热工与流体力学-第13章

2020/7/16第十三章对流换热2020/7/16学习导引本章主要介绍的是对流换热的计算。牛顿冷却公式提供了对流换热换热量的计算方法，通过它，定义了表面传热系数，从而使复杂的对流换热问题得以简化最终的对流换热问题集中于表面传热系数的求取。关于表面传热系数的求取，本文给出了不同情况下的准则关联式。学习时应准确了解每个方程式的适用范围、物理量的具体含义，通过适当地选择，最后计算出表面传热系数，进而求得对流换热量。2020/7/16学习要求本章重点是掌握牛顿冷却公式以及不同情况下表面传热系数的计算，通过学习应达到以下要求：1.理解对流换热的基本概念，了解对流换热的过程及分类。2.理解牛顿冷却公式的物理意义，会应用牛顿冷却公式计算流体与固体壁面间的对流换热量。3.理解表面传热系数的定义和物理意义，了解影响表面传热系数的因素。4.了解主要的无因次准数的含义，并掌握其计算方法。5.了解常见的无相变和有相变对流换热的换热特征，能正确选用合适的公式进行对流换热的定量计算。6.了解影响凝结换热和沸腾换热的因素。2020/7/16本章难点1.对流换热过程的分析比较抽象，较难理解。学习中结合对流换热的流动状况和温度分布图会有较为直观的理解。2.无因次准数的含义比较抽象，较难理解。学习中应重点掌握无因次准数的计算方法。3.应用准则关联式求解表面传热系数需要一定的技巧，有一定的难度。应注意公式的适用范围，定性温度和特征尺寸的选取，并应结合例题与习题加强练习。2020/7/16第一节对流换热概念及牛顿冷却公式1.热对流热对流只发生在流体之中，总是与流体运动密切相关，并受到流体运动的影响。由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移，致使冷、热流体相互掺混而引起的热量传递现象。一、对流换热的概念2020/7/16•自然对流由于流体中各部分的密度不同而引起。•强制对流就引起的流动原因而论，对流可分为:热对流如电冰箱冷凝器和房间暖气片等换热设备表面冷、热空气的流动。流体的流动由动力机械的作用造成。如水泵驱动空调装置中的冷媒水流体的热对流总是伴随着导热。2020/7/162.对流换热流体与固体壁之间既直接接触又相对运动时的热量传递过程称为对流换热。对流换热是由热对流和导热共同作用的复合换热形式。对流换热分类:•按流体流动原因分为强制对流换热自然对流换热•按流体是否有相变分为相变对流换热无相变对流换热凝结换热沸腾换热如空气掠过房间空调器2020/7/16对流换热无相变有相变内部流动外部流动强制对流自然对流圆管内强制对流换热管内凝结换热管外凝结换热凝结换热沸腾换热对流换热非圆管内强制对流换热流体流过平板的对流换热流体流过圆管束的对流换热流体流过单根圆管的对流换热有限空间的自然对流换热大空间的自然对流换热管内的沸腾换热大容器的沸腾换热2020/7/16二、对流换热过程分析当流体在管内湍流时，在传热方向上截取一截面A-A，各层界面处的温度变化为:ththtw1tw2tctc•湍流主体的传热以热对流为主；•缓冲层的传热以导热和热对流进行;•层流底层的传热以导热的方式进行。因此，对流换热的热阻主要集中在流体的层流底层内，减薄层流底层的厚度是强化对流换热的主要途径。流体在管内湍流时,其流动状况由层流底层、缓冲层和湍流主体组成该层温差很大,热阻也大2020/7/16三、牛顿冷却公式由牛顿1702年提出，是用于对流换热量的计算公式。或:热流量，W；A:换热面积，m2；h:表面传热系数，W/（m2K）；△t:对流换热温差，△t=tw-tf，℃;RW:对流换热热阻，RW=1/hA，K/W;R:单位面积对流换热热阻，R=1/h，m2K/Wtf流体平均温度thAΦW1RthAtΦ表明：对流换热量与壁面换热面积A及流体与壁面之间的温度差t成正比；表面传热系数h的大小反映了对流换热的强弱。