传热学对流换热

第九章对流换热第二篇传热学109对流换热---SCH第九章对流换热第二篇传热学109对流换热---SC●

对流换热：是指流体流经固体壁面时，由于存在温差而发生的流体与固体壁面间的热量传递现象。●

热对流：流体中温度不同的各部分间发生宏观的相对位移时所引起的热量传递现象。（是三种基本热传递方式之一）209对流换热---SCH●对流换热：是指流体流经固体壁面时，由于●热对流：流体中电厂中对流换热现象蒸汽烟气烟气309对流换热---SCH电厂中对流换热现象蒸烟气烟气309对流换热---SCH生活中对流换热现象409对流换热---SCH生活中对流换热现象409对流换热---SCH本章主要内容对流换热概述流体无相变时的对流换热流体有相变时的对流换热509对流换热---SCH本章主要内容对流换热概述509对流换热---SCH自然界普遍存在对流换热现象，它比导热更复杂。到目前为止，对流换热问题的研究还很不充分:(a)某些方面还处在积累实验数据的阶段；

(b)某些方面研究比较详细，但由于数学上的困难，使得在工程上可应用的公式大多数还是经验公式（实验结果）。9-1对流换热概述609对流换热---SCH自然界普遍存在对流换热现象，它比导热更复杂。9-1对流换热1.对流换热与热对流不同，它是导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；2.必须有直接接触（流体与壁面间）和宏观运动；也必须有温差；3.由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。一、对流换热的特点：utftw

A709对流换热---SCH1.对流换热与热对流不同，它是导热与热对流同时存在的复杂热传二、速度（流动）边界层:1.流体的粘性及两种流态：层流：流速较小，流线相互平行，互不干扰，流体平行于流道流动。紊流：流速较大，各流线间相互交错和干扰，流体各部分运动不规则。（又称“湍流”）809对流换热---SCH二、速度（流动）边界层:1.流体的粘性及两种流态：809对909对流换热---SCH909对流换热---SCH流态的判别——雷诺数Re实验表明，流体的流态是由多方面因素决定的：流速u能引起流动状态改变，而且壁面几何尺寸l、流体的粘度μ和密度ρ也会影响流态。把这些影响因素组合成一个无量纲数——雷诺数Re。对圆管内流动：Re≤2200层流区

2200<Re<104过渡区Re≥104

紊流区

1009对流换热---SCH流态的判别——雷诺数Re实验表明，流体的流态是由多方面因素决2.速度（流动）边界层：（1）定义：紧贴固体壁面流速发生明显变化的流体薄层。通常将由壁面（流速为0）起沿垂直壁面的方向到主流速度uf的99%处的距离，称为速度边界层厚度，用δ表示。沿平板流动的速度边界层发展

层流边界层紊流边界层层流底层边界层界限ufufxyuf1109对流换热---SCH2.速度（流动）边界层：（1）定义：紧贴固体壁面流速发生明显（2）速度边界层特点：速度边界层显示出粘性对流动的影响，速度边界层厚度δ与壁面尺寸l相比是极小量，只有几毫米厚；边界层流态分层流和紊流，而紊流边界层有层流底层；层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热，换热较弱；紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区主要依靠热对流作用传热，热阻较小，换热较强。总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用1209对流换热---SCH（2）速度边界层特点：速度边界层显示出粘性对流动的影响，速度三、对流换热的计算公式——牛顿冷却公式：

α——对流换热系数，它是对流换热强弱的标志，单位为W/(m2.K)。单位换热面积的对流换热热阻：1309对流换热---SCH三、对流换热的计算公式——牛顿冷却公式：α——对流换四、影响对流换热的因素：1.流体流动产生的原因2.流体流动的状态强制对流自然对流流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。外力（如泵与风机）迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动，流速是决定因素。无流体微团的横向脉动，法线方向为导热。层流紊流有流体微团的横向脉动，主要靠热对流方式传热。3.流体的热物理性质——如热导率、比热容c、动力粘度、密度等。1409对流换热---SCH四、影响对流换热的因素：1.流体流动产生的原因2.流体流动的4.流体有无相变发生有相变无相变如壁温高于流体饱和温度时，发生汽化沸腾现象。对流换热系数比有相变时小得多。5.换热壁面的几何因素——换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引起换热系数的变化。影响对流换热的主要因素可用函数形式表示为：1509对流换热---SCH4.流体有无相变发生有相变无相变如壁温高于流体饱和温度时，对流换热分类1609对流换热---SCH对流换热分类1609对流换热---SCH9-2流体无相变时的对流换热一、流体在管内强制对流换热

电厂中这种换热很常见：换热设备（过热器、凝汽器等）中管内流体与管壁的换热。1709对流换热---SCH9-2流体无相变时的对流换热一、流体在管内强制对流换热1主要影响因素：

——流体种类、流态、管径（a）层流（b）紊流1809对流换热---SCH主要影响因素：（a）层流弯曲管道流动情况示意图弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由于离心力的作用会形成垂直于流动方向的二次环流，从而加强流体的扰动，带来换热的增强。（如螺旋管与蛇形管）其他影响因素：

