第九章 對流傳熱

1、第九章 對流傳熱當流體在管內(nèi)湍流時，在傳熱方向上截取一截面A-A，各層界面處的溫度變化為: th t h tw1 tw2 t c tc 湍流主體的傳熱以熱對流為主； 緩沖層的傳熱以導(dǎo)熱和熱對流進行 ; 層流底層的傳熱以導(dǎo)熱的方式進行。 因此，對流換熱的熱阻主要集中在流體的層流底層內(nèi)，減薄層流底層的厚度是強化對流換熱的主要途徑。 該層溫差很大,熱阻也大流體在管內(nèi)湍流時, 其流動狀況由層流內(nèi)層、緩沖層和湍流主體組成1、由牛頓1702年提出，是用于對流換熱量的計算公式。 或或 : 熱流量，W；A : 換熱面積，m2；h : 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2 K）；t : 對流換熱溫差， t=tw-tf，;R

2、W : 對流換熱熱阻， RW =1/hA，K/W;R : 單位面積對流換熱熱阻， R =1/h，m2 K/Wtf流體平均溫度thAW1RthAt表明：表明：對流換熱量 與壁面換熱面積A及流體與壁面之間的溫度差成正比；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小反映了對流換熱的強弱。 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h表明了當流體與壁面間的溫差為1 K時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱流量。 表9-1 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大致范圍 W/（m2 K） 牛頓冷卻公式將影響對流換熱的諸多復(fù)雜因素，歸結(jié)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)這一參數(shù)，對流換熱研究的核心也就歸結(jié)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求解。 1.流體流動的起因2.流體的流動狀態(tài)及流速的影響3.流體的物理性質(zhì)4.流體有無

3、相變5.換熱表面的幾何因素 一般來說，強制對流的流速比自然對流高，因而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也高。 1、流體流動的起因影響流體的速度分布2.流體的流動狀態(tài)及流的影響同一流態(tài)，流體流速增加時，傳熱速率加快。 層流底層內(nèi)以導(dǎo)熱傳熱外，湍流主體以熱對流傳熱為主，h大，對流換熱效果好。 熱量傳遞主要為垂直于流動方向的導(dǎo)熱，h的大小取決于流體的熱導(dǎo)率。 層流湍流 3.流體的物理性質(zhì) 密度 越大，流體與壁面間的熱阻就越小，換熱就越強烈； 比定壓熱容cp 熱導(dǎo)率 、 cp越大，單位質(zhì)量攜帶的熱量越多，傳熱能力越大； 動力黏度 越大，黏滯力越大，加大了層流底層的厚度，不利于對流換熱。 ARW4.流體有無相變有相變時的表

4、面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比無相變時的大。 有相變時，流體吸收或放出潛熱，對流換熱要劇烈得多。 無相變時，流體顯熱變化實現(xiàn)對流換熱。 沸騰換熱 凝結(jié)換熱 沸騰時液體中汽泡的產(chǎn)生和運動增加了液體內(nèi)部的擾動，從而強化了對流換熱。 5.換熱表面的幾何因素 換熱表面的形狀、大小、狀況（光滑或粗糙程度）以及相對位置等幾何因素影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對流換熱的結(jié)果。 熱面朝上氣流擾動比較激烈，換熱強度大 流體無相變時對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可表示為經(jīng)分析，可得流體無相變時對流換熱的準則關(guān)系式為 一、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式 ,VplctvfhGrPrRefNu,將各影響因素經(jīng)過分析組成若干個無因次

