第5章传热课件3.ppt

对流传热：,5.4.1 对流传热系数（）的影响因素（1）引起流动的原因：自然对流和强制对流 自然对流：流体内温度不同，导致密度差异，热流体上升，冷流体下降，由于流体温度不同而使流体流动的传热过程，称为自然对流传热。强制对流：由外力作用（输送机械）使流体流动而传热，称为强制对流传热。强制对流 自然对流,（2）流体流动形态 流体传热热阻主要集中在层流底层中。对层流而言，整个流体均处于层流状态；而湍流流体中只有层流底层处于层流状态；所以湍流情况下传热效果大于层流状态，且湍动程度越大，层流底层越薄，对流传热系数越大。湍流 层流,（3）流体的性质 影响对流传热过程的性质主要有：比热、导热系数、粘度、密度等。如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效果差；导热系数大，层流底层中热阻小。一般比热大、导热系数大、密度大、粘度小对传热有利。,（4）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等 流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、单管、管束、板、弯管）管子排列方式（三角形、正方形）位置（水平、垂直）大小（短管、长管）相变（无相变、沸腾、冷凝）,补充：自然对流环流流速,流动的推动力为密度不同引起的静压差，则,自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。水平加热面的上部有利于产生较大的自然对流(如图a所示)，故房间采暖用的加热器应尽量放在下部；水平冷却面的下部有利于产生较大的自然对流(如图b所示)，故剧场的冷气装置应放在剧场上部。,5.4.2 因次（量纲）分析在对流传热中的应用,（1）获得对流传热系数（）的方法 分析法 数值法 实验法：通过实验来获得不同情况下的对流传热计算式（常为关联式或经验式）。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行；即对某一类对流传热问题，将影响对流传热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。,（2）因次分析在对流传热中的应用 影响对流传热系数的因素有（无相变）：（1）流体物性：、cp（2）流动状态：u（3）传热面特征尺寸：l（4）自然对流：Tg（视为一个变量，相当单位质量流体由于温度不同所产生的浮力）所以对流传热系数是以上七个变量的函数：,令,对SI制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，包括长度L、质量M、时间T、温度；所以关联式中各变量的因次分别为：,W=J/S=N*m/s=(kg*m/s2)*m/s=kg*m2/s3,把以上因次代入关联式,根据因次一致性原则：,解得：,雷诺准数，惯性力与粘性力的比值，表征流体流动型态对对流传热的影响；强制对流时影响显著，自然对流时影响微小；,5.4.2 因次分析在对流传热中的应用,普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；液体Pr1，气体Pr1接近1,根据以上定义可以得到最终的关联式：,5.4.2 因次分析在对流传热中的应用,讨论：根据不同的对流传热过程，由实验确定系数K及指数f、e、g值；如强制对流、自然对流、沸腾对流传热、冷凝对流传热等；强制对流时，Gr一般可忽略，即Nu=f(Re,Pr)自然对流时，Re一般可忽略，即Nu=f(Pr,Gr)由实验条件所限，得到Nu=f(Re,Pr,Gr)关联式应注意应用范围；,5.4.2 因次分析在对流传热中的应用,由于流体在传热过程中存在传热边界层，所以冷流体从t上升到tW，热流体从TW降为T；故对冷、热流体的物性应分别取(t+tW)/2、(T+TW)/2查取或计算 Nu=f(Re,Pr,Gr)适用于无相变的对流传热。,5.4.2 因次分析在对流传热中的应用,总之，对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来讨论对流传热系数的关联式，即：强制对流时的对流传热系数；自然对流时的对流传热系数；蒸汽冷凝时的对流传热系数；液体沸腾时的对流传热系数；,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,强制对流情况下，Gr对的影响较小，一般可以忽略，所以：,其中C、m、n由实验测定。5.4.3.1 流体在管内作强制对流的（1）流体在圆形直管内作强制湍流时的 低粘度（粘度2倍常温水的粘度）的液体和气体,或,上式的应用范围及条件：a、Re104，流动是充分湍流；b、Pr=0.6160，一般流体皆可满足；c、50，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的。若l/d 50，则=f1，f1=（l/d,Re）。e、Nu、Re中的特征尺寸l 取d内。f、流体物性参数按定性温度tm=(t1+t2)/2取。,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,液体 Pr1，被加热：t，u,b,，n=0.4;被冷却：t，u,b,，n=0.3;气体Pr1，被加热：t，u,b,，n=0.4;被冷却：t，u,b,，n=0.3;对于气体，t，Pr基本不变，对空气或其他对称双原子气体，Pr 0.72，Nu=0.02 Re0.8,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,高粘度的液体：若流体平均温度与壁温相差较大或高粘度流体，应对粘度进行校正：,上式的应用范围及条件：a、Re104；b、Pr=0.6160；c、特征尺寸l 取d内；d、流体物性参数按定性温度tm=(t1+t2)/2取；e、用tWm=(tW1+tW2)/2 求W；f、不适用于液态金属。