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1、机电教研室赵春来,第二篇 传热学,第八章 对流换热,本章主要内容,对流换热概述流体无相变时的对流换热流体有相变时的对流换热,本章基本要求,1掌握热对流和对流换热的概念，了解对流换热过程的热传递机理。了解边界层的概念及特点。2掌握牛顿冷却公式及式中各量含义，其中关键是对流换热系数的确定；掌握影响对流换热的主要因素。3理解研究稳态无相变对流换热问题时所常用的准则数及其物理意义。4了解常见的各种无相变对流换热过程（如管内强制对流换热、管外横向绕流管束时的强制对流换热以及大空间自然对流换热）的换热特点，会选择正确的准则关系式进行不同对流换热过程换热量的计算。5掌握蒸汽膜状凝结换热的特点及影响因素。掌握
2、大容器沸腾换热的三个阶段及其特点，理解临界热负荷的工程指导意义。6了解强化对流换热的主要方法及措施。,电厂中对流换热现现象,生活中对流换热现现象,自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。某些方面研究比较详细，但由于数学上的困难；使得在工程上可应用的公式大多数还是经验公式（实验结果）,9-1 对流换热概述,1、热对流：流体中温度不同的各部分间发生宏观的相对位移时所引起的热量传递现象。是三种基本传热方式之一。2、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。,电厂中对流换热实例：1）各种换热设备管内（或管外）流体与管内壁间的换热;2)设备的散热等。,对流换热与热对流不同，对流换热是
3、热对流导热综合作用的结果；不是基本传热方式,一、对流换热的概念和性质,换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热,(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差(3)由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的边界层。,3、对流换热的特点,4、对流换热的分类,按照不同的原因可分为多种类型按是否有相变分为：有相变的对流换热（沸腾换热和凝结换热）和无相变的对流换热。按流动原因分为：强迫对流换热和自然对流换热。按流动状态分为：层流和紊流对流换热。按换热面与流体的相对位置分为：内部流动与外部流动换热。如:管内或槽内和外掠平板、
4、圆管、管束。,4、对流换热的分类,整个换热面积的对流换热热阻：,二、对流换热计算公式-牛顿公式,比例系数（亦称对流换热系数），对流换热强度的标志。即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体对流体的传热量，与壁面积A成正比，与壁面和流体间的温度差t成正比。,单位换热面积的对流换热热阻：,三、速度边界层和热边界层,1、流体的流态与雷诺数（1）流态：层流和紊流（湍流）层流：流速较小，流线相互平行，互不干扰，流体平行于流道流动。紊流：流速较大，各流线间相互交错和干扰，流体各部分运动不规则。过渡区：由层流至紊流的过渡状态。,层流,紊流,（2）流态的判别-雷诺数Re（雷诺准则）,流体的流动状况是由多方面因素
5、决定的,流体物性（粘度和密度等）、流速u和流道尺寸等都能引起流动状况改变。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成一个无因次量-雷诺数来判别。,雷诺准数的定义,对直管内流动：Re2200 稳定的层流区 2200 Re 104 过渡区 Re 104 紊流区 对对纵掠平板：一般取:Rec=5105,临界雷诺数,2、速度边界层,（1）概念：紧邻固体壁面流速发生剧烈变化的薄层。其厚度通常是指由壁面（流速为0）起沿垂直壁面的方向到主流速度uf的99%处的距离。,平板上的流动边界层发展,(2)速度边界层的重要特性,流场可划分为主流区和边界层区，边界层内才有粘性。边界层流态分层流和紊流，而紊流边界层有
6、层流底层。边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小值，只的几毫米厚。层内速度梯度很大。,mm,局部表面传热系数的变化趋势：,x,3、温度（热）边界层,（1）概念：当壁面与流体间有温差时，壁面附近温度梯度很大的一薄层称为温度边界层（热边界层）,其厚度用t表示.,Tw,t 热边界层厚度,与t 不一定相等,流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和边界层内的温度分布,（2）温度边界层特点,温度边界层相对壁面尺寸是极小量；层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变化；层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热，换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型；紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导热，该层是主要热阻；而底
7、层外的紊流核心区主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热较强；总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。,四、影响换热系数的因素,1.流体流动的动力因素,流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。,2.流体流动的状态,有流体微团的横向脉动,3.流体的热物性,导热系数、比热容c、动力粘度、密度,4.流体有无相变,有相变,无相变,5.换热壁面的几何因素,换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引起换热系数的变化。,影响对流换热系数的主要因素可用函数形式表示为：,五、对流换热所用到的准则和准则方程式,1、研究对流换热的方法：分析法：主要是指对描写某一类
