第九章對流傳熱

第九章對流傳熱建筑與環(huán)境工程系學(xué)習(xí)導(dǎo)引本章主要介紹的是對流換熱。牛頓冷卻公式——提供了對流換熱換熱量的計算方法，通過它，定義了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而使復(fù)雜的對流換熱問題得以簡化最終的對流換熱問題集中于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取。關(guān)于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)——不同情況下的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式?；疽蟊菊轮攸c(diǎn)是掌握牛頓冷卻公式，了解不同情況下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算，通過學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到以下要求：1.理解對流換熱的基本概念，了解對流換熱的過程及分類。2.理解牛頓冷卻公式的物理意義，會應(yīng)用牛頓冷卻公式計算流體與固體壁面間的對流換熱量。3.理解表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的定義和物理意義，了解影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素。4.了解主要的無因次準(zhǔn)數(shù)的含義。5.了解常見的無相變和有相變對流換熱的換熱特征。6.了解影響凝結(jié)換熱和沸騰換熱的因素。主要內(nèi)容§10.1對流換熱概述§10.2流體無相變時的對流換熱§10.3流體有相變時對流換熱§10.1對流換熱概述一、對流換熱過程分析二、牛頓冷卻公式三、對流換熱的影響因素一、對流換熱過程分析當(dāng)流體在管內(nèi)湍流時，在傳熱方向上截取一截面A-A，各層界面處的溫度變化為:

thth

tw1

tw2

tc

tc

湍流主體的傳熱以熱對流為主；

緩沖層的傳熱以導(dǎo)熱和熱對流進(jìn)行;

層流底層的傳熱以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行。因此，對流換熱的熱阻主要集中在流體的層流底層內(nèi)，減薄層流底層的厚度是強(qiáng)化對流換熱的主要途徑。

該層溫差很大,熱阻也大流體在管內(nèi)湍流時,其流動狀況由層流內(nèi)層、緩沖層和湍流主體組成二、牛頓冷卻公式1、由牛頓1702年提出，是用于對流換熱量的計算公式。

或

:熱流量，W；A:換熱面積，m2；h:表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2K）；△t:對流換熱溫差，△t=tw-tf，℃;RW:對流換熱熱阻，RW

=1/hA，K/W;R:單位面積對流換熱熱阻，R

=1/h，m2K/Wtf流體平均溫度表明：對流換熱量與壁面換熱面積A及流體與壁面之間的溫度差成正比；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小反映了對流換熱的強(qiáng)弱。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h表明了當(dāng)流體與壁面間的溫差為1K時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱流量。

表9-1表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大致范圍W/（m2K）

牛頓冷卻公式將影響對流換熱的諸多復(fù)雜因素，歸結(jié)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)這一參數(shù)，對流換熱研究的核心也就歸結(jié)為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求解。

2、表面換熱系數(shù)1.流體流動的起因2.流體的流動狀態(tài)及流速的影響3.流體的物理性質(zhì)4.流體有無相變5.換熱表面的幾何因素三、對流換熱的影響因素

一般來說，強(qiáng)制對流的流速比自然對流高，因而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也高。

1、流體流動的起因影響流體的速度分布2.流體的流動狀態(tài)及流的影響同一流態(tài)，流體流速增加時，傳熱速率加快。

層流底層內(nèi)以導(dǎo)熱傳熱外，湍流主體以熱對流傳熱為主，h大，對流換熱效果好。熱量傳遞主要為垂直于流動方向的導(dǎo)熱，h的大小取決于流體的熱導(dǎo)率。

層流湍流

3.流體的物理性質(zhì)