5、準數(shù) 表9-2 準數(shù)的符號和含義hl223Vtlgpcvl其中其中 t流體與壁面之間溫度差，流體與壁面之間溫度差，；l換熱器換熱表面的換熱器換熱表面的特征尺寸特征尺寸，如管內(nèi)徑、外徑或平板高度等，如管內(nèi)徑、外徑或平板高度等，m；mV1T V流體的流體的體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)，K-1，對于理想氣體：，對于理想氣體：Tm理想氣體的理想氣體的定性溫度定性溫度，K。由由對對自然對流自然對流其指數(shù)函數(shù)形式為其指數(shù)函數(shù)形式為 上式稱為上式稱為準則關(guān)聯(lián)式準則關(guān)聯(lián)式，其中，其中C、m、n為常數(shù)，均由不為常數(shù)，均由不同情況時的具體條件進行實驗測定后，再由該式計算表面同情況時的具體條件進行實驗測定后，再由該式計

6、算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)傳熱系數(shù)h。GrPrRefNu,(Pr,)NufGr(Re,Pr)Nuf對對強制對流強制對流升力的影響較大，升力的影響較大，Re的影響可忽略的影響可忽略 nmPrCReNu 1.應(yīng)用范圍2.定性溫度在使用準則關(guān)聯(lián)式確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h時，必須注意: 即建立準則關(guān)聯(lián)式時的實驗范圍，一般指Re、Pr、Gr的數(shù)值范圍，使用時不能超出該范圍。 確定準數(shù)中流體物性所依據(jù)的溫度就是定性溫度。其確定方法不盡相同。 3.特征尺寸 對對流換熱有顯著影響的幾何尺寸，在建立準則關(guān)聯(lián)式時就定為特征尺寸。 如管內(nèi)徑、當量直徑 等 膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)1.蒸汽凝結(jié)的兩種方式蒸汽凝結(jié)的兩種方式珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) 一、

7、凝結(jié)換熱一、凝結(jié)換熱 高強度換熱高強度換熱 蒸汽蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面冷壁面相接觸相接觸時，就會放出汽化潛熱，時，就會放出汽化潛熱，凝結(jié)成液體凝結(jié)成液體附著在壁面上。附著在壁面上。此現(xiàn)象即為此現(xiàn)象即為凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱。 如果如果凝結(jié)液凝結(jié)液能夠能夠很好地潤濕壁面很好地潤濕壁面，就會在壁面上，就會在壁面上形成連續(xù)的液體膜形成連續(xù)的液體膜，這種凝結(jié)形式稱為，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)。 膜狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)主要取膜狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)主要取決于決于凝結(jié)液的性質(zhì)凝結(jié)液的性質(zhì)和和液膜的厚度液膜的厚度。 膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)液膜越厚，其熱阻越大，液膜越厚，其熱

8、阻越大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也越小表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也越小 蒸汽凝結(jié)潛熱以蒸汽凝結(jié)潛熱以導(dǎo)熱導(dǎo)熱的方式通過液膜到達壁面，的方式通過液膜到達壁面，液膜液膜幾乎集中了凝結(jié)換熱的全部熱阻幾乎集中了凝結(jié)換熱的全部熱阻。 工業(yè)冷凝器的設(shè)計均以膜狀凝結(jié)換熱為計算依據(jù)。工業(yè)冷凝器的設(shè)計均以膜狀凝結(jié)換熱為計算依據(jù)。 冷壁冷壁 珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) 如果如果凝結(jié)液不能很好地潤濕壁面凝結(jié)液不能很好地潤濕壁面，則因表面張力的，則因表面張力的作用將凝結(jié)液在壁面上作用將凝結(jié)液在壁面上集聚為許多小液珠集聚為許多小液珠，并，并隨機地沿隨機地沿壁面落下壁面落下，這種凝結(jié)稱為，這種凝結(jié)稱為珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)。 其其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠比膜遠

