对流换热

§3.2对流换热(convectionofheat)◆机理:由于流体质点变动位置并相互碰撞，热量由能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而使热量传播。◆因流体质点位置变动而形成的对流有两种形式：自然对流(naturalconvection)：因流体本身各点温度不同，引起密度差异而形成的流体质点移动，称为自然对流。强制对流(forcedconvection)：借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流。NOTE：强制对流比自然对流有较好的传热效果。◆什么情况下会发生对流传热？流动流体中对流：流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程称为对流。◆自然对流强迫对流对流换热的分类对流换热应用背景介绍工程上流体流过一个物体表面的时的热量传递过程，叫做对流换热。工程上利用这种换热方式来实现许多装置的热交换问题。自然界中的种种对流现象强制对流与自然对流电子器件冷却沸腾换热原理空调蒸发器、冷凝器动物的身体散热对流传热系数大致数值范围1.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。●对流换热实例：1)暖气管道;2)电子器件冷却；3)电风扇●对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热(1)流体的宏观运动+微观的导热，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，对流换热的机理与通过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关2.对流换热的特点对流传热过程流体主体t1滞流内层固体壁面t2过渡层靠近壁面存在滞流层，该层的传热主要依靠流体分子传导传热。流体的导热系数一般都比较小，因而在这层中有较大的温度梯度。流体主体中的传热主要依靠流体质点的位移和混合，基本不存在温度梯度。过渡层中的传热既有传导传热，也有流体质点位移而碰撞的传热，该层中存在较小的温度梯度。对流传热包括以下几部分：在对流传热中将有明显温度梯度的区域（滞流内层和过渡层）称为传热边界层。Q对流传热的膜理论模型•有效膜：把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中，在靠近壁面处构成的一层厚度为δ的流体膜。•膜模型：假设膜内为层流流动，膜外为湍流，所有热阻集中在有效膜中。普朗特速度边界层的概念：uuy%99固壁表面附近流体速度剧烈变化的薄层称为速度边界层，速度边界层外的主流区速度梯度视为零。实际流动≈边界层内粘性流动+主流区无粘性理想流动实验发现：流体近壁面流动时基于粘性力的速度梯度主要存在于近壁面的薄层，主流区速度梯度很小。LudwigPrandtl1875-1953dyduyx普朗特速度边界层的概念：层流：流体分层流动，各层间无掺混。湍流：流体间相互掺混，无规则脉动。如何区分？流动形态与流速，距离和流体物性相关临界雷诺数RecOsborneReynolds1842-1912普朗特速度边界层的概念：光滑平板：Rec＝5×105光滑圆管：Rec＝2100cccxuxu粘性力惯性力Rexxc,ReRec层流xxc,ReRec湍流层流底层（粘性底层）：紧靠壁面处，粘性力占主导地位，使粘附于壁的一极薄层仍然会保持层流特征。层流底层内具有最大的速度梯度。边界层的特点：边界层厚度δt，δ与壁面尺寸相比是小量，而δt与δ量级一致；边界层内速度梯度和温度梯度很大；流动区域分为边界层区和主流区，主流区的速度梯度和温度梯度可忽略；边界层内存在层流和湍流形态。引入边界层概念的意义：可以有效减小计算区域。对流换热问题主要集中于边界层内，主流视为理想流体；应用边界层概念可以有效简化微分方程组。边界层概念的适用范围：对于流动分离的问题，边界层概念不适用。3.对流换热的基本计算式W)(QtthAw2mW)(QfwtthAq牛顿冷却式:只是对流换热系数的一个定义式，它并没有揭示与影响它的各物理量间的内在关系，研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面换热系数的表达式。h4.影响对流换热系数的因素流体流动的起因流体有无相变流体的流动状态换热表面的几何因素流体的物理性质h(1)流体流动起因自然对流：流体内部冷（温度t1）、热(温度t2)各部分的密度ρ不同所产生的浮升力作用而引起的流动。因t2t1，所以ρ2ρ1。若流体的体积膨胀系数为β，则ρ1与ρ2的关系为ρ1=ρ2（1+βΔt）,Δt=(t2-t1)。于是在重力场内，单位体积流体由于密度不同所产生的浮升力为强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动自然强制hhtgg221如空气自然对流的h值约为5-25W/(m2·℃)，而强制对流的h值可达10-250W/(m2·℃)。(2)流动状态层流湍流hh44101022002200ReReRe层流过渡流（旺盛）湍流当流体为湍流流动时，湍流主体中流体质点呈混杂运动，热量传递充分，且随着Re增大，靠近固体壁面的有效层流膜厚度变薄，提高传热速率，即h增大，当流体为层流流动时，流体中无混杂的质点运动，所以其h值较湍流时的小。(3)换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束形状有圆管、翅片管、管束、平板、螺旋板等；传热面有水平放置、垂直放置以及管内流动、管外沿轴向流动或垂直于轴向流动等；传热面尺寸有管内径、管外径、管长、平板的宽与长等。通常把对流体流动和传热有决定性影响的尺寸称为特征尺寸。(4)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（Singlephaseheattransfer）（Phasechange）（Condensation）（Boiling）单相相变hh上述诸影响因素是针对无相变化的单相介质而言。