4-3 對流傳熱概述

知識點4－3對流傳熱概述【學(xué)習(xí)指導(dǎo)】1．學(xué)習(xí)目的通過本知識點的學(xué)習(xí)，掌握對流傳熱的機(jī)理，理解對流傳熱系數(shù)的意義和影響因素，并建立保溫層臨界直徑的概念。2．本知識點的重點對流傳熱機(jī)理。3．本知識點的難點邊界層概念的理解。4．應(yīng)完成的習(xí)題本知識點無習(xí)題。對流傳熱在工程技術(shù)中非常重要。許多工業(yè)部門中經(jīng)常遇到兩流體之間或流體與壁面之間的熱交換問題，這類問題需用對流傳熱的理論予以解決。在對流傳熱過程中，除熱的流動外，還涉及到流體的運動，溫度場與速度場將會發(fā)生相互作用。對流傳熱是指運動流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程，故對流傳熱與流體的流動狀況密切相關(guān)。根據(jù)流體在傳熱過程中的狀態(tài)對流傳熱可分為兩類：（1）流體無相變的對流傳熱：包括強制對流（強制層流和強制湍流）、自然對流。（2）流體有相變的對流傳熱：包括蒸汽冷凝和液體沸騰等形式的傳熱過程。對于上述幾類，其對流傳熱過程機(jī)理不盡相同，影響對流傳熱速率的因素也有區(qū)別。為了方便，先介紹對流傳熱的基本概念。

一、對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)（一）對流傳熱速率方程對流傳熱是一個復(fù)雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，而且對不同的對流傳熱情況又有差別，因此目前的工程計算仍按半經(jīng)驗法處理。根據(jù)傳遞過程普遍關(guān)系，壁面與流體間（或反之）的對流傳熱速率也應(yīng)該等于推動力和阻力之比，即對流傳熱速率=對流傳熱推動力三對流傳熱阻力=系數(shù)X推動力上式中的推動力是壁面和流體間的溫度差。影響阻力的因素很多，但比較明確的是阻力必與壁面的表面積成反比。還應(yīng)指出，在換熱器中，沿流體流動方向上，流體和壁面的溫度一般是變化的，在換熱器不同位置上的對流傳熱速率也隨之而異，所以對流傳熱速率方程應(yīng)該用微分形式表示。若以流體和壁面間的對流傳熱為例，對流傳熱速率方程可以表示為4-23)4-23)式中dQ 局部對流傳熱速率，W；dS 微分傳熱面積，m2；T 換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度，°C；Tw 換熱器的任一截面上與熱流體相接觸一側(cè)的壁面溫度，C；a 比例系數(shù)，又稱局部對流傳熱系數(shù)，W/（m2?C）。方程式4-23又稱牛頓冷卻定律。在換熱器中，局部對流傳熱系數(shù)a隨管長而變化，但是在工程計算中，常常使用平均對流傳熱系數(shù)(一般也用a表示，應(yīng)注意與局部對流傳熱系數(shù)的區(qū)別)，此時牛頓冷卻定律可以表示為S=廚臥=(4-24)式中a 平均對流傳熱速率，W/(m2?°C)；S 總傳熱面積，m2。氐t 流體與壁面(或反之)間溫度差的平均值，C。1/aS 對流傳熱熱阻，C/W。應(yīng)注意，流體的平均溫度是指將流動橫截面上的流體絕熱混合后測定的溫度。在傳熱計算中，除另有說明外，流體的溫度一般都是指這種橫截面的平均溫度。還應(yīng)指出，換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)表面積。例如，若熱流體在換熱器的管內(nèi)流動，冷流體在管間(環(huán)隙)流動，則與之對應(yīng)的對流傳熱速率方程式可分別表示為：dQ=adS(T-T) (4-25)iiwdQ=adS(t-t) (4-25a)oow式中S，S 換熱器的管內(nèi)側(cè)和管外側(cè)表面積，m2；ioa，a 換熱器管內(nèi)側(cè)和管外側(cè)流體對流傳熱系數(shù)，W/(m2?C)；io換熱器的任一截面上冷流體的平均溫度，。c；t 換熱器的任一截面上與冷流體相接觸一側(cè)的壁面溫度，c。由式4-25可見，對流傳熱系數(shù)必然是和傳熱面積以及溫度差相對應(yīng)的。牛頓冷卻定律表達(dá)了復(fù)雜的對流傳熱問題，實質(zhì)上是將矛盾集中到對流傳熱系數(shù)a，因此研究各種對流傳熱情況下a的大小、影響因素及a的計算式，成為研究對流傳熱的核心。