傳熱學(xué)對流換熱

第九章對流換熱第二篇傳熱學(xué)109對流換熱---SCH第九章對流換熱第二篇傳熱學(xué)109對流換熱---SC●

對流換熱：是指流體流經(jīng)固體壁面時，由于存在溫差而發(fā)生的流體與固體壁面間的熱量傳遞現(xiàn)象?！?/p>

熱對流：流體中溫度不同的各部分間發(fā)生宏觀的相對位移時所引起的熱量傳遞現(xiàn)象。（是三種基本熱傳遞方式之一）209對流換熱---SCH●對流換熱：是指流體流經(jīng)固體壁面時，由于●熱對流：流體中電廠中對流換熱現(xiàn)象蒸汽煙氣煙氣309對流換熱---SCH電廠中對流換熱現(xiàn)象蒸煙氣煙氣309對流換熱---SCH生活中對流換熱現(xiàn)象409對流換熱---SCH生活中對流換熱現(xiàn)象409對流換熱---SCH本章主要內(nèi)容對流換熱概述流體無相變時的對流換熱流體有相變時的對流換熱509對流換熱---SCH本章主要內(nèi)容對流換熱概述509對流換熱---SCH自然界普遍存在對流換熱現(xiàn)象，它比導(dǎo)熱更復(fù)雜。到目前為止，對流換熱問題的研究還很不充分:(a)某些方面還處在積累實驗數(shù)據(jù)的階段；

(b)某些方面研究比較詳細(xì)，但由于數(shù)學(xué)上的困難，使得在工程上可應(yīng)用的公式大多數(shù)還是經(jīng)驗公式（實驗結(jié)果）。9-1對流換熱概述609對流換熱---SCH自然界普遍存在對流換熱現(xiàn)象，它比導(dǎo)熱更復(fù)雜。9-1對流換熱1.對流換熱與熱對流不同，它是導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程；2.必須有直接接觸（流體與壁面間）和宏觀運(yùn)動；也必須有溫差；3.由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層。一、對流換熱的特點(diǎn)：utftw

A709對流換熱---SCH1.對流換熱與熱對流不同，它是導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳二、速度（流動）邊界層:1.流體的粘性及兩種流態(tài)：層流：流速較小，流線相互平行，互不干擾，流體平行于流道流動。紊流：流速較大，各流線間相互交錯和干擾，流體各部分運(yùn)動不規(guī)則。（又稱“湍流”）809對流換熱---SCH二、速度（流動）邊界層:1.流體的粘性及兩種流態(tài)：809對909對流換熱---SCH909對流換熱---SCH流態(tài)的判別——雷諾數(shù)Re實驗表明，流體的流態(tài)是由多方面因素決定的：流速u能引起流動狀態(tài)改變，而且壁面幾何尺寸l、流體的粘度μ和密度ρ也會影響流態(tài)。把這些影響因素組合成一個無量綱數(shù)——雷諾數(shù)Re。對圓管內(nèi)流動：Re≤2200層流區(qū)

2200<Re<104過渡區(qū)Re≥104

紊流區(qū)

1009對流換熱---SCH流態(tài)的判別——雷諾數(shù)Re實驗表明，流體的流態(tài)是由多方面因素決2.速度（流動）邊界層：（1）定義：緊貼固體壁面流速發(fā)生明顯變化的流體薄層。通常將由壁面（流速為0）起沿垂直壁面的方向到主流速度uf的99%處的距離，稱為速度邊界層厚度，用δ表示。沿平板流動的速度邊界層發(fā)展

層流邊界層紊流邊界層層流底層邊界層界限ufufxyuf1109對流換熱---SCH2.速度（流動）邊界層：（1）定義：緊貼固體壁面流速發(fā)生明顯（2）速度邊界層特點(diǎn)：速度邊界層顯示出粘性對流動的影響，速度邊界層厚度δ與壁面尺寸l相比是極小量，只有幾毫米厚；邊界層流態(tài)分層流和紊流，而紊流邊界層有層流底層；層流邊界層內(nèi)傳熱主要為壁面法向方向?qū)?，換熱較弱；紊流邊界層內(nèi)層流底層主要為壁面法向方向?qū)?，該層是主要熱阻；而底層外的紊流核心區(qū)主要依靠熱對流作用傳熱，熱阻較小，換熱較強(qiáng)。總之：對流換熱=（導(dǎo)熱+熱對流）綜合作用1209對流換熱---SCH（2）速度邊界層特點(diǎn)：速度邊界層顯示出粘性對流動的影響，速度三、對流換熱的計算公式——牛頓冷卻公式：

