3（P.185）熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2424/66/664. 自然對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式自然對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 工程背景工程背景 暖氣管散熱暖氣管散熱 冰箱冰箱( (冰箱里食物不要裝得太滿

14、冰箱里食物不要裝得太滿) ) 室外變壓器散熱室外變壓器散熱 輸電線的散熱輸電線的散熱 電子器件冷卻電子器件冷卻熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2525/66/66 現(xiàn)象及特點(diǎn)現(xiàn)象及特點(diǎn)定義：定義：驅(qū)動力：驅(qū)動力：溫度場不均勻溫度場不均勻 密度的不均勻密度的不均勻 浮升力浮升力不均勻的溫度場不一定引起自然對流不均勻的溫度場不一定引起自然對流與強(qiáng)制對流不同，不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動與強(qiáng)制對流不同，不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外

15、力推動換熱很弱，但經(jīng)濟(jì)、安全、平靜換熱很弱，但經(jīng)濟(jì)、安全、平靜物體表面上總換熱量常需同時(shí)考慮與周圍氣體間物體表面上總換熱量常需同時(shí)考慮與周圍氣體間的自然對流以及與周圍其它表面間的輻射換熱的自然對流以及與周圍其它表面間的輻射換熱熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2626/66/66 速度與溫度分布的特點(diǎn)速度與溫度分布的特點(diǎn)Tw T思考：思考：Tw Tylaminarturbulentx熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fu

16、ndamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2828/66/66熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2929/66/66熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of

17、Thermodynamics and Heat Transfer3030/66/66 大空間自然對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式大空間自然對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式說明說明 tm=(tw+t)/2 Gr中中V：氣體按理想氣體處理：氣體按理想氣體處理V=1/Tm、液體、液體查物性手冊查物性手冊nCNuPrGr 特征長度：表面高度特征長度：表面高度H （豎平板及豎圓柱）、（豎平板及豎圓柱）、外徑外徑d（橫圓柱）（橫圓柱）（表表11-4、P.188）熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodyna

18、mics and Heat Transfer31 31/66/66 豎圓柱可以歸為豎壁的條件：豎圓柱可以歸為豎壁的條件： 一般一般:1 4,laminar flow1 3,turbulent flown1435GrHdH熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3232/66/66六、六、 凝結(jié)和沸騰時(shí)的對流換熱簡介凝結(jié)和沸騰時(shí)的對流換熱簡介相變換熱的相變換熱的特點(diǎn)特點(diǎn)：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)：由于有潛熱釋放和相變

19、過程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。上也只能助于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3333/66/66工程應(yīng)用背景鍋爐爐膛中的水冷壁相變換熱的特點(diǎn)空調(diào)、冰箱中的冷凝器和蒸發(fā)器蒸汽發(fā)生器有潛熱釋放影響因素太多熱點(diǎn)難點(diǎn)熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics

20、 and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3434/66/66 l 沸騰換熱熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3535/66/66l 空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodyna

21、mics and Heat Transfer3636/66/661 凝結(jié)換熱現(xiàn)象概述（1） 凝結(jié)的定義 （2）兩種存在形態(tài) 蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)形成液體的過程。浸潤性液體，非浸潤性液體。熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3737/66/66膜狀凝結(jié)(film condensation)沿整個(gè)壁面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動。珠狀凝結(jié)(dropwise condensation)當(dāng)凝結(jié)液體不能很

22、好的浸潤壁面時(shí)，則在壁面上形成許多小液珠。gswttgswtt（3） 兩種形式的凝結(jié)換熱 熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3838/66/66（3）凝結(jié)換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù)：膜狀凝結(jié)。比較（1）h珠h膜；（2）珠狀凝結(jié)很難保持，工程中遇到的凝 結(jié)換熱大多屬于膜狀凝結(jié)；熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals

23、of Thermodynamics and Heat Transfer3939/66/66（4）影響膜狀凝結(jié)的主要因素 不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體蒸汽流速蒸汽流速管子排數(shù)管子排數(shù)管內(nèi)冷凝管內(nèi)冷凝凝結(jié)表面情況凝結(jié)表面情況強(qiáng)化的原則：強(qiáng)化的原則：盡量減薄粘盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚滯在換熱表面上液膜的厚度。度。熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4040/66/66 實(shí)現(xiàn)的方法實(shí)現(xiàn)的方法： 尖鋒的表面尖鋒的表面 使凝結(jié)

