《传热与换热器》课件-任务4-1：对流换热分析

传热与换热器内容与安排认识传热导热辐射换热对流换热换热设备的传热计算与强化前课回顾稳态导热前课回顾稳态导热前课回顾稳态导热前课回顾辐射换热

两表面1，2间净辐射传热量为：表面1发出的热辐射到达表面2的部分表面2发出的热辐射到达表面1的部分黑体系统的辐射换热空间辐射热阻黑体辐射换热的等效网络前课回顾两漫灰面辐射换热的等效网络两漫灰面辐射换热的等效网络相比于两黑体表面多出两个表面辐射热阻空间辐射热阻表面辐射热阻表面辐射热阻节点源热势节点热势辐射换热前课回顾表面1为非凹面，X1,1＝0

X1,2＝1简化1X1,2＝1，表面积A1≈A2简化2X1,2＝1，表面积A1<<A2简化3A1A2内包凸表面与外包壳之间两平行无限大灰体表面包壁与内包非凹小物体辐射换热任务4-1：对流换热分析知识目标：掌握对流换热的定义、分类及主要影响因素；掌握边界层概念，掌握流体沿壁面流动的不同特点；掌握对流换热基本方程；掌握影响对流换热的因素。能力目标：能够对生产中的对流换热过程进行分析。引入生活中的对流换热。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任务1流体装在外表面面积为0.05㎡的容器内，流体中的搅拌器接受20W的能量而旋转。容器处于20℃的空气中，表面的对流换热系数为7W/（㎡·K）。如果过程处于稳态，则容器外表面的平均温度为多少。对流换热概述自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。到目前为止，对流换热问题的研究还很不充分。某些方面还处在积累实验数据的阶段；某些方面研究比较详细，但由于数学上的困难；工程上大多数应用经验公式（实验结果）对流换热定义及特点对流换热：流动的流体流过固体壁面时，由于两者温度不同而发生的热量传递过程。特点：流体与固体表面直接接触；存在温差；同时存在导热和对流；近壁面存在速度梯度较大的边界层。对流换热分类对流换热基本方程牛顿冷却公式研究目的：揭示h的影响因素；定量计算表面换热系数h；研究强化对流换热的措施。h为对流换热系数，或称为表面传热系数，简称换热系数，它的数值大小表示对流换热的强弱；A为与流体接触的壁面面积；tw和tf分别为壁面温度和流体温度。牛顿冷却公式将复杂的对流换热问题用一个简单的关系式来表达，实质上将矛盾集中在h上。任务解析流体装在外表面面积为0.05㎡的容器内，流体中的搅拌器接受20W的能量而旋转。容器处于20℃的空气中，表面的对流换热系数为7W/（㎡·K）。如果过程处于稳态，则容器外表面的平均温度为多少。任务2温度tf为300℃的空气在长0.5米，宽0.25米的平板上流过。若对流换热系数为250W/（㎡·K），而平板温度tw保持为40℃时，空气对所接触平板一侧的传热量是多少？影响对流换热的主要因素对流换热的主要影响因素：流动的起因；流体有无相变；流动的形态；换热表面的几何因素；流体的物理性质。自然对流强迫对流表面换热系数h取决于多种因素，是一个复杂的函数：流速几何尺寸导热系数密度运动粘度比定压热容影响对流换热的主要因素

(1)流体有无相变无相变时，换热由流体显热的变化而实现,h较小有相变时，流体潜热的释放或吸收常起主要作用，h较大;(2)流体流动的原因强制对流换热——流动由外部动力源引起,h较大自然对流换热——流动由流体内部的密度差引起,h较小(3)换热面的几何因素(形状,大小,几何布置,状态等)(4)流体的流动状态

层流—流体微团沿主流方向作有规则的分层流动,

h较小;

湍流——流体各部分间发生强烈混合,h较大(5)流体的物理性质密度、粘度、导热系数、比热容等均影响流速的分布及热量的传递,从而影响换热边界层的概念边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的流动边界层（速度边界层）；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的温度边界层（或称热边界层）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。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边界层的概念在湍流的主体内，由于流体质点湍动剧烈，所以在传热方向上，流体的温度差极小，各处的温度基本相同，热量传递主要依靠对流，其热阻很小，传热速率极快。在过渡层内的温度发生缓慢的变化，对流和传导均起到作用。在层流内层中，流体仅沿避免平行流动，在传热方向上没有质点位移，所以热量传递主要依靠热传导进行。由于流体的导热系数很小，所以热阻主要集中在层流内层，即温度差也主要集中在该层内。因此，减薄层流内层的厚度是强化对流换热的重要途径。单相流体对流换热系数的关联式由于影响h的因素很多，要建立一个通式计算各种条件下的对流换热系数是不可能的。通常采用实验关联法获得各种条件下的h