热工基础与应用 (第4版)课件：对流传热

研究目的：计算在各种不同条件下的表面传热系数h

对流传热(ConvectiveHT)§11-1对流传热概述与理论分析一、对流传热的定义和机理对流传热：流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。特点：温差存在，与固体表面直接接触；导热与对流联合作用的结果。二、影响对流传热的因素1.流动起因(Thecauseofmotion)ForcedconvectionMixedconvectionNaturalconvection2.流体流动状态(Theflowregimes)LaminarflowTurbulentflow流体力学实验：一滴红墨水滴到流体中ReynoldsTubeExperiment(1883)3.换热表面几何因素(Thegeometricfactors)形状（shape）相对位置(relativeposition)表面粗糙情况(surfaceroughness)尺度(scale)内流（internalflow）外流（externalflow）4.换热过程有无相变(phasechange)Boiling,condensation5.流体的物性(Thethermophysicalproperties)前4类影响因素构成将对流换热进行分类的基架，流体的物性将通过一个特殊的无量纲数来专门予以反映6.对流换热的分类(classification)三、对流传热问题的数学描写1.温度场获得hyt∞u∞

tw

qwx傅里叶定律

牛顿冷却公式

注意上式与导热问题IIIBC的区别(1)导热，h已知，此处h为未知值(2)导热，λ为固体热导率，此处λ为流体热导率(3)导热，t为固体温度，此处t为流体温度2.二维常物性不可压缩牛顿流体对流传热微分方程5个方程，5个未知量—理论上可解非线性压力与速度耦合物性可能与温度有关体积力可能与温度有关能量动量方程耦合四、流动边界层定义：当流体流过固体壁面时,由于流体粘性的作用,使得在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层或速度边界层。2.速度边界层厚度d：速度等于99%主流速度。3.边界层内的流动状态：也有层流和湍流之分。层流底层湍流核心对于外掠平板的流动，一般取临界雷诺数五、温度边界层(热边界层)定义：在对流换热时，固体壁面附近温度发生剧烈变化的薄层称为温度边界层或热边界层。2.温度边界层厚度dt的规定：过余温度等于99%主流区流体的过余温度。思考：热边界层厚度可否定义成tδ＝99％t∞？

流体的运动粘度反映了流体中由于分子运动而扩散动量的能力，这一能力越大，粘性的影响传递越远，因而流动边界层越厚。相类似，热扩散率越大则温度边界层越厚。

普朗特数反映了流动边界层与温度边界层厚度的相对大小。δδtPr>1δtδPr<1比较δ与δt的相对大小六、普朗特数

根据普朗特数的大小，流体一般可分为三类：（1）高普朗特数流体，如一些油类的流体，在102~103的量级；（2）中等普朗特数的流体，0.7~10之间，如气体为0.7~1.0,水为0.9~10；（3）低普朗特数的流体,如液态金属等，在0.01的量级。七、局部对流换热系数与边界层的关系层流：温度呈抛物线分布湍流边界层贴壁处的温度梯度明显大于层流，湍流换热比层流换热强湍流：温度呈幂函数分布八、特征数及特征方程

特征数方程：

用特征数表示的函数关系式。

使用时应注意：

1、根据对流换热的类型和范围合理选择特征数方程；

4、定性温度（用以确定特征数物性的温度）：按规定选取；

2、特征长度（特征数中具有代表性的尺度）：按规定选取；

3、特征流速；

5、正确选用各种修正系数。

九、常见相似准则数的物理意义1.努塞尔数2.雷诺数Re—流体惯性力与粘性力的相对大小Pr—流体动量扩散能力与热量扩散能力相对大小3.普朗特数Gr—流体浮升力与粘性力的相对大小4.

