对流换热PPT课件

1、1 2.2 对流换热 2.2.1 对流换热基本概念 对流传热与对流换热 对流传热：在流体内部依靠流体的宏观位移将热量从高温处传向低温处 对流换热：流体与固体之间接触时彼此之间的换热过程。 对流换热与对流传热的区别 传热的方式不同：对流换热包括流体位移时的对流传热，也包括传导 2 ）必须有流体的宏观运动，必须有温差； ）对流换热既有热对流，也有热传导； ）流体与壁面必须有直接接触； ）没有热量形式之间的转化。 对流换热的特点对流换热的特点 3 l对流换热影响 因素 1 1、流动起因、流动起因 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产

2、生的 流动流动 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流 动动( (流体做强制运动时也会发生自由运动流体做强制运动时也会发生自由运动) ) 强制自然 4 流体流动状态流体流动状态 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线,主要依靠流体传导，与流体流动速 度无关； 湍流：流体质点做复杂无规则的运动, 依靠传导和对流，与边界层热阻有 关，运动速度越大，越大。 层流湍流 5 流体物理性质： 流体密度、比热越大，热流量越大； 导热系数大的流体，热阻小，热流量越大； 流体粘度大，边界层厚度大，热流量越小。 导热系数导热系数 W (m) K 密

3、度密度 mkg 3 比热容比热容 J (kg) cK 动力粘度动力粘度 msN 2 运动粘度运动粘度 2 msv 体胀系数体胀系数 K1 11 pp TT 单位温升所引起的体积变单位温升所引起的体积变 化率化率 6 4 4、固体壁面的形状和位置。 几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面于流体运动方向的相对位置几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面于流体运动方向的相对位置 以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。影响流体在壁面上的流态、速度分以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。影响流体在壁面上的流态、速度分 布、温度分布。布、温度分布。 流体与壁的相对位置 几何布置对流动的影响 7 n流体有无相变

4、单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 单相相变 8 2.2.2对流换热基本定律 牛顿冷却定律 换热的热流q与 流体和固体壁面之间温度差成正比。 即：q=(t(tw w-t-tf f) w/m) w/m2 2 的意义： 表示单位时间内，当流体与固体壁面之间温度差为1时， 通过单位面积的热量。 计算中，将影响q的全部因素归结到，使计算公式简化。 即： =f(,l1,l2,l3,u,tw,tf) 9 冬天房间内的空气温度16，墙外空气0，内外空气对流 换热系数为8 W/m2 ，墙厚50cm，面积12m2，导热系 数= 2.0W/m，求散热量 tair1 ts1 ts2 tair2 1

5、0 解 )(384)016( 8/45.0 122 2 1 )( 2 1 )( )( 2)()( )()( 2112 21 21 21 2121 22 12 11 W d tt d A d tt A d tt tt d tt AttttA ttA d tt AttA airairss airair ss ss ssairair airs ss sair 11 流体流过固体壁面时，由于壁面层流体分子的不滑移特性不滑移特性，在流体黏性力 的作用下，近壁流体流速在垂直于壁面的方向上会从壁面处的零速度逐步变化从壁面处的零速度逐步变化 到来流速度到来流速度。 tw t u t t 0 x 2.2.3边界

6、层概述 1.速度边界层 l 定义 在厚度为的一薄层内，流体的流速，从壁面上的0增加到壁面y= 时的接近主流速度。这一厚度 为的薄层成为速度边界层 12 l流动边界层内流态 随着x的增大，（x）也逐步增大，同时黏性力对流场的控制作用也逐步减 弱，从而使边界层内的流动变得紊乱。 把边界层从层流过渡到紊流的x值称为临界值，记为xc，其所对应的雷诺数称 为临界雷诺数，即 cc xuRe 13 流体平行流过平板的流过平板的临界雷诺数临界雷诺数大约是 5 105Re c 流体在圆管内流动圆管内流动的临界雷诺临界雷诺 数数大约是 100002300Re c 14 l 边界层厚度 当速度变化达到当速度变化达到

7、u/u=0.99时的空间位置为速度边界层的外边缘，那么时的空间位置为速度边界层的外边缘，那么 从这一点到壁面的距离就是边界层的厚度从这一点到壁面的距离就是边界层的厚度(x) 【例】空气外掠平板，u=10m/s： mm5.2 ;mm8.1 200 100 mmx mmx 对于低黏度的流体，如水和空气等，在以较大的流速流过固体壁面时， 在壁面上流体速度发生显著变化的流体层是非常薄的在壁面上流体速度发生显著变化的流体层是非常薄的。 15 流体在平壁上作稳定流动时，边界层厚度 x xRe 64.4 x x Re 平壁上湍流边界层厚度 51 Re 376.0 x x tu 16 平壁上湍流边界层中层流底

8、层厚度 7.0 Re 194 x tu b 液体在管道中流动时，湍流边界层中层流底层厚度 87 Re 5.63 d d b 17 2 .热（温度）边界层 1）定义 当流体流过平板而平板的温度tw与来流流体的温度t不相等时，在 壁面上壁面上 方也能形成温度梯度发生显著变化的薄层方也能形成温度梯度发生显著变化的薄层，常称为，常称为热边界层热边界层。 Tw 18 2 2）热边界层厚度）热边界层厚度 当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时， 即 ，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间 的距离则是热边界层的厚度热边界层的厚度,记为t(x) 99.0)/()( tttt w

9、w 湍流：温度呈幂函数分布 层流：温度呈抛物线分布 层流湍流 31 Pr 026.1 1 t 19 【例例 】压力为大气压的压力为大气压的2020的空气，纵向流过一块长的空气，纵向流过一块长 320mm320mm，温度为，温度为40 40 的平板，流速为的平板，流速为10m/s10m/s，求；离板前，求；离板前 缘缘50mm, 100mm50mm, 100mm，150mm150mm，200mm200mm，250mm250mm，300mm300mm， 350mm350mm，400mm400mm处的流动边界层和热边界层的厚度。处的流动边界层和热边界层的厚度。 20 解：空气的物性参数按板表面温度和

10、空气温度的平均值解：空气的物性参数按板表面温度和空气温度的平均值30 30 确确 定。定。3030时空气的时空气的 =16=161010-6 -6m m2 2/s, Pr=0.701/s, Pr=0.701。对长为。对长为 400mm400mm的平板而言：的平板而言： 5 6 100.32 R e2.010 1610 ul v 这一这一ReRe数位于层流范围内，其流动边界层的厚度计算为：数位于层流范围内，其流动边界层的厚度计算为： 62 / 11 3 22 1610 4.644.64 10/ 6.36100.0636 s vxm x ums mxcmx 21 热边界层的厚度计算热边界层的厚度计

11、算 33 1 .1 3 P r0 .7 0 1 t 及及 t t 计算结果示于图计算结果示于图 22 小结小结 边界层的特点 边界层厚度、t t与壁面尺寸相比是很小的量，而、t t认为是 同一数量级的量； 边界层内速度梯度和温度梯度很大； 引入边界层概念后，流动区域可分为边界层区和主流区，主流区 可认为是理想流体的流动； 边界层内也有层流与湍流两种状态。湍流边界层分为层流底层、 缓冲层与湍流核心层。层流底层内的速度梯度与温度梯度远大于 核心层。 在层流边界层与层流底层内，垂直于壁面方向上的热量主要依靠 导热，湍流边界层的主要热阻在层流底层。 23 小结小结 边界层概念的意义 缩小计算区域，可将

12、对对流换热问题的研究集中于边界层区 域内； 边界层内的流动和换热可利用边界层的特点进一步简化。 24 2.2.4对流换热微分方程组 l 换热微分方程 微元面积dF上换热的微分形式： tdFdFttadQ wf 紧挨壁面的流体边界层内，热量传递靠导热： dF n t dQ n0 0 n n t t 25 l 流体导热微分方程 ta t 2 dz z t dy y t dx x t d t dt d dz z t d dy y t d dx x tt d dt yyx z t y t x tt d dt yyx z t y t x tt ta 2 26 0 div zyx z y x 2 grad

