对流传热教学课件.ppt

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1、3.3 对流传热对流传热主要内容：主要内容：1.1.对流传热分析对流传热分析2.2.热对流基本概念热对流基本概念 常见类型常见类型 速率方程速率方程 传热系数传热系数 3.3.对流传热系数关联式对流传热系数关联式一、一、对流传热分析对流传热分析当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处总有一滞流内层存在。在滞流内层和湍流总有一滞流内层存在。在滞流内层和湍流主体之间有一过渡层。（录象）主体之间有一过渡层。（录象）在湍流主体内，由于流体质点湍动剧烈，所在湍流主体内，由于流体质点湍动剧烈，所以在传热方向上，流体的温度差极小，各以在传热方向上，流体的温度差极小，各处的

2、温度基本相同，热量传递主要依靠对处的温度基本相同，热量传递主要依靠对流进行，传导所起作用很小。在过渡层内，流进行，传导所起作用很小。在过渡层内，流体的温度发生缓慢变化，传导和对流同流体的温度发生缓慢变化，传导和对流同时起作用。时起作用。v1、滞流内层：流体呈滞流流动，沿壁面法向、滞流内层：流体呈滞流流动，沿壁面法向没有质点的移动和混合，即没有对流传热，传没有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因热方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此热阻较大，温度梯度大。此热阻较大，温度梯度大。v2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之

3、间，热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。v3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。度基本均匀，无温度梯度。v因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层，减薄其厚度是强化传热过程的关键。减薄其厚度是强化传热过程的关键。v在滞流内层中，流体仅沿壁面平行流动，在滞流内层中，流体仅沿壁面平行流动，在传热方向上没有质点位移，所以热量传在传热方向上没有质点位移，所以热量传递主要依靠传导进行，由于流体的导热系递主要依靠传导进行，由于流体的导热系数很小，使滞流内层中的导热热

4、阻很大，数很小，使滞流内层中的导热热阻很大，因此在该层内流体温度差较大。因此在该层内流体温度差较大。v由以上分析可知，在对流传热（或称给热）由以上分析可知，在对流传热（或称给热）时，时，热阻主要集中在滞流内层，热阻主要集中在滞流内层，因此，因此，减减薄滞流内层的厚度或破坏滞流内层是强化薄滞流内层的厚度或破坏滞流内层是强化对流传热的重要途径。对流传热的重要途径。 二、二、热对流基本概念热对流基本概念1 1、对流传热的类型（对流传热的类型（4种）种）（1）流体强制对流传热）流体强制对流传热-由于外界机械能由于外界机械能的输入，如在泵、风机或搅拌器的作用下，的输入，如在泵、风机或搅拌器的作用下，流体

5、被迫流过固体壁面时的给热。流体被迫流过固体壁面时的给热。 （2）流体自然对流传热）流体自然对流传热-当静止流体与不当静止流体与不同温度的固体壁面接触，在流体内部产生同温度的固体壁面接触，在流体内部产生温度差异。流体内部温度不同必然导致流温度差异。流体内部温度不同必然导致流体密度不同。密度大的往下沉，密度小的体密度不同。密度大的往下沉，密度小的朝上浮。于是，在流体内部发生了流动。朝上浮。于是，在流体内部发生了流动。这种流动称为流体自然对流。这种流动称为流体自然对流。 （3）蒸汽冷凝给热）蒸汽冷凝给热蒸汽遇到温度低于其蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽放热并凝饱和温度的冷固体壁面时，蒸

6、汽放热并凝结成液体，凝液在重力作用下沿壁面流下。结成液体，凝液在重力作用下沿壁面流下。 （4）液体沸腾给热）液体沸腾给热液体从固体壁面取得液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生汽泡，汽泡热量而沸腾，在液体内部产生汽泡，汽泡在上浮时因继续发生液体汽化而长大。在上浮时因继续发生液体汽化而长大。上述第上述第1、2类型为流体无相变的给热，类型为流体无相变的给热，3、4类型为流体有相变的给热。类型为流体有相变的给热。 2、对流传热速率、对流传热速率（1）牛顿冷却定律）牛顿冷却定律平均对流传热系数，平均对流传热系数，w/(m2)S总传热面积，总传热面积，m2；t流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，

7、流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，；1/(S ） 对流传热热阻。对流传热热阻。SttSQ1（2）对流传热系数）对流传热系数定义式：定义式：物理意义：对流传热系数是表示在单位温差物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；其值下，单位传热面积的对流传热速率；其值反映了对流传热的效果。反映了对流传热的效果。，对流传热，对流传热越快。越快。tSQ,，层流内层厚度减薄，湍动程度代价：代价：动力消耗动力消耗。（3） 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 流体流动原因流体流动原因 强制对流：强制对流：外部机械作功，外部机械作功， 一般流速较大，一般流速较大， 也较大。

8、也较大。 自然对流：由流体密度差造成的循环过程自然对流：由流体密度差造成的循环过程, , 一般流速较小，一般流速较小，也较小。也较小。流体流动状态流体流动状态,：,eR：./3CmkJCCPP，单位体积流体的热容量：，PC，：eR流体的物理性质流体的物理性质 流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况气体气体无相变无相变传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，式等，造成边界层分离，增加湍动，使造成边界层分离，增加湍动，使增大。增大。几种常用的准数名称几种常用的准数名称准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义努

