(13)对流换热

null第十三章 对流换热第十三章 对流换热10-1 概 述10-1 概 述一.对流换热的影响因素 1) 流体有无相变 沸腾换热 凝结换热 2)流动的动力 强制对流换热 自然对流换热 一般的说，自然对流的流速较低，因此自然对流换热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。null3) 流动的状态 层流：流速缓慢，流体分层地平行于壁面 方向流动，垂直于流动方向上的热 量传递主要靠分子扩散。 湍流：流体内存在强烈的脉动和旋涡，使 各部分流体之间迅速混合，因此湍流 对流换热要比层流对流换热强烈，表 面传热系数大。 null4) 流体的物理性质 1）热导率，W/(mK)， 愈大，流体导热热阻愈小，对流换热愈强烈； 2）密度， 。 3）比热容c，J/(kgK)。 c反映单位体积流体热容量的大小，其数值愈大，通过对流所转移的热量愈多，对流换热愈强烈； 4）动力粘度，Pas；运动粘度＝/， 。流体的粘度影响速度分布与流态，因此影响对流换热； 5）体胀系数 ， 。null5) 换热表面的几何因素 换热表面的几何形状、尺寸、相对位置以及表面粗糙度等几何因素将影响流体的流动状态，因此影响流体的速度分布和温度分布，对对流换热产生影响。 二.牛顿冷却公式null h —整个固体表面的平均表面传热系数; —固体表面的平均温度; —流体温度，对于外部绕流， 取远离壁面的流体主流温度；对于内部流动， 取流体的平均温度。 null三.表面传热系数 局部表面传热系数 局部热流密度 由 傅立叶公式得 温度梯度 得对流换热得基本微分方程式： null温度边界层或热边界层 定义：贴壁处温度梯度很大的流体层，与速度边界层密切相关。 对流换热主要发生在温度边界层内，换热的强弱取决于其内温度梯度的大小，也就是速度边界层层流部分的导热能力。null壁面上总的对流换热量： 局部表面传热系数 由牛顿冷却公式得： 平均表面传热系数 第二节 相似理论第二节 相似理论相似概念 1）同类相似：能用相同形式和内容的微分方程式描述的物理现象，称为同类物理现象。 2）几何相似：两个几何系统的对应边成比例，对应角相等。几何相似倍数， 。 3）物理现象相似：所有说明物理现象性质的同名物理量之间一一对应成同一比例。比例系数称为相似倍数。null相似准则 努塞尔数：反映对流换热的无量纲数。 雷诺数：强制对流换热中，流体所受惯性力与黏性力之比。无量纲数。 普朗特数：反映动量与热量扩散能力的相对大小，无量纲数。 格拉晓夫数：自然对流换热中，流体浮生力与黏性力之比。无量纲数。null 待定准则 相似准则分为 已定准则 三.相似定理 1）相似第一定理：彼此相似的物理现象，他们的同名相似准则必定相等。物理现象相似的必要条件。 2）相似第二定理：任何描述物理现象的微分方程式都有相似准则函数形式的解。null3）相似第三定理：凡同类现象，若单性值条件相似，同名已定准则相等，则现象必定相似。判断同类物理现象相似的充分条件。 单性值条件：把被研究现象从同类现象中唯一确定下来的条件。 初始条件 单性值条件包括 边界条件 几何条件 物理条件null四.相似理论对实验的指导作用 1）实验数据的测量与整理 根据相似原理，所有相似物理现象的解都用同一个特征数关联式来描写，所以实验研究的主要目的就是确定特征数关联式的具体函数形式，即实验关系式。 2）指导模化实验 用不同于实型几何尺寸的模型来研究实型中所进行的物理过程的实验。null 流体温度 常用的定性温度 流体与换热面的平均温度 壁面温度 定性温度的表示方法。 特征尺寸：即定型尺寸，指包含在相似准则中的几何尺度。 特征速度：雷诺数 的流体流动速度。第三节 无相变对流换热第三节 无相变对流换热一.管内强迫对流换热 注意：1）考虑温度对物性影响的修正。null2）考虑入口效应的修正。若管道长度与内直径之比 ，必须考虑入口效应。null3）考虑流体流过弯曲管道或螺旋管道时弯管效应的修正。弯管效应修正系数： 4）考虑非圆形管道的修正。 null例题13－2 水流过一直圆管，从 加热到 。已知管长5m，管内直径20mm，管壁 面温度恒定，水在管内的平均流速为 。 