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1、对流换热的分类对流换热的分类第1页/共83页对流换热应用背景介绍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。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第2页/共83页对流传热系数大致数值范围对流传热系数大致数值范围第3页/共83页1.1.对流换热的定义和性质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对流换热是指流体流经固体时
2、流体与固体表面之间的热量传递现象热量传递现象。对流换热实例：对流换热实例：1)1)暖气管道暖气管道;2)2)电子器件电子器件冷却冷却；3)3)电风扇电风扇 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热第4页/共83页(1)(1)流流体体的的宏宏观观运运动动 +微微观观的的导导热热，导导热热与与热热对对流流同同时时存存在在的复杂热传递过程的复杂热传递过程(2)(2)必必须须有有直直接接接接触触（流流体体与与壁壁面面）和和宏宏观观运运动动；也也必必须须有有温差温差(3)(3)由由于于流流体体的的粘粘性性和和受受壁壁面面摩摩擦擦阻阻力力的的影影响响，紧紧贴贴壁
3、壁面面处处会会形形成成速速度度梯梯度度很很大大的的边边界界层层，对对流流换换热热的的机机理理与与通通过过紧紧靠靠换换热热面面的的薄薄膜膜层层的的热热传传导导有有关关2.2.对流换热的特点对流换热的特点第5页/共83页对流传热过程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：对流传热包括以下几部分：在对流传热
4、中将有明显温度梯度的区域（滞流内层和过渡层）称为传热边界层传热边界层。Q Q第6页/共83页对流传热的膜理论模型对流传热的膜理论模型有效膜有效膜：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的流体膜。膜模型膜模型：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。第7页/共83页普朗特速度边界层的概念：普朗特速度边界层的概念：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。
5、Ludwig Prandtl 1875-1953第8页/共83页普朗特速度边界层的概念：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 RecOsborne Reynolds 1842-1912第9页/共83页普朗特速度边界层的概念：普朗特速度边界层的概念：光滑平板：Rec5105光滑圆管：Rec2100 xxc,Rexc,ReRec 湍流层流底层（粘性底层）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。第10页/共83
6、页边界层的特点：边界层的特点：边界层厚度t，与壁面尺寸相比是小量，而t与 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：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：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。第11页/共83页3.3.对流换热的基本计算式牛顿冷却式: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
7、物理量间的内在关系，研究对流换热的任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。的表达式。第12页/共83页4.4.影响对流换热系数 的因素l流体流动的起因流体流动的起因l流体有无相变流体有无相变l流体的流动状态流体的流动状态l换热表面的几何因素换热表面的几何因素l流体的物理性质流体的物理性质第13页/共83页(1)(1)流体流动起因流体流动起因自然对流：自然对流：流体内部冷（温度t1）、热(温度t2)各部分的密度不同所产生的浮升力作用而引起的流动。因t2t1，所以260；2 mPas
8、定性温度：黏度w 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：第26页/共83页（3）短管 l/d 60时，用以上两式计算的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，则较大。（4）弯管 在用以上两式计算的，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，其值较直管的大一些。R弯管的曲率半径第27页/共83页2.2.圆形直管过渡流时的对流传热系数圆形直管过渡流时的对流传热系数 Re=2300-10000时为过渡流，用湍流公式算出后，再乘以校正系数 f。3.3.圆形直管内强制层流时的对流传热系数圆形