格拉晓夫数§11-2强制对流传热实验关联式一、管槽内强制对流1.内部流动与外部流动的区别外部流动是指流体边界层的发展一般不会受到阻碍的流动内部流动过程中，固体表面上流体在其成长过程中可能受到另一侧固体表面的限制，形成边界层干扰或汇合1）流动入口段：速度边界层厚度由零发展到汇合于通道中心2）换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合于通道中心，换热强度由最高而逐渐减弱①x↑,h↓,→②hm>hx③充分发展段3）Turbulentflow4）特征尺度；截面平均速度；截面平均温度2.管内湍流换热实验关联式1)通式①三大特征量特征尺度：内径di定性温度：tf=(tin+tout)/2流速：②适用范围a.Re=104-1.2×105，旺盛湍流b.Pr=0.7-120，包括空气、水、油c.l/d≥60，平均换热系数，如果短管，修正d.△t=tw-tf气≤50℃水≤20℃油≤10℃中等温差，非tin-toute.边界条件，给定温度或给定热流边界均可f.不适用于液态金属，Pr~10-2③关于n取值(常温常压下，气体Pr<1，液体Pr>1)④Nu→h=(λ/d)Nu→Φ=hA△t超过上述限制范围，如何修正？2)应用范围扩大③大温差(突破中等温差极限)，εt对变物性修正④非圆截面气体被加热，εt<1;①短管l/d<60②弯管(螺旋管)，εR

气体被冷却，εt=1液体被加热或被冷却当量直径de(equivalent)润湿周长，流体与固体接触的固体壁面长度，不论参与换热与否流动截面积3)综合表达式①ρ，0.8次幂，影响最大，其次为λ②u,0.8次幂

：1m/s→1.5m/s，h↑40%③d↓，h↑100MW氢气冷却发电机组300MW氢气－水冷却发电机组发电机组冷却技术的发展看冷却介质的影响最大发电量<100MW<500MW<600MW>1000MW冷却介质空冷氢冷水－氢冷水冷介质空气氢气水密度导热系数动力粘度比热容1.090.0769880.02390.1670.552x10-60.96x10-656.6x10-61005143044174二、外部强制对流传热1.外掠平板(laminarflow,Re<5×105)1）公式①特征尺度：板长(局部为x，平均为l)2）注意②定性温度：tm=(t∞+tw)/2③x↑，δ↑，h↓2.横掠单管(flowacrosssinglecylinder)1）流动特点①前半周，加速流动②脱体，flowseperation③后半周，减速流动④脱体位置取决于Re数，2）局部表面传热系数3）平均Nu①关联式②注意：a.气体及液体通用，tm=(tw+t∞)/2，d-外径，u∞c.C,n取决于b.Re=0.4-4×105例题：一个优秀的马拉松运动员在2.5h跑完全程(41842.8m)，估计他在跑步过程中的散热损失(不计出汗散失部分)简化：高1.75m，直径0.35m的圆柱体，皮肤温度作为柱体表面温度，取31℃，空气静止，15℃，不计柱体两端散热3.横掠管束(flowacrosstubebanks)1）流动与换热特点①与单管相比，存在管之间的相互影响②流动方式有顺排(in-linetuberow)和叉排(staggered)之别③后排易受前排影响，但n>10消失④冲刷方向有影响(冲角)2）平均换热特性的实验关联式实验关联式

定性温度：

特征长度：

外径d

§11-3自然对流传热实验关联式一、工程背景1.暖气管散热4.冰箱(冰箱里食物不要装得太满)2.室外变压器散热3.事故条件下核反应堆散热5.电子器件冷却二、现象及特点1.定义：自然对流是由于流体中各部分密度不均匀而引起的一种流动与换热现象，其流动与换热过程不可分割地联系在一起①驱动力：温度场不均匀;重力作用②不均匀的温度场不一定引起自然对流③与强制对流不同，不依靠泵或风机等外力推动2.理解④换热很弱，通常为主要热阻，但经济、安全、平静⑤物体表面上总换热量常需同时考虑与周围气体间的自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热(50%)3.自然对流换热现象的速度与温度分布特点Tw>T∞①层流②湍流③判别流态的特征数是Gr数，类比于Re数4.自然对流的两种流动形态5.分类①大空间(边界层不受干扰)(infinitespace)②有限空间(空间大小对换热效果有影响)(naturalconvectioninenclosure)三、大空间自然对流换热实验关联式1.实用关联式形式2.说明C及n见表4－7，tm=(tw+t∞)/2，特征长度为表面高度l(竖平板及竖圆柱)，外径d(横圆柱)①上式适应均匀壁温，但对非均匀壁温情形也近似适用，取其平均壁温计算;均匀热流则另有公式②

