《对流换热教程》PPT课件.ppt

1 第二部分单元7对流换热 热工学基础 2 单元7对流换热 3 单元7对流换热 4 知识点 牛顿冷却公式 强制对流换热 自然对流换热 凝结换热 沸腾换热 能力目标 掌握 各种对流换热的基本概念 理解 强制对流换热和自然对流换热及其特征 熟悉 各公式的适用范围以及各种相关参数的合理选择 应用 能应用相关概念和公式进行对流换热分析和计算 单元7对流换热 5 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 在这一过程中 不仅有离壁面较远处流体的对流作用 同时还有紧贴壁面薄层流体的导热作用 因此 对流换热实际上是一种由热对流和导热共同作用的复合换热形式 对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对流换热 按流体是否有相变分为相变对流换热和无相变对流换热 相变对流换热又分为凝结换热和沸腾换热 可以把对流换热分成以下几类 如图7 1所示 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 7 1 1对流换热的概念 6 图7 1对流换热分类 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 7 流体的流动状态可以分为两种类型 一种是流体质点始终沿流向作直线运动 质点和流层间彼此不掺混 这种流动状态称为层流 另一种是流体质点不仅有沿流向的运动 还有垂直于流向的运动 流层间相互掺混 这种流动状态称为紊流 在紊流中 由于流体的质点相互掺混 碰撞更为强烈 因此对流换热效果会更强 当具有粘性的流体流过壁面时 就会在壁面上产生粘滞力 粘滞力阻碍了流体的运动 使靠近壁面流体的速度降低 使直接贴附于壁面的流体近于停滞不动 流体速度u 0 一般地 把从紧贴壁面速度u 0至速度等于来流速度u u 之间的流体薄层称为流体的速度边界层 边界层的厚度一般很小 如图7 2所示 7 1 2对流换热的机理 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 8 以流体在管内流动为例 流体的流动状态在沿流向x轴方向和与流向垂直的y轴方向都有变化 如图7 3所示 图7 2速度边界层 图7 3流体的流态 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 9 1 流体在流动方向x上的流态变化在流体入口处 粘滞力起主导作用 速度梯度相当大 流体呈现层流状态 形成层流段 流体继续流动 层流边界点开始逐渐偏离壁面 向y方向移动 当流体到达一定距离时 流体的惯性力逐渐强于流体的粘滞力 使边界层内的流动变得不稳定起来 流态朝着紊流方向过渡 形成过渡段 随着流动的距离继续增加 流体呈现旺盛紊流状态 形成紊流段 2 紊流段中流体在y方向上的流态变化由于紧贴壁面处的粘滞力仍起主导作用 致使贴附于壁面的极薄层的流体仍保持层流的状态 这一薄层流体称为层流底层 底层之上即为紊流层 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 10 当流体在壁面上流动时 其紧贴壁面的极薄的层流底层相对于壁面几乎是不流动的 壁面与流体间的热量传递必须通过这个层流底层 热量传递的方式只能是导热这种方式 因此对流换热量实际上就等于层流底层的导热量 在层流段 沿壁面法线方向上的热量传递主要依靠导热作用 在紊流段 层流底层内的热量传递方式仍然是导热 这是紊流段主要的热阻 但在层流底层以外 对流的作用仍然占主导作用 因此 对流换热实际上是依靠层流底层的导热和层流底层以外的对流共同作用的结果 对流换热的热阻主要集中在流体的层流内层内 