8、对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。实验法：为了减少实验次数、提高实验测定结果的通用性，传热学的实验测定应当在相似原理指导下进行。比拟法：是指通过研究动量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表面传热系数与阻力系数间的相互关系的方法。数值法：对对流换热进行离散求解的一种方法。难点：对流项的离散及动量方程中的压力梯度项的数值处理。2、准则（数）：在对流换热分析中，将多个影响因素综合在一起组成的无量物理纲量。有：Nu，Re，Pr，Gr等。,3、常用准则,（1）努塞尔特数Nu：Nu表征对流换热的强弱大小。（2）雷诺数Re：Re表示强制对流换热
9、时运动状态对换热的影响（3）普朗特数Pr：Pr说明流体物性对换热的影响。（4）格拉晓夫准则Gr：Gr表示自然对流换热时运动状态对换热的影响上面中，Nu为待定准则，其它三个为已定准则。,4、准则方程式及应用时注意事项,（1）准则方程式：准则数之间的函数关系。1）强制对流时准则方程式：2）自然对流时准则方程式：（2）准则方程式应用注意：定性温度、特征长度和特征速度的选取,(a)流体温度：,1）定性温度：确定物性的温度即定性温度。相似特征数中所包含的物性参数，如：、Pr等，往往取决于温度,流体沿平板流动换热时：,流体在管内流动换热时：,(b)热边界层的平均温度：,(c)壁面温度：,在对流换热特征数关
10、联式中，常用特征数的下标示出定性温度，如：,使用特征数关联式时，必须与其定性温度一致,（3）定性温度、特征长度和特征速度,应取对于流动和换热有显著影响的几何尺度,如：管内流动换热：取直径 d,流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作为特征尺度：,当量直径(de)：过流断面面积的四倍与湿周之比称为当量直径,Ac 过流断面面积，m2P 湿周，m,2）特征长度：包含在相似特征数中的几何长度；,3）特征速度：Re数中的流体速度,9-2 流体无相变时的对流换热,一、流体在管内强制对流换热 电厂中这种换热很常见：换热设备（过热器、凝汽器等）中管内流体与管壁的换热。,二、影响管内对流换热的因素,1
11、、主要因素：流动状态、流体物性和管子的尺寸2、其它因素：（1）入口效应的影响(短管修正系数)Cl 当管子的长径比l/d60时，属于短管内流动换热，进口段的影响不能忽视。（2）弯管的影响CR 在弯曲处由于离心力的作用会形成垂直于流动方向的二次流动，从而加强流体的扰动，带来换热的增强。（3）温差修正系数(物性修正系数)Ct当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影响会发生改变，,二、流体横掠圆管时的对流换热,电厂中各种换热设备（过热器、省煤器等）管外流体与管壁的换热。外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。1、流体横掠
12、单管的对流换热横掠单管：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。,（1）流动特性,分离现象：因为在管后面部分因逆压力梯度，使边界层出现分离现象。,边界层分离现象,AB：流道缩小，顺压强梯度，加速减压BC：流道增加，逆压强梯度，减速增压CC以上：分离的边界层CC以下：在逆压强梯度的推动下形成倒流，产生大量旋涡,横掠圆管局部换热系数的变化,边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征,当Re较小（Re1.4105）时，局部换热系数最大值出现在管面后半部。,虽然局部表面传热系数变化比较复杂，但从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。,可采用以下准则方程：,式中：
13、定性温度为:(tw+tf)/2,特征长度为管外径；,Re数的特征速度为来流速度uf,平均表面换热系数计算,实验验证范围：，。,C及n的值见下表,平均表面换热系数计算,2.横掠管束换热的对流换热,外掠管束在换热器中最为常见。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。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。,（1）管排方式的影响,叉排 顺排,叉排：换热系数大，但流动阻力大，顺排：换热系数小，但流动阻力小。,（2）管排数的影响,（3）相对节距的影响流体横掠管束的准则方程式：,后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子
14、才能消失。,式中：定性温度除Prw取壁温tw外，其它取流体平均温度tf。,特征长度为管外径d；,Re数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。管排小于10排要进行修正,实验验证范围：,应用注意：,三、自然对流传热系数,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。大空间自然对流：边界层的形成和发展不因空间的限制面受到干扰。如：热力设备外表面与周围环境大气之间的对流传热。其准则方程如下：,定性温度取壁面和流体的平均温度，式中常数C和n由实验测定，见表P132，表9-4。,表9-4 C和n的值,9-3 流体有相变化时的对流传热系数,(1)蒸汽凝结的方式（膜状和珠状凝结）
15、1）膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。,1、凝结换热概述,蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。如电厂中：凝汽器和回热加热器内，管外蒸汽与管外壁的换热,一、凝结换热,2）珠状冷凝,凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻
16、碍，热阻很小，换热系数约为膜状冷凝的510倍甚至更高。实现珠状冷凝的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连续的滴状冷凝，但在工业换热器上应用，尚待时日。,（1）蒸汽在水平管外冷凝,可采用下式计算：,r蒸汽比气化热 冷凝液的导热系数n水平管束在直列上的管子数定性温度取膜温内平均温度。,2、凝结换热计算,(2)竖壁膜状凝结换热,液膜厚度自上而下不断增厚，当其厚度达到一定程度时，液体流态由层流变为紊流；液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要热阻，膜状凝结换热系数的大小主要取决于液膜的厚度和膜内液体的运动状态。,特征尺寸：l取垂直
17、管或板的高度。定性温度：r取ts下的值，其余物性取液膜平均温度下的值。k、凝液的导热系数，密度和粘度；r冷凝潜热；t蒸汽饱和温度ts与壁面tw之差。,(2)竖壁膜状凝结换热,蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝当Re1600时，膜内为层流,若Re1800时，膜层为紊流,（1）不凝性气体的影响蒸汽中含有不凝性气体时，即使含量极微，也会对冷凝传热产生十分有害的影响。例如水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要。（2）蒸汽流速和流向的影响 蒸汽流动会在汽液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使
18、液膜减薄，传热加快。,3、影响凝结换热的其它因素,3、影响凝结换热的其它因素,（3）换热表面粗糙程度的影响表面粗糙、不清洁、有结垢和生锈等会使表面液膜增厚，还会产生附加导热热阻，使换热系数减小。,（4）管排方式的影响对单管，横放比竖放换热好，因管外液膜短面薄。对管束，叉排换热系数最大，辐向排列次之，顺排最小。,二、沸腾传热,1、基本概念：（1）沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。（动画）如电厂中，锅炉内水蒸汽的产生。（2）主要特点：1）汽泡的产生和运动；2）液体汽化吸收大量的汽化潜热；3）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以
19、沸腾换热强度远大于无相变的换热。,（3）沸腾的类型,1）大容积沸腾（池内沸腾）：是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。2）强制对流沸腾（管内沸腾）：是指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。过冷沸腾：指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。特点:随着壁面过热度的增高，出现 4
20、 个换热规律全然不同的区域。,（4）汽化核心,汽化核心：沸腾换热时加热面上产生汽泡的点，汽化核心越多换热越强。较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。泡状沸腾时壁面过热度愈大，在单位壁面上的气化核心数愈多，气泡生成频率也愈大。显然此时的换热系数也愈高。,（5）壁面过热度-壁温tw与液体相应压力下饱和温度ts之差。t=tw-ts（6）产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：1）液体必须过热；2）要有汽化核心（7）液体的沸腾曲线:液体主体达到饱和温度ts，加热壁面的温度tw，随壁面过热度t=tw-ts的增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。表示水在一个
21、大气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度t的变化关系，称为沸腾曲线。,沸腾曲线,2、大容器沸腾换热的四个阶段（动画）,根据壁面过热度不同，分为自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾四个阶段。（1）自然对流阶段(t 4)：过热度t较小，加热壁面处的液体轻微过热，产生的汽泡在升浮过程往往尚未达到自由液面就放热终结而消失。其换热系数和热流密度q比无相变自然对流略大。如图中AB段所示。（2）核态沸腾阶段(4t50)：随着t的增大，在加热面上产生汽泡数量增加，汽泡脱离时，促进近壁液体的掺混和扰动，故换热系数 和热流密度都迅速增加，图片,2、大容器沸腾换热的四个阶段（动画）,（3）过渡沸腾阶段(50150
22、)：t继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生稳定的膜状沸腾，此时，由于膜内辐射传热的逐渐增强，热流密度又随t的增加而升高,而换热系数急骤下降。,3、临界热负荷（烧毁点）,临界点：由核态沸腾转变为膜态沸腾的转折点C称之。临界参数：临界点时的温差、换热系数、和热负荷分别称为临界温差(tc 50)、临界换热系数和临界热负荷qc。qc 与流体种类和压力有关，实验指出，烧毁点：由图可知，点C和E的热流密度相等。当热流密度增至qc后，迅速下降，为进一步提高传热速率，tc突变至tE以上，这时的壁面温度有可能高于换热器的金属材料的熔化温度。所以C点称为临界点，亦称为烧毁点。,沸腾换热强化
23、,采用适宜的质量流速；用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与 化学手段在换热表面上形成多孔结构。机械加工方法。如电厂锅炉水冷壁常采用内螺纹管和加装绕流子的方法。,4、大容器沸腾换热的计算,上式中，t为壁面过热度；q为壁面热流密度；p为沸腾时的绝对压力。,5、各种对流换热比较,液体对流换热比气体强；对同一种流体，强制对流换热比自然对流换热强；紊流换热比层流强；有相变的换热比无相变换热强。表9-5 各种对流换热平均换热系数的大致范围,本章小结,对流换热相关基本概念及类型；牛顿公式，影响对流换热系数的因素，准则及准则方程。速度边界层和温度边界层的概念与特点。无相变对流换热的换热特点及计算；管内强制对流换热，自然对流换热相变换热的换热特点及计算，凝结换热的特点及影响因素，沸腾换热的特点及四个阶段。,核态沸腾图片,过渡沸腾图片,膜态沸腾图片,