在传热过程中，有相变化时（如蒸汽在冷壁面上冷凝以及液体在热壁面上的沸腾），其h值比无相变时的大很多。因为相变时液体吸收汽化热r(J/kg)变为蒸汽，或蒸汽放出汽化热变为液体。对于同一液体，其r比cp大得多，所以相变时的h值比无相变时的大。(5)流体的热物理性质：热导率]C)(mW[密度]mkg[3比热容]C)(kgJ[c动力粘度]msN[2运动粘度]sm[2体胀系数]K1[ppTTvv11以单相强制对流传热为例，在把高速流动排除在外时，表面传热系数可表示为自然对流换热增强h)(多能量单位体积流体能携带更、hc)(热对流有碍流体流动、不利于h)(间导热热阻小流体内部和流体与壁面1）热导率滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。2）粘度流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。3）比热和密度cp：单位体积流体所具有的热容量。cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。4）体积膨胀系数体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：(,,,,,,,,)wfphfvttcl5.对流传热的特征数关系式流体无相变时，h=f(u，l，μ,λ，ρ，Cp，βgΔt)根据π定理cbpatglcluKl)()()(h223对流传热中的特征数特征数特征数形式特征数的物理意义Nusseltnumber表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导热系数与换热器壁几何尺寸的作用。Reynoldsnumber确定传热时流体的流动形态，并表明对换热的影响。Prandtlnumber表明流体的某些物理性质对传热的影响。Grashoffnumber表明因受热引起的自然对流对传热的影响。物理量h—传热膜系数；—导热系数；l—传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)；Cp—流体的比定压热容；—流体的膨胀系数。lhdupc223tgl应用特征数关联式必须注意：适用范围：Re、Pr、Gr的范围特征尺寸l：对流体流动和传热产生主要影响的尺寸，圆管—管内径；非圆管—当量直径。每个关联式所规定。定性温度t：确定特征数中流体的物性参数(μ,λ，ρ，cp)的温度。RePrabcNuKGr6.流体无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内强制对流传热1、圆形直管强制湍流时的对流传热系数（1）低黏度流体应用条件：特征尺寸l：管内径d定性温度：流体进出口温度的算术平均值应用范围：Re＞104；0.7＜Pr＜120；l/d≥60；μ＜2mPa·s流体被加热时：n=0.4；流体被冷却时：n=0.3。0.80.023RePrnNu（2）高黏度流体应用条件：特征尺寸l：管内径d应用范围：Re＞104；0.7＜Pr＜16700；l/d60；μ＜2mPa·s定性温度：黏度μw取壁温，其余取流体进出口温度的算术平均值，但由于壁温未知，处理如下加热时：冷却时：0.80.330.140.027()()()pwcdud0.14()1.05w0.14()0.95w（3）短管l/d60时，用以上两式计算的α应乘以管入口效应校正系数，这时因为管子入口处的流体扰动程度较大，热阻较小，则α较大。（4）弯管在用以上两式计算的α，应乘以弯管效应校正系数，因为流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动增大，其α值较直管的大一些。0.711()dl11.77RdRR——弯管的曲率半径2.圆形直管过渡流时的对流传热系数Re=2300-10000时为过渡流，用湍流公式算出α后，再乘以校正系数f。3.圆形直管内强制层流时的对流传热系数（1）只有在小管径、水平管、壁面与流体之间的温差比较小时、流速比较低的情况下才有严格的层流传热。在其他情况下往往伴有自然对流传热。当Gr2.5×104时，自然对流影响可忽略应用范围：Re2300；51.86101Ref10.1431.86(RePr)()wdNulRePr10dl特征尺寸：管内径定性温度：μw取壁温，其余取流体进出口温度的算术平均值（2）当Gr2.5×104时，自然对流影响不能忽略，由上式计算的α值应乘以校正系数130.8(10.015)fGr4.流体在非圆形管内强制对流时的对流传热系数此时。仍可采用上述各关联式计算，但需将特征尺寸由管内径改为当量直径de，A：流体流动截面积；Π：润湿周边长度4eAd5.平行平板间的对流换热与水平面呈一定倾角的两平行平板间的换热系数，对于太阳能平板集热器的性能来说相当重要。对于平行平板有：hL/1/Nu即努塞尔数等于导热热阻与对流热阻之比。Nu=1时代表了纯导热情况。平板倾斜角在0°-75°范围内变化时Nu数和Ra数的关系式]1)5830cos[(]cos1708)8.1(sin1[]cos17081[44.11Nu3/16.1RaRaRa式中“+”指数表示方括号的值为正时，此项有意义，若方括号中的值为负，则用零来代替。6.平行平板间的强迫对流换热研究太阳能空气集热器时，需要知道平行平板间流体做层流或紊流流动的对流换热系数。平行平板间有一块平板是绝热的，另一块保持等热流或等温状态，且平板间的层流边界层和热边界层都处于充分发展的系统，给出等热流的Nu=5.4，等壁温的Nu=4.9。对于空气，在一面加热的平行板间作充分发展的紊流流动时的换热公式为：0.80.0158ReNu只要通道长度与水力直径之比约为10或更小，就必须考虑边界层的发展，因为它将导致Nu数的增大。7.对流的抑制设计太阳能集热器的目标之一，是设法减小通过覆盖面的热损失。如在两平行平板（其中一板受热）组成的空间中，放入透明或镜面反射材料制成的蜂窝结构来抑制流体的运动。当流体停止运动时，两板间的换热只有通过导热和辐射起作用。但在设计蜂窝时必须进行认真的分析计算，若参数选得不得当，不仅不起抑制作用，反而会增加对流损失。两平行平板间加装一些薄板