一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但在工程计算中，也可取以下近似值：,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,液体被加热,液体被冷却,工程中黏度比取近似值：,气体被冷却或者加热：,（2）流体在圆形直管内作强制层流时的 Gr25000，自然对流的影响可以忽略,此式适用范围及条件：Re100（不适用于管长很长的情况），特征尺寸取d内；定性温度取tm=(t1+t2)/2,（2）流体在圆形直管内作强制层流时的,当Gr25000时，自然对流对强制层流的影响不能忽略，应乘以校正系数：,注意：层流时很小，从而K也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热。,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,（3）圆形直管内强制过渡状况时的 当Re=200010000的过渡状态时，因湍动不充分，层流底层较厚，热阻大，比湍流时小，作为粗略估计，可用Re104（湍流）的公式算出，然后乘以校正系数f2,（4）圆形弯管内作强制对流时的 流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流传热系数加大。,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,（5）非圆形直管内作强制对流时的用上述关联式，但式中的d要用de代替,采用专用的关联式如对套管环隙，用水而和空气等进行实验，得到关联式为：,这种方法简便，但计算结果不够准确。,适用条件：Re=12000220000，d2/d1=1.6517，特征尺寸为de，定性温度取tm=(t1+t2)/2。也可计算其他流体在环隙中作强制湍流时的。,5.4.3.2 流体在管外作强制对流时的,流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的当Re=2000106时,适用条件：、换热器管间装有割去25%（面积）的圆缺形折流挡板；、Re=2000106；、定性温度tm=(t1+t2)/2;、tWm=(tW1+tW2)/2 求W；、特征尺寸de（根据管束排列方式而定）;、管外的流速根据流体流过的最大截面积S计算。,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,（4）流体在列管换热器管间无折流挡板的 用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管间当量直径。（5）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,5.4.3.3 提高对流传热系数的途径（1）从层流转变为湍流时，Re，应力求使流体在换热器中达到湍流流动；（2）圆形直管时，,5.4.3 强制对流时的对流传热系数,（4）在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高，但能耗。,5.4.4 流体作自然对流时的对流传热系数,自然对流时的大小和流体的物性、传热面的大小、形状、位置及传热面与流体间的温度差都有关系，情况复杂，仅限于讨论大空间（指边界层不受干扰）的自然对流。对流传热的特征数普遍关联式为：Nu=f(Gr,Pr)，在一定范围内可用幂函数表示,或,无雷诺准数？,5.4.4 流体作自然对流时的对流传热系数,适用范围及条件：大容积（大空间）的自然对流；特征尺寸l：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高；,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,（1）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻 如果加热介质是饱和蒸汽，当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽将放出潜热并冷凝成液体，冷凝对流传热过程的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝对流传热过程的一个主要特点。设法减小液膜厚度就是强化冷凝对流传热的有效措施。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,（1）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻 如果加热介质是过热蒸汽，且twts时，则壁面上不会发生冷凝现象，蒸汽和壁面间进行的是一般对流传热，此时热阻将集中于壁面附近的蒸汽层流底层中。蒸汽的导热系数比冷凝液的导热系数小得多，故饱和蒸汽冷凝对流传热系数远大于过热蒸汽的对流传热系数。因此，工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质，其原因有两个：一是饱和蒸汽有恒定的温度，二是它有较大的对流传热系数。