4-3 对流传热概述.doc

知识点43 对流传热概述【学习指导】1学习目的通过本知识点的学习，掌握对流传热的机理，理解对流传热系数的意义和影响因素，并建立保温层临界直径的概念。2本知识点的重点对流传热机理。3本知识点的难点边界层概念的理解。4应完成的习题本知识点无习题。对流传热在工程技术中非常重要。许多工业部门中经常遇到两流体之间或流体与壁面之间的热交换问题，这类问题需用对流传热的理论予以解决。在对流传热过程中，除热的流动外，还涉及到流体的运动，温度场与速度场将会发生相互作用。对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，故对流传热与流体的流动状况密切相关。根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类：（1）流体无相变的对流传热：包括强制对流（强制层流和强制湍流）、自然对流。（2）流体有相变的对流传热：包括蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。对于上述几类，其对流传热过程机理不尽相同，影响对流传热速率的因素也有区别。为了方便，先介绍对流传热的基本概念。一、对流传热速率方程和对流传热系数（一）对流传热速率方程对流传热是一个复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且对不同的对流传热情况又有差别，因此目前的工程计算仍按半经验法处理。根据传递过程普遍关系，壁面与流体间（或反之）的对流传热速率也应该等于推动力和阻力之比，即对流传热速率对流传热推动力对流传热阻力系数推动力上式中的推动力是壁面和流体间的温度差。影响阻力的因素很多，但比较明确的是阻力必与壁面的表面积成反比。还应指出，在换热器中，沿流体流动方向上，流体和壁面的温度一般是变化的，在换热器不同位置上的对流传热速率也随之而异，所以对流传热速率方程应该用微分形式表示。若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示为（4-23）式中dQ局部对流传热速率，W；dS微分传热面积，m2;T换热器的任一截面上热流体的平均温度，；Tw换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，；比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2)。方程式4-23又称牛顿冷却定律。在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但是在工程计算中，常常使用平均对流传热系数（一般也用表示，应注意与局部对流传热系数的区别），此时牛顿冷却定律可以表示为(4-24)式中平均对流传热速率，W/(m2)；S总传热面积，m2。t流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，。1/S对流传热热阻，/W。应注意，流体的平均温度是指将流动横截面上的流体绝热混合后测定的温度。在传热计算中，除另有说明外，流体的温度一般都是指这种横截面的平均温度。还应指出，换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间（环隙）流动，则与之对应的对流传热速率方程式可分别表示为：dQ= i dSi（T- Tw）(4-25)dQ=o dSo (tw- t)(4-25a)式中Si，So换热器的管内侧和管外侧表面积，m2;i，o换热器管内侧和管外侧流体对流传热系数，W/(m2)；t换热器的任一截面上冷流体的平均温度，；tw换热器的任一截面上与冷流体相接触一侧的壁面温度，。由式4-25可见，对流传热系数必然是和传热面积以及温度差相对应的。牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题，实质上是将矛盾集中到对流传热系数，因此研究各种对流传热情况下的大小、影响因素及的计算式，成为研究对流传热的核心。（二）对流传热系数牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即由此可见，对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2)，它反映了对流传热的快慢，愈大表示对流传热愈快。对流传热系数与导热系数不同，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。例如流体有无相变化、流体流动的原因、流动状态、流动物性和壁面情况（换热器结构）等都影响对流传热系数。一般来说，对于同一种流体，强制对流传热时的要大于自然对流时的，有相变化的要大于无相变化时的。表4-5列出了几种对流传热情况下的数值范围，以便对其大小有一数量级的概念。同时，其经验值也可作为传热计算中的参考值。表4-5 值的范围 换热方式空气自然对流气体强制对流水自然对流水强制对流水蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾W/(m2.)525201002010001000150005000150005002000250025000二、对流传热机理对流传热在工程技术中非常重要。许多工业部门中经常遇到两流体之间或流体与壁面之间的热交换问题，这类问题需用对流传热的理论予以解决。在对流传热过程中，除热的流动外，还涉及到流体的运动，温度场与速度场将会发生相互作用。（一）对流传热分析当流体流过固体壁面时，由于流体粘性的作用，使壁面附近的流体减速而形成边界层，边界层内存在速度梯度。