24、液盡快從換熱表面上排泄掉使凝結(jié)液盡快從換熱表面上排泄掉 如低肋管、縱向溝槽等如低肋管、縱向溝槽等 表面改性，使膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié)表面改性，使膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié) 表面涂層（油脂、納米技術(shù)）、離子注入表面涂層（油脂、納米技術(shù)）、離子注入熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer41 41/66/66熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferF

25、undamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4242/66/66熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4343/66/662 沸騰換熱簡介（1） 液體汽化的兩種方式定義蒸發(fā)（evaporation）沸騰（boiling）工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過程熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics an

26、d Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4444/66/66按流動動力分按流動動力分 a). a). 大容器大容器( (或池或池) )沸騰沸騰(Pool boiling)(Pool boiling)： 加熱壁面沉浸在有自由表面液體中所發(fā)生的沸騰。加熱壁面沉浸在有自由表面液體中所發(fā)生的沸騰。 分類加熱表面加熱表面熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat

27、Transfer4545/66/66b). b). 強(qiáng)制對流沸騰強(qiáng)制對流沸騰(Forced convection boiling)(Forced convection boiling)： 液體在外力的作用下，以一定的流速流過壁液體在外力的作用下，以一定的流速流過壁面時(shí)所發(fā)生的沸騰換熱。工業(yè)上的沸騰換熱多屬于此。面時(shí)所發(fā)生的沸騰換熱。工業(yè)上的沸騰換熱多屬于此。 例如冰箱的蒸發(fā)器。例如冰箱的蒸發(fā)器。Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermod

28、ynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4646/66/66從主體溫度分：從主體溫度分： a). a). 過冷沸騰過冷沸騰(Subcooled boiling)(Subcooled boiling)： 液體的主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的液體的主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸騰換熱。沸騰換熱。 b). b). 飽和沸騰飽和沸騰(Saturated or bulk boiling)(Saturated or bulk boiling)： 液體的主體溫度等于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸液體

29、的主體溫度等于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸騰換熱。騰換熱。 例如燒開水例如燒開水熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4747/66/66曲線自然對流核態(tài)沸騰過渡沸騰膜態(tài)沸騰孤立汽泡區(qū)汽塊區(qū)（2 2）大容器飽和沸騰曲線）大容器飽和沸騰曲線熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics a

30、nd Heat Transfer4848/66/66對于熱流密度可以控制的情況工程指導(dǎo)臨界熱流密度(Critical Heat Flux) qmax及相對應(yīng)的過熱度t具有重要的意義 對于壁溫可以控制的情況熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4949/66/66孤立汽泡區(qū)The region of isolated bubbles熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics

31、and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5050/66/66汽塊區(qū)The region of slugs and columns熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer51 51/66/66過渡沸騰Transitional boiling regime熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynam

32、ics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5252/66/66膜態(tài)沸騰film boiling熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5353/66/66（3）影響沸騰換熱的因素 不凝結(jié)氣體 過冷度 重力加速度 液位高度熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat

33、TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5454/66/66 沸騰表面的結(jié)構(gòu) 物理化學(xué)手段強(qiáng)化換熱思路：汽化核心方法用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等 機(jī)械加工方法幾種典型的強(qiáng)化表面熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5555/66/66熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat T

34、ransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5656/66/66應(yīng)用例題應(yīng)用例題（1） 冬天，摩托車手佩帶護(hù)膝和頭盔 僅僅是為了安全嗎？（“冷在風(fēng)里”）參考說明：外掠物體強(qiáng)制對流熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5757/66/66 （2 2）某女士抱怨說）某女士抱怨說她的住所的窗戶冬天漏她的住所的窗戶冬天漏風(fēng)，因?yàn)樽诖皯襞赃咃L(fēng)，因?yàn)樽诖皯襞赃?/p>

35、時(shí)她的腳感到冷時(shí)她的腳感到冷, , 而且而且說這股漏風(fēng)只有冬天有，說這股漏風(fēng)只有冬天有，夏天沒有熱風(fēng)漏進(jìn)來夏天沒有熱風(fēng)漏進(jìn)來( (她的住宅有空調(diào)，夏她的住宅有空調(diào)，夏天窗戶也是關(guān)著的天窗戶也是關(guān)著的) )。請解釋她的腳感到冷的請解釋她的腳感到冷的原因原因。參考說明：自然對流熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5858/66/66（3）安裝空調(diào)時(shí)，在往蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)灌 制冷工質(zhì)時(shí)，為什么要確保機(jī)器內(nèi)是真空的？ 參考說明：不凝結(jié)氣體熱流中心熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ) Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics