第九章 对流传热

1、第九章 对流传热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: th t h tw1 tw2 t c tc 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1、由牛顿1702年提出，是用于对流换热量的计算公式。 或或 : 热流量，W；A : 换热面积，m2；h : 表面传热系数，W/（m2 K）；t : 对流换热温差， t=tw-tf，;R

2、W : 对流换热热阻， RW =1/hA，K/W;R : 单位面积对流换热热阻， R =1/h，m2 K/Wtf流体平均温度thAW1RthAt表明：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。 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

3、相变5.换热表面的几何因素 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cp 热导率 、 cp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。 ARW4.流体有无相变有相变时的表

4、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 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 ,VplctvfhGrPrRefNu,将各影响因素经过分析组成若干个无因次

5、准数 表9-2 准数的符号和含义hl223Vtlgpcvl其中其中 t流体与壁面之间温度差，流体与壁面之间温度差，；l换热器换热表面的换热器换热表面的特征尺寸特征尺寸，如管内径、外径或平板高度等，如管内径、外径或平板高度等，m；mV1T V流体的流体的体积膨胀系数体积膨胀系数，K-1，对于理想气体：，对于理想气体：Tm理想气体的理想气体的定性温度定性温度，K。由由对对自然对流自然对流其指数函数形式为其指数函数形式为 上式称为上式称为准则关联式准则关联式，其中，其中C、m、n为常数，均由不为常数，均由不同情况时的具体条件进行实验测定后，再由该式计算表面同情况时的具体条件进行实验测定后，再由该式计

6、算表面传热系数传热系数h。GrPrRefNu,(Pr,)NufGr(Re,Pr)Nuf对对强制对流强制对流升力的影响较大，升力的影响较大，Re的影响可忽略的影响可忽略 nmPrCReNu 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 膜状凝结膜状凝结1.蒸汽凝结的两种方式蒸汽凝结的两种方式珠状凝结珠状凝结 一、

7、凝结换热一、凝结换热 高强度换热高强度换热 蒸汽蒸汽和低于相应压力下饱和温度的和低于相应压力下饱和温度的冷壁面冷壁面相接触相接触时，就会放出汽化潜热，时，就会放出汽化潜热，凝结成液体凝结成液体附着在壁面上。附着在壁面上。此现象即为此现象即为凝结换热凝结换热。 如果如果凝结液凝结液能够能够很好地润湿壁面很好地润湿壁面，就会在壁面上，就会在壁面上形成连续的液体膜形成连续的液体膜，这种凝结形式称为，这种凝结形式称为膜状凝结膜状凝结。 膜状凝结的表面传热系数主要取膜状凝结的表面传热系数主要取决于决于凝结液的性质凝结液的性质和和液膜的厚度液膜的厚度。 膜状凝结膜状凝结液膜越厚，其热阻越大，液膜越厚，其热

8、阻越大，表面传热系数也越小表面传热系数也越小 蒸汽凝结潜热以蒸汽凝结潜热以导热导热的方式通过液膜到达壁面，的方式通过液膜到达壁面，液膜液膜几乎集中了凝结换热的全部热阻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。工业冷凝器的设计均以膜状凝结换热为计算依据。 冷壁冷壁 珠状凝结珠状凝结 如果如果凝结液不能很好地润湿壁面凝结液不能很好地润湿壁面，则因表面张力的，则因表面张力的作用将凝结液在壁面上作用将凝结液在壁面上集聚为许多小液珠集聚为许多小液珠，并，并随机地沿随机地沿壁面落下壁面落下，这种凝结称为，这种凝结称为珠状凝结珠状凝结。 其其表面传热系数表面传热系数远比膜远

9、比膜状凝结时的大，有时大到几倍甚状凝结时的大，有时大到几倍甚至几十倍至几十倍 。 珠状凝结时蒸汽不必通过液珠状凝结时蒸汽不必通过液膜的附加热阻，而直接在传膜的附加热阻，而直接在传热面上凝结热面上凝结 ( c ) 珠 状 凝 结 （1 1）蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向 3. 3.影响蒸汽凝结换热的因素影响蒸汽凝结换热的因素 蒸汽流速较大（介于蒸汽流速较大（介于101025m/s25m/s）时，若蒸汽与液膜流动）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。方向相反时，液膜将

10、减速增厚，表面传热系数减小。 以水蒸气膜状凝结为例，一般认为以水蒸气膜状凝结为例，一般认为: : 蒸汽蒸汽流速小于流速小于10m/s10m/s时，流速对传热影响很小，可时，流速对传热影响很小，可忽略不计忽略不计。 蒸汽流速很大（大于蒸汽流速很大（大于25m/s25m/s）时，将会把液膜吹离表面，不）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。论流向如何，都会使表面传热系数增大。 （2 2）蒸汽中含有不凝性气体蒸汽中含有不凝性气体 如空气、氮气等，即使含量极微，也会对凝结换热如空气、氮气等，即使含量极微，也会对凝结换热产生产生十分有害十分有害的影响的影响 。排除不凝结气体是保证