13、pg d D 0n n t t yyx z t y t x tt ta 2 27 0y t ty 前面4个方程求出温度场之后，可以利用对流换热的微分方程式： 计算当地对流换热系数计算当地对流换热系数 x 4 4个方程，个方程，4 4个未知量个未知量 可求得速度场可求得速度场(u,v)(u,v)和温度场和温度场(t)(t)以及以及 压力场压力场(p), (p), 既适用于层流，也适用于湍流（瞬时值）既适用于层流，也适用于湍流（瞬时值） 28 对流换热定解条件对流换热定解条件 定解条件定解条件：能单值地反映对流换热过程特点的条件能单值地反映对流换热过程特点的条件 完整数学描述完整数学描述：对流换热

14、微分方程组：对流换热微分方程组 + + 定解条件定解条件 定解条件包括四项：定解条件包括四项：几何、物理、时间、边界几何、物理、时间、边界 1 1、几何条件、几何条件：说明对流换热过程中的几何形状和大小，平板、圆管；竖直圆说明对流换热过程中的几何形状和大小，平板、圆管；竖直圆 管、水平圆管；长度、直径等管、水平圆管；长度、直径等 2 2、物理条件：、物理条件：说明对流换热过程的物理特征，如：物性参数说明对流换热过程的物理特征，如：物性参数 、 、c c 和和 的数值，是否随温度的数值，是否随温度 和压力变化；有无内热源、大小和分布和压力变化；有无内热源、大小和分布 29 3 3、时间条件、时间

15、条件：说明在时间上对流换热过程的特点说明在时间上对流换热过程的特点 稳态对流换热过程不需要时间条件稳态对流换热过程不需要时间条件 与时间无关与时间无关 、边界条件：、边界条件：说明对流换热过程的边界特点，说明对流换热过程的边界特点， 边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件边界条件可分为二类：第一类、第二类边界条件 （1 1）第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过）第一类边界条件：已知任一瞬间对流换热过 程边界上的温度值程边界上的温度值 （2 2）第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过）第二类边界条件：已知任一瞬间对流换热过 程边界上的热流密度值程边界上的热流密度值 30 相似概念： （A）

16、几何相似 （B）物理量的分布相似 （C）物理现象相似 相似 相似 2.2.5对流换热过程的相似 31 （）流体力学相似： 欧拉准数 表示意义：流体静压头与动压头之比 雷诺准数 表示意义：表示流体惯性力与粘滞阻力之比 葛拉晓夫准数 表示意义：流体浮升力与粘滞阻力之比 2 p Eu l Re 2 33 ltg Gr 相似准数 准数：具有一定物理意义的无因次数群。 （）几何相似：两个系统对应边成比例，对应角相等 32 （）热力学相似 l 普朗特数 a Pr PrPr数的物理意义：表征热边界层与流动边界层的相对厚度，反映了流体中数的物理意义：表征热边界层与流动边界层的相对厚度，反映了流体中 动量扩散与

17、热扩散能力的对比。动量扩散与热扩散能力的对比。 当当Pr1Pr1时，时，Pr=/aPr=/a，aa，粘性扩散，粘性扩散 热量扩散，速度边界层厚度热量扩散，速度边界层厚度 温温 度边界层厚度。度边界层厚度。 当当Pr1Pr1时，时，Pr=/aPr=/a，aa，粘性扩散，粘性扩散 热量扩散，速度边界层厚度热量扩散，速度边界层厚度 温温 度边界层厚度。度边界层厚度。 反映流体中由于分子运动而扩散动量的能力，能力越大，黏性反映流体中由于分子运动而扩散动量的能力，能力越大，黏性 影响传递地越远，流动边界层越厚影响传递地越远，流动边界层越厚 33 l 努谢特数 hL Nu 努谢特数定义：在壁面法线上流体无

18、量纲温度梯度 Nu反映了给定流场的换热能力与其导热能力的对比关系。这是一个在对 流换热计算中必须要加以确定的特征数，为待定特征数 34 对流换热准数方程 =f(,l1,l2,l3,u,tw,tf) 即 Nu=AReaPrbGrc 或： Nu=f(Re,Pr,Gr) 35 几种特殊情况： （）流体强制流动：自然对流可以忽略，即Gr=0 Nu=f(Re,Pr) 流体种类已知：Pr为常数，即Nu=f(Re) （）流体自然流动：Re可忽略， Nu=f(Gr,Pr) 流体种类已知：Pr为常数，即Nu=f(Gr) 36 1定性温度和定性尺寸 （）定性温度：决定准数中物理参数值的温度。 常用定性温度: 流体