——弯管、入口效应、换热温差等1909对流换热---SCH弯曲管道流动情况示意图弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由于离二、流体在管外横掠圆管时的对流换热电厂中各种换热设备（过热器、省煤器等）管外流体与管壁的换热。1、流体横向冲刷单管时的对流换热：横向冲刷：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。(管面上形成边界层，还会发生绕流分离现象)2009对流换热---SCH二、流体在管外横掠圆管时的对流换热电厂中各种换热设备（过热器2、流体横向冲刷管束时的对流换热：外掠管束在换热器中最为常见。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。影响因素——流体种类、流态、管径、管束排列方式、管间距、管束排数等。2109对流换热---SCH2、流体横向冲刷管束时的对流换热：外掠管束在换热器中最为常见（1）管束排列方式的影响叉排：换热系数大，但流动阻力大.顺排：换热系数小，但流动阻力小.2209对流换热---SCH（1）管束排列方式的影响叉排：换热系数大，但流动阻力大.22（2）流动方向上管排数的影响（3）相对节距的影响

后排管受前排管尾流的扰动作用对平均换热系数的影响直到20排以上的管子才能消失。2309对流换热---SCH（2）流动方向上管排数的影响（3）相对节距的影响后排管1）膜状凝结：凝结液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜状，则液膜层是壁面与蒸汽间传热的主要热阻。一、凝结换热——蒸汽和低于饱和温度的冷壁面相接触时会发生凝结换热，放出凝结潜热。（如电厂中：凝汽器和回热加热器内，管外蒸汽与管外壁的换热）

9-3流体有相变时的对流换热g1.特点：两种凝结方式：根据凝结液体依附在壁面上的形态不同分.2409对流换热---SCH1）膜状凝结：凝结液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜状，则液膜2509对流换热---SCH2509对流换热---SCH2）珠状凝结

——凝结液体不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液珠，且不断成长变大，受重力作用而沿壁滚下。由于没有完整液膜的阻碍，热阻很小，换热系数约为膜状凝结的5～10倍，甚至更高。g实现珠状凝结的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连续的珠状凝结，但在工业换热器上应用，尚待时日。2609对流换热---SCH2）珠状凝结——凝结液体不能完全润湿壁面，在壁面上形成一蒸汽中含有不凝结气体（如空气）时，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分有害的影响。不凝结气体将会在液膜外侧聚集而形成一层气膜，使热阻大大增加，从而恶化传热。2.影响蒸汽膜状凝结换热的因素：（2）蒸汽流速和流向的影响蒸汽流动会在汽—液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜变薄，传热加快。（若u<10m/s时，可不考虑这一影响）（1）蒸汽中含有不凝结气体的影响2709对流换热---SCH蒸汽中含有不凝结气体（如空气）时，即使含量极微，也会对凝结（3）换热表面状况的影响表面粗糙、不清洁、有结垢和生锈等会使表面液膜增厚，还会产生附加导热热阻，使换热系数减小。（4）管排方式的影响对单管：横放比竖放换热好，因管外液膜短而薄。对管束：当管排数相同时，叉排换热系数最大，辐向排列次之，顺排最小。2809对流换热---SCH（3）换热表面状况的影响（4）管排方式的影响2809对流换管束的三种排列方式2909对流换热---SCH管束的三种排列方式2909对流换热---SCH二、沸腾换热1.特点：（1）大容器沸腾：加热面上产生的汽泡能自由上升，并在上升过程中不受液体流动的影响，液体的运动只是由自然对流和汽泡扰动引起。（2）主要特点：①汽泡的产生和运动；②液体汽化吸收大量的汽化潜热；③由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。3009对流换热---SCH二、沸腾换热1.特点：（2）主要特点：①汽泡的产生和运动；②（3）汽化核心：沸腾换热时加热面上产生汽泡的地点。汽化核心越多，换热越强。较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。

3109对流换热---SCH（3）汽化核心：沸腾换热时加热面上产生汽泡的地点。汽化核心越（4）壁面过热度：壁温tw与液体相应压力下饱和温度ts之差。（∆t=tw-ts）（5）液体的沸腾曲线：随壁面过热度⊿t的增加，沸腾换热表现出不同的传热规律。表示沸腾换热的热流密度q与壁面过热度⊿t之间的变化关系曲线，称为沸腾曲线。3209对流换热---SCH（4）壁面过热度：壁温tw与液体相应压力下饱和温度ts之差。沸腾换热过程演示3309对流换热---SCH沸腾换热过程演示3309对流换热---SCH3.临界热负荷（C——烧毁点）：临界点：由泡态沸腾转变为膜态沸腾的转折点C。临界热负荷（qc）：临界点时的热流密度。如水在1atm下，qc=1.25×106W/m2。沸腾换热设备的设计和运行都必须控制q<qc，沸腾换热设备安全经济的工作区为泡态沸腾区。2.大容器沸腾换热的三个阶段：根据壁面过热度不同，分为自然对流、泡态（核态）沸腾和膜态沸腾三个阶段。3409对流换热---SCH3.临界热负荷（C——烧毁点）：临界点：由泡态沸腾转变为膜态炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化3509对流换热---SCH炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化3509对流换热---S各种对流换热比较液体对流换热比气体强；对同一种流体，强制对流换热比自然对流换热强；紊流换热比层流换热强；横向冲刷比纵向冲刷强；有相变的对流换热比无相变换热强。

表9-5各种对流换热平均换热系数的大致范围换热系数α[w/(m2.K)]换热系数α[w/(m2.K)]空气自然对流5