11、制冷系。排除不凝结气体是保证制冷系统冷凝器正常运行的关键。统冷凝器正常运行的关键。 （3 3）过热蒸汽过热蒸汽 如水蒸气中含有如水蒸气中含有1 1的空的空气能使凝结表面传热系数气能使凝结表面传热系数降低降低6060实验研究表明，水蒸气的过热度对凝结传热实验研究表明，水蒸气的过热度对凝结传热影响不大影响不大。 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。饱和蒸汽处理。 （4 4）表面情况的影响表面情况的影响 冷凝器凝结壁面冷凝器凝结壁面光滑、清洁光滑、清洁、无油垢无油垢，有利于提高，有利于提高表面传热系数表面传热系数 。 （5 5）凝

12、结壁面的形状及位置凝结壁面的形状及位置 对对一根管子一根管子而言，在其它条而言，在其它条件相同的情况下，件相同的情况下，水平放置水平放置时的时的换热远比竖直放置时的换热效果换热远比竖直放置时的换热效果好。好。 在竖直管冷凝器上设置有在竖直管冷凝器上设置有疏液装置疏液装置 。 对于对于水平管束水平管束，为了减，为了减薄下面管排上液膜的厚度薄下面管排上液膜的厚度，一般要，一般要减少竖直列上的减少竖直列上的管子数目管子数目，或者，或者将管子的将管子的排列旋转一定的角度排列旋转一定的角度，使，使得凝结液沿下一根管子的得凝结液沿下一根管子的切线方向流过。切线方向流过。 二、沸腾换热二、沸腾换热 大容器沸

13、腾大容器沸腾 1.1.液体沸腾的分类液体沸腾的分类 指加热面被浸在指加热面被浸在没有强制对流没有强制对流的液体中所发生的沸腾现象。的液体中所发生的沸腾现象。 指指液体受热沸腾液体受热沸腾过程中过程中与固体壁面间的换热与固体壁面间的换热现象。现象。 （1 1）大容器沸腾和管内沸腾）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，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。另一方面又存在着因汽泡运动所导致的液体运动。 是液体是液体在一定压差作用下在一定压差作用下，以一定的流速流经加热管时所，以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象，

14、又称为发生的沸腾现象，又称为强制对流沸腾强制对流沸腾。 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，出现了一起流动的，出现了复杂的气液两相流动复杂的气液两相流动。 管内沸腾管内沸腾 （2 2）过冷沸腾和饱和沸腾）过冷沸腾和饱和沸腾 当当液体主体温度低于相应压力下的饱和温度，而加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热面温度又高于饱和温度时，将产生，将产生过冷沸腾过冷沸腾。 过冷沸腾过冷沸腾 此时，在加热面上产生的汽泡

15、将在液体主体重新凝此时，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结，热量的传递是通过这种汽化汽化凝结凝结的过程实现的。的过程实现的。 饱和沸腾饱和沸腾 当液体主体的温度达到其相应压力下的饱和温度时，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。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.大容器沸腾换热大容器沸腾换热沸腾温差沸腾温差 t : 对流沸腾对流沸腾 （1）大容器饱和沸腾曲线）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以常压下水在金属表面上沸腾的实验为例: AB段段，常压下，常压下 t5，

16、q、h随随 t缓慢增加缓慢增加。壁面温度壁面温度tw与液体饱和温度与液体饱和温度ts之差之差。沸腾温差的量变会引起沸沸腾温差的量变会引起沸腾换热机理的质变腾换热机理的质变 q较低，即使壁面上产生了汽较低，即使壁面上产生了汽泡也不能脱离上浮。其换热过程符泡也不能脱离上浮。其换热过程符合合无相变的对流换热规律无相变的对流换热规律。 泡态沸腾泡态沸腾 膜态沸腾膜态沸腾 BC段，段， t 525，有大量汽泡在壁面上迅速生长，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，使和激烈运动，强烈扰动周围液体，使h和和q都显著增大都显著增大，且且h达到峰值；达到峰值； BC段的沸腾换热主要取决于汽泡的生成和运动段的沸腾换热主要取决于汽泡的生成和运动 。 C点以后，点以后， t25， 不稳定膜态沸腾不稳定膜态沸腾 稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾 DE段段 ，壁面全部被一层，壁面全部被一层稳定的汽膜稳定的汽膜所覆盖，这时汽所覆盖，这时汽化只能在膜的汽液交界上进行，以后化只能在膜的汽液交界上进行，以后h随随 t的增加的增加基本不基本不变变，而，而q又开始又开始随随 t的增加