19、与 固体壁平均温度； 固体壁面温度; 流体平均温度. （）定性尺寸：对流体流动有决定意义的壁面与流体接触 的几何尺寸。 常见定性尺寸： 流体在管道中流动管道直径或当量直径； 横向掠过单管或管道族管道外径； 纵向掠过单管或管道族管道流动方向的长度。 37 自然对流的准数方程： ),( rru PGfN 幂函数形式： n rru PGcN),( 1)1)垂直平壁： Gr.Pr=104 109 4 1 ),(59.0 rru PGN 层流 3 1 ),(12.0 rru PGN 紊流 Gr.Pr=109 1013 定性温度为边界层平均温度；定性尺寸为高度。 2.2.6流体自然对流换热 l无限空间中的

20、自然对流换热 38 2)2)水平圆筒： Gr.Pr=104 109 Gr.Pr=109 1012 4 1 ),(53.0 rru PGN 层流 3 1 ),(13.0 rru PGN 紊流 3)3)经验公式： 23.0 )( aw ttK 在垂直壁面上K=2.56；在水平壁面上(热面向上)K=3.26； 在水平壁面上(热面向下)K=1.63。 定性温度为边界层平均温度；定性尺寸为外径。 39 例： 有一根水平放置的高压水蒸气管道，绝热层外径d为583mm，外壁温 度tw=48，周围空气温度tf=23，试计算每米蒸汽管道上通过自然 对流的散热量 1、判定流态：Gr.Pr 2、根据公式 计算换热系

21、数 3、计算对流散热量。 n rru PGCN),( 40 l有限空间中的自然对流换热 tq e （W/m2） e-_当量导热系数 通常把e与导热系数的比值整理成如下关系 Nu e 意义相当于两壁间对流换热的Nu，值见表2-7公式 41 2.2.7流体强制流动时的对流换热 l流体在管内流动时的换热 1.湍流时的对流换热 对于管内对流强制对流，Dittus-Boelter公式： n f f e RPr023.0Nu 8.0 f 加热流体时，n=0.4，冷却流体时，n=0.3。适用于流体与壁面之间有中等一下温差的场合。 温差超过上述幅度，则用公式： 25.0 43.08.0 f Pr Pr Pr0

22、21.0Nu w f f f e R Prw用壁温做定性温度，管内径为定性尺寸。适用于 Ref=1045106，Pr=0.62500 42 对于短管（l/d50),管长将成为换热不可忽视的因素。 d l fPr,Re,Nu 对于粗糙管： 8 Pr PrRe 32 f c Nu St mp 用此式算出来的对流换热系数比实际高 43 l层流和过渡流时的对流换热 1.1.流体在圆管内层流流动 14.03133.0 u )()()Pr(Re86.1N f w f l d ff 适用条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。 Ref0.6，RefPrf(d/l)10 对于Ref=23001000

23、0的过渡流动状态， 14.032 33.0 u )()(1Pr125Re116.0N f w f l d ff 44 【例】 某换热器中，冷却水以2m/s的流速流过直径d=20mm的长管， 已知管内壁平均温度为80，欲将水从进口处的20加热到 出口处的50，试计算对流换热表面传热系数和所需管长。 45 2.2.流体掠过平板紊流流动 3/18.0 Pr)850Re037.0( mmm u N 适用条件：5105Re107；Prf=0.550； 定性温度为边界层平均温度，.定性尺寸为板长。 46 3.流体掠过平板层流流动 3/12/1 Re664.0 mmm r PNu 适用条件：Re1；定性温度

24、为边界层平均温度， 定性尺寸为板长 4.流体外掠单管 3/1 Re fff r n PcNu 适用条件：定性温度为流体温度，定性尺寸为单管外径， c、n与Re有关的实验常数。 47 l流体受迫横掠圆管时的对流换热 1000Re1 Pr Pr Re5.043.0 25.0 3/1 5.0 f w f rf ff PNu 5 25.0 38.0 6.0 102Re1000 Pr Pr PrRe25.0 f w f fff Nu 定性尺寸为管外径 1、单管 48 2、管簇 z p w fmn x x CNu f ff 2 1 25.0 Pr Pr PrRe 当排数大于10时，管束的换热系数由表2-1