处于层流状态下的流体，在与流动方向相垂直的方向上进行热量传递时，由于不存在流体的旋涡运动与混合，故传递方式为热传导。当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将进行热交换。假定壁面温度高于流体温度，热流便会由壁面流向运动流体中，由流动边界层的知识可知，湍流边界层由靠近壁面处的层流内层、离开壁面一定距离处的缓冲层和湍流核心三部分组成，由于流体具有粘性，故紧贴壁面的一层流体，其速度为零。由此可知，固体壁面处的热量首先以热传导方式通过静止的流体层进入层流内层，在层流内层中传热方式亦为热传导；然后热流经层流内层进入缓冲层，在这层流体中，既有流体微团的层流流动，也存在一些使流体微团在热流方向上作旋涡运动的宏观运动，故在缓冲层内兼有热传导和涡流传热两种传热方式；热流最后由缓冲层进入湍流核心，在这里，流体剧烈湍动，由于涡流传热较分子传热强烈得多，故湍流核心的热量传递以旋涡运动引起的传热为主，而分子运动所引起的热传导可以忽略不计，就热阻而言，层流内层的热阻占总对流传热热阻的大部分，故该层流体虽然很薄，但热阻却很大，因之温度梯度也很大。湍流核心的温度则较为均匀，热阻很小。【图片4-12】对流传热的温度分布情况。【播放动画4-2】对流传热的温度分布。由上分析可知，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。有相变的传热过程冷凝和沸腾传热的机理与一般强制对流传热有所不同，这主要是由于前两者有相的变化，界面不断骚动，故可大大加快传热速率。（二）热边界层当流体流过固体壁面时，若二者温度不同，则壁面附近的流体受壁面温度的影响将建立一个温度梯度，一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为温度边界层，亦称热边界层。当温度为t的流体在表面温度为tw的平板上流过时，流体和平板间进行换热。实验表明在大多数情况下，流体的温度也和速度一样，仅在靠近板面的薄流体层中有显著的变化，即在此薄层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层的厚度用t表示。通常规定tw-t=0.99(tw-t)处为热边界层的界限，式中t为热边界层的任一局部位置的温度。大多数情况下，流动边界层的厚度大于热边界层的厚度t。显然，热边界层是进行对流传热的主要区域。平板上热边界层的形成和发展如图片4-13所示。【图片4-13】平板上的热边界层。由图片4-13可以看出，热边界层愈薄则层内的温度梯度愈大。若紧靠壁面附近薄层流体（滞流内层）中的温度梯度用（dt/dy）w表示，由于通过这一薄层的传热只能是流体间的热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即(4-26)式中流体的导热系数，W/(m.)；y与壁面相垂直方向上的距离，m；（dt/dy）w壁面附近流体层内温度梯度，/m。联立式4-23和式4-26，消去dQ/dS，则可得(4-27)式4-27是对流传热系数的另一定义式。该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得。显然，由于影响（dt/dy）w的因素很复杂，目前仅能获得少数较简单条件的分析解，对其它情况仍需要通过经验公式来计算。但是式4-27是理论上分析和计算的基础。热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则（dt/dy）w愈大，因而就愈大。反之则相反。当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成和发展与流动边界层类似。流体最初以均匀速度 和均匀温度 进入管内，因受壁面温度的影响，热边界层的厚度由进口的零值逐渐增厚，经过一定距离后，在管中心汇合。流体由管进口至汇合点的轴向距离称为传热进口段。超过汇合点以后，温度分布将逐渐趋于平坦，若管子的长度足够，则截面上的温度最后变为均匀一致并等于壁面温度ts。从进口段的简单分析可知，管子的尺寸和管口形状对有较大的影响。在传热管的长度小于进口段以前，管子愈短，则边界层愈薄，就愈大。对于一定的管长，破坏边界层的发展也能强化对流传热。三、保温层的临界直径化工管道外常需要保温，以减少热量（或冷量）的损失。由于金属管壁所引起的热阻与保温层的相比一般较小，可以忽略不计，因此管内、外壁温度可视为相同。通常，热损失随保温层厚度的增加而减少。但是在小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随保温层厚度增加，可能反而使热损失增加，其原因分析如下：【图片4-14】保温层的临界直径。如图片4-14所示，假设保温层内表面温度为t1，环境温度为tf，保温层内、外半径分别为ri和ro。此时传热过程包括保温层的热传导和保温层外壁与环境空气的对流传热。对流传热热阻为1/S，此处S为传热面积，为对流传热系数，其单位为W/(m2.)。因此热损失可表示为(4-28)式中R1为保温层的热传导热阻，R2为保温层外壁与空气的对流传热热阻。从上式可看出，当保温层厚度增加（即ri不变、ro增大）时，热阻R1虽然增大，但是热阻R2反而下降，因此有可能使总热阻（R1R2）下降，导致热损失增大。为此，可通过式4-28对ro求导，解得一个Q为最大值时的临界半径，整理得 ro=/习惯上以rc表示Q最大时的临界半径，故rc=/ (4-29)dc=2/(4-29a)上式中dc为保温层的临界直径。若保温层的外径小于dc，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在do2/下，增加保温层