第2章 对流换热.ppt

1、辽宁科技大学.材料与冶金学院University of science & technology liaoningschool of Materials and Metallurgy井玉安 2012.8.20,对 流 换 热,内容提要,2.1 对流换热机理 2.1.1 流体流动的两种型态 2.1.2 对流换热机理 2.2 对流换热过程的数学描述 2.3 相似原理及其在对流换热中的应用 2.3.1 相似原理 2.3.2 热相似 2.4 沸腾换热 2.4.1 大容器沸腾换热 2.4.2 钢材水冷过程中的换热现象,对流换热的概念 流体流过固体表面时，如果两者之间存在温度差，相互之间就会发生热量的传递

2、，这种传热过程称为对流换热。这种过程即包含流体流动所产生的对流作用，也包含流体分子间的传导作用，是一种复杂的物理现象。 研究对流换热的主要目的是确定对流换热量，计算通常采用牛顿提出的基本公式,对流换热系数 W (m2)-1 。,2.1 对流换热机理,2.1.1 流体流动的两种型态,1883年英国科学家雷诺（O.Reynolds）的实验雷诺实验,（1）当水流量不大时，2中水的流速较小，墨水在水中成一直线，管中的水流都是沿轴向流动，这种流动状态称为层流；,（2）当继续加大水的流量，由于管道截面不变，玻璃管内水的流速增大，当达到某一流速时，墨水不再保持直线运动，开始发生脉动；,（3）流动速度继续增大

3、，墨水将在前进的过程中很快与水混合在一起，不再有明显的界限，说明流动的性质已经发生改变，产生不规则的紊乱运动，这种流动型态称为紊流或湍流 ；,（4）雷诺根据试验，得出流体的流动状态与流速w、流体流过的管径d、流体密度、流体粘度等有关，将这四个参数组成组合形成一个无量纲复合数群wd /，可以判定流体在管内的流动型态。,这个特征数称为雷诺数，用符号 Re 表示为,根据雷诺和许多研究者的实验，在内表面光滑的圆形管道中，Re2100时，流动是层流。Re2300时，流动是紊流。2100Re2300时，属于过度状态。由层流转变为紊流的过程称为临界状态，Re=2300叫做雷诺数的临界值。,由于流动型态不同，

4、管内流体流动速度的分布情况也不同。层流时流体速度沿管断面呈抛物面分布，管中心速度最大，沿抛物面接近管壁速度逐渐减小直至为零，其平均速度为管中心最大速度的一半, 紊流时流体速度沿管断面的分布也呈一曲面形状，与抛物面相似，但顶端较宽，其平均速度为管中心最大速度的0.820.86倍，即,2.1.2 对流换热机理,流体流过固体表面时，由于粘性力的作用，在接近固体表面处会形成一个速度梯度很大的流体薄层，称为速度边界层。 速度边界层内的流体呈层流状态 ，层内的气体分子只有平行于固体表面的纵向运动，没有垂直于固体表面的横向运动，因此，热量在该边界层内只能靠传导来传递，此边界层即使很薄，对传热也有很大阻碍作用

5、，故称热边界层。,热边界层以外的流体由于存在垂直于固体表面的横向运动，强烈的混合大大提高了传热的强度，故紊流区内几乎不存在温度梯度；,热边界层内的传热具有以下特点： 温度梯度很大，且接近常数； 传热方式只有导热，在层流层以外，由于垂直于固体表面的横向运动速度很大，故温度梯度接近零，即温度趋于均匀； 热边界层尽管很薄，但因流体的导热系数很小，因此它是传热的限制性环节。 对流换热可看做是流动条件下的导热，热边界层中的导热是对流换热过程的限制性环节。,以上分析可见，凡是影响边界层状况和流体流动状态的因素都会影响流体与固体之间的热交换。 因此，要真正建立起对流给热系数与上述因素之间的函数关系式是非常困

6、难的 . 实际求解对流给热系数有两种方法：数学分析法和实验法。,2.2 对流换热过程的数学描述,对流换热现象的微分方程式由下列四组方程式组成,（1）换热微分方程,（2）导热微分方程,（3）流体运动微分方程（Navier-Stokes公式） 粘性气体的运动微分方程,（4）连续性方程,上述诸式是对一切对流换热过程的一般性（数学）描述，它只能给出通解，要得到特解还必须附加单值条件。,2.3 相似原理及其在对流换热中的应用,2.3.1 相似原理,物理现象相似几何图形相似,物理现象相似是指现象的物理本质相同，可用同一数理方程来描述的两种现象。具体是指在几何相似及时间相似前提下，在相对应的点或部位上，在相