因此减薄层流内层的厚度是强化对流换热的主要途径 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 11 7 1 3牛顿冷却公式 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 12 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 13 如前所述 对流换热是对流和导热共同作用的结果 那么所有支配这两种作用的因素 诸如流动的起因 流动状态 流体物性 物相变化 壁面的几何参数 管路的振动等等 都会影响对流换热系数 1 流体流动的起因流体在壁面上流动的原因有两种 一种是自然对流 另一种是强制对流 一般地说 强制对流的流速较自然对流高 因而对流换热系数也高 例如空气自然对流换热系数约为5 25W m2 强制对流换热系数可达10 100W m2 再如受风力影响 房屋墙壁外表面的对流换热系数比内表面高出一倍以上 7 1 4影响对流换热系数的主要因素 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 14 2 流体的流态流体的流动存在着两种不同形式的流态 即层流和紊流 层流时 流体沿壁面法线方向的热量传递主要依靠导热 故对流换热系数的大小取决于流体的导热系数 紊流时 紊流核心的热阻较小 对流换热系数的大小主要取决于层流底层的热阻 因此 要强化对流换热效果 应该在一定程度上提高流体的流速 这样可以使流体的流态由层流变为紊流 减小层流底层的厚度 提高表面传热系数 3 流体的物理性质流体的物理性质如密度 动力粘度 导热系数 以及定压比热容cp等 对对流换热有很大的影响 流体的导热系数越大 流体与壁面之间的热阻就越小 换热就越强烈 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 15 流体的比定压热容和密度越大 单位质量携带的热量就越多 传递热量的能力就越强 流体的粘度越大 粘滞力就越大 这就阻碍了流体的流动 加大了层流边界层的厚度 不利于对流换热 4 流体的相变流体是否发生了相变 对对流换热的影响很大 流体不发生相变的对流换热 是由流体显热的变化来实现的 而对流换热有相变时 流体吸收或放出汽化潜热 对于同种流体 潜热换热要比显热换热剧烈得多 因此 有相变时的对流换热系数要比无相变时的大 另外 沸腾时液体中气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 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 16 5 换热表面的几何因素几何因素是指换热表面的形状 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效果 如图7 4 a 所示 流体在管内强制流动与管外强制流动 由于换热表面不同 流体流动产生的边界层也不同 其换热规律和对流换热系数也不相同 在自然对流中 流体的流动与换热表面之间的相对位置 对对流换热的影响较大 图7 4 b 所示的平板表面加热空气自然对流时 热面朝上气流扰动比较激烈 换热强度大 热面朝下时流动比较平静 换热强度较小 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 17 6 管路的振动当换热介质流经换热器管路时 会或多或少地引起管路的振动 尤其是蒸汽介质 会使振动更加明显 以前人们只认识到振动对于管路使用寿命的负面影响 近来有的科学家发现 振动实际上也是对流换热过程中一种能量转换与转移的方式 振动本身加强了换热介质的扰动 增强了换热效果 另外振动也减弱了污垢在管壁处的积累 