10AW 传热学 第三章

1 第3章对流换热 华中农业大学工学院 Charpter3ConvectionHeatTransfer 2 主要内容 3 1对流换热概述3 2对流换热准则方程3 3流体受迫流动换热3 4流体自由流动换热3 5本章小结 3 基本要求 理解对流换热的概念 牛顿冷却公式 边界层概念 相似原理等知识 理解对流换热的影响因素 掌握用分析方法求解对流换热问题 理解对流换热问题的复杂性 掌握工程上常见的管内流动换热 平行流过平板换热以及绕流圆管的受迫对流换热的问题的求解和分析方法 4 3 1对流换热概述 3 1 1对流换热过程基本概念流体流过壁面 与壁面存在温度差时 流体与壁面间进行的热量传递过程 特点 1 存在温差 而且与固体表面直接接触 2 既有热对流 也有导热 是导热和对流联合作用的结果 5 3 1 2常见的对流换热现象及应用 6 h为对流换热表面传热系数 是表征对流换热强度的量 数值上等于流体和壁面和壁面之间的温差为1 时 单位时间单位壁面上的对流换热量 3 1 3对流换热基本公式 分析计算对流换热过程 实质上就是设法计算各种情况下的对流换热系数 进而求出对流换热量 有时需要研究影响对流换热系数的各种因素 从而找出增强或减弱传热的途径 7 3 1 4流动边界层 当流体流过壁面时会产生粘性力 这种粘性力用流体内层与层之间的切应力来描述 对于牛顿型流体 切应力与速度梯度成正比 即 称为动力粘度 单位Pa s 8 9 边界层分类 1 层流边界层 2 过渡流边界层 3 湍流边界层 4 由层流边界层开始向湍流边界层过渡的距离称为临界长度xc 该处的雷诺数称为临界雷诺数 通常流体沿平板流动时 Recr 50 x105 为运动粘度 m2 s 10 3 1 5热边界层 流体与壁面之间存在温差 流体流过壁面时 被壁面加热 紧贴壁面处流体温度必等于壁面温度 但流体在垂直于壁面的某一定区域内 温度由tf升为tw 测量发现 这一温度变化仅发生在紧靠壁面的一薄层流体中 而且该薄层的厚度 随流体在板上流过的距离的增加而增大 把温度剧烈变化的这一薄层称为热边界层 流体与壁面之间的温差仅发生于热边界层内 11 12 热边界层传热特点 1 层流边界层 热流传递依靠导热 换热较弱 2 湍流边界层 层流底层的传热仍依靠导热 湍流区 除导热外 主要靠漩涡扰动的对流混合作用 换热较强 13 3 1 6影响对流换热系数的因素 对流换热是运动的流体与固体壁面之间进行的热量传递 因而除两者的温差之外 一切有关流体流动及固体壁面的种种因素 也都将影响换热系数的大小 所以 对流换热系数的大小不仅与流体的热物性有关 还与流体流动的动力因素 流体流动的状态 换热壁面的热状态以及换热壁面的几何因素等有关 14 3 1 6 1流体流动的动力因素1 流体流动的动力因素是指流体运动产生的原因 对流换热按流体流动的动力因素可分为强迫对流和自然对流两大类 强迫对流是指风机或水泵等机械设备所产生的外力迫使流体相对于壁面而产生的运动 自然对流是流体冷 热各部分的密度差产生的浮升力而引起 2 强迫对流时 整个流体的运动是受迫的宏观运动 因而流体的流速将对换热系数的大小产生很大的影响 而自然对流时 流体内部的浮力引起的的宏观运动 因而浮升力的大小则是影响换热系数大小的主要因素 15 3 1 6 2流体流动的状态1 流体流动的状态是指流动的形态或结构 2 流动状态有层流 紊流以及处于两者之间的过渡状态 层流时 由于流体微团平行于壁面有规则地成层状运动 没有横向脉动 因而沿壁面法线方向的热传递只能依靠分子的导热 而紊流时 流体微团除沿主流方向运动外 还存在强烈的横向脉动 因而沿壁面法线方向的热传递不仅依靠分子的导热 还依靠流体微团的横向脉动 并且以后者为主 因此 热传递在层流和紊流中的机理是不同的 流动状态也是影响换热系数大小的主要因素 16 3 1 6 