计算：水与管壁间的表面传热系数。null二.外掠壁面强制对流换热 1) 横掠单管： 上式的适用范围。null2）若流体流动方向与管子方向不垂直。即 ，则需对h进行修正。 3）若横向绕流变为 纵向冲刷， 。 将直管看作平壁。null2) 横掠管束 顺排和叉排管束的区别。图13－4 顺排和叉排管束null相对节距： 横向距离： ；纵向距离： 顺排： 叉排： 对于管束排数影响的处理方法。null计算流体横向绕流顺排或叉排管束的对流换热时的实验关联式： 茹卡乌斯卡斯： 格里姆森：null当 ，需要考虑修正系数 。 如图所示。 当 时， 特征尺寸要改为当量 直径 。null例题13－3 用热线风速仪测定空气流速的实验中，将直径0.1mm的电热丝与来流方向垂直放置，电热丝温度 ，空气来流温度 ，此时电加热功率为 。假设除对流换热外其他热量交换可忽略不计。 求此时空气的来流速度。null三.流体的自然对流换热 1.自然对流换热的特点： 温差密度差浮升力自然对流自然对流换热 自然对流换热时流体的温度分布与速度分布如图所示：null自然对流换热时，流体的流态影响对流换热的强弱。格拉晓夫数：无量纲数。null大空间竖直壁面自然对流换热的特点： 1）浮升力是自然对流的动力，格拉晓夫数Gr对自然对流换热起决定作用； 2）自然对流边界层的最大速度在边界层内部，其数值随Pr增大而减小，位置向壁面移动； 3）对于液态金属除外的所有流体， 。随Pr增大，层流边界层厚度变化不大，但热边界层厚度迅速减小，壁面处温度梯度增大，换热增强； 4）Gr的大小决定了自然对流的流态； 5）随着层流边界层的加厚，hx逐渐减小，当边界层从层流向湍流过渡时又增大。实验研究表明，在旺盛湍流阶段， hx基本上不随壁面高度变化。 null例题13－5 某蒸汽管道长4m，外直径 100mm，管壁温度为 ，周围空气 温度为 。不考虑辐射换热。 求该蒸汽管道水平放置时的散热损失。第四节 相变换热第四节 相变换热一.液体的沸腾换热 液体流动的起因 沸腾 液体沸腾时的温度 相变换热：流体发生相变时伴随相变的对流换热。 相变换热的特点：流体温度保持为相应压力下的饱和温度不变，并利用饱和温度和壁面温度间较小的差值达到较高的对流换热量。池内沸腾管内沸腾饱和沸腾过冷沸腾null1.池内沸腾换热的特征 池内沸腾的前提：有一定的过热度。 汽化核心：与过热度和压力等有关。 气泡上升、生存必须满足的热力条件： 1）首要条件，气泡内外温度平衡，且相对于沸腾压力下的饱和温度有一定的过热度 2）汽泡内外必须存在一定的压差以克服作用在汽泡上的表面张力。 null2.池内饱和沸腾换热的过程 右图所示，该种沸腾换热 过程分四个区段： 临界热流密度点 烧毁点 第一类沸腾传热恶化 偏离核态沸腾点DNB自然对流区核态沸腾区过渡沸腾区膜态沸腾区null3.池内饱和核态沸腾换热的实验关联式 计算热流密度的实验关系式： Rohsennow 计算水的池内饱和沸腾换热的实验关系式： 米海耶夫推荐 朱波半经验公式：null管内饱和沸腾换热表面传热系数换热类型流动类型null管内饱和沸腾过冷水无相变强制对流换热区泡状流动的过冷沸腾区泡状及块状流动的核态沸腾区环状流动的膜态沸腾区雾态流动湿蒸汽强制对流换热区过热蒸汽无相变强制对流换热区null说明：倾斜度与汽水分层现象 二.蒸汽的凝结换热 液体对壁面的润湿能力 取决于液体内聚力与壁 面对液体附着力的相对 大小。膜状凝结珠状凝结null1.膜状凝结的特征 表面传热系数小 液膜为主要热阻 有层流紊流之分 流态以 为判据 null2.纯净蒸汽层流膜状凝结换热的计算式努塞尔乘以系数1.2得null紊流膜状凝结换热的实验关联式修正的坎克勃利特实验关联式null4.影响膜状凝结换热的因素蒸汽流速和方向不凝结气体或黏度大的液体凝结表面的状态管子排列小结小结重点掌握以下内容： 1）对流换热的影响因素； 2）边界层概念及其特征，对求解对流换热问题的意义； 3）对流换热问题解的形式——特征数关联式； 4）相似理论的主要内容及其对解决对流换热问题的指导意义； 5）单相流体管内强迫对流、外掠壁面、自然对流换热的特点及其影响因素。