热对流

热对流制作：杨兴安葛建鹏杨涛学号：09060127班级：金属材料一班概述一、传热的基本方式热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动。温度差越大，热能的传递越快，温度趋向一致，就停止传热。所以传热过程的推动力是温度差。根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：即热传导、热对流和热辐射。1.热传导：又称传导传热,简称导热，即在同一物体内或连接紧密的不同物体间,热量会自动地从高温向低温传递的方式。本质上它是依靠物体内分子的热振动和自由电子的运动而进行热能的传递。在热传导中物体中的分子不发生相对位移,如铁棒的传热等。固体、液体和气体都能以这种方式传热。2.热对流：又称对流传热,是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流可分为自然对流和强制对流，强制对流传热状况比自然对流好。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。概述3.热辐射：又称辐射传热,是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后,又重新全部或部分地转变为热能的过程。因此辐射传热,不仅是能量的传递，还同时伴随有能量形式的转化。另外,辐射传热不需要任何介质作媒介,它可以在真空中传播。这是热辐射与热传导及热对流的根本区别。一般只有物体温度大于400℃时,才有明显的热辐射。实际上，以上三种传热方式很少单独存在，一般都是两种或三种方式同时出现。在一般换热器内，辐射传热量很小，往往可以忽略不计，只需考虑热传导和热对流两种传热方式。热对流与热辐射的区别区别：“对流”是靠介质的流动传递热量的。“辐射”是不用介质，直接传递热量。像光的照射一样。辐射像光的传播，不能被遮挡。所谓的烤，就是利用辐射传热。这里的介质：指的是宏观的物质。水、空气等。共同点：•1.都实现了能量的转移。•2.传递方向都是从高温物体到低温物体。•3.热传导和热对流都是通过分子热运动传递的，而热辐射式通过电磁波。热对流•定义：热对流是指热量通过流动介质，由空间的一处传播到另一处的现象。•比如：“暖气”，靠的是水的流动，把热量从锅炉传到屋里的；屋里，又是靠空气的流动，把热量从暖气片传到整个房间的。热对流•概述：液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的特有方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。加大液体或气体的流动速度，能加快对流传热。影响热对流的因素•温差•导热系数（导热系数愈大、厚度愈小、传导的热量愈多。）•导热物体的厚度•截面积热对流一、对流传热规律1.对流传热分析对流传热实质上就是由于流体质点的宏观运动而引起的热量传递。通常传热的冷热两个流体总是通过某金属壁面进行热量交换，其表现就是流体将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程。在第一章中已知，流体沿固体壁面流动时，无论流动主体湍动的多么激烈，靠近管壁处总存在着一层层流内层。由于在层流内层中不产生与固体壁面成垂直方向的流体对流混合，所以固体壁面与流体间进行传热时，热量只能以热传导方式通过层流内层。虽然层流内层的厚度很薄，但导热的热阻值却很大，因此层流内层的热传导将产生较大的温度差。另一方面，在湍流主体中，由于对流使流体质点混合剧烈，热量十分迅速的传递，因此湍流主体中的温度差极小，其传热就是典型的对流传热。由此可见：流体的对流传热实质上是耦合了层流内层的热传导和流体主体的热对流两个过程，其传热的主要阻力存在于近壁处的层流内层，该层的传热机理属于热传导。