3流体的热物理性对流换热是流体内部导热和流体微团传递能量的复合过程 因此 流体本身的热物理性对换热系数的大小有很大的影响 影响流体热物性的参数主要有 导热系数 比热 动力粘度 密度等 17 3 1 6 4换热壁面的热状态1 换热壁面的热状态是指壁温tw的大小 2 有相变 当壁温明显高于周围液体的饱和温度时 壁面上形成大量气泡而发生气化沸腾现象 此即有相变对流换热过程 有相变时 传递的热量包含了潜热 而且气泡的运动对液体产生强烈的扰动 因此对流换热的机理则更为复杂 与无相变时比较 换热系数要大得多 3 无相变 如壁温tw与流体温度tf相差甚大 则要考虑大温差所引起的流体内部各部分热物性参数的不同对换热系数的影响 18 3 1 6 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等均为换热壁面的几何因素 壁面的几何因素不同 流体的流动情况也随之变化 从而引起换热系数的变化 例如 流体横掠过不同断面或不同直径的管道时就会具有不同的换热系数 即使流体流过同样断面和大小的管道 当流动方向与管轴线夹角不同时 换热系数也会不同 19 换热面示意图 20 3 1 7对流换热系数的函数 影响对流换热系数的因素很多 写成函数形式如下 对流换热过程很复杂 有受迫流动和自由流动 层流和湍流 有相变与无相变等不同的情况 各种性质不同的流体以及换热面的形状 大小和相对位置等组成了多种不同规律的换热过程 要了解对流换热系数变化规律 只有对上述各种情况分门别类地进行分析和试验 才能获得反映各种情况的计算公式 21 3 1 8对流换热的分类 22 由于对流换热是复杂的热量交换过程 所涉及的变量参数比较多 常常给分析求解和实验研究带来困难 因此人们常采用相似原则对换热过程的参数进行归类处理 对流换热系数函数 h f u tW tf c v l 依据相似理论分析 把对流换热系数函数众多的变量组成几个数群 这种数群称为相似特征数 即相似准则 量纲为一 每一个准则反映一个方面的影响 从而把换热系数函数式变换成几个相似准则的函数式 3 2对流换热准则方程 23 模型实验与原形实验之间满足物理相似的条件 1 用相同形式且具有相同内容的微分方程所描述的现象 称为同类现象 只有同类现象才能谈相似问题 必须是同类现象 即现象的物理性质相同 2 物理现象的相似只发生在几何相似的体系中 几何相似是指换热面放置位置要相同 几何形状要相似 彼此相似的现象 其同名准则数必定相等 3 2 1物理现象相似的条件 24 3 两个物理现象相似 意味用来说明该两类现象物理性质的一切物理量相似 即在空间相对应的各点和时间上相对应的瞬时 说明第一个现象的某个物理量和第二个现象的同类物理量互成比例 为两个相似的物理量 则有 为相似物理量的相似倍数 25 设两个相似的对流换热现象 它们的对流换热微分方程分别为 3 2 2对流换热现象相似的准则和准则方程 3 2 2 1相似准则的导出 由于两现象相似 它们各同类物理量将分别存在如下的相似关系 c 26 将式 c 带入式 a 整理后得 d 将式 b 和式 d 进行比较 必然是 e 这说明 描述对流换热现象规律的三个相关物理量 它们各自的相似倍数之间必然存在着制约关系 27 再将式 c 代入式 e 又得 这说明 两个对流换热现象相似 其量纲为一的量必相等 称它为努塞尔数 努谢尔特数 或称努赛尔准则 用符号Nu表示 因此 对于对流换热的两个换热现象 可以把描述现象的三个物理量所组成的无量纲量 在任何相对应的地点和相对应的时刻是否保持等值 作为判断该两个现象是否相似的依据 特征数称为 相似判据 28 1 描述物理现象中的各物理量不是单个起作用 而是由各个准则数共同起作用 所以方程的解只是由这些准则数组成的函数关系式 称准则关系式或准则方程式 2 准则数分为已知准则数和未知准则数 3 