α——對流換熱系數(shù)，它是對流換熱強(qiáng)弱的標(biāo)志，單位為W/(m2.K)。單位換熱面積的對流換熱熱阻：1309對流換熱---SCH三、對流換熱的計算公式——牛頓冷卻公式：α——對流換四、影響對流換熱的因素：1.流體流動產(chǎn)生的原因2.流體流動的狀態(tài)強(qiáng)制對流自然對流流體冷、熱部分的密度差產(chǎn)生的浮升力引起，無整齊的宏觀運(yùn)動，浮升力的大小是決定因素。外力（如泵與風(fēng)機(jī)）迫使流體產(chǎn)生運(yùn)動，有整齊的宏觀運(yùn)動，流速是決定因素。無流體微團(tuán)的橫向脈動，法線方向為導(dǎo)熱。層流紊流有流體微團(tuán)的橫向脈動，主要靠熱對流方式傳熱。3.流體的熱物理性質(zhì)——如熱導(dǎo)率、比熱容c、動力粘度、密度等。1409對流換熱---SCH四、影響對流換熱的因素：1.流體流動產(chǎn)生的原因2.流體流動的4.流體有無相變發(fā)生有相變無相變?nèi)绫跍馗哂诹黧w飽和溫度時，發(fā)生汽化沸騰現(xiàn)象。對流換熱系數(shù)比有相變時小得多。5.換熱壁面的幾何因素——換熱壁面的形狀、大小以及相對于流動方向的位置都會引起換熱系數(shù)的變化。影響對流換熱的主要因素可用函數(shù)形式表示為：1509對流換熱---SCH4.流體有無相變發(fā)生有相變無相變?nèi)绫跍馗哂诹黧w飽和溫度時，對流換熱分類1609對流換熱---SCH對流換熱分類1609對流換熱---SCH9-2流體無相變時的對流換熱一、流體在管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱

電廠中這種換熱很常見：換熱設(shè)備（過熱器、凝汽器等）中管內(nèi)流體與管壁的換熱。1709對流換熱---SCH9-2流體無相變時的對流換熱一、流體在管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱1主要影響因素：

——流體種類、流態(tài)、管徑（a）層流（b）紊流1809對流換熱---SCH主要影響因素：（a）層流彎曲管道流動情況示意圖彎曲的管道中流動的流體，在彎曲處由于離心力的作用會形成垂直于流動方向的二次環(huán)流，從而加強(qiáng)流體的擾動，帶來換熱的增強(qiáng)。（如螺旋管與蛇形管）其他影響因素：

——彎管、入口效應(yīng)、換熱溫差等1909對流換熱---SCH彎曲管道流動情況示意圖彎曲的管道中流動的流體，在彎曲處由于離二、流體在管外橫掠圓管時的對流換熱電廠中各種換熱設(shè)備（過熱器、省煤器等）管外流體與管壁的換熱。1、流體橫向沖刷單管時的對流換熱：橫向沖刷：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。(管面上形成邊界層，還會發(fā)生繞流分離現(xiàn)象)2009對流換熱---SCH二、流體在管外橫掠圓管時的對流換熱電廠中各種換熱設(shè)備（過熱器2、流體橫向沖刷管束時的對流換熱：外掠管束在換熱器中最為常見。通常管子有叉排和順排兩種排列方式。影響因素——流體種類、流態(tài)、管徑、管束排列方式、管間距、管束排數(shù)等。2109對流換熱---SCH2、流體橫向沖刷管束時的對流換熱：外掠管束在換熱器中最為常見（1）管束排列方式的影響叉排：換熱系數(shù)大，但流動阻力大.順排：換熱系數(shù)小，但流動阻力小.2209對流換熱---SCH（1）管束排列方式的影響叉排：換熱系數(shù)大，但流動阻力大.22（2）流動方向上管排數(shù)的影響（3）相對節(jié)距的影響

后排管受前排管尾流的擾動作用對平均換熱系數(shù)的影響直到20排以上的管子才能消失。2309對流換熱---SCH（2）流動方向上管排數(shù)的影響（3）相對節(jié)距的影響后排管1）膜狀凝結(jié)：凝結(jié)液體能潤濕壁面，在壁面上鋪展成膜狀，則液膜層是壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。一、凝結(jié)換熱——蒸汽和低于飽和溫度的冷壁面相接觸時會發(fā)生凝結(jié)換熱，放出凝結(jié)潛熱。（如電廠中：凝汽器和回?zé)峒訜崞鲀?nèi)，管外蒸汽與管外壁的換熱）

9-3流體有相變時的對流換熱g1.特點(diǎn)：兩種凝結(jié)方式：根據(jù)凝結(jié)液體依附在壁面上的形態(tài)不同分.2409對流換熱---SCH1）膜狀凝結(jié)：凝結(jié)液體能潤濕壁面，在壁面上鋪展成膜狀，則液膜2509對流換熱---SCH2509對流換熱---SCH2）珠狀凝結(jié)