减小了热阻 图7 4换热表面几何因素对对流的影响 a 强迫对流 b 自然对流 7 1对流换热的概念及牛顿冷却公式 18 前边我们学过的对流换热牛顿冷却公式 Q A t 虽然揭示了对流换热量与温差 换热面积以及对流换热系数之间的关系 但是并不能应用此公式去解决实际的换热问题 因为公式中的对流换热系数 与换热过程中的许多因素有关 进行对流换热计算的主要任务 就是确定对流换热系数 研究的方法大致有以下四种 分析法 实验法 比拟法 数值法 由于对流换热过程十分复杂 不管依靠哪种方法来求得对流换热系数都是非常困难的 考虑到高职学生的需要 在这里我们并不打算详细介绍各计算公式的由来及推导 只是介绍计算对流换热系数的一般方法以及公式的选择及应用 7 2对流换热计算概述 7 2对流换热计算概述 19 7 2 1对流换热准则数 7 2对流换热计算概述 20 7 2对流换热计算概述 21 7 2对流换热计算概述 22 7 2对流换热计算概述 23 7 2 2准则数之间的关系 7 2对流换热计算概述 24 7 2对流换热计算概述 25 1 定性温度在使用上述公式计算准则数时 往往要用到流体的物性参数 比如流体的密度 运动粘度 等 这些参数的大小一般都与温度有关 而在工程计算中 同一计算流体各部分的温度是不一样的 比如油水换热器进口和出口的水温是不一样的 因此大多数基于试验分析的经验公式都给出了一个决定公式中其他物理参数的温度 这个温度就叫做定性温度 其他随温度变化的物理参数的取值 应该由定性温度决定 7 2 3定性温度与特征尺寸 7 2对流换热计算概述 26 7 2对流换热计算概述 27 2 特征尺寸参与对流换热的换热表面几何尺寸往往有几个 准则数公式中所用的尺寸参数 一般是实验中发现其中对换热有显著影响的几何尺寸 称为特征尺寸 如流体在圆形管内对流换热时 特征尺寸一般为管内径 而在非圆形管内对流换热时 则常用当量直径作为特征尺寸 在使用准则数公式时 要按准则公式的要求来确定 具体应用情况如下 流体在圆管内流动时 取管内径作为特征尺寸 流体在非圆管道内流动时 如椭圆管道 矩形管道等 取当量直径de作为特征尺寸 即 7 12 7 2对流换热计算概述 28 7 2 4换热计算的一般步骤 7 2对流换热计算概述 29 7 3 1 1管内强制流动换热量计算公式的选用管内流体与管壁之间的对流换热系数 受多种因素的影响 比如流体的流态 流体与壁面的温差 流体的粘度等 要通过努谢尔数Nu求出对流换热系数 就必须根据适用范围选择出正确计算Nu的公式 表7 1列出了管内强制流动努谢尔数Nu的计算公式 7 3单相流体对流换热计算 7 3 1管内流体强制对流换热计算 7 3单相流体对流换热计算 30 表7 1管内强制流动努谢尔数N 的计算公式 7 3单相流体对流换热计算 31 续表7 1 7 3单相流体对流换热计算 32 续表7 1 7 3单相流体对流换热计算 33 7 3 1 2表面传热系数的修正 7 3单相流体对流换热计算 34 7 3单相流体对流换热计算 35 7 3 1 3对流换热系数的求解步骤 先由已知条件计算Re 再根据Re值判断管内流态 根据管内流态 层流 紊流或过渡流 和适宜范围 选用相应的实用计算式 并注意特征尺寸和定性温度的确定 由已知条件计算或选取有关修正系数 由实用计算式计算Nu 由Nu值求得对流换热系数 例7 1 水流进长度为L 5m的直管 从t f 25 被加热到t f 35 管内径d 20mm 水在管内的流速为2m s 求平均对流换热系数 7 3单相流体对流换热计算 36 7 3 2 1流体强制横向流过单管的换热量计算 7 3 2管外流体强制对流换热计算 图图7 5流体横向流过单管 表7 2 7 3单相流体对流换热计算 37 例7 2 已知管外径d 20mm 水温tf 20 管壁温tw 