西安交大热工基础第11章对流换热2

1、热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer1 1/66/66强制对流换热及其实验关联式强制对流换热及其实验关联式1.1. 管槽内强制流动与换热的特点管槽内强制流动与换热的特点内部流动过程中，一侧固体表面上的边界层在内部流动过程中，一侧固体表面上的边界层在形成和发展过程中可能受到另一侧固体表面的形成和发展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限制，形成边界层干扰或汇合热流中心热工基础热工基础 Fundam

2、entals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2 2/66/66 流动入口段：速度边界层厚度由零发展到汇流动入口段：速度边界层厚度由零发展到汇合于通道中心合于通道中心 换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合换热入口段：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于通道中心，换热强度由最高而逐渐减弱 充分发展段充分发展段0ux0 x热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Trans

3、ferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3 3/66/66Turbulent flow热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4 4/66/66特征长度；截面平均速度；截面平均温度特征长度；截面平均速度；截面平均温度dcAmcudAuAccpAbpAc t udAtcudA热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics

4、 and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5 5/66/662.2. 管内湍流换热计算管内湍流换热计算 Bolter-Dittus公式公式0.80.023RePrnfffNu0.4,n 加热流体0.3,n 冷却流体三大特征量三大特征量特征尺度：内径特征尺度：内径di定性温度：定性温度：tf =(tin+tout)/2特征流速特征流速热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynam

5、ics and Heat Transfer6 6/66/66适用范围适用范围 Re=104 1.2105，旺盛湍流，旺盛湍流 Pr=0.7 120，包括空气、水、油，包括空气、水、油 l/d60，平均换热系数；如果是短管则需，平均换热系数；如果是短管则需修正修正 边界条件：给定温度或给定热流边界均可边界条件：给定温度或给定热流边界均可热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer7 7/66/66t = tw - tf气气5

6、0水水20油油10中等温差，非中等温差，非tin - tout思考：思考： 不适用于液态金属，不适用于液态金属，Pr10-212060tw=50air 热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer8 8/66/66应用范围扩大应用范围扩大 短管短管l/d60热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermod

7、ynamics and Heat Transfer9 9/66/66 弯管弯管(螺旋管螺旋管)，R R 流体流过弯管时会产生二次流，强化换热，要修正一下。流体流过弯管时会产生二次流，强化换热，要修正一下。热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer10 10/66/66 大温差大温差(突破中等温差极限突破中等温差极限)，t t 对变物性修对变物性修正正q气体被加热，气体被加热， t 1 气体被冷却，气体被冷却， t = 1

8、q液体被加热或被冷却液体被加热或被冷却热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer11 11/66/66 非圆截面非圆截面当量直径当量直径de (equivalent)4ceAdP热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer12 12/66/66综合表

9、达式综合表达式0.80.023RePrnffflrtNuC C C0.80.80.40.40.60.20.4, ,pnhfucd ，0.8次幂，影响最大，其次为次幂，影响最大，其次为 u, 0.8次幂次幂 ：1m/s 1.5m/s， h40% d，h热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer13 13/66/663. 外掠物体时的强制对流换热外掠物体时的强制对流换热 纵掠等温平板纵掠等温平板公式公式 11-17 特征尺度

10、：板长特征尺度：板长(局部为局部为x，平均为，平均为l)注意注意 定性温度：定性温度：tm=(t+tw)/2 流态流态Rec5 105 x， ，h热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer14 14/66/66 外掠单管外掠单管(flow over single cylinder)流动特点流动特点 前半周，加速流动前半周，加速流动0,0dpdudxdx 脱体，脱体，flow separation0,0dpdudxdx 后

11、半周，减速流动后半周，减速流动0,0dpdudxdx 脱体位置取决于脱体位置取决于Re数数热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer15 15/66/66Re10,不脱体；5Re1.5 10 ,80851016消失消失 冲刷方向有影响（冲角）冲刷方向有影响（冲角）热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of The

12、rmodynamics and Heat Transfer21 21/66/66顺排叉排热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2222/66/66平均换热特性的实验关联式平均换热特性的实验关联式zpkfnfmfssCNu21wmax,PrPrPrRe热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermody

13、namics and Heat Transfer2323/66/66 注意：注意： tf、tw、d、umax C、m、n、k、p表表11-2（P.185）zpkfnfmfssCNu21wmax,PrPrPrRe z表表11-3（P.185）热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2424/66/664. 自然对流换热实验关联式自然对流换热实验关联式 工程背景工程背景 暖气管散热暖气管散热 冰箱冰箱( (冰箱里食物不要装

14、得太满冰箱里食物不要装得太满) ) 室外变压器散热室外变压器散热 输电线的散热输电线的散热 电子器件冷却电子器件冷却热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2525/66/66 现象及特点现象及特点 定义：定义： 驱动力：驱动力：温度场不均匀温度场不均匀 密度的不均匀密度的不均匀 浮升力浮升力 不均匀的温度场不一定引起自然对流不均匀的温度场不一定引起自然对流 与强制对流不同，不依靠泵或风机等外力推动与强制对流不同，不依

15、靠泵或风机等外力推动 换热很弱，但经济、安全、平静换热很弱，但经济、安全、平静 物体表面上总换热量常需同时考虑与周围气体间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的自然对流以及与周围其它表面间的辐射换热热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2626/66/66 速度与温度分布的特点速度与温度分布的特点Tw T思考：思考：Tw Tylaminarturbulentx热流中心热工

16、基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2828/66/66热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer2929/66/66热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundame

17、ntals of Thermodynamics and Heat Transfer3030/66/66 大空间自然对流换热实验关联式大空间自然对流换热实验关联式说明说明 tm=(tw+t)/2 Gr中中V：气体按理想气体处理：气体按理想气体处理V=1/Tm、液体、液体查物性手册查物性手册nCNuPrGr 特征长度：表面高度特征长度：表面高度H （竖平板及竖圆柱）、（竖平板及竖圆柱）、外径外径d（横圆柱）（横圆柱）（表表11-4、P.188）热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of T

18、hermodynamics and Heat Transfer31 31/66/66 竖圆柱可以归为竖壁的条件：竖圆柱可以归为竖壁的条件： 一般一般:1 4,laminar flow1 3,turbulent flown1435GrHdH热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3232/66/66六、六、 凝结和沸腾时的对流换热简介凝结和沸腾时的对流换热简介相变换热的相变换热的特点特点：由于有潜热释放和相变过程的复：由

19、于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能助于经验公式和实验关联式。上也只能助于经验公式和实验关联式。热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3333/66/66工程应用背景锅炉炉膛中的水冷壁相变换热的特点空调、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热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Therm

20、odynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3434/66/66 l 沸腾换热热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3535/66/66l 空调蒸发器、冷凝器热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of T

21、hermodynamics and Heat Transfer3636/66/661 凝结换热现象概述（1） 凝结的定义 （2）两种存在形态 蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时形成液体的过程。浸润性液体，非浸润性液体。热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3737/66/66膜状凝结(film condensation)沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动。珠状凝结(dropwise condensation

22、)当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠。gswttgswtt（3） 两种形式的凝结换热 热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer3838/66/66（3）凝结换热设备的设计依据：膜状凝结。比较（1）h珠h膜；（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；热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFund

23、amentals of Thermodynamics and Heat Transfer3939/66/66（4）影响膜状凝结的主要因素 不凝结气体不凝结气体蒸汽流速蒸汽流速管子排数管子排数管内冷凝管内冷凝凝结表面情况凝结表面情况强化的原则：强化的原则：尽量减薄粘尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚滞在换热表面上液膜的厚度。度。热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4040/66/66 实现的方法实现的方法： 尖锋的表面

24、尖锋的表面 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉使凝结液尽快从换热表面上排泄掉 如低肋管、纵向沟槽等如低肋管、纵向沟槽等 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结 表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer41 41/66/66热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat

25、TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4242/66/66热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4343/66/662 沸腾换热简介（1） 液体汽化的两种方式定义蒸发（evaporation）沸腾（boiling）工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermody

26、namics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4444/66/66按流动动力分按流动动力分 a). a). 大容器大容器( (或池或池) )沸腾沸腾(Pool boiling)(Pool boiling)： 加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。 分类加热表面加热表面热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics

27、and Heat Transfer4545/66/66b). b). 强制对流沸腾强制对流沸腾(Forced convection boiling)(Forced convection boiling)： 液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。工业上的沸腾换热多属于此。面时所发生的沸腾换热。工业上的沸腾换热多属于此。 例如冰箱的蒸发器。例如冰箱的蒸发器。Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow热流中心热工基础热工基础 Fundamentals o

28、f Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4646/66/66从主体温度分：从主体温度分： a). a). 过冷沸腾过冷沸腾(Subcooled boiling)(Subcooled boiling)： 液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。沸腾换热。 b). b). 饱和沸腾饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)(Saturated or bulk boiling)： 液体的主体温度等于相应压力下

29、饱和温度时的沸液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。腾换热。 例如烧开水例如烧开水热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4747/66/66曲线自然对流核态沸腾过渡沸腾膜态沸腾孤立汽泡区汽块区（2 2）大容器饱和沸腾曲线）大容器饱和沸腾曲线热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermod

30、ynamics and Heat Transfer4848/66/66对于热流密度可以控制的情况工程指导临界热流密度(Critical Heat Flux) qmax及相对应的过热度t具有重要的意义 对于壁温可以控制的情况热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer4949/66/66孤立汽泡区The region of isolated bubbles热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermo

31、dynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5050/66/66汽块区The region of slugs and columns热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer51 51/66/66过渡沸腾Transitional boiling regime热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Th

32、ermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5252/66/66膜态沸腾film boiling热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5353/66/66（3）影响沸腾换热的因素 不凝结气体 过冷度 重力加速度 液位高度热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics

33、and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5454/66/66 沸腾表面的结构 物理化学手段强化换热思路：汽化核心方法用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等 机械加工方法几种典型的强化表面热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5555/66/66热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics a

34、nd Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5656/66/66应用例题应用例题（1） 冬天，摩托车手佩带护膝和头盔 仅仅是为了安全吗？（“冷在风里”）参考说明：外掠物体强制对流热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5757/66/66 （2 2）某女士抱怨说）某女士抱怨说她的住所的窗户冬天漏她的住所的窗户冬天漏风，因为坐在窗户旁边风

35、，因为坐在窗户旁边时她的脚感到冷时她的脚感到冷, , 而且而且说这股漏风只有冬天有，说这股漏风只有冬天有，夏天没有热风漏进来夏天没有热风漏进来( (她的住宅有空调，夏她的住宅有空调，夏天窗户也是关着的天窗户也是关着的) )。请解释她的脚感到冷的请解释她的脚感到冷的原因原因。参考说明：自然对流热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer5858/66/66（3）安装空调时，在往蒸发器和冷凝器内灌 制冷工质时，为什么要确保机器内是真空的？ 参考说明：不凝结气体热流中心热工基础热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat TransferFundamentals of Thermodynamics