7、对应的时间内，所有用来说明两种现象的物理量都互相成比例。 两种物理现象相似，则可采用同一原理对两种物理现象进行研究，然后将一种现象的研究结果应用到另一种现象上，这种方法称为相似原理。,相似原理是模拟实验研究的基本依据。模拟实验研究不是对现象或过程本身进行研究，而是对与此现象或过程相似的模型进行研究，找出规律后再将结果应用到与模型相似的现象或过程中。 相似原理指导下的模拟实验研究的步骤是： 用方程分析或量刚分析方法导出相似准数； 在模型上进行实验，求出相似准数之间的关系，即建立准数方程式； 再将这些关系推广到与之相似的现象或过程中，揭示现象或过程的规律。,以一组力学相似现象来解释相似原理,式中

8、Ne称为牛顿准数，说明相似的力学现象存在，这样一个常数， 这个常数称为相似准数，它是由多个物理量组成的一个无量纲的复合数群。 因此，相似准数是按一定物理概念或定律，由多个物理量组合在一起而导出的一个无量纲的复合数群，准数常以该领域中有关科学家的名字来命名。,对于两个相似的对流换热现象，与牛顿准数的导出类似，根据描述对流换热现象的微分方程，通过相似倍数的转换，也可导出一系列相似准数：,2.3.2 热相似,一、准数的导出,二、准数的物理意义,准数虽然没有量纲，但都具有特定的物理意义,Nu增加，表明 增大，而 减小。即对流作用强烈，Nu中包含有需要求解的对流给热系数，因此只要得到Nu，即可求得。,表

9、示流体流动时的位能与动能之比，Fr增加，说明位能的作用大于动能，流体趋向于自然流动。,Re增加，惯性力增大，粘性力所起作用相对减小，说明流体趋于紊流状态。反之流体趋于层流状态。,三、准数方程式,由于描述对流换热的微分方程之间存在函数关系，所以由们导出的准数之间也存在某种关系，这种关系称为准数方程式。 一个现象可导出多个相似准数，其中某些准数是由已知的单值条件确定的物理量组成的，这些准数称决定性准数, 例如 Pr 、Fr、 Re。 另一些准数的物理量中包含有未知待定物理量，这种准数称被决定性准数，例如 Nu、Eu。,在与对流换热现象有关的准数中，Nu是被决定性准数，其它准数都是决定性准数。在大多

10、数情况下，准数方程式都被整理成指数形式，例如Nu与Re之间的关系可以整理成Nu=CRe n ，式中待定系数C和指数n由实验确定, 从而得到具体的准数方程式。注意准数方程式都有一定的适用范围，超出使用范围，误差会增大 。,四、定性温度与定形尺寸,通常把确定准数中物性参数的温度称为定性温度，相似准数的各物性参数都和温度有关，因此准数值随所选择的温度而不同，有时选择流体的平均温度，有时选择边界层的平均温度，有时选择壁面的平均温度，,定形尺寸是指相似准数中决定过程特性的几何尺寸 ，例如流体纵向流过平板时，取板长L为定形尺寸，流体横向流过平板时，取板宽B为定形尺寸；流体经过管内流动时，取管内径d 为定形

11、尺寸，流体从管外流过时，取管外径D为定形尺寸。,五、对流换热的实验公式,（1）管内强制对流换热 管内强制对流换热是指流体处于紊流状态的换热现象，此时流体与管壁之间的对流换热可以采用迪图斯玻尔特（Dittus-Boelter）方程,下标f表示以流体的平均温度为定性温度。适用范围是：光滑长管，且l/d50，当l/d50时，需要乘以校正系数l，其值见表2-1；适用的雷诺准数范围为Ref=1041.2105，普兰特准数范围为Prf=0.7120；流体与壁面的温差一般不超过50，温差增加时要乘以校正系数t，t=（f/w）0.14，式中f和w分别为流体在流体温度和壁面温度下的粘度；管道为直管，对于弯管要乘

12、以校正系数R，对气体R=1+1.77d/R，其中R为管的曲率半径，d为管直径。,（2）流体掠过平板时的对流换热,层流边界层（Re5105）时,紊流边界层（Re=51055107）时,式中定性温度均取边界层的平均温度，即tm=（tf+tw）/2；定形尺寸取平板长度L。,（3）自然对流时的对流换热,流体各部分温度不均造成密度不同所引起的流动称为自然对流。,六、利用经验公式计算,例如设备表面和大气之间产生自然对流换热时，换热系数可用下述公式计算,2.4 沸腾换热,2.4.1 饱和沸腾曲线,大气压力下饱和水在电加热的铂丝表面上沸腾时得到的实验结果如图所示。,区域A：T低于2.2，加热表面的液体轻微过热