30 水流速u 0 5m s 试求冷却水横向流过单管时的对流换热系数 表2 2流体横掠单管计算式中的C n值 7 3单相流体对流换热计算 38 7 3 2 2流体强制横向流过管束在实际工程中 流体往往不是掠过单管 而是流过由许多管子组成的管束 例如在管式换热设备中 管外流体一般从垂直于管轴心的方向冲刷管束 管束排列方式很多 但以图7 6所示的顺排与叉排两种最为普遍 从图7 6中可以看出 顺排时流体的流道相对平直 而且当流速较低或管间距较小时 易在管的尾部形成滞流区 叉排时流体的流道是交替收缩和扩张的 流体扰动性较好 只要管的间距设计合理 其换热就比顺排强烈 但流体的阻力损失大于顺排 影响对流换热系数的因素除了排列方式之外 还有管子排数 管径以及管子间距等 流体强制横向流过管束的各种实用计算式见表7 3 7 3单相流体对流换热计算 39 图7 6流体在圆管束间的流动状态 a 顺排 b 叉排表 见图7 6 7 3单相流体对流换热计算 40 表7 3流体强制横向流过管束的换热计算式 7 3单相流体对流换热计算 41 7 3单相流体对流换热计算 42 7 3单相流体对流换热计算 43 流体自然对流换热是指流体与固体壁面相接触 由于两者温度不同 靠近壁面的流体受壁面温度的影响 造成流体温度和密度的改变 流体主体与固体壁面附近的流体间因存在密度的差异而形成浮力 结果导致固体壁面附近的流体上升 或下降 和流体主体的流体下降 或上升 的自然对流 因此 流体与壁面之间的温度差是流体产生自然对流的根本原因 空间自然对流换热主要分为两种类型 一类是流体在较大空间中自然对流 因为空间大 自然对流不受干扰 称为大空间的自然对流换热 如室内暖气片与室内空气的换热 另一类是流体在封闭狭小空间内自然对流 冷热流体相互干扰 称为有限空间的自然对流换热 如双层玻璃窗之间空气的对流换热等 7 3 3自然对流换热的计算 7 3单相流体对流换热计算 44 7 3 3 1大空间自然对流换热的计算 表7 6 7 3单相流体对流换热计算 45 表7 6大空间自然对流换热方程式中的c n值 7 3单相流体对流换热计算 46 续表7 6 7 3单相流体对流换热计算 47 7 3 3 2有限空间自然对流换热的计算有限空间的自然对流换热是指在封闭的夹层内由高温壁到低温壁的换热过程 且其换热过程是热壁和冷壁两个自然对流过程的组合 封闭夹层的几何位置可分垂直 水平等情况 如图7 7所示 图7 7有限空间自然对流换热 7 3单相流体对流换热计算 48 7 3单相流体对流换热计算 49 表7 7有限空间的自然对流换热Nu的计算式 7 3单相流体对流换热计算 50 例7 5 冷 热两个竖直壁面之间夹层的厚度为25mm 高度为500mm 热壁面的温度为15 冷壁面的温度为 15 求夹层之间空气单位面积的传热量 续表7 7 7 3单相流体对流换热计算 51 当液体与高于其饱和温度的壁面接触时 液体就被加热而沸腾 工质在饱和温度下吸收热量由液态转变为气态的过程称为沸腾 沸腾的特征是液体内部不断地产生气泡 这些气泡在换热表面上的某些地点 称汽化核心 不断地产生 长大 脱离壁面 并穿过液体层进入上部的气相空间 使换热表面和液体内部都受到强烈扰动 对同一种流体而言 沸腾对流换热系数一般要比无相变的对流换热系数高得多 例如在常压下水的沸腾对流换热系数可达5 104W m2 K 而强制对流时的对流换热系数最高值才为104W m2 K 7 4 1沸腾换热 7 4沸腾换热与凝结换热 7 4沸腾换热与凝结换热 52 沸腾按发生的场合可分为大容器沸腾 或称池内沸腾 和管内沸腾 或称有限空间沸腾 受迫流动沸腾 两种 大容器沸腾时 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气泡运动所导致的液体运动 