9、比膜狀凝結(jié)時的大，有時大到幾倍甚狀凝結(jié)時的大，有時大到幾倍甚至幾十倍至幾十倍 。 珠狀凝結(jié)時蒸汽不必通過液珠狀凝結(jié)時蒸汽不必通過液膜的附加熱阻，而直接在傳膜的附加熱阻，而直接在傳熱面上凝結(jié)熱面上凝結(jié) ( c ) 珠 狀 凝 結(jié) （1 1）蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向 3. 3.影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素 蒸汽流速較大（介于蒸汽流速較大（介于101025m/s25m/s）時，若蒸汽與液膜流動）時，若蒸汽與液膜流動方向一致，液膜將加速變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；當流動方向一致，液膜將加速變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；當流動方向相反時，液膜將減速增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。方向相反時，液膜將

10、減速增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。 以水蒸氣膜狀凝結(jié)為例，一般認為以水蒸氣膜狀凝結(jié)為例，一般認為: : 蒸汽蒸汽流速小于流速小于10m/s10m/s時，流速對傳熱影響很小，可時，流速對傳熱影響很小，可忽略不計忽略不計。 蒸汽流速很大（大于蒸汽流速很大（大于25m/s25m/s）時，將會把液膜吹離表面，不）時，將會把液膜吹離表面，不論流向如何，都會使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。論流向如何，都會使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。 （2 2）蒸汽中含有不凝性氣體蒸汽中含有不凝性氣體 如空氣、氮氣等，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱如空氣、氮氣等，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱產(chǎn)生產(chǎn)生十分有害十分有害的影響的影響 。排除不凝結(jié)氣體是保證

11、制冷系。排除不凝結(jié)氣體是保證制冷系統(tǒng)冷凝器正常運行的關(guān)鍵。統(tǒng)冷凝器正常運行的關(guān)鍵。 （3 3）過熱蒸汽過熱蒸汽 如水蒸氣中含有如水蒸氣中含有1 1的空的空氣能使凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)氣能使凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低降低6060實驗研究表明，水蒸氣的過熱度對凝結(jié)傳熱實驗研究表明，水蒸氣的過熱度對凝結(jié)傳熱影響不大影響不大。 一般冷凝器中蒸汽的過熱度都不大，傳熱計算中可按一般冷凝器中蒸汽的過熱度都不大，傳熱計算中可按飽和蒸汽處理。飽和蒸汽處理。 （4 4）表面情況的影響表面情況的影響 冷凝器凝結(jié)壁面冷凝器凝結(jié)壁面光滑、清潔光滑、清潔、無油垢無油垢，有利于提高，有利于提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 。 （5 5）凝

12、結(jié)壁面的形狀及位置凝結(jié)壁面的形狀及位置 對對一根管子一根管子而言，在其它條而言，在其它條件相同的情況下，件相同的情況下，水平放置水平放置時的時的換熱遠比豎直放置時的換熱效果換熱遠比豎直放置時的換熱效果好。好。 在豎直管冷凝器上設(shè)置有在豎直管冷凝器上設(shè)置有疏液裝置疏液裝置 。 對于對于水平管束水平管束，為了減，為了減薄下面管排上液膜的厚度薄下面管排上液膜的厚度，一般要，一般要減少豎直列上的減少豎直列上的管子數(shù)目管子數(shù)目，或者，或者將管子的將管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使，使得凝結(jié)液沿下一根管子的得凝結(jié)液沿下一根管子的切線方向流過。切線方向流過。 二、沸騰換熱二、沸騰換熱 大容器沸

13、騰大容器沸騰 1.1.液體沸騰的分類液體沸騰的分類 指加熱面被浸在指加熱面被浸在沒有強制對流沒有強制對流的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。 指指液體受熱沸騰液體受熱沸騰過程中過程中與固體壁面間的換熱與固體壁面間的換熱現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 （1 1）大容器沸騰和管內(nèi)沸騰）大容器沸騰和管內(nèi)沸騰 此時液體內(nèi)一方面存在著由溫度差引起的自然對流，此時液體內(nèi)一方面存在著由溫度差引起的自然對流，另一方面又存在著因汽泡運動所導(dǎo)致的液體運動。另一方面又存在著因汽泡運動所導(dǎo)致的液體運動。 是液體是液體在一定壓差作用下在一定壓差作用下，以一定的流速流經(jīng)加熱管時所，以一定的流速流經(jīng)加熱管時所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，