2 2 2相似准则数之间的关系 29 3 2 2 3相似准则 表征换热程度强弱的准则 表征流体受迫流动状态的准则 表征热对流与导热对温度分布的影响 表征动量传递能力与热量传递能力的相对大小 表征流体自由流动的状态 30 3 2 2 4准则方程 特征数方程 对于一般换热 对于受迫湍流流动换热 可忽略自由流动的影响 对于纯自然对流换热 不存在强迫流动 相似准则使方程中变量数目大为减少 给实验研究带来很大方便 通常将 b 式整理成幂函数形式 c n m都是要由实验确定的常数 31 为进口和出口处流体的平均温度 1 定性温度 用平均温度 2 定型尺寸 几何特征尺寸 纵掠平板选用流动方向的板长l 管内流动选用管的内径d 横掠圆管选用管的外径D 3 2 3定性温度和定型尺寸 1 流体平均温度 2 壁面温度 tw 3 边界层中流体的平均温度 膜温度 32 3 3 1 1流动和换热特征当流体在管内受迫流动时 会形成流动边界层 流体以匀速流入管口后 因粘性力而使管壁处的流速降低 形成边界层 并逐渐加厚 由于管内各断面流量不变 管心流速将随边界层流速的降低而逐渐增加 因此 沿x方向不同截面上的速度分布不同 经过一段距离l后 管壁两侧的边界层在管心汇合 边界层停止发展 它的厚度等于管内半径 d 2 3 3流体受迫流动换热 3 3 1管内受迫流动换热 33 流动进口段 在边界层汇合之前的区段 流动充分发展段 流动进口段之后 各截面上速度分布不再变化 形成充分发展的流动 管内的流态判断 用按管截面平均流速计算的Re数来判断 Re 2300时为层流 Re 10000为旺盛湍流 其间是过渡流 1 流动边界层 管内流动 34 2 管内流动 不同流态 35 与流动边界层的发展相伴随 管内热边界层也同时发展和增厚 最终也汇合于管心 热进口段 在热边界层汇合之前的区段 沿x方向不同截面上流体的无量纲温度分布在变化 热充分发展段 其后各截面上流体的无量纲温度分布不再变化 对于Pr 1的流体 流动进口段和热进口段的长度基本相等 3 热边界层 36 管内层流和紊流的局部换热系数hx随x变化 在进口处 边界层最薄 具有最大值 然后随边界层增厚而逐渐降低 在层流情况下 hx逐渐趋于不变值 在湍流情况下 当边界层转变为湍流后 小幅回升并迅速趋于不变值 到了热充分发展段 对流换热系数将保持定值 4 进口段局部换热系数的变化 37 对于平均对流换热系数而言 若为L d 60的长管 进口段的影响可忽略不计 对于L d 60的短管 因进口段的影响 短管的平均对流换热系数高于长管的平均对流换热系数 一般列出的管内受迫流动换热准则方程是指长管 若用于短管 应引入管长修正系数 1加以修正 5 管长的影响 38 6 热流方向对流速场的影响 在对流换热的情况下 由于存在温差 管心处和近壁处流体的温度不同 物性发生变化 特别是粘度发生差异 将导致有温差时的速度场不同于等温流动的速度场 以液体在管内流动被加热的情况为例 近壁处液体的粘度比管心处小 因而近壁处的液体要比等温流动时快 温差越大 这种速度分布的畸变就越大 贴壁处的速度变化率也越大 其他条件相同时 液体被加热时的换热系数高于被冷却时的换热系数 39 热流方向对流速场的影响 图 40 热流方向不同 被冷却或被加热 对换热系数有影响 在准则方程中为考虑这种影响而引入修正项加以修正 流体在螺旋管中流动时 由于离心力作用 使流体在管道内形成二次环流 强化了换热过程 故螺旋管的换热比直管强 在准则方程中应引入弯曲修正系数 R以修正 7 温度修正和弯管修正 修正项 41 1 湍流换热 对光滑管内充分发展的湍流换热 可采用迪特斯 玻尔特 Dittus Boetter 公式 3 3 1 2管内换热计算公式 特征数方程 液体被加热或气体被冷却时 m 0 4 液体被冷却或气体被加热时 m 0 3 适用范围 0 7 Prf 160 