管内沸腾是液体在一定压差作用下 以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象 又称为强制对流沸腾 管内沸腾时 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气泡不是自由上浮的 而是被迫与液体一起流动的 出现了复杂的气液两相流动 7 4沸腾换热与凝结换热 53 无论是大容器沸腾还是管内沸腾 都有过冷沸腾和饱和沸腾之分 当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 将产生过冷沸腾 此时 在加热面上产生的气泡将在液体主体重新凝结 热量的传递是通过这种汽化 凝结的过程实现的 当液体主体的温度达到其相应压力下的饱和温度时 离开加热面的气泡不再重新凝结 这种沸腾称为饱和沸腾 7 4沸腾换热与凝结换热 54 7 4 1 1大容器沸腾换热 图7 8水在常压下的饱和沸腾曲线 7 4沸腾换热与凝结换热 55 7 4沸腾换热与凝结换热 56 7 4沸腾换热与凝结换热 57 图7 8 7 4沸腾换热与凝结换热 58 7 4 1 2管内沸腾换热过程 1 竖直管内沸腾换热图7 9是竖直管内液体的沸腾情况 若进入管内液体的温度低于饱和温度 这时流体与管壁之间的换热是液体的对流换热 之后液体在壁面附近被加热到饱和温度ts 但此时管内中心温度尚低于ts 仅管壁有气泡产生 属于过冷沸腾 图7 9竖直管内沸腾过程 7 4沸腾换热与凝结换热 59 随后液体在整个截面上达到饱和温度 进入饱和核态沸腾 这时流动状态先是泡状流 渐变成块状流 进入泡态沸腾 随着液体被加热和气泡的继续增多 在管中心形成气体芯 液体被压成环状 紧贴管壁呈薄膜流动 出现环状流 此时的汽化过程主要发生在液气交界面上 热量主要以对流方式通过液膜 属于液膜的对流沸腾 继而液体薄膜受热进一步汽化 中间气相的流速继续增加 由于气液界面的摩擦 气流能将液面吹离壁面 并携带于蒸汽流中 这样液膜变成了小液珠分散在气流中 似雾状 故称为雾状流 此时管壁接触的是蒸汽 因此对流换热系数骤然下降 管壁温度升高 若雾状的小液珠再进一步汽化 就发展成单一的气相了 从而进入单相蒸汽流的对流换热过程 7 4沸腾换热与凝结换热 60 2 水平管内沸腾换热对于发生在水平管内的沸腾换热 如果流速较高时 管内的情形与竖直管基本相似 但在流速较低时 受重力的影响 气体和液体分别集中在管的上 下两半部分 如图7 10所示 进入环状流后 管道上半部容易过热而烧坏 图7 10水平管内沸腾过程 7 4沸腾换热与凝结换热 61 7 4 1 3影响沸腾换热的因素沸腾对流换热系数除了与液体的物理性质参数有关外 还受到沸腾液体的润湿能力 导热性能以及壁面材料 表面形状等因素的影响 1 液体表面压力液体表面压力的大小决定了液体的沸点 饱和温度 的高低 在饱和状态下 压力越低 沸点就越低 换热温差就越大 越有利于沸腾换热 2 液体的性质液体沸腾时 其内部的扰动程度 气 液两相的导热能力 以及形成气泡的脱离与液体的导热系数 密度 粘度和表面张力有关 所以这些因素对沸腾换热有重要的影响 一般情况下 对流换热系数随着液体的导热系数和密度的增加而增大 随液体的粘度和表面张力的增大而减小 7 4沸腾换热与凝结换热 62 3 不凝性气体在制冷系统蒸发器管路内 不凝性气体如空气的存在会使蒸发器内的总压力升高 导致沸点升高 换热温差降低 严重影响蒸发器的吸热制冷 因此应严禁不凝性气体混入制冷系统内 4 液位高度在大容器沸腾中 当传热表面上的液位足够高时 沸腾表面传热系数与液位高度无关 但当液位降低到一定值时 沸腾对流换热系数会明显地随液位的降低而升高 这一特定的液位值称为临界液位 7 4沸腾换热与凝结换热 63 5 沸腾表面的结构热壁面的材料不同 