密度

越大，流體與壁面間的熱阻就越小，換熱就越強(qiáng)烈；

比定壓熱容cp

熱導(dǎo)率

、cp越大，單位質(zhì)量攜帶的熱量越多，傳熱能力越大；

動力黏度

越大，黏滯力越大，加大了層流底層的厚度，不利于對流換熱。

4.流體有無相變有相變時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比無相變時的大。

有相變時，流體吸收或放出潛熱，對流換熱要劇烈得多。

無相變時，流體顯熱變化實(shí)現(xiàn)對流換熱。

沸騰換熱

凝結(jié)換熱

沸騰時液體中汽泡的產(chǎn)生和運(yùn)動增加了液體內(nèi)部的擾動，從而強(qiáng)化了對流換熱。

5.換熱表面的幾何因素

換熱表面的形狀、大小、狀況（光滑或粗糙程度）以及相對位置等幾何因素影響了流體的流態(tài)、流速分布和溫度分布，從而影響了對流換熱的結(jié)果。

熱面朝上氣流擾動比較激烈，換熱強(qiáng)度大

§9.2流體無相變時的對流換熱流體無相變時對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可表示為經(jīng)分析，可得流體無相變時對流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式為一、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式將各影響因素經(jīng)過分析組成若干個無因次準(zhǔn)數(shù)

表9-2準(zhǔn)數(shù)的符號和含義表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式其中△t流體與壁面之間溫度差，℃；l換熱器換熱表面的特征尺寸，如管內(nèi)徑、外徑或平板高度等，m；V流體的體積膨脹系數(shù)，K-1，對于理想氣體：Tm理想氣體的定性溫度，K。由表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式對自然對流其指數(shù)函數(shù)形式為

上式稱為準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，其中C、m、n為常數(shù)，均由不同情況時的具體條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定后，再由該式計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。對強(qiáng)制對流升力的影響較大，Re的影響可忽略

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般關(guān)聯(lián)式1.應(yīng)用范圍2.定性溫度在使用準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h時，必須注意:

即建立準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式時的實(shí)驗(yàn)范圍，一般指Re、Pr、Gr的數(shù)值范圍，使用時不能超出該范圍。

確定準(zhǔn)數(shù)中流體物性所依據(jù)的溫度就是定性溫度。其確定方法不盡相同。

3.特征尺寸

對對流換熱有顯著影響的幾何尺寸，在建立準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式時就定為特征尺寸。

如管內(nèi)徑、當(dāng)量直徑等§9.3流體有相變時對流換熱

膜狀凝結(jié)1.蒸汽凝結(jié)的兩種方式珠狀凝結(jié)

一、凝結(jié)換熱

高強(qiáng)度換熱

蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的冷壁面相接觸時，就會放出汽化潛熱，凝結(jié)成液體附著在壁面上。此現(xiàn)象即為凝結(jié)換熱。

如果凝結(jié)液能夠很好地潤濕壁面，就會在壁面上形成連續(xù)的液體膜，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)。

膜狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)主要取決于凝結(jié)液的性質(zhì)和液膜的厚度。

膜狀凝結(jié)液膜越厚，其熱阻越大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也越小

蒸汽凝結(jié)潛熱以導(dǎo)熱的方式通過液膜到達(dá)壁面，液膜幾乎集中了凝結(jié)換熱的全部熱阻。

工業(yè)冷凝器的設(shè)計均以膜狀凝結(jié)換熱為計算依據(jù)。冷壁

珠狀凝結(jié)

如果凝結(jié)液不能很好地潤濕壁面，則因表面張力的作用將凝結(jié)液在壁面上集聚為許多小液珠，并隨機(jī)地沿壁面落下，這種凝結(jié)稱為珠狀凝結(jié)。

其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)比膜狀凝結(jié)時的大，有時大到幾倍甚至幾十倍

。

珠狀凝結(jié)時蒸汽不必通過液膜的附加熱阻，而直接在傳熱面上凝結(jié)

（1）蒸汽的流速和流向

3.影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素

蒸汽流速較大（介于10～25m/s）時，若蒸汽與液膜流動方向一致，液膜將加速變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；當(dāng)流動方向相反時，液膜將減速增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。以水蒸氣膜狀凝結(jié)為例，一般認(rèn)為:

蒸汽流速小于10m/s時，流速對傳熱影響很小，可忽略不計。蒸汽流速很大（大于25m/s）時，將會把液膜吹離表面，不論流向如何，都會使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。（2）蒸汽中含有不凝性氣體

如空氣、氮?dú)獾?，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響

。排除不凝結(jié)氣體是保證制冷系統(tǒng)冷凝器正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

（3）過熱蒸汽

影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素如水蒸氣中含有1％的空氣能使凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60％實(shí)驗(yàn)研究表明，水蒸氣的過熱度對凝結(jié)傳熱影響不大。

一般冷凝器中蒸汽的過熱度都不大，傳熱計算中可按飽和蒸汽處理。

（4）表面情況的影響

冷凝器凝結(jié)壁面光滑、清潔、無油垢，有利于提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

。

（5）凝結(jié)壁面的形狀及位置

影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素

對一根管子而言，在其它條件相同的情況下，水平放置時的換熱遠(yuǎn)比豎直放置時的換熱效果好。

在豎直管冷凝器上設(shè)置有疏液裝置

。

對于水平管束，為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般要減少豎直列上的管子數(shù)目，或者將管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使得凝結(jié)液沿下一根管子的切線方向流過。

影響蒸汽凝結(jié)換熱的因素二、沸騰換熱

大容器沸騰

1.液體沸騰的分類

指加熱面被浸在沒有強(qiáng)制對流的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。

指液體受熱沸騰過程中與固體壁面間的換熱現(xiàn)象。

（1）大容器沸騰和管內(nèi)沸騰

此時液體內(nèi)一方面存在著由溫度差引起的自然對流，另一方面又存在著因汽泡運(yùn)動所導(dǎo)致的液體運(yùn)動。

是液體在一定壓差作用下，以一定的流速流經(jīng)加熱管時所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，又稱為強(qiáng)制對流沸騰。

此時，液體的流速對沸騰過程產(chǎn)生影響，而且在加熱面上所產(chǎn)生的汽泡不是自由上浮的，而是被迫與液體一起流動的，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相流動。

沸騰換熱

管內(nèi)沸騰

沸騰換熱（2）過冷沸騰和飽和沸騰

當(dāng)液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，而加熱面溫度又高于飽和溫度時，將產(chǎn)生過冷沸騰。

過冷沸騰

此時，在加熱面上產(chǎn)生的汽泡將在液體主體重新凝結(jié)，熱量的傳遞是通過這種汽化凝結(jié)的過程實(shí)現(xiàn)的。

飽和沸騰

當(dāng)液體主體的溫度達(dá)到其相應(yīng)壓力下的飽和溫度時，離開加熱面的汽泡不再重新凝結(jié)，這種沸騰稱為飽和沸騰。2.大容器沸騰換熱沸騰溫差t:①對流沸騰

（1）大容器飽和沸騰曲線

以常壓下水在金屬表面上沸騰的實(shí)驗(yàn)為例:

AB段，常壓下t＜5℃，q、h隨t緩慢增加。壁面溫度tw與液體飽和溫度ts之差。沸騰溫差的量變會引起沸騰換熱機(jī)理的質(zhì)變

q較低，即使壁面上產(chǎn)生了汽泡也不能脫離上浮。其換熱過程符合無相變的對流換熱規(guī)律。

②泡態(tài)沸騰

③膜態(tài)沸騰

BC段，t5～25℃，有大量汽泡在壁面上迅速生長和激烈運(yùn)動，強(qiáng)烈擾動周圍液體，使h和q都顯著增大，且h達(dá)到峰值；

BC段的沸騰換熱主要取決于汽泡的生成和運(yùn)動。

C點(diǎn)以后，t＞25℃，

不穩(wěn)定膜態(tài)沸騰

大容器沸騰換熱穩(wěn)定膜態(tài)沸騰

DE段

，壁面全部被一層穩(wěn)定的汽膜所覆蓋，這時汽化只能在膜的汽液交界上進(jìn)行，以后