9、塞尔特准数（给热努塞尔特准数（给热准数）准数）NuNu表示对流传热系表示对流传热系数的准数数的准数雷诺准数（流型准数雷诺准数（流型准数）ReRe确定流动状态的确定流动状态的准数准数普兰特准数普兰特准数（物性准数）（物性准数）PrPr表示物性影响的表示物性影响的准数准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数（升力准数）（升力准数）GrGr表示自然对流影表示自然对流影响的准数响的准数llupc223tlg3、对流传热系数准数关联式对流传热系数准数关联式4、流体无相变时的对流传热系数、流体无相变时的对流传热系数对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其粘度小于粘度小于2倍常温水的

10、粘度的流体，可用倍常温水的粘度的流体，可用下式求取给热系数。下式求取给热系数。ndPrRe023.08 .0Nu=0.023Re0.8Prn式中式中n值随热流方向而异，当流体被加热值随热流方向而异，当流体被加热时，时，n0.4；当流体被冷却时，；当流体被冷却时，n0.3。 应用范围：应用范围：Re10000， 0.7 Pr 120， L/di 60 。若若L/di tw）蒸汽放出潜热蒸汽放出潜热在壁面凝成液体在壁面凝成液体膜状液膜状液体和滴状液体体和滴状液体 1、膜状冷凝（可润湿）、膜状冷凝（可润湿）壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，与直接接触壁相比，

11、附加了液膜的热阻与直接接触壁相比，附加了液膜的热阻.因因 液小，所以液小，所以R液大，所以液大，所以Q变小变小.越越厚，传热效果越差。厚，传热效果越差。 2 2、滴状冷凝（不润湿）、滴状冷凝（不润湿） 表面张力表面张力FF液滴液滴长大降落带走下方液滴，壁面长大降落带走下方液滴，壁面重新覆盖。蒸汽与大部分壁面接触，无附加热阻。重新覆盖。蒸汽与大部分壁面接触，无附加热阻。 工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理是按膜状冷凝来处理 膜状冷凝膜状冷凝 滴状冷凝滴状冷凝 (4) 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 冷凝液膜两侧的温

12、度差：冷凝液膜两侧的温度差： 流体物性的影响：流体物性的影响： 不凝性气体的影响不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。形成气膜，表面传热系数大幅度下降。 蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。饱和蒸汽冷凝处理。 蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，流速较大时，且与液膜同向，增大；增大； 流速较大时，且与液膜反向，流速较大时，且与液膜反向

13、， 减小。减小。ttttws均影响、r二、液体的沸腾传热二、液体的沸腾传热 在液体的对流传热过程之中，伴有由液相在液体的对流传热过程之中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程，称为液体沸腾（又称沸腾传热）。的过程，称为液体沸腾（又称沸腾传热）。工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热壁面浸没在无强制对流的液体中，液加热壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为大容积沸腾；另一种是体受热沸腾，称为大容积沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。腾。 沸腾沸

14、腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生，沸腾时，液体内部有气泡产生， 气泡产生和运动情况，对气泡产生和运动情况，对影响极大影响极大。 沸腾分类：沸腾分类： 按设备尺寸和形状不同按设备尺寸和形状不同 池式沸腾（大容积饱和沸腾）；池式沸腾（大容积饱和沸腾）； 强制对流沸腾（有复杂的两相流）。强制对流沸腾（有复杂的两相流）。 按液体主体温度不同按液体主体温度不同 过冷沸腾：过冷沸腾：液体主体温度液体主体温度t ts， 气泡进入液体主体后冷凝气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾：饱和沸腾：tts， 气泡进入液体主体后不会冷凝气泡进入液体主体后不会冷凝。液体主体液体主体 t液体主体液体主体 tts 液体主体液体

15、主体 t ts沸腾过程沸腾过程： 液体传递：加热面时：无气泡产生，热量自然对流stt力进入液体。心上产生，长大后凭浮时：气泡首先在汽化核stt 过热度过热度，汽化核心数，汽化核心数，气泡产生和长大的速度，气泡产生和长大的速度，使沸腾加剧，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数沸腾传热膜系数。自然对流沸腾说明：由于气泡产生，使液体扰动说明：由于气泡产生，使液体扰动 因此：因此：实验条件实验条件: 大容积、饱和沸腾。 2) 大容积饱和沸腾曲线大容积饱和沸腾曲线 曲线获得曲线获得：作图实验，并以t，即过热度）（swttt0.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区不稳定膜状沸腾温度差

16、和表面传热系数关系沸腾温度差和表面传热系数关系t = (tw-ts)/AB段段 ：无相变自然对流，无汽泡产生，无相变自然对流，无汽泡产生， 缓慢增加缓慢增加 BC段段 ：核状沸腾核状沸腾 一方面，临界值临界值：t、q、Q 另一方面，汽膜覆盖另一方面，汽膜覆盖，又使，又使 ； 当两者作用相抵消，出现转折点当两者作用相抵消，出现转折点临界点（临界点（C C点）。点）。 ；，使，汽泡数随t沸腾曲线意义沸腾曲线意义:CD段段 ：核状、膜状共存，膜覆盖为主，：核状、膜状共存，膜覆盖为主，t， ； DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖， t， ；而后辐射作用加强，而后辐射作用加强， t， 。说明：工业上，应严格控制在核状沸腾区说明：工业上，应严格控制在核状沸腾区内操作。内操作。 3) 影响的因素影响的因素,物性：,P压力： 响不同温度差：不同阶段，影加热壁面的影响：加热壁面的影响：粗糙壁面, ，光滑的壁面, ； 被油脂污染的壁面, ，清洁表面, ； 水平管束沸腾传热，上排管 。