粗糙度不同 则形成气泡核心的条件不同 对沸腾换热将产生显著的影响 通常是新的或清洁的加热壁面对流换热系数的值较高 当加热壁面被油垢玷污后 对流换热系数急剧下降 壁面越粗糙 气泡核心越多 越有利于沸腾换热 换热器表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心 为加强换热 可采用烧结 钎焊 火焰喷涂 电离沉积等物理与化学的方法 在换热器表面上形成一层多孔或多沟槽结构 也可采用机械加工的方法在换热器表面形成沟槽结构 或在沸腾管路上设置散热肋片 如图7 11所示 W TX管管壁加工出很多细小的凹槽 GEWA T管加工出细密的螺纹 而多孔管表面形成了多孔结构 通过这些措施 既可以增加汽化核心 也可以增加表面换热面积 当然前者的作用是主要的 7 4沸腾换热与凝结换热 64 工质在饱和温度下释放热量由气态转变为液态的过程称为凝结 冷凝 凝结换热是伴随相变的对流换热 蒸汽和低于相应压力下饱和温度的冷壁面相接触时 就会放出汽化潜热 凝结成液体附着在壁面上 在制冷系统中冷凝器内制冷剂蒸气与管壁之间的换热 在发电厂中凝汽器内水蒸气与管壁之间的换热等都是凝结换热 7 4 2凝结换热 图7 11强化沸腾换热的表面结构 7 4沸腾换热与凝结换热 65 根据凝结液润湿壁面的性能不同 蒸汽凝结分为膜状凝结和珠状凝结两种 如果凝结液能够很好地润湿壁面 就会在壁面上形成连续的液体膜 这种凝结形式称为膜状凝结 如图7 12所示 随着凝结过程的进行 液体层在壁面上逐渐增厚 达到一定厚度以后 凝结液将沿着壁面流下或坠落 但在壁面上覆盖的液膜始终存在 在膜状凝结中 纯蒸汽凝结时气相内不存在温度差 所以没有热阻 而蒸汽凝结所放出的热量 必须以导热的方式通过液膜才能到达壁面 又由于液体的导热系数不大 所以液膜几乎集中了凝结换热的全部热阻 因此 液膜越厚 其热阻越大 对流换热系数就越小 膜状凝结的对流换热系数主要取决于凝结液的性质和液膜的厚度 7 4沸腾换热与凝结换热 66 如果凝结液不能很好地润湿壁面 则因表面张力的作用将凝结液在壁面上集聚为许多小液珠 并随机地沿壁面落下 这种凝结称为珠状凝结 如图7 12所示 图7 12膜状凝结与珠状凝结 7 4沸腾换热与凝结换热 67 随着凝结过程的进行 液珠逐渐增大 待液珠增大到一定程度后 则从壁面上落下 使得壁面重新露出 可供再次生成液珠 由于珠状凝结时蒸汽不必通过液膜的附加热阻 而直接在传热面上凝结 故其对流换热系数远比膜状凝结时的大 有时大到几倍甚至几十倍 工程实际中采用的冷凝器中 大多数为膜状凝结 即使采取了产生珠状凝结的措施 也往往因为传热面上结垢或其他原因 难以持久地保持珠状凝结 所以 工业冷凝器的设计均以膜状凝结换热为计算依据 7 4沸腾换热与凝结换热 68 7 4 2 2影响凝结换热的因素 1 蒸汽所受的压力蒸汽所受压力的大小决定了气体冷凝温度 饱和温度 的高低 在饱和状态下 压力越大 冷凝温度就越高 与壁面换热温差就越大 越有利于凝结换热 2 蒸汽的流速和流向如果蒸汽流动方向与液膜流动方向一致可加速液膜流动 使之变薄 表面传热系数增大 当流动方向相反时 会增加液膜厚度 对流换热系数减小 但如果蒸汽流速较高时 将会把液膜吹离表面 不论流向如何 都会使对流换热系数增大 7 4沸腾换热与凝结换热 69 3 蒸汽中含有不凝性气体当蒸汽中含有不凝性气体 如空气 氮气 时 即使含量极微 也会对凝结换热产生十分有害的影响 例如水蒸气中含有1 的空气能使凝结对流换热系数降低60 因为不凝结气体层的存在 使蒸汽在抵达液膜表面进行凝结之前 必须以扩散方式穿过不凝结气体层 使蒸汽与壁面之间的热阻加大 削弱了热量的传递 因此 排除不凝性气体是保证制冷系统冷凝器正常运行的关键 4 冷凝器壁面情况的影响若冷凝器凝结壁面粗糙 有锈层或有油