热对流图4-10是表示对流传热的温度分布示意图,由于层流内层的导热热阻大,所需要的推动力温度差就比较大,温度曲线较陡,几乎成直线下降。一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为传热边界层。该层由于有传热阻力,所以才存在传热速率Q,其速率计算应遵循傅立叶定律；在湍流主体,流体温度几乎为一恒定值，由于无传热阻力,即传热能瞬时完成,故无所谓传热速率之说法。图4-10换热管壁两侧流体流动状况及温度分布热对流2.对流传热方程依据以上分析,如果我们以流体被加热为例,设传热边界层厚度为b,固体壁面面积为A,由傅立叶方程有：（7）又由于传热边界层厚度为b难以测定，令,称为对流传热系数,此时式（7）变为:(8)同理得流体被冷却速率关系式为(9)式（8）称为对流传热方程，也称为牛顿冷却定律，它是对流传热的基本规律。该规律以很简单的形式描述了复杂的对流传热过程的速率关系,其中的对流传热系数h包括了所有影响对流传热过程的复杂因素。对流传热系数的倒数称为对流传热过程的热阻,即。对于稳定传热有,即壁温总是比较接近h值大的那一侧流体的温度。这一结论对设计换热器是很重要的。1QAttb壁2QhAtt壁2hbTQhAt壁11Rh对QhATthAtt壁1壁2热对流二、对流传热系数1.影响对流传热系数的因素凡是影响边界层导热和边界层外对流的条件都和h有关,目前所能设计的实验表明，影响h的因素主要有：1.1流体的种类,如液体、气体和蒸汽；1.2流体的物理性质,如密度、黏度、导热系数和比热容等；1.3流体的相态变化,在传热过程中有相变发生时的h值远大于没有相变发生时的h值；1.4流体对流的状况,强制对流时的h值大于自然对流时的h值；1.5流体的运动状况,湍流时的h值大于层流时的h值；1.6传热壁面的形状、位置、大小、管或板、水平或垂直、直径、长度和高度等。综上所述,如何确定不同情况下的对流传热系数h是对流传热的中心问题,也是一项十分复杂的问题。热对流2.对流传热系数的确定原则由于影响对流传热系数的因素太多，要建立一个通式来求各种条件下的h值是十分困难的。目前工程计算中只能采用理论分析与实验相结合的方法建立起经验关联式，即准数关联式。常用的准数及物理意义列于表4-1中。准数关联式是一种经验公式，所以应用这种关联式求解时就不能超出实验条件的范围，使用时就必须注意它的适用条件。具体说来，主要指下面三个方面：一是应用范围：指关联式中Re、Pr等准数可适用的数值范围。二是特征尺寸：指关联式中Nu、Re等准数中的特征尺寸L应如何取定。三是定性温度：指关联式中各准数中流体的物性应按什么温度查定。热对流表4-1各特征准数的名称、符号和含义（参见教材P177表4-1）关于对流传热系数前人进行了许多实验研究工作,对于各种传热情况分别提出了进行计算的关联式,下面仅仅介绍常用对流传热系数的关联式来说明关联式的应用。热对流3.常用对流传热系数的确定3.1流体无相变且在圆形直管内作强制湍流时的对流传热系数3.1.1对于低粘度流体（即气体或小于2倍常温水黏度的液体）有：或（9-1）式中当流体被加热时，；当流体被冷却时，.应用范围：，0.7＜＜120；管长与管径之比是；若为短管，即，则需进行修正，可将（4-9）式求得h的值乘以大于1的短管修正系数，即h校＝h；定型尺寸：di取管内径；定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。3.1.2对于高粘度液体有：（10）应用范围：104，0.7＜Pr＜16700；管长与管径之比是L/di大于60；定型尺寸：di取管内径；定性温度：除取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。