14、又稱為發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，又稱為強制對流沸騰強制對流沸騰。 此時，液體的流速對沸騰過程產(chǎn)生影響，而且在加此時，液體的流速對沸騰過程產(chǎn)生影響，而且在加熱面上所產(chǎn)生的汽泡不是自由上浮的，而是被迫與液體熱面上所產(chǎn)生的汽泡不是自由上浮的，而是被迫與液體一起流動的，出現(xiàn)了一起流動的，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相流動復(fù)雜的氣液兩相流動。 管內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰 （2 2）過冷沸騰和飽和沸騰）過冷沸騰和飽和沸騰 當當液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，而加液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，而加熱面溫度又高于飽和溫度時熱面溫度又高于飽和溫度時，將產(chǎn)生，將產(chǎn)生過冷沸騰過冷沸騰。 過冷沸騰過冷沸騰 此時，在加熱面上產(chǎn)生的汽泡

15、將在液體主體重新凝此時，在加熱面上產(chǎn)生的汽泡將在液體主體重新凝結(jié)，熱量的傳遞是通過這種結(jié)，熱量的傳遞是通過這種汽化汽化凝結(jié)凝結(jié)的過程實現(xiàn)的。的過程實現(xiàn)的。 飽和沸騰飽和沸騰 當液體主體的溫度達到其相應(yīng)壓力下的飽和溫度時，當液體主體的溫度達到其相應(yīng)壓力下的飽和溫度時，離開加熱面的汽泡不再重新凝結(jié)，這種沸騰稱為飽和沸騰。離開加熱面的汽泡不再重新凝結(jié)，這種沸騰稱為飽和沸騰。2.大容器沸騰換熱大容器沸騰換熱沸騰溫差沸騰溫差 t : 對流沸騰對流沸騰 （1）大容器飽和沸騰曲線）大容器飽和沸騰曲線 以常壓下水在金屬表面上沸騰的實驗為例以常壓下水在金屬表面上沸騰的實驗為例: AB段段，常壓下，常壓下 t5，

16、q、h隨隨 t緩慢增加緩慢增加。壁面溫度壁面溫度tw與液體飽和溫度與液體飽和溫度ts之差之差。沸騰溫差的量變會引起沸沸騰溫差的量變會引起沸騰換熱機理的質(zhì)變騰換熱機理的質(zhì)變 q較低，即使壁面上產(chǎn)生了汽較低，即使壁面上產(chǎn)生了汽泡也不能脫離上浮。其換熱過程符泡也不能脫離上浮。其換熱過程符合合無相變的對流換熱規(guī)律無相變的對流換熱規(guī)律。 泡態(tài)沸騰泡態(tài)沸騰 膜態(tài)沸騰膜態(tài)沸騰 BC段，段， t 525，有大量汽泡在壁面上迅速生長，有大量汽泡在壁面上迅速生長和激烈運動，強烈擾動周圍液體，使和激烈運動，強烈擾動周圍液體，使h和和q都顯著增大都顯著增大，且且h達到峰值；達到峰值； BC段的沸騰換熱主要取決于汽泡的生成和運動段的沸騰換熱主要取決于汽泡的生成和運動 。 C點以后，點以后， t25， 不穩(wěn)定膜態(tài)沸騰不穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 穩(wěn)定膜態(tài)沸騰穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 DE段段 ，壁面全部被一層，壁面全部被一層穩(wěn)定的汽膜穩(wěn)定的汽膜所覆蓋，這時汽所覆蓋，這時汽化只能在膜的汽液交界上進行，以后化只能在膜的汽液交界上進行，以后h隨隨 t的增加的增加基本不基本不變變，而，而q又開始又開始隨隨 t的增加