9、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Gr 2.5104时，自然对流影响可忽略 应用范围：Re 2.510Gr 2.5104 4时，自然对流影响不能忽时，自然对流影响不能忽略，由上式计算的略，由上式计算的 值应乘以校正系数值应乘以校正系数 第29页/共83页4.4.流体在非圆形管内强制对流时的对流传热系数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；：润湿周边长度 第30页/共83页5
10、.5.平行平板间的对流换热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：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。第31页/共83页6.6.平行平板间的强迫对流换热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
11、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：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。第32页/共83页7.7.对流的抑制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条，它相
12、当于把大空间分成许多小空间，并不真正形成蜂窝结构。其努塞尔数为：式中c1和c2可由纵横比得到。第33页/共83页为了评价采用薄板条抑制对流的效果，将加装板条的Nu与在同样设备上得到的没有板条的公式相比较，只要流体运动没有得到抑制（Nu1），两个Nu数之比就和Ra数无关。当集热器倾斜角为45，只要纵横比小于0.5（即c1=0.12,c2=1.0），加了薄板条就能减小对流损失。第34页/共83页以上介绍了加薄板条抑制对流的情况。如在垂直方向上再加一些薄板条，就可组成正方形或矩形的蜂窝结构。其Nu为：上式适用的范围为：0Ra309090此式也适用于六角形蜂窝结构，只要把D改为当量水力直径即可。第35
13、页/共83页加蜂窝后的Nu数宜保持为1.2。若空气压力为大气压，平均温度Tm范围为280-370K，可从下式求得最佳纵横比：式中 纵横比，D/L；Tm 平均温度，（T1-T2）/2;T1 热面温度；T2 冷面温度；L 壁间距；C（）倾斜角修正系数。第36页/共83页8.V8.V型槽式吸热板型槽式吸热板为了改进太阳能集热器吸收板的辐射性能，建议采用水平方向连续起折形成的V型槽式吸热板，它和某些聚光型集热器形状相似。V型槽结构肯定能改进辐射特性（多次反射，多次吸收可提高吸收率），但至少部分增益会被对流损失的增加而抵消。这种型式的吸热板，Ra数和Nu数的关系为：式中c，n是倾斜角和V型槽的纵横比（平
14、均板间距和V型槽高度之比）的函数。第37页/共83页9.9.风引起的对流换热风引起的对流换热如何计算室外有风情况下的平板热损失，对于太阳能集热器的研究具有重要意思。在Re数为2104-9104范围内：特征长度为平板面积的四倍除以板周长。在0.5m2平板上做的实验结果，对流换热系数为：h=5.7+3.8Vh=5.7+3.8V上式既考虑自然对流又考虑辐射的影响。若只考虑纯自然对流的情况，则：h=2.8+3.0Vh=2.8+3.0V式中V为风速，m/s；h是换热系数，W/(m2）。第38页/共83页（二）流体在管外强制对流传热（二）流体在管外强制对流传热（二）流体在管外强制对流传热（二）流体在管外强
15、制对流传热1.类型垂直流过单管、垂直流过管束（工业上多用）2.管束的排列分为直列、错列，如下图:直列 错列对第一排管子，无论是直列还是错列，流体流动情况都相同。但从第二排开始，流体在错列管束间通过时受到阻拦，使湍动增强，故错列式管束的对流传热系数大于直列式。第39页/共83页流体在管束外垂直流过的对流传热系数为：C、n 由实验确定，其值如下表。使用范围使用范围使用范围使用范围：Re=5103-7 104，x1/d=1.2-5，x2/d=1.2-5特征尺寸特征尺寸特征尺寸特征尺寸：管外径d特征温度特征温度特征温度特征温度：取流体进出口温度的算术平均值 流速u取流动方向上最窄通道处的流速第40页/
16、共83页排数直列错列Cnn10.60.1710.60.171x1/d=1.2-3时C=1+0.2x1/dx1/d3时C=1.3 20.650.1570.60.22830.650.1570.60.29040.650.1570.60.290第41页/共83页 由于上式求出各排的对流传热系数不同，故管束的平均对流传热系数为：hi 各排的对流传热系数，W/（m2 ）Ai 各排传热管的外表面积，m2第42页/共83页（三）大空间自然对流传热（三）大空间自然对流传热（三）大空间自然对流传热（三）大空间自然对流传热特征数关联式为 或 C与n由实验确定，其值如下表。定性温度：膜温，tm=(t w+t)/2Gr
17、中的 t=t w-t t w：壁温 t：流体温度大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内，由于壁面温度与周围流体的温度不同而引起自然对流，并且周围没有阻碍自然对流的物体。例如管路或设备表面与周围大气之间的传热。第43页/共83页壁面形状特征尺寸CN(GrPr)范围水平圆管d0.2m外径d1.090.530.131/51/41/31-104104-109109-1012垂直管或板l1m高度l1.360.590.101/51/41/3104104-109109-1012第44页/共83页7.7.流体有相变时的对流传热（一）蒸气冷凝时的对流传热（一）蒸气冷凝时的对流传热（一）蒸气冷凝时的对流传热
