《理学对流换热》PPT课件.pptVIP

3.2 对流换热(convection of heat),机理:由于流体质点变动位置并相互碰撞，热量由能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而使热量传播。,因流体质点位置变动而形成的对流有两种形式：,自然对流(natural convection)：因流体本身各点温度不同，引起密度差异而形成的流体质点移动，称为自然对流。,强制对流(forced convection)：借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流。,NOTE：强制对流比自然对流有较好的传热效果。,什么情况下会发生对流传热？,流动流体中,对流：流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程称为对流。,自然对流,强迫对流,对流换热的分类,对流换热应用背景介绍 工程上流体流过一个物体表面的时的热量传递过程，叫做对流换热。工程上利用这种换热方式来实现许多装置的热交换问题。,自然界中的种种对流现象,强制对流与自然对流,电子器件冷却,沸腾换热原理,空调蒸发器、冷凝器,动物的身体散热,对流传热系数大致数值范围,1.对流换热的定义和性质,对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象。, 对流换热实例：1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电风扇, 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热,(1)流体的宏观运动 + 微观的导热，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）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，对流换热的机理与通过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关,2.对流换热的特点,对流传热过程,流 体 主 体 t1,滞 流 内 层,固 体 壁 面 t2,过渡层,靠近壁面存在滞流层，该层的传热主要依靠流体分子传导传热。流体的导热系数一般都比较小，因而在这层中有较大的温度梯度。,流体主体中的传热主要依靠流体质点的位移和混合，基本不存在温度梯度。,过渡层中的传热既有传导传热，也有流体质点位移而碰撞的传热，该层中存在较小的温度梯度。,对流传热包括以下几部分：,在对流传热中将有明显温度梯度的区域（滞流内层和过渡层）称为传热边界层。,Q,对流传热的膜理论模型 有效膜：把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中，在靠近壁面处构成的一层厚度为的流体膜。 膜模型：假设膜内为层流流动，膜外为湍流，所有热阻集中在有效膜中。,普朗特速度边界层的概念：,固壁表面附近流体速度剧烈变化的薄层称为速度边界层 ，速度边界层外的主流区速度梯度视为零。,实际流动 边界层内粘性流动 +主流区无粘性理想流动,实验发现：流体近壁面流动时基于粘性力的速度梯度主要存在于近壁面的薄层，主流区速度梯度很小。,Ludwig Prandtl 1875-1953,普朗特速度边界层的概念：,层流：流体分层流动，各层间无掺混。 湍流：流体间相互掺混，无规则脉动。,如何区分？,流动形态与流速，距离和流体物性相关,临界雷诺数 Rec,Osborne Reynolds 1842-1912,普朗特速度边界层的概念：,光滑平板： Rec5105 光滑圆管： Rec2100,xxc, ReRec 层流,xxc, ReRec 湍流,层流底层（粘性底层）：紧靠壁面处，粘性力占主导地位，使粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征。