Gr中αV，气体按理想气体处理，αV=1/T，液体查物性手册③一般:思考：鸡蛋在太空舱中冷却§11-4凝结和沸腾时的相变对流传热工程应用背景锅炉炉膛中的水冷壁相变传热的特点空调、冰箱中的冷凝器和蒸发器蒸汽发生器有潜热释放影响因素太多热点难点1）膜状凝结(filmcondensation)沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动。g一、凝结传热1.两种凝结方式2）珠状凝结(dropwisecondensation)当凝结液体不能很好地浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠。g如何实现珠状凝结？改变凝结蒸气特性如在蒸气中加油类改变凝结表面特性如表面改性处理，涂层Afluor-containingorganicfilmwiththicknessofmorethan1μmwascoatedonthedropwiseregions

oftheexternalsurfaceofabrasstube（3）凝结换热设备的设计依据：膜状凝结3）比较（1）h珠>h膜(成千上万；几十万)（2）珠状凝结很难保持，工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结器皿表面形成一层液膜被认为是洗净的标志（1）竖壁膜状层流凝结换热（2）水平圆管外的膜状凝结换热4）计算质量守恒能量守恒凝结液膜导热水平管与垂直管的对流传热系数之比：为什么工程中的冷凝管一般水平布置？2）蒸气流速(与流动方向有关)1）不凝结气体增加了传递过程的阻力Pv↓，ts

↓，减小了凝结的驱动力流速较高时，蒸气流对液膜表面产生粘滞应力。2.影响因素3）过热蒸气（过热蒸气与饱和液的焓差→r）抽气器4）液膜过冷度及温度分布的非线性

r(1+0.68Ja)

5）管子排数(以及管束排列方式的影响，辐向，叉排，顺排)6）管内冷凝蒸气流速较低，上下分层

蒸气流速较高，环状流

原则：减薄液膜的厚度3.强化凝结表面2）怎样强化，为什么？3）强化的原则和措施措施：拉薄或排掉1）何时强化？动力冷凝装置，水：h＝5000～104，λ=0.7，一般不是主要热阻制冷装置，氟利昂：h＝1000～2000，λ=0.07，需强化二、沸腾传热1.概述

大容器沸腾管内强制对流沸腾2.大容器沸腾过程描述（1）自然对流区（2）核态沸腾区（孤立汽泡区，汽块汽柱区）（3）过渡沸腾区（4）稳定膜态沸腾区孤立汽泡区Theregionofisolatedbubbles汽块汽柱区Theregionofslugsandcolumns过渡沸腾Transitionalboilingregime膜态沸腾filmboilingqmaxqmin1.曲线(△t)（1）自然对流(△t<4℃，q∝△t5/4)（2）核态沸腾

(4℃<△t<35℃)（3）过渡沸腾

(35℃<△t<200℃)（4）稳定膜态沸腾CE孤立汽泡区，汽块区，温差小，换热强，一般工业理想工作区汽膜导热＋对流＋辐射

临界热流密度qmax(烧毁点)；转折点DNB；最低热流密度qmin四区三点一线

qmaxqminCE（1）对于热流密度可以控制的情况

电加热，核反应堆对冷却水加热，直接由C点跳到E点。温度急剧上升2.工程指导临界热流密度(CriticalHeatFlux)qmax及相对应的过热度t具有重要的意义（2）对于壁温可以控制的情况管内通高压蒸汽凝结，过C点后，管外热阻增加，管内蒸汽凝结量相应减少，尽管通过提高蒸汽压力增加△t，但q反而下降，形成CD段，过D点后，tw较高，辐射作用增加，形成DE段。传热量大大降低思考1：落在120℃铁板上的水珠先汽化掉，还是落在400℃铁板上的水珠先汽化掉。思考3：小明可以用手托起一壶刚烧开的水，而不被烫伤。思考2：当把水滴滴在一块赤热的铁板上时，板面上立即会产生许多跳动着的小水滴，而且可以维持相当一段时间而不被汽化掉。1）水的大容器核态沸腾换热3.沸腾传热计算4.汽泡动力学简介1）液体必须过热汽泡的产生、成长、脱离过程表面张力＝汽泡内外压力差

过热度(tv-ts)

是气泡存在的必要条件，没有过热度就没有沸腾现象，是沸腾现象的推动力2）汽化核心：产生气泡的点，壁面凹缝、裂穴最可能成为汽化核心(1959,Labuntzov)这些地方的过热度要保证汽化核心中残留汽泡的半径>R3）烧水壶内表面设计成凹坑以强化沸腾传热？思考：1）沸腾水中撒一把盐