传热学对流换热.ppt

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1、第九章 对流换热,第二篇 传热学,2, 对流换热：是指流体流经固体壁面时，由于存在温差而发生的流体与固体壁面间的热量传递现象。, 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。（是三种基本热传递方式之一）,3,电厂中对流换热现象,4,生活中对流换热现象,5,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,6,自然界普遍存在对流换热现象，它比导热更复杂。到目前为止，对流换热问题的研究还很不充分: (a) 某些方面还处在积累实验数据的阶段； (b) 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）。

2、,9-1 对流换热概述,7,1.对流换热与热对流不同，它是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（流体与壁面间）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。,一、对流换热的特点：,8,二、速度（流动）边界层:,1.流体的粘性及两种流态：,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。（又称“湍流”）,9,10,流态的判别雷诺数Re,实验表明，流体的流态是由多方面因素决定的：流速u能引起流动状态改变，而且壁面几何尺寸l、流体的粘度和密度也会影

3、响流态。把这些影响因素组合成一个无量纲数雷诺数Re。,对圆管内流动： Re2200 层流区 2200 Re 104 过渡区 Re104 紊流区,11,2.速度（流动）边界层：,（1）定义：紧贴固体壁面流速发生明显变化的流体薄层。通常将由壁面（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，称为速度边界层厚度，用表示。,沿平板流动的速度边界层发展,12,（2）速度边界层特点：,速度边界层显示出粘性对流动的影响，速度边界层厚度与壁面尺寸l相比是极小量，只有几毫米厚；边界层流态分层流和紊流，而紊流边界层有层流底层；层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热，换热较弱；紊流边界层内层流底层主要

4、为壁面法向方向导热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区主要依靠热对流作用传热，热阻较小，换热较强。,总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用,13,三、对流换热的计算公式牛顿冷却公式：,对流换热系数 ，它是对流换热强弱的标志，单位为W/(m2.K)。,单位换热面积的对流换热热阻：,14,四、影响对流换热的因素：,1.流体流动产生的原因,2.流体流动的状态,3.流体的热物理性质,如热导率、比热容c、动力粘度、密度等。,15,4. 流体有无相变发生,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。,影响对流换热的主要因素可用函数形式表示为：,16,对流

5、换热分类,17,9-2 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。,18,主要影响因素： 流体种类、流态、管径,（a）层流 （b）紊流,19,弯曲管道流动情况示意图,弯曲的管道中流动的流体，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环流，从而加强流体的扰动，带来换热的增强。（如螺旋管与蛇形管）,其他影响因素： 弯管、入口效应、换热温差等,20,二、流体在管外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。,1、流体横向冲刷单管时的对流换热：,横向冲刷：流体沿着垂直于管子

6、轴线的方向流过管子表面。(管面上形成边界层，还会发生绕流分离现象),21,2、流体横向冲刷管束时的对流换热：,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。,影响因素流体种类、流态、管径、管束排列方式、管间距、管束排数等。,22,（1）管束排列方式的影响,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.,23,（2）流动方向上管排数的影响,（3）相对节距的影响,后排管受前排管尾流的扰动作用对平均换热系数的影响直到20排以上的管子才能消失。,24,1）膜状凝结：凝结液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜状，则液膜层是壁面与蒸汽间传热的主要热阻。,一、凝结换热,蒸汽和低于

7、饱和温度的冷壁面相接触时会发生凝结换热，放出凝结潜热。（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）,9-3 流体有相变时的对流换热,1.特点：,两种凝结方式：根据凝结液体依附在壁面上的形态不同分.,25,26,2）珠状凝结,凝结液体不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液珠，且不断成长变大，受重力作用而沿壁滚下。由于没有完整液膜的阻碍，热阻很小，换热系数约为膜状凝结的510倍，甚至更高。,实现珠状凝结的方法：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珠状凝结，但在工业换热器上应用，尚待时日。,27,蒸汽中含有不

8、凝结气体（如空气）时，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分有害的影响。不凝结气体将会在液膜外侧聚集而形成一层气膜，使热阻大大增加，从而恶化传热。,2.影响蒸汽膜状凝结换热的因素：,（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，使液膜变薄，传热加快。（若u10m/s时，可不考虑这一影响）,（1）蒸汽中含有不凝结气体的影响,28,（3）换热表面状况的影响表面粗糙、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，因管外液膜短而薄。 对管束：当管排数相同时，叉排换

9、热系数最大，辐向排列次之，顺排最小。,29,管束的三种排列方式,30,二、沸腾换热,1.特点：（1）大容器沸腾：加热面上产生的汽泡能自由上升，并在上升过程中不受液体流动的影响，液体的运动只是由自然对流和汽泡扰动引起。,（2）主要特点：汽泡的产生和运动；液体汽化吸收大量的汽化潜热；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，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。,31,（3）汽化核心：,沸腾换热时加热面上产生汽泡的地点。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。,32,（4）壁面过热度：壁温tw与液体相应压力下

10、饱和温度ts之差。（t=tw-ts）（5）液体的沸腾曲线：随壁面过热度t的增加，沸腾换热表现出不同的传热规律。表示沸腾换热的热流密度q与壁面过热度t之间的变化关系曲线，称为沸腾曲线。,33,沸腾换热过程演示,34,3.临界热负荷（C烧毁点）：,临界点：由泡态沸腾转变为膜态沸腾的转折点C。临界热负荷（qc）：临界点时的热流密度。如水在1atm下，qc=1.25106W/m2。,沸腾换热设备的设计和运行都必须控制qqc，沸腾换热设备安全经济的工作区为泡态沸腾区。,2.大容器沸腾换热的三个阶段：,根据壁面过热度不同，分为自然对流、泡态（核态）沸腾和膜态沸腾三个阶段。,35,炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化,36,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；紊流换热比层流换热强；横向冲刷比纵向冲刷强；有相变的对流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,37,本章小结,热对流与对流换热的区别牛顿冷却公式；影响对流换热的因素蒸汽膜状凝结换热的影响因素（凝汽器装设高效抽气器的原因）大容器沸腾换热的三个阶段；临界热负荷的工程指导意义,