层流底层内具有最大的速度梯度。,边界层的特点： 边界层厚度t，与壁面尺寸相比是小量，而t与 量级一致； 边界层内速度梯度和温度梯度很大； 流动区域分为边界层区和主流区，主流区的速度梯度和温度梯度可忽略； 边界层内存在层流和湍流形态。 引入边界层概念的意义： 可以有效减小计算区域。对流换热问题主要集中于边界层内，主流视为理想流体； 应用边界层概念可以有效简化微分方程组。 边界层概念的适用范围： 对于流动分离的问题，边界层概念不适用。,3.对流换热的基本计算式,牛顿冷却式:,只是对流换热系数的一个定义式，它并没有揭示 与影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面换热系数的表达式。,4.影响对流换热系数 的因素 流体流动的起因 流体有无相变 流体的流动状态 换热表面的几何因素 流体的物理性质,(1)流体流动起因,自然对流：流体内部冷（温度t1）、热(温度t2)各部分的密度不同所产生的浮升力作用而引起的流动。因t2t1，所以21。若流体的体积膨胀系数为，则1与2的关系为1=2（1+t）,t=(t2-t1)。于是在重力场内，单位体积流体由于密度不同所产生的浮升力为,强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动,如空气自然对流的h值约为5-25 W/(m2)，而强制对流的h值可达10-250 W/(m2)。,(2) 流动状态,当流体为湍流流动时，湍流主体中流体质点呈混杂运动，热量传递充分，且随着Re增大，靠近固体壁面的有效层流膜厚度变薄，提高传热速率，即h增大，当流体为层流流动时，流体中无混杂的质点运动，所以其h值较湍流时的小。,(3) 换热表面的几何因素：,内部流动对流换热：管内或槽内,外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,形状有圆管、翅片管、管束、平板、螺旋板等；传热面有水平放置、垂直放置以及管内流动、管外沿轴向流动或垂直于轴向流动等；传热面尺寸有管内径、管外径、管长、平板的宽与长等。通常把对流体流动和传热有决定性影响的尺寸称为特征尺寸。,(4) 流体有无相变,上述诸影响因素是针对无相变化的单相介质而言。在传热过程中，有相变化时（如蒸汽在冷壁面上冷凝以及液体在热壁面上的沸腾），其h值比无相变时的大很多。因为相变时液体吸收汽化热r(J/kg)变为蒸汽，或蒸汽放出汽化热变为液体。对于同一液体，其r比cp大得多，所以相变时的h值比无相变时的大。,(5) 流体的热物理性质：,热导率,密度,比热容,动力粘度,运动粘度,体胀系数,以单相强制对流传热为例，在把高速流动排除在外时，表面传热系数可表示为,1）热导率 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。 2）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度 cp：单位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。 4）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。,综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：,5.对流传热的特征数关系式,流体无相变时， h= f (u，l，,，Cp，gt) 根据定理,对流传热中的特征数,应用特征数关联式必须注意： 适用范围：Re、Pr、Gr的范围 特征尺寸l：对流体流动和传热产生主要影响的尺寸，圆管管内径；非圆管当量直径。每个关联式所规定。 定性温度t：确定特征数中流体的物性参数(,，cp)的温度。,6.