（二）對流傳熱系數(shù)牛頓冷卻定律也是對流傳熱系數(shù)的定義式，即由此可見，對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，其單位為W/（m2?c）,它反映了對流傳熱的快慢，a愈大表示對流傳熱愈快。對流傳熱系數(shù)a與導(dǎo)熱系數(shù)久不同，它不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個系數(shù)，反映對流傳熱熱阻的大小。例如流體有無相變化、流體流動的原因、流動狀態(tài)、流動物性和壁面情況（換熱器結(jié)構(gòu)）等都影響對流傳熱系數(shù)。一般來說，對于同一種流體，強制對流傳熱時的a要大于自然對流時的a，有相變化的a要大于無相變化時的a。表4-5列出了幾種對流傳熱情況下的a數(shù)值范圍，以便對其大小有一數(shù)量級的概念。同時，其經(jīng)驗值也可作為傳熱計算中的參考值。表4-5a值的范圍換熱方式空氣自然對流氣體強制對流水自然對流水強制對流水蒸汽冷凝有機(jī)蒸汽冷凝水沸騰W/(m2.C)5?2520?10020?10001000?150005000?15000500?20002500?25000二、對流傳熱機(jī)理對流傳熱在工程技術(shù)中非常重要。許多工業(yè)部門中經(jīng)常遇到兩流體之間或流體與壁面之間的熱交換問題，這類問題需用對流傳熱的理論予以解決。在對流傳熱過程中，除熱的流動外，還涉及到流體的運動，溫度場與速度場將會發(fā)生相互作用。（一）對流傳熱分析當(dāng)流體流過固體壁面時，由于流體粘性的作用，使壁面附近的流體減速而形成邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度。處于層流狀態(tài)下的流體，在與流動方向相垂直的方向上進(jìn)行熱量傳遞時，由于不存在流體的旋渦運動與混合，故傳遞方式為熱傳導(dǎo)。當(dāng)湍流的流體流經(jīng)固體壁面時，將形成湍流邊界層，若流體溫度與壁面不同，則二者之間將進(jìn)行熱交換。假定壁面溫度高于流體溫度，熱流便會由壁面流向運動流體中，由流動邊界層的知識可知，湍流邊界層由靠近壁面處的層流內(nèi)層、離開壁面一定距離處的緩沖層和湍流核心三部分組成，由于流體具有粘性，故緊貼壁面的一層流體，其速度為零。由此可知，固體壁面處的熱量首先以熱傳導(dǎo)方式通過靜止的流體層進(jìn)入層流內(nèi)層，在層流內(nèi)層中傳熱方式亦為熱傳導(dǎo)；然后熱流經(jīng)層流內(nèi)層進(jìn)入緩沖層，在這層流體中，既有流體微團(tuán)的層流流動，也存在一些使流體微團(tuán)在熱流方向上作旋渦運動的宏觀運動，故在緩沖層內(nèi)兼有熱傳導(dǎo)和渦流傳熱兩種傳熱方式；熱流最后由緩沖層進(jìn)入湍流核心，在這里，流體劇烈湍動，由于渦流傳熱較分子傳熱強烈得多，故湍流核心的熱量傳遞以旋渦運動引起的傳熱為主，而分子運動所引起的熱傳導(dǎo)可以忽略不計，就熱阻而言，層流內(nèi)層的熱阻占總對流傳熱熱阻的大部分，故該層流體雖然很薄，但熱阻卻很大，因之溫度梯度也很大。湍流核心的溫度則較為均勻，熱阻很小?！緢D片4-12】對流傳熱的溫度分布情況?！静シ艅赢?-2】對流傳熱的溫度分布。由上分析可知，對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層，因此，減薄滯流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。有相變的傳熱過程—冷凝和沸騰傳熱的機(jī)理與一般強制對流傳熱有所不同，這主要是由于前兩者有相的變化，界面不斷騷動，故可大大加快傳熱速率。二)熱邊界層當(dāng)流體流過固體壁面時，若二者溫度不同，則壁面附近的流體受壁面溫度的影響將建立一個溫度梯度，一般將流動流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為溫度邊界層，亦稱熱邊界層。當(dāng)溫度為tg的流體在表面溫度為tw的平板上流過時，流體和平板間進(jìn)行換熱。