18、（一）蒸气冷凝时的对流传热1 1 1 1、蒸气冷凝方式、蒸气冷凝方式膜状冷凝膜状冷凝膜状冷凝膜状冷凝：冷凝液能够很好的润湿壁面，在壁面上形成一层连续的液膜。液膜在重力作用下沿壁面向下流动，越往下液膜越厚。蒸气在液膜表面冷凝，释放出的热量通过液膜以导热和对流方式传递给壁面。冷凝液润湿壁面的能力主要取决于它的表面张力和它对壁面的附着力两者的关系。若附着力大于表面张力，则会形成膜状冷凝，否则会形成滴状冷凝。第45页/共83页滴状冷凝滴状冷凝滴状冷凝滴状冷凝：冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，沿壁面滚下，互相合并成更大的液滴，露出冷凝壁面，使蒸气能在壁面上冷凝，热阻比膜状冷凝时的小，对流传热系数比膜
19、状冷凝时高5-10倍。到目前为止，尽管人们想了许多办法，但仍难以实现持久性滴状冷凝。故工业用冷凝器中的冷凝过程多为膜状冷凝。第46页/共83页2 2 2 2、蒸气在水平管外膜状冷凝时的对流传热系数、蒸气在水平管外膜状冷凝时的对流传热系数r比汽化热，取饱和温度ts时的数值，J/kg；冷凝液的密度，kg/m3冷凝液的热导率，W/（mK）冷凝液的黏度，Pa st饱和温度t s与壁面温度t w之差，t=ts-t wn水平管束在垂直列上的管子数，单根水平管，n=1。定性温度：膜温，t=（ts+tw）/2特性尺寸：管外径 第47页/共83页3 3 3 3、蒸气在垂直管外（板上）膜状冷凝时的对流、蒸气在垂直
20、管外（板上）膜状冷凝时的对流传热系数传热系数液膜为层流时（Re 1800），此h值为包括层流区域在内的沿整个高度的平均h值特征尺寸：垂直管长或板高定性温度及其余各量同上。第49页/共83页冷凝冷凝h滴状冷凝滴状冷凝 h膜状冷膜状冷凝凝膜状冷凝膜状冷凝滴状冷凝滴状冷凝饱和蒸气冷凝时释放出气化潜热而凝结成液体，冷凝液的 温度与蒸气温度相同。当饱和水蒸气中含有不凝性气体（如空气）时，其h随不凝性 气体含量增大而显著下降。因此用水蒸气加热的设备总附有 排气阀，随时或定期地将积累的不凝性气体排空。过热水蒸气是以其显热传热的，h接近一般气体的值。第50页/共83页冷凝液液膜沿壁面流动的Re的表达式。冷凝液
21、的液膜流动有层流与湍流之分，故在计算时应先假设液膜的流型。求出值后需要计算Re，看是否在所假设的流型范围内。式中 h对流传热系数，W/(m2）；l壁面高度，m;t蒸汽饱和温度ts与壁面温度tw之差，即t=ts-tw，；r 比汽化热，取饱和温度ts下的数值，J/kg；冷凝液的黏度，Pas,为膜温t=(ts+tw)/2下的黏度。第51页/共83页4 4、影响冷凝传热的因素、影响冷凝传热的因素 流体的物性、冷凝壁面尺寸及放置位置、传热温差等都是影响膜状冷凝传热的因素。液膜两侧温差的影响：液膜呈滞流：t冷凝速率h 冷凝液物性的影响：冷凝液的密度越大，黏度越小，则液膜的厚度越小，冷凝传热系数越大不凝性气
22、体的影响：不凝性气体含量冷凝时形成“气膜”h 第52页/共83页蒸气流速和流向的影响：蒸气流速较大时，液膜会被吹离壁面，冷凝传热过程增强蒸气过热影响：对于冷凝而言，温差仍为 t S t W；p r，设备耐压要求越高。传热面的形状与布置 水平管d、壁面粗糙度或有氧化层使h 液膜为膜状冷凝传热的主要热阻，如何减薄液膜液膜为膜状冷凝传热的主要热阻，如何减薄液膜液膜为膜状冷凝传热的主要热阻，如何减薄液膜液膜为膜状冷凝传热的主要热阻，如何减薄液膜厚度，降低热阻，是强化膜状冷凝传热的关键。厚度，降低热阻，是强化膜状冷凝传热的关键。厚度，降低热阻，是强化膜状冷凝传热的关键。厚度，降低热阻，是强化膜状冷凝传热
23、的关键。第53页/共83页（二）液体沸腾时的对流传热（二）液体沸腾时的对流传热（二）液体沸腾时的对流传热（二）液体沸腾时的对流传热q沸腾：容器内液体温度高于饱和温度时，液体汽化而形成气泡的过程。蒸汽锅炉、蒸发器中液体的沸腾汽化都属于沸腾传热过程。q沸腾方式：管内沸腾管内沸腾管内沸腾管内沸腾：当液体在压差作用下，以一定的流速流过加热管，在管内发生沸腾；大容器饱和沸腾（池内沸腾）大容器饱和沸腾（池内沸腾）大容器饱和沸腾（池内沸腾）大容器饱和沸腾（池内沸腾）：加热面沉浸在无强制对流的液体内部而引起的沸腾传热过程。第54页/共83页1.1.大容器饱和沸腾现象q液体加热沸腾的特征液体加热沸腾的特征液体加
24、热沸腾的特征液体加热沸腾的特征：液体内部的加热壁面上不断有气泡生成、长大、脱离和浮升到液体表面。液体在壁面附近加热，产生气泡，气泡逐渐长大，脱离表面，自由上浮，远处温度较低的液体不断流向加热面，属于自然对流；同时气泡的运动导致液体扰动，两者加和是一种很强的对流传热过程。第55页/共83页2.2.沸腾曲线：ABABABAB段，自然对流区段，自然对流区 加热壁面的过热度t较 小，只有少量汽化核心，气泡少，长大速度较慢，不能脱离壁面，因而看 不到沸腾现象，热量依 靠自然对流由壁面传递 到液体主体，蒸发在液 体自由表面进行,h随 t的增大略有增大。t常压下水沸腾时常压下水沸腾时h与与t 的关系的关系
25、自然对流 核状沸腾 膜状沸腾ABCD第56页/共83页：BCBCBCBC段段，核状沸腾区核状沸腾区 随着加热壁面的过热度t不断加大，汽化核心数多,气泡生成速度、成长速度及浮升速度都加快，气泡的产生、长大、脱离、上升，剧烈的扰动了液体，起到了搅拌的作用，使h随t的增大而迅速增大。t常压下水沸腾时常压下水沸腾时h与与t 的关系的关系 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾ABCD第57页/共83页 ：CDCDCDCD段段 膜状沸腾膜