——凝結(jié)液體不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一個個小液珠，且不斷成長變大，受重力作用而沿壁滾下。由于沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，換熱系數(shù)約為膜狀凝結(jié)的5～10倍，甚至更高。g實現(xiàn)珠狀凝結(jié)的方法：一是在壁面上涂一層油類物質(zhì)，二是在蒸汽中混入油類或脂類物質(zhì)。對紫銅管進(jìn)行表面改性處理，能在實驗室條件下實現(xiàn)連續(xù)的珠狀凝結(jié)，但在工業(yè)換熱器上應(yīng)用，尚待時日。2609對流換熱---SCH2）珠狀凝結(jié)——凝結(jié)液體不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一蒸汽中含有不凝結(jié)氣體（如空氣）時，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響。不凝結(jié)氣體將會在液膜外側(cè)聚集而形成一層氣膜，使熱阻大大增加，從而惡化傳熱。2.影響蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的因素：（2）蒸汽流速和流向的影響蒸汽流動會在汽—液界面上產(chǎn)生摩擦阻力，若蒸汽與液膜流向相同，則會加速液膜的流動，使液膜變薄，傳熱加快。（若u<10m/s時，可不考慮這一影響）（1）蒸汽中含有不凝結(jié)氣體的影響2709對流換熱---SCH蒸汽中含有不凝結(jié)氣體（如空氣）時，即使含量極微，也會對凝結(jié)（3）換熱表面狀況的影響表面粗糙、不清潔、有結(jié)垢和生銹等會使表面液膜增厚，還會產(chǎn)生附加導(dǎo)熱熱阻，使換熱系數(shù)減小。（4）管排方式的影響對單管：橫放比豎放換熱好，因管外液膜短而薄。對管束：當(dāng)管排數(shù)相同時，叉排換熱系數(shù)最大，輻向排列次之，順排最小。2809對流換熱---SCH（3）換熱表面狀況的影響（4）管排方式的影響2809對流換管束的三種排列方式2909對流換熱---SCH管束的三種排列方式2909對流換熱---SCH二、沸騰換熱1.特點(diǎn)：（1）大容器沸騰：加熱面上產(chǎn)生的汽泡能自由上升，并在上升過程中不受液體流動的影響，液體的運(yùn)動只是由自然對流和汽泡擾動引起。（2）主要特點(diǎn)：①汽泡的產(chǎn)生和運(yùn)動；②液體汽化吸收大量的汽化潛熱；③由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。3009對流換熱---SCH二、沸騰換熱1.特點(diǎn)：（2）主要特點(diǎn)：①汽泡的產(chǎn)生和運(yùn)動；②（3）汽化核心：沸騰換熱時加熱面上產(chǎn)生汽泡的地點(diǎn)。汽化核心越多，換熱越強(qiáng)。較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。

3109對流換熱---SCH（3）汽化核心：沸騰換熱時加熱面上產(chǎn)生汽泡的地點(diǎn)。汽化核心越（4）壁面過熱度：壁溫tw與液體相應(yīng)壓力下飽和溫度ts之差。（?t=tw-ts）（5）液體的沸騰曲線：隨壁面過熱度⊿t的增加，沸騰換熱表現(xiàn)出不同的傳熱規(guī)律。表示沸騰換熱的熱流密度q與壁面過熱度⊿t之間的變化關(guān)系曲線，稱為沸騰曲線。3209對流換熱---SCH（4）壁面過熱度：壁溫tw與液體相應(yīng)壓力下飽和溫度ts之差。沸騰換熱過程演示3309對流換熱---SCH沸騰換熱過程演示3309對流換熱---SCH3.臨界熱負(fù)荷（C——燒毀點(diǎn)）：臨界點(diǎn)：由泡態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C。臨界熱負(fù)荷（qc）：臨界點(diǎn)時的熱流密度。如水在1atm下，qc=1.25×106W/m2。沸騰換熱設(shè)備的設(shè)計和運(yùn)行都必須控制q<qc，沸騰換熱設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)的工作區(qū)為泡態(tài)沸騰區(qū)。2.大容器沸騰換熱的三個階段：根據(jù)壁面過熱度不同，分為自然對流、泡態(tài)（核態(tài)）沸騰和膜態(tài)沸騰三個階段。3409對流換熱---SCH3.臨界熱負(fù)荷（C——燒毀點(diǎn)）：臨界點(diǎn)：由泡態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)爐內(nèi)高熱負(fù)荷區(qū)水冷壁沸騰換熱的強(qiáng)化3509對流換熱---SCH爐內(nèi)高熱負(fù)荷區(qū)水冷壁沸騰換熱的強(qiáng)化3509對流換熱---S各種對流換熱比較液體對流換熱比氣體強(qiáng)；對同一種流體，強(qiáng)制對流換熱比自然對流換熱強(qiáng)；紊流換熱比層流換熱強(qiáng)；橫向沖刷比縱向沖刷強(qiáng)；有相變的對流換熱比無相變換熱強(qiáng)。

表9-5各種對流換熱平均換熱系數(shù)的大致范圍換熱系數(shù)α[w/(m2.K)]換熱系數(shù)α[w/(m2.K)]空氣自然對流5