0.81/30.023RePrwNu0.14（）mm=080023RePrnNu080023nduchdii40n30nRe410Pr60Ldi60Ldi071dLiRewm热对流3.2流体无相变且在圆形直管内作强制层流时的对流传热系数（11）应用范围：Re＜2300；0.6＜Pr＜6700；（RePrdi/L）大于100；定型尺寸：di取管内径；定性温度：除取壁温外,均取流体进、出口温度的算术平均值。3.3流体无相变且在圆形直管内作过渡流时的对流传热系数此种情况且当2300＜Re＜104时，其确定方法是先用湍流时的公式进行计算，然后把所得结果乘以校正系数，从而得到过渡流下的对流传热系数。具体校正系数为3.4流体有相变化时的对流传热系数流体在换热器内发生相变化的情况有冷凝和沸腾两种。现分别将两种有相变化的传热及传热系数的确定进行介绍。3.4.1蒸汽的冷凝传热：当饱和蒸汽与温度低的固体壁面接触时,蒸汽将在壁面上冷凝成液体。其冷凝分膜状冷凝和滴状冷凝两种方式,膜状冷凝时冷凝液容易润湿冷却面,滴状冷凝时冷凝液不容易润湿冷却面。0.141/31/31/31.86RePriwdNuLwm1.816Re－热对流在膜状冷凝过程中,壁面上形成一层完整的液膜,蒸汽的冷凝只能在液膜的表面进行。而滴状冷凝过程,冷凝液在壁面上形成液滴,液滴自壁面滚转而滴落,蒸汽与重新露出的壁面直接接触,因而使滴状冷凝的传热系数比膜状冷凝的传热系数大得多,或者说膜状冷凝的热阻要远大于滴状冷凝。在工业用冷凝器中,即使采用了促进产生滴状冷凝的措施,也很难持久保持滴状冷凝,所以工业用冷凝器的设计都是按膜状冷凝来考虑,其计算也是以膜状冷凝为依据。为此冷凝传热系数的计算如下：(1)若为垂直管外或板上的冷凝传热，其计算分膜层层流和湍流两种情况：当膜层为层流时有：（12）当膜层为湍流时有：（13）(2)水平管外的冷凝传热，其传热系数由下式计算：（14）231/4()0.943[]swrgLtth0.4231/30.0077()Regh231/4()0.725[]oswgrdtth热对流3.4.2液体的沸腾传热高温加热面与沸腾液体间的传热在工业生产中是十分重要的。由于液体沸腾的对流传热是一个复杂的过程，影响液体沸腾的因素很多,其中最重要的是传热壁与液体的温差。现以常压下水沸腾的情况为例,说明对流传热的情况。图5-15所示是常压下水在铂电热丝表面上沸腾时（h)与的关系曲线。当温差较小如5oC以下时,传热主要以自然对流方式进行,如图中AB线段所示,随的增大而略有增大。此阶段称为自然对流区。当逐渐升高越过B点时,在加热面上会产生更的多蒸气泡,由于这些蒸气泡的产生、脱离和上升导致液体受到剧烈的扰动,使随的增大而迅速增大,在C点处达到最大值。此阶段称为核状沸腾。C点的温度差称为临界温度差。水的临界温度差约为25oC。tttt热对流当超过C点继续增大时,加热面逐渐被气泡覆盖,此时由于传热过程中的热阻大，开始减小，到达D点时为最小值。此时，若在继续增加，加热面完全被蒸气泡层所覆盖，通过该蒸气泡层的热量传递是以导热和热辐射方式进行。此阶段称为膜状沸腾。一般的传热设备通常总是控制在核状沸腾下操作。由于液体沸腾时要产生气泡，所以一切影响气泡生成、长大和脱离壁面的因素对沸腾对流传热都有重要影响。如此复杂的影响因素使液体沸腾的传热系数计算式至今都不能完善，难以较为准确定量表征。但人们发现液体沸腾时的传热系数值一般都比流体不相变的值大，例如水沸腾时值一般在1500－30000W/(m2·℃)间。如果与沸腾液体换热的另一股流体没有相变化,那么传热过程的阻力主要是无相变流体的热阻。在这种情况下，沸腾传热系数的值就可以无需详细准确计算。例如水的沸腾值常取5000W/(m2·℃)。tt热对流综上所述,由于影响对流传热系数α(h)的因素很多,所以α的数值范围也很大。表5-7中介绍了常用流体α值的大致范围。由此表可看出:流体在传热过程中有相变化时的α值大于无相变化时的值；在无相变化时,水的α值最大,油类次之,过热蒸气和气体最小。非常非常谢谢