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,（2）膜状冷凝和滴状冷凝 膜状冷凝：冷凝液能够润湿壁面并形成一层完整的液膜向下流动。此种冷凝壁面上始终覆盖着一层液膜，蒸汽冷凝时放出的潜热只能以导热的形式通过液膜后才能传给壁面。因此膜状冷凝的热阻较大。,膜状冷凝,滴状冷凝,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,（2）膜状冷凝和滴状冷凝 滴状冷凝：若蒸汽中混有油脂类物质，或者壁面被油脂沾污时，冷凝液不能全部润湿壁面，而是结成滴状小液珠从壁面落下，重又露出新的冷凝面，这种冷凝称为滴状冷凝。实验结果表明，滴状冷凝的比膜状冷凝的大几倍甚至几十倍。但是滴状冷凝在工业上没有现实意义，难以实现，在工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,（3）蒸汽冷凝时的 理论推导,平均,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,（3）蒸汽冷凝时的,特征尺寸L取管长或板高，冷凝潜热r按饱和温度取，其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。图5-16,b、单根水平管外,a、垂直管外或垂直板侧,d0为管外径,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,实验结果a、垂直管外或垂直板侧,使用范围及条件：特征尺寸L取管长或板高；冷凝液膜为层流，Re1800；冷凝潜热r按饱和温度ts取；其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,b、单根水平管外实验结果和理论推导公式所得结果基本相符,在其它条件相同时,一般Ldo，垂直 水平。结论：工业冷凝器通常都是卧式的，但蒸发器都是立式的，这是蒸发器特点本身要求的。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流传热系数,c、水平管束外,错排的在垂直方向上的管数小于直排在垂直方向的管子数，错排 直排,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：大容积沸腾：传热面浸沉浸在无强制对流液体中发生的沸腾现象。管内沸腾：流体在一定压差下流过加热管发生沸腾现象，沸腾过程受液体流速的影响，且沸腾产生的气泡无法脱离流体而随流体一起流动，形成复杂的气液两相流。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾复杂得多。,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,根据沸腾温度分为：过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。饱和沸腾：液体主体温度达到或高于饱和温度。,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,（1）沸腾现象,汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称为汽化核心。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的比无相变时的大得多。沸腾无相变,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,以常压水在大容器内沸腾为例，说明t对的影响：,t很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。t5C时，汽化仅发生在液体表面，严格说还不是沸腾，而是表面汽化。此阶段，较小，且随t升高得缓慢。,加热壁与周围液体的温差t5C，几乎无气泡，自然对流产热。,a,b,c,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,25C t 5C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的汽泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。,加热壁与周围液体的温差t满足25C t 5C，气泡产生，热体扰动，对流传热系数 和热通量q急剧增加。,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,t25C进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，由于气体的导热系数较小，使降低，此阶段称为不稳定膜状沸腾。t250C时，气膜稳定，由于加热面温度高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾。,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点称为临界点（此后传热恶化），对于常压水在大容器内沸腾时临界点为tc=25C。,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,（2）影响沸腾传热的因素 液体和蒸汽的性质，主要包括表面张力、cp、r、L、V等；操作压力和温度差；压力大利于传热 加热表面的粗糙情况和表面物理性质。清洁粗糙表面利于传热,5.4.6 液体沸腾时的对流传热系数,注：沸腾传热机理非常复杂 传热系数计算借助教材公式5-77教材p234 表5-4,