2020/7/16表面传热系数h表明了当流体与壁面间的温差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热流量。表13-1表面传热系数h的大致范围W/（m2K）牛顿冷却公式将影响对流换热的诸多复杂因素，归结为表面传热系数这一参数，对流换热研究的核心也就归结为表面传热系数的求解。牛顿冷却公式对流换热方式h对流换热方式h空气自然对流5～12高压水蒸气强制对流500～3500空气强制对流12～100水沸腾600～50000水自然对流200～1000蒸汽膜状凝结4500～18000水强制对流1000～15000蒸汽珠状凝结45000～1400002020/7/16四、影响表面传热系数的主要因素1.流体流动的起因影响流体的速度分布。2.流体的流动状态及流速的影响一般来说，强制对流的流速比自然对流高，因而表面传热系数也高。如空气的流动同一流态，流体流速增加时，传热速率加快。层流底层内以导热传热外，湍流主体以热对流传热为主，h大，对流换热效果好。热量传递主要为垂直于流动方向的导热，h的大小取决于流体的热导率。层流湍流2020/7/163.流体的物理性质•密度越大，流体与壁面间的热阻就越小，换热就越强烈；•比定压热容cp•热导率、cp越大，单位质量携带的热量越多，传热能力越大；•动力黏度影响因素越大，黏滞力越大，加大了层流底层的厚度，不利于对流换热。ARW2020/7/164.流体有无相变有相变时的表面传热系数要比无相变时的大。有相变时，流体吸收或放出潜热，对流换热要剧烈得多。影响因素无相变时，流体显热变化实现对流换热。沸腾换热凝结换热沸腾时液体中汽泡的产生和运动增加了液体内部的扰动，从而强化了对流换热。2020/7/165.换热表面的几何因素换热表面的形状、大小、状况（光滑或粗糙程度）以及相对位置等几何因素影响了流体的流态、流速分布和温度分布，从而影响了对流换热的效果。影响因素热面朝上气流扰动比较激烈，换热强度大2020/7/16第二节流体无相变时的对流换热计算流体无相变时对流换热的表面传热系数可表示为经分析，可得流体无相变时对流换热的准数关系式为一、表面传热系数的一般关联式,,,,,,,,VplctvfhGrPrRefNu,,将各影响因素经过分析组成若干个无因次准数2020/7/16表13-2准数的符号和含义表面传热系数的一般关联式符号名称公式含义Nu努塞尔数表示对流换热的强弱，是被决定准数，包含待定的表面传热系数Re雷诺数表示流体的流动类型Pr普朗特数表示流体的物性影响Gr格拉晓夫数表示由于温度差而引起的自然对流的影响hl223Vtlgpcvl其中△t流体与壁面之间温度差，℃；l换热器换热表面的特征尺寸，如管内径、外径或平板高度等，m；mV1TV流体的体积膨胀系数，K-1，对于理想气体：Tm理想气体的定性温度，K。2020/7/16由表面传热系数的一般关联式对自然对流其指数函数形式为上式称为准则关联式，其中C、m、n为常数，均由不同情况时的具体条件进行实验测定后，再由该式计算表面传热系数h。GrPrRefNu,,(Pr,)NufGr(Re,Pr)Nuf对强制对流升力的影响较大，Re的影响可忽略nmPrCReNu2020/7/16表面传热系数的一般关联式1.应用范围2.定性温度在使用准则关联式确定表面传热系数h时，必须注意:即建立准则关联式时的实验范围，一般指Re、Pr、Gr的数值范围，使用时不能超出该范围。确定准数中流体物性所依据的温度就是定性温度。其确定方法不尽相同。3.特征尺寸对对流换热有显著影响的几何尺寸，在建立准则关联式时就定为特征尺寸。如管内径、当量直径等2020/7/16二、管内流体强制对流换热计算常用的强制对流时的准则关联式如下表，可在计算时选用。1.