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第 17 章 对流换热. 第 17 章 对流换热. 17.1 对流换热概述 17.2 换热微分方程式 17.3 强迫对流换热 17.4 自然对流换热 17.5 凝结与沸腾换热. 17.1 对流换热概述. 一 、 对流换热的定义和性质. 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象 。. 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。. 对流换热实例： 1) 暖气管道 ; 2) 电子器件冷却； 3) 电风扇. 17.1 对流换热概述. 二、牛顿冷却公式. h -- 整个固体表面平均表面传热系数.
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第17章 对流换热 17.1 对流换热概述 17.2 换热微分方程式 17.3 强迫对流换热 17.4 自然对流换热 17.5 凝结与沸腾换热
17.1 对流换热概述 一、对流换热的定义和性质 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。 • 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。 • 对流换热实例： 1) 暖气管道; 2) 电子器件冷却；3)电风扇
17.1 对流换热概述 二、牛顿冷却公式 h --整个固体表面平均表面传热系数 如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题
17.1 对流换热概述 三、影响对流换热的因素 对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。 其影响因素主要有以下五个方面： (1) 流动起因; (2) 流动状态; (3) 流体有无相变; (4) 物体的热物理性质 (5) 换热表面的几何因素;
17.1 对流换热概述 四、对流换热的分类： (1) 流动起因 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动 (2) 流动状态 紊流：流体质点做复杂无规则的运动 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线
17.1 对流换热概述 (3) 流体有无相变 单相换热： 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 (4) 换热表面的几何因素： 内部流动对流换热： 例如管内或槽内 外部流动对流换热： 例如外掠平板、圆管、管束
热导率 密度 比热容 动力粘度 运动粘度 体胀系数 17.1 对流换热概述 (5) 流体的热物理性质： （流体内部和流体与壁面间导热热阻小） （单位体积流体能携带更多的热量） （有碍流体流动，不利于热对流） 自然对流换热增强
17.1 对流换热概述 综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
17.1 对流换热概述 对流换热分类小结
17.2 换热微分方程式 一、热边界层 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；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）
17.2 换热微分方程式 热边界层和温度边界层厚度的相对大小取决于流体的运动粘度，与热扩散率的相对大小 • 运动粘度反映流体动量扩散的能力； • 热扩散率反映物体热量扩散的能力； 普朗特数 物理意义： 液体的动量扩散能力与热扩散能力之比。
17.2 换热微分方程式 热边界层特点： • 热边界层的厚度δt在数量上是个与运动边界层的厚度δ相当的小量 • 对流换热温度场可分为热边界层区与主流区 • 主流区中的温度变化率可视为零
17.2 换热微分方程式 二、换热微分方程式 当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，流体的流速在靠近壁面处随离壁面的距离的缩短而逐渐降低；在贴壁处被滞止，处于无滑移状态 在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递 根据傅里叶定律： 由傅里叶定律与牛顿冷却公式：
17.3 强迫对流换热特征关联式 典型的单相流体对流换热过程 • 管内强迫对流换热 • 外掠壁面强迫对流换 • 外掠单管和管束强迫对流换热 • 自然对流换热
17.3 强迫对流换热特征关联式 一、管内强迫对流换热 1.管内强迫对流流动特征和换热特征 层流 湍流
17.3 强迫对流换热特征关联式 2.管内紊流换热实验关联式 迪贝斯－贝尔特公式： 加热流体时 冷却流体时 式中: 定性温度采用流体平均温度tf， 特征长度为管内径。 实验验证范围： 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差
17.3 强迫对流换热特征关联式 3.温度修正系数 中等以下温度差：对于气体不超过50℃；对于水不超过20℃－30℃ 大温差情形，可采用下列任何一式计算。 （1）迪贝斯－贝尔特修正公式 对气体被 加热时 当气体被冷却时取Ct＝1 液体受热时 n=0.11； 液体被冷却时 n=0.25 对液体
17.3 强迫对流换热特征关联式 （2）迪贝斯－贝尔特修正公式 式中: 定性温度采用流体平均温度tf， 特征长度为管内径。 实验验证范围：
17.3 强迫对流换热特征关联式 （3）米海耶夫公式 实验验证范围：
17.3 强迫对流换热特征关联式 (4)非圆形截面槽道 对于非圆形截面槽道 可用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。 式中： 为槽道的流动截面积；P为湿周长。 注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的方法会导致较大的误差。