流体无相变时对流传热系数的经验关联式,（一）流体在管内强制对流传热 1、圆形直管强制湍流时的对流传热系数 （1）低黏度流体 应用条件： 特征尺寸l：管内径d 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 应用范围：Re104；0.7Pr120；l/d60； 2 mPas 流体被加热时：n = 0.4； 流体被冷却时：n = 0.3。,（2）高黏度流体 应用条件： 特征尺寸l：管内径d 应用范围：Re104；0.7Pr16700；l/d60； 2 mPas 定性温度：黏度w 取壁温，其余取流体进出口温度的算术平均值，但由于壁温未知，处理如下 加热时： 冷却时：,（3）短管 l/d 60时，用以上两式计算的应乘以管入口效应校正系数，这时因为管子入口处的流体扰动程度较大，热阻较小，则较大。 （4）弯管 在用以上两式计算的，应乘以弯管效应校正系数，因为流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动增大，其值较直管的大一些。,R弯管的曲率半径,2.圆形直管过渡流时的对流传热系数 Re=2300-10000时为过渡流，用湍流公式算出后，再乘以校正系数 f。 3.圆形直管内强制层流时的对流传热系数 （1）只有在小管径、水平管、壁面与流体之间的温差比较小时、流速比较低的情况下才有严格的层流传热。在其他情况下往往伴有自然对流传热。当Gr 2.5104时，自然对流影响可忽略 应用范围： Re 2300；,特征尺寸：管内径 定性温度：w 取壁温，其余取流体进出口温度的算术平均值 （2）当 Gr 2.5104时，自然对流影响不能忽略，由上式计算的 值应乘以校正系数,4.流体在非圆形管内强制对流时的对流传热系数 此时。仍可采用上述各关联式计算，但需将特征尺寸由管内径改为当量直径de， A：流体流动截面积； ：润湿周边长度,5.平行平板间的对流换热,与水平面呈一定倾角的两平行平板间的换热系数，对于太阳能 平板集热器的性能来说相当重要。对于平行平板有：,即努塞尔数等于导热热阻与对流热阻之比。Nu=1时代表了纯导 热情况。,平板倾斜角在0-75范围内变化时Nu数和Ra数的关系式,式中“+”指数表示方括号的值为正时，此项有意义，若方括号中 的值为负，则用零来代替。,6.平行平板间的强迫对流换热,研究太阳能空气集热器时，需要知道平行平板间流体做层流或紊 流流动的对流换热系数。平行平板间有一块平板是绝热的，另一 块保持等热流或等温状态，且平板间的层流边界层和热边界层都 处于充分发展的系统，给出等热流的Nu=5.4，等壁温的Nu=4.9。,对于空气，在一面加热的平行板间作充分发展的紊流流动时的换 热公式为：,只要通道长度与水力直径之比约为10或更小，就必须考虑边界层 的发展，因为它将导致Nu数的增大。,7.对流的抑制,设计太阳能集热器的目标之一，是设法减小通过覆盖面的热损失。 如在两平行平板（其中一板受热）组成的空间中，放入透明或镜面 反射材料制成的蜂窝结构来抑制流体的运动。当流体停止运动时， 两板间的换热只有通过导热和辐射起作用。但在设计蜂窝时必须进 行认真的分析计算，若参数选得不得当，不仅不起抑制作用，反而 会增加对流损失。,两平行平板间加装一些薄板条，它相当于把大空间分成许多小空 间，并不真正形成蜂窝结构。其努塞尔数为：,式中c1和c2可由纵横比得到。,为了评价采用薄板条抑制对流的效果，将加装板条的Nu与在同样 设备上得到的没有板条的公式相比较，,只要流体运动没有得到抑制（Nu1），两个Nu数之比就和Ra数无关。,当集热器倾斜角为45，只要纵横比小于0.5（即c1=0.12,c2=1.0） ，加了薄板条就能减小对流损失。,以上介绍了加薄板条抑制对流的情况。如在垂直方向上再加一 些薄板条，就可组成正方形或矩形的蜂窝结构。其Nu为：,上式适用的范围为：,0Ra,3090,此式也适用于六角形蜂窝结构，只要把D改为当量水力直径即可。,加蜂窝后的Nu数宜保持为1.2。