Ref 104 L d 60 此式适用于流体与壁面间具有中等以下温度差的场合 气体 t 50 水 t 20 30 油 t 100 式中采用流体平均温度tf 管道进出口截面平均温度的算术平均值 为定性温度 定型尺寸取管内径d 对于非圆管 则用当量直径de 4f U f为管道的流通截面积 U为流体润湿流道的周边长度 流体的特征流速采用截面的平均流速 42 适用范围 0 7 Prf 160 Ref 104 L d 60的直管 式中 除 W用壁面温度tW为定性温度外 其他均采用流体平均温度tf为定性温度 当流体和壁面之间存在较大温差 流体的动力粘度明显变化时 常采用希德 台特 Sieder Tate 公式 即 43 修正系数 60 44 对于无自然对流的层流换热 可采用希德 台特 Sieder Tate 公式 即 2 层流换热的情况 在层流工况下 进口段的影响波及的管段比较长 在式子中引进几何参数准则d L 适用范围 0 4860 式中选用的定性温度和定型尺寸与湍流换热情况相同 流体流速也采用管内平均流速 45 层流换热特例 Nuf可作为定值处理 恒热流工况时qw 定值Nuf 4 36恒壁温工况时tw 定值Nuf 3 66 如果计算得到 46 3 3 2 1横掠单管的换热当流体横向掠过单管时 流体接触管面后从上 下两侧绕过 并在管壁形成边界层 边界层也有层流和紊流两种 但流体沿曲面流动与沿平壁流动不同 近壁处流体的压力沿管周发生变化 大约在前半周压力递减 dp dx 0 主流速度增加 du dx 0 而大约在后半周dp dx 0 du dx 0 此时 靠近壁面处流体不能在压力的推动下向前流动 只能依靠本身动能克服压力的增长向前流动 因而必然在某点出现du dy w 0 此点称为绕流脱体的起点 又称分离点 3 3 2横掠单管或管束的换热 47 1 流体横掠单管示意图 48 49 与管周边界层的发展和分离相对应 流体局部表面传换热系数也随角和Re数而变化 当Re数较小时 随的增加而减少 以后由于边界层分离出现涡流 回升 当Re较大时 将发生两次回升 一次由于层流转变为湍流 另一次由于湍流边界层发生分离流 当流体对横管的冲击角为直角时 流体横掠单管换热准则方程可采用希尔珀特 Hilpert 公式进行计算 2 流体局部对流换热传热系数变化 50 式中 定性温度为边界层平均温度tm tm tw t 2 t 是流体的来流温度 定型尺寸为圆管外径do 流体特征流速采用来流速度u 系数c和指数n的值列于表2 1中 希尔珀特 Hilpert 公式 51 当流体横向掠过管束时 由于管子之间的相互影响 其换热过程比单管复杂 管子的排列方式有顺排和叉排两种 对这两种排列方式的纵向第一排管子来说 其换热情况与单管相仿 但后面各排不同 对叉排而言 各排管子的换热情况与单管比较接近 且流体流动方向不断改变 混合较佳 对顺排而言 后排管子的前部处于前一排管子的旋涡之中 管子前半部的换热强度比叉排差 3 3 2 2横掠管束的换热 52 1 流体横掠管束的流动情况 53 管束排列方式的影响 在相同条件下叉排管束的换热系数比顺排高 但它的阻力损失比顺排大 管间距影响 横向节距s1和纵向节距s2对流动和换热情况部有影响 入口影响 管束中前几排管子受入口影响较大 通常 流体经过10排之后 扰动趋于稳定 换热系数也渐趋稳定 排列方式 管间距 排数等因素在准则方程中应有反映 2 流体横掠管束对表面传热系数的影响因素 54 流体横掠管束时对流换热准则方程可采用格里姆森 Grmison 公式 定性温度取壁面与流体平均温度的算术平均值 tm tw tf 2 定型尺寸为圆管外径d 流体特征流速采用截面最窄处的平均流速umax 当Z 10 引入管束排数修正系数 3 流体横掠管束的计算 适用范围 Z 10 Rem max 2x103 4x104 Prm 0 7 对