17.3 强迫对流换热特征关联式 (5)入口效应修正系数 入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖角入口，有以下入口效应修正系数： （6）螺线管 螺线管强化了换热。对此有螺线管修正系数： 对于气体 对于液体
17.3 强迫对流换热特征关联式 二、外掠壁面强迫对流换热 1.流动特征和换热特征 局部换热系数随边界层的增厚而有所下降，当速度边界层达到紊流时，其局部换热系数又有所上升。
17.3 强迫对流换热特征关联式 2. 实验关联式 （1）层流换热 0.5≤Pr≤1000，沿等壁温平板的层流换热: 0.5≤Pr≤10000，沿常热流平板的层流换热:
17.3 强迫对流换热特征关联式 流体外掠平板层流边界的厚度和摩擦系数 如果从平板前缘就开始换热，热边界层的厚度 （2）紊流换热
17.3 强迫对流换热特征关联式 三、横掠单管换热 横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。 流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。
17.3 强迫对流换热特征关联式 1.横掠单管换热特征 由于层流边界不断增厚,曲线在 左右递降 低Re数时，由于脱体区的扰动强化了换热,回升点为绕流脱体的起点。高Re数时，第一次回升是紊湍流的原因；第二次回升约在，则是由于脱体的缘故
17.3 强迫对流换热特征关联式 2.横掠单管换热实验关联式 定性温度 特征长度为管外径 数的特征速度为来流速度
17.3 强迫对流换热特征关联式 四、流体横掠管束的对流换热 • 排列方式:叉排和顺排 • 叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。 • 影响管束换热的因素除 数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。
17.3 强迫对流换热特征关联式 气体横掠10排以上管束的实验关联式为 式中： 定性温度为 特征长度为管外径d 数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。 实验验证范围： C 和 m 的值见下表
的值见下表。 17.3 强迫对流换热特征关联式 对于排数少于10排的管束，平均表面传热系数可在上式的基础上乘以管排修正系数
17.4 自然对流实验关联式 一、流动与换热特性 自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。 竖壁附近自然对流的温度分布与速度分布
17.4 自然对流实验关联式 二、大空间自然对流换热的实验关联式 • 自然对流换热可分成大空间和有限空间两类。 • 如图两个热竖壁。对于左图 ，对于右图 时就可按大空间自然对流处理
—格拉晓夫数， 浮升力/粘滞力比值的一种量度 —流体的运动粘度 —流体的体积膨胀系数； —流体与壁面的温度差 17.4 自然对流实验关联式 工程中广泛使用的是下面的关联式：
17.5 凝结和沸腾换热 相变换热：凝结换热和沸腾换热 凝结换热:蒸汽凝结时的对流换热 例子：汽轮机排汽在凝结器内的冷却 沸腾换热:液体沸腾时的对流换热 例子：锅炉中水冷壁内水的加热
17.5 凝结和沸腾换热 一、沸腾换热 1.定义 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却的一种传热方式 2.分类 沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器沸腾和强制对流沸腾，每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
17.5 凝结和沸腾换热 （1）大容器沸腾：加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾 受热面 （2）强制对流沸腾：强制对流＋沸腾 受热面
17.5 凝结和沸腾换热 （3）过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡 （4）饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾 3.大容器饱和沸腾曲线 表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：
17.5 凝结和沸腾换热 几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。 （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
g 17.5 凝结和沸腾换热 二、凝结换热 1.膜状凝结 沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。
g 17.5 凝结和沸腾换热 2.珠状凝结 当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）
3.影响膜状凝结的因素 17.5 凝结和沸腾换热 （1）不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力 （2）蒸气流速 流速较高时，蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄， 增大；反之使 减小。
17.5 凝结和沸腾换热 （3）过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差 （4）液膜过冷度及温度分布的非线性 （5）管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热
17.5 凝结和沸腾换热 （6）管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则 位于管子上半部。流速较高时，形成环状流动， 凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核
17.5 凝结和沸腾换热 （7）凝结表面的几何形状 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度。