流体在圆形管内作强制对流时的准则关联式流型准则关联式适用范围定性温度特征尺寸湍流Nu=0.023Re0.8Prn（13-6）流体被加热时，n＝0.4流体被冷却时,n＝0.3(1)流体与壁面的温差较小，一般气体与壁面温差不超过50℃；水与壁面温差不超过30℃；油类温差不超过10℃(2)104＜Re＜1.2105(3)0.7＜Pr＜120(4)≥60流体进出口温度的算术平均值换热管的内径di（13-7）(1)流体与壁面的温差较大(2)Re＞104(3)0.7＜Pr＜16700(4)≥60μw为壁面温度下的黏度，其余物理量用流体进出口温度的算术平均值层流（13-8）不考虑自然对流的影响(1)Re＜2300(2)0.48＜Pr＜16700(3)0.0044＜＜9.75(4)≥2μw为壁面温度下的黏度，其余物理量用流体进出口温度的算术平均值14.0w3/18.0027.0PrReNu14.0w31i86.1dLRePrNuidL管内径换热管长idLw14.0w31idLRePr2020/7/16管内流体强制对流换热计算•其它关联式中出现的修正项，可以采用如下方法做近似处理：2.表面传热系数计算的修正（1）流体温度的不均匀性对物性影响的修正•流体被加热和被冷却时，Pr的指数n分别取0.4和0.3。液体被加热时，液体被冷却时，14.0w05.114.0w95.014.0w气体无论被加热还是被冷却，114.0wNu=0.023Re0.8Prn2020/7/16管内流体强制对流换热计算上两式要求L/di≥60;当L/di＜60时，可将由上两式计算所得的Nu乘以短管效应修正系数L进行修正。（2）换热管入口效应的修正Nu=0.023Re0.8Prn14.0w3/18.0027.0PrReNu7.0iL1Ld2020/7/16管内流体强制对流换热计算将Re=2300～10000时作为流体处于管内过渡区流动。此时，可先按湍流时的公式确定，再将计算所得的结果乘以过渡区修正系数，即可获得h。（3）流体在管内流动处于过渡区时表面传热系数的确定8.151061Re2020/7/16管内流体强制对流换热计算此时表面传热系数比起在直管内流动时有所提高。可先按直管计算后再乘以弯管修正系数R即可获得h。（4）流体在弯管内强制对流时表面传热系数的修正对气体对液体RdiR77.113iR3.101RdR:弯管的弯曲半径，m；di:管内径，m。2020/7/16管内流体强制对流换热计算仍可用圆形管的公式，一般情况下，只是将特征尺寸用流体阻力计算中的水力当量直径de代替内径即可。（5）流体在非圆形直管内作强制对流时的表面传热系数确定有些资料中规定了一些关联式采用传热当量直径de′:究竟采用哪个当量直径，需要根据具体的准则关联式来确定。度流体润湿的传热周边长流体的流通截面积4ed将准则关联式中的管内径改用当量直径为近似方法2020/7/16管内流体强制对流换热计算•表面传热系数的较精确计算步骤（1）根据已知条件，选取适当的定性温度和特征尺寸，查找相应的物性参数。（2）先由已知条件计算Re，再根据Re值判断管内流体的流态。（3）根据管内的流态（层流、湍流或过渡区）和适宜范围，选用相应的准则关联式。（4）由已知条件选取或计算有关的修正系数。（5）根据修正系数，得到修正后的Nu；（6）由Nu值求得表面传热系数h。2020/7/16例13-1水流进长度为L=5m的直管，从tf′25℃被加热到tf〞35℃。管内径di20mm，水在管内的流速为2m/s。求平均表面传热系数。2020/7/16三、管外流体强制对流换热计算1.管束的排列方式流体在管外强制流动时，常为:垂直流过管束垂直流过单管工程上常用顺排叉排•在相同的雷诺数Re和管排数下，叉排管束的平均表面传热系数h一般比顺排时高，同时叉排的流动阻力损失也比顺排大。2020/7/162.管束表面传热系数的影响因素•管子的排数•管束排列方式•管间距•管径管外流