若空气压力为大气压，平均温度 Tm范围为280-370K，可从下式求得最佳纵横比：,式中 纵横比，D/L； Tm 平均温度，（T1-T2）/2; T1 热面温度； T2 冷面温度； L 壁间距； C（） 倾斜角修正系数。,8.V型槽式吸热板,为了改进太阳能集热器吸收板的辐射性能，建议采用水平方向连 续起折形成的V型槽式吸热板，它和某些聚光型集热器形状相似。 V型槽结构肯定能改进辐射特性（多次反射，多次吸收可提高吸 收率），但至少部分增益会被对流损失的增加而抵消。这种型式 的吸热板，Ra数和Nu数的关系为：,式中c，n是倾斜角和V型槽的纵横比（平均板间距和V型 槽高度之比）的函数。,9.风引起的对流换热,如何计算室外有风情况下的平板热损失，对于太阳能集热器的 研究具有重要意思。在Re数为2104-9104范围内：,特征长度为平板面积的四倍除以板周长。,在0.5m2平板上做的实验结果，对流换热系数为：,h=5.7+3.8V,上式既考虑自然对流又考虑辐射的影响。若只考虑纯自然对流的 情况，则：,h=2.8+3.0V,式中V为风速，m/s；h是换热系数，W/(m2）。,（二）流体在管外强制对流传热,1.类型 垂直流过单管、垂直流过管束（工业上多用） 2.管束的排列分为直列、错列，如下图:,直列,错列,对第一排管子，无论是直列还是错列，流体流动情况都相同。但从第二排开始，流体在错列管束间通过时受到阻拦，使湍动增强，故错列式管束的对流传热系数大于直列式。,流体在管束外垂直流过的对流传热系数为： C、n 由实验确定，其值如下表。 使用范围：Re = 5103-7 104，x1/d = 1.2-5， x2/d = 1.2-5 特征尺寸：管外径d 特征温度：取流体进出口温度的算术平均值 流速u取流动方向上最窄通道处的流速,由于上式求出各排的对流传热系数不同，故管束的平均对流传热系数为： hi 各排的对流传热系数，W / （m2 ） Ai 各排传热管的外表面积，m2,（三）大空间自然对流传热,特征数关联式为 或 C与n由实验确定，其值如下表。 定性温度：膜温，tm= (t w+ t ) / 2 Gr中的 t = t w - t t w ：壁温 t ：流体温度,大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内，由于壁面温度与周围流体的温度不同而引起自然对流，并且周围没有阻碍自然对流的物体。例如管路或设备表面与周围大气之间的传热。,7.流体有相变时的对流传热,（一）蒸气冷凝时的对流传热 1、蒸气冷凝方式 膜状冷凝：冷凝液能够很好的润湿壁面，在壁面上形成一层连续的液膜。液膜在重力作用下沿壁面向下流动，越往下液膜越厚。蒸气在液膜表面冷凝，释放出的热量通过液膜以导热和对流方式传递给壁面。冷凝液润湿壁面的能力主要取决于它的表面张力和它对壁面的附着力两者的关系。若附着力大于表面张力，则会形成膜状冷凝，否则会形成滴状冷凝。,滴状冷凝：冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，沿壁面滚下，互相合并成更大的液滴，露出冷凝壁面，使蒸气能在壁面上冷凝，热阻比膜状冷凝时的小，对流传热系数比膜状冷凝时高5-10倍。,到目前为止，尽管人们想了许多办法，但仍难以实现 持久性滴状冷凝。故工业用冷凝器中的冷凝过程多为 膜状冷凝。,2、蒸气在水平管外膜状冷凝时的对流传热系数,r比汽化热，取饱和温度ts时的数值，J/kg； 冷凝液的密度，kg/m3 冷凝液的热导率，W/（mK） 冷凝液的黏度，Pa s t饱和温度t s与壁面温度t w之差，t=ts-t w n水平管束在垂直列上的管子数，单根水平管，n=1。 定性温度：膜温，t=（ts+tw）/2 特性尺寸：管外径,3、蒸气在垂直管外（板上）膜状冷凝时的对流传热系数,液膜为层流时（Re 1800）,如右图，液膜以层流状态从顶端向下流动，逐渐变厚，局部对流传热系数减小。如果壁面高度足够高且冷凝液量较大时，则壁面的下部冷凝液膜会变为湍流流动，此时局部值反而会增大。