13、，使液体内部产生自然对流，当它浮升到液面时，在液体表面发生蒸发。这一区域属于纯自然对流。,区域B：T2.2。气泡开始在铂丝上出现，由于液体的过热度还不够大，气泡表面脱离后还会重新凝结。 区域C：随着过热度的增加，加热面产生的气泡迅速增多，并能浮生到液体表面，最后冲破液面进入气相空间。 在区域B和C中，气泡产生、脱离和浮升使液体受到剧烈扰动，急剧增大。由于汽化核心产生的气泡对换热起着决定性的影响，故把B，C区域称为核态沸腾（或泡态沸腾）,区域D：T进一步增加，加热面上产生更多的气泡， 且气泡生成速度增加，甚至大于脱离加热面的速度，使得它们来不及脱离表面就连接起来，形成一层不稳定的蒸汽膜，覆盖在加

14、热表面上。这层汽膜使沸腾液体与加热面分离。由于蒸汽导热性能很差，气膜的附加热阻使迅速下降。气膜在初形成时是不稳定的，随时会被撕破形成大气泡脱离壁面。所以称这个区域为部分核态沸腾及不稳定膜态沸腾。它是由核态沸腾向膜态沸腾的过渡区。,由核态沸腾向膜态沸腾过渡的转折点a 称为临界点。临界点上的热流密度、温压和换热系数分别称为临界热流密度、临界温压、和临界换热系数 。在大气压下水的饱和沸腾热流密度约为3l06Wm-2，临界温压略低干55,区域E当T 250左右， 一层稳定的气膜在加热表面上形成，称为稳定膜态沸腾。 区域F当T 550后，随T的增大又迅速增加，这是由于加热表面对沸腾液体的加热除了依靠通过

15、汽膜的导热外，还以辐射的方式穿过汽膜向液体传递热量。随着壁面温度的提高，辐射换热量占的比例越来越大， 所以随之增大。,2.4.2 钢材水冷过程中的换热现象,钢材热轧之后，为改善最终组织状态，在不降低钢材韧性的前提下继续提高钢的强度，一般都要采取轧后冷却工艺，称为控制冷却. 控制冷却就是通过控制钢材轧后开冷温度、冷却速度、终冷温度等工艺参数控制钢材轧后的相变过程，防止奥氏体晶粒长大，从而细化铁素体晶粒。,钢材轧后冷却常用介质可以是气体、液体以及它们的混合物。液体冷却介质中以水最为常用，一般情况下，水冷的能力最大，气体的冷却能力最小，气水混合物（气雾）的冷却能力居中。下面讨论两种问题：水流落到高温

16、钢板表面上的传热，水冷的三种基本形式。,一、普通层流水流落到高温钢板表面上的传热示意图,换热区域划分为：单相强制对流区、核态沸腾和过渡沸腾区、膜状沸腾区、小液态聚集区和空冷辐射区； 单相强制对流区域：冷却水到达热钢板表面后，在水流下方和几倍宽度的扩展区域内形成具有层流流动特性的单相强制对流区域，也称射流冲击区域。该区域内，由于流体直接冲击换热表面，使流动边界层和热边界层大大减薄，从而提高热/质传递效率，因此换热强度很高。,核态沸腾和过渡沸腾区域：随着冷却水的径向流动，流体逐渐由层流向湍流过渡，流动边界层和热边界层厚度增加。同时接近平板的冷却水由于被加热开始出现沸腾，形成范围较窄的核态沸腾和过渡

17、沸腾区域。该区域由于沸腾气泡的存在，带走大量热量,因此仍可有较高的换热强度。,膜状沸腾区：随着加热面上稳定蒸汽膜层的形成，钢板表面出现膜状沸腾区，在该区域内，由于热量传递必须穿过热阻较大的汽膜，因此其换热强度远小于前两个区域的换热强度。 小液态聚集区：随着流体的沸腾汽化，在膜状沸腾区之外，冷却水在表面聚集形成不连续的小液态聚集区。 直接辐射区：小液态聚集区的水最终或被汽化，或从钢板的边缘处流下，裸露的钢板就直接向空气中辐射热量。这里描述的是在一块钢板的不同部位上有不同的传热现象。,二、高温钢材水冷方法 高温钢材主要的三种水冷方法：浸水冷却(包括湍流管冷却和水槽冷却等)、喷水冷却(包括小水滴的雾状冷却和大水滴的喷水冷却等)、连续水流冷却(包括水幕冷却和管层流冷却等)。,（1）炽热钢块浸入水中时传热系数的变化,当把一块炽热的钢块浸入水中时，钢块与水之间的换热系数变化如图 。 初接触时，钢和水之间的巨大温差引起迅速热传导，但钢块表面迅速形成隔热的蒸汽膜（膜状沸腾）降低了传热效率。此后钢件逐渐冷却，待至蒸汽不再稳定地附着在钢块表面时，钢和水重新接触进入“核沸腾”期，此时产生很大的热传导。随后钢件逐渐变冷，不久就更冷，热传导再次降低。,（2）喷水冷却的情况 喷水冷却的水是不连续的水滴或连续的水流，当水流最初冲击到热钢材表面时，由于冷却水过冷度很大，热传导（冷却能力）非常大，并