實驗表明在大多數(shù)情況下，流體的溫度也和速度一樣，僅在靠近板面的薄流體層中有顯著的變化，即在此薄層中存在溫度梯度，將此薄層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層的厚度用5表示。通常規(guī)定t-t=0.99(t-t)處為熱邊界層的t w w8界限，式中t為熱邊界層的任一局部位置的溫度。大多數(shù)情況下，流動邊界層的厚度5大于熱邊界層的厚度5。顯然，熱邊界層是進(jìn)行對流傳熱的主要區(qū)域。平板上熱邊界層的形成和發(fā)展t如圖片4-13所示?！緢D片4-13】平板上的熱邊界層。由圖片4-13可以看出，熱邊界層愈薄則層內(nèi)的溫度梯度愈大。若緊靠壁面附近薄層流體(滯流內(nèi)層)中的溫度梯度用(dt/dy)表示，由于通過這一薄層的傳熱只能是流體間的熱傳導(dǎo)，因W此傳熱速率可用傅立葉定律表示，即dQ=-如軌 (4-26)式中人 流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.°C)；y 與壁面相垂直方向上的距離，m；(dt/dy) 壁面附近流體層內(nèi)溫度梯度，C/m。W聯(lián)立式4-23和式4-26，消去dQ/dS，則可得(4-27)式4-27是對流傳熱系數(shù)a的另一定義式。該式表明，對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近的流體層的溫度梯度，就可由該式求得a。顯然，由于影響（dt/dy）的因素很復(fù)W雜，目前僅能獲得少數(shù)較簡單條件的a分析解，對其它情況仍需要通過經(jīng)驗公式來計算。但是式4-27是理論上分析和計算a的基礎(chǔ)。熱邊界層的厚薄影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。當(dāng)邊界層內(nèi)、外側(cè)的溫度差一定時，熱邊界層愈薄，則（dt/dy）愈大，因而a就愈大。反之則相反。W當(dāng)流體流過圓管進(jìn)行傳熱時，管內(nèi)熱邊界層的形成和發(fā)展與流動邊界層類似。流體最初以均勻速度叫和均勻溫度婦進(jìn)入管內(nèi)，因受壁面溫度的影響，熱邊界層的厚度由進(jìn)口的零值逐漸增厚，經(jīng)過一定距離后，在管中心匯合。流體由管進(jìn)口至匯合點的軸向距離稱為傳熱進(jìn)口段。超過匯合點以后，溫度分布將逐漸趨于平坦，若管子的長度足夠，則截面上的溫度最后變?yōu)榫鶆蛞恢虏⒌扔诒诿鏈囟萾s。s從進(jìn)口段的簡單分析可知，管子的尺寸和管口形狀對a有較大的影響。在傳熱管的長度小于進(jìn)口段以前，管子愈短，則邊界層愈薄，a就愈大。對于一定的管長，破壞邊界層的發(fā)展也能強化對流傳熱。三、保溫層的臨界直徑化工管道外常需要保溫，以減少熱量（或冷量）的損失。由于金屬管壁所引起的熱阻與保溫層的相比一般較小，可以忽略不計，因此管內(nèi)、外壁溫度可視為相同。通常，熱損失隨保溫層厚度的增加而減少。但是在小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨保溫層厚度增加，可能反而使熱損失增加，其原因分析如下：圖片4-14】保溫層的臨界直徑。如圖片4-14所示，假設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為t,環(huán)境溫度為t,保溫層內(nèi)、外半徑分別為1fr和r。此時傳熱過程包括保溫層的熱傳導(dǎo)和保溫層外壁與環(huán)境空氣的對流傳熱。對流傳熱熱阻io為1/Sa，此處S為傳熱面積，a為對流傳熱系數(shù)，其單位為W/(m2.C)。因此熱損失可表示為=總推動力_右一血=片J仝總阻力盡-局丄In空+ ] (4-28)2魂打2叭2式中R為保溫層的熱傳導(dǎo)熱阻，R為保溫層外壁與空氣的對流傳熱熱阻。12從上式可看出，當(dāng)保溫層厚度增加(即r不變、r增大)時，熱阻R雖然增大，但是熱阻io1R反而下降，因此有可能使總熱阻(R+R)下降，導(dǎo)致熱損失增大。為此，可通過式4-28對212r求導(dǎo)，解得一個Q為最大值時的臨界半徑，整理得or=//ao習(xí)慣上以r表示Q最大時的臨界半徑，故Cr=//a (4-29)cd=2//a (4-29a)c上式中d為保溫層的臨界直徑。若保溫層的外徑小于d，則增加保溫層的厚度反而使熱損C C失增大。只有在d>2人/a下，增加保溫