,液膜为湍流时（Re1800）， 此h值为包括层流区域在内的沿整个高度的平均h值 特征尺寸：垂直管长或板高 定性温度及其余各量同上。,冷凝,h滴状冷凝 h膜状冷凝,膜状冷凝,滴状冷凝,饱和蒸气冷凝时释放出气化潜热而凝结成液体，冷凝液的 温度与蒸气温度相同。,当饱和水蒸气中含有不凝性气体（如空气）时，其h随不凝性 气体含量增大而显著下降。因此用水蒸气加热的设备总附有 排气阀，随时或定期地将积累的不凝性气体排空。,过热水蒸气是以其显热传热的，h接近一般气体的值。,冷凝液液膜沿壁面流动的Re的表达式。,冷凝液的液膜流动有层流与湍流之分，故在计算时应先假设液膜的流型。求出值后需要计算Re，看是否在所假设的流型范围内。,式中 h对流传热系数，W/(m2）； l壁面高度，m; t蒸汽饱和温度ts与壁面温度tw之差，即t=ts-tw，； r 比汽化热，取饱和温度ts下的数值，J/kg； 冷凝液的黏度，Pas,为膜温t=(ts+tw)/2下的黏度。,4、影响冷凝传热的因素 流体的物性、冷凝壁面尺寸及放置位置、传热温差等都是影响膜状冷凝传热的因素。 液膜两侧温差的影响： 液膜呈滞流：t冷凝速率h 冷凝液物性的影响： 冷凝液的密度越大，黏度越小，则液膜的厚度越小，冷凝传热系数越大 不凝性气体的影响： 不凝性气体含量冷凝时形成“气膜” h,蒸气流速和流向的影响： 蒸气流速较大时，液膜会被吹离壁面，冷凝传热过程增强 蒸气过热影响： 对于冷凝而言，温差仍为 t S t W；p r，设备耐压要求越高。 传热面的形状与布置 水平管d、壁面粗糙度或有氧化层使h 液膜为膜状冷凝传热的主要热阻，如何减薄液膜厚度，降低热阻，是强化膜状冷凝传热的关键。,（二）液体沸腾时的对流传热,沸腾：容器内液体温度高于饱和温度时，液体汽化而形成气泡的过程。蒸汽锅炉、蒸发器中液体的沸腾汽化都属于沸腾传热过程。 沸腾方式： 管内沸腾：当液体在压差作用下，以一定的流速流过加热管，在管内发生沸腾； 大容器饱和沸腾（池内沸腾） ：加热面沉浸在无强制对流的液体内部而引起的沸腾传热过程。,1.大容器饱和沸腾现象,液体加热沸腾的特征：液体内部的加热壁面上不断有气泡生成、长大、脱离和浮升到液体表面。 液体在壁面附近加热，产生气泡，气泡逐渐长大，脱离表面，自由上浮，远处温度较低的液体不断流向加热面，属于自然对流；同时气泡的运动导致液体扰动，两者加和是一种很强的对流传热过程。,2.沸腾曲线,：AB段，自然对流区 加热壁面的过热度t较 小，只有少量汽化核心， 气泡少，长大速度较慢， 不能脱离壁面，因而看 不到沸腾现象，热量依 靠自然对流由壁面传递 到液体主体，蒸发在液 体自由表面进行,h随 t的增大略有增大。,： BC段，核状沸腾区 随着加热壁面的过热度t不断加大，汽化核心数多,气泡生成速度、成长速度及浮升速度都加快，气泡的产生、长大、脱离、上升，剧烈的扰动了液体，起到了搅拌的作用，使h随t的增大而迅速增大。,： CD段 膜状沸腾区 随着t继续增大，汽化核心数目，气泡产生速度大于脱离的速度，形成一层气膜，覆盖在加热壁面上，使液体不能与加热壁面接触。由于气膜热阻大，使h急剧下降到D点。D点以后，t再增大，加热壁面温度tw进一步增高，壁面全部被气膜覆盖，壁面的热量除了通过导热与膜内蒸汽的对流传给液体之外，辐射的传热量急剧增大，使点D以后的沸腾传热的h进一步增大。,C点：临界点，核状膜状 tc：临界温度差，一般控制ttc,沸腾,温度差小 形成气泡核心,泡核沸腾,强烈泡核沸腾,膜状沸腾,h泡核沸腾h膜状沸腾,3.影响沸腾传热的因素,液体物性：冷凝液的热导率，密度，黏度，表面张力，沸腾传热速率 温度差： （见沸腾曲线） 操作压力：pts，h 加热面状况：新的或清洁的壁面，h较大。壁面越粗糙，汽化核心越多，越有利于沸腾传热。,六、选用对流传热系数关联式的注意事项,针对所要解决的传热问题的类型，选择适当的关联式； 要注意关联式的应用范围、特性尺寸的选择和定性温度的确定； 应注意正确使用各物理量的单位，各特征数的量纲为一；对