25、1求 当流体横向掠过管面的冲击角小于90时，换热系数要减小： 90 49 3、流体沿平壁表面流动时的对流换热 当Ref105时 25.0 43.08.0 Pr Pr PrRe037.0 w f f ff Nu 当Ref105时 25.0 43.05.0 Pr Pr PrRe068.0 w f f ff Nu 50 例 某锅炉厂生产的 220t/h 锅炉的低温段管式空气预热器的设计参数 为：顺排布置， s1 = 76mm , s 2 = 57mm , 管子外径 d 0 = 38mm ，壁厚 = 1.5mm ；空气横向冲刷管束，在空气平均温 度为 133 时管间最大流速 u 1,max=6.03m

26、 /s ，空气流动方向 上的总管排数为 44 排。设管壁平均温度 t w=165 ，求管束 与空气间的对流换热系数。如将管束改为叉排，其余条件不变， 对流换热系数增加多少？ 51 解：（ 1 ）计算 Re f,max 由定性温度 t f = 133 查附录，得空气的物性值为： f =0.344W/(m ) f =27.0 10 -6 m 2 /s Pr f =0.684 由 t w = 165 查得 Pr w =0.682 。 于是 Re f,max = =8487 52 （ 2 ）求顺排时的对流换热系数 h f =0.27 8487 0.63 0.684 0.38 1 1 解得对流换热系数为

27、 h f =63.66W/(m2 ) 53 （ 3 ）求叉排时的对流换热系数 代入数据得： =0.35 8487 0.60 0.684 0.38 1 1 解得叉排时的对流换热系数为 h f =66.64 W/(m2 ) 54 2.2.8 沸腾与凝结换热 l沸腾换热 1.大容器沸腾 1）表面蒸发 2）泡状沸腾 3）膜状沸腾 对泡状沸腾， 采用经验公式： vl sf lwp gr q C r ttc 7.1 Pr 55 2.管内沸腾 551.1/ 3 54.2 p et 单相流单相流 泡状流泡状流 块状流块状流 环状流环状流 单相流单相流 不发生气化，对流换热不发生气化，对流换热 液体达到饱和，发

28、生气化液体达到饱和，发生气化 小气泡变成大气泡小气泡变成大气泡 管中心形成气芯管中心形成气芯 56 l凝结换热 l 对于垂直壁，层流（Ref1800）时膜状凝结换热方程： 31 0 Re47.1 f C l 对于横管，层流（Ref1800时,层流变成湍流，膜状凝结换热方程： 31 0 Re51.1 f C 31 3 2 0 g C v 57 当液膜宽度为 l 时，润湿周边 U=l，截面积 f=l ， 则de=4 m f 4 Re mws rHst r ttH ws f 4 Re 58 4 4、固体壁面的形状和位置。 几何因素指换热表面的形状、大小、换热表面于流体运动方向的相对位置几何因素指换热

29、表面的形状、大小、换热表面于流体运动方向的相对位置 以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。影响流体在壁面上的流态、速度分以及换热表面的状态（光滑或粗糙）。影响流体在壁面上的流态、速度分 布、温度分布。布、温度分布。 流体与壁的相对位置 几何布置对流动的影响 59 l流动边界层内流态 随着x的增大，（x）也逐步增大，同时黏性力对流场的控制作用也逐步减 弱，从而使边界层内的流动变得紊乱。 把边界层从层流过渡到紊流的x值称为临界值，记为xc，其所对应的雷诺数称 为临界雷诺数，即 cc xuRe 60 平壁上湍流边界层中层流底层厚度 7.0 Re 194 x tu b 液体在管道中流动时，湍流边界层中层流底层厚度 87 Re 5.63 d d b 61 【例例 】压力为大气压的压力为大气压的2020的空气，纵向流过一块长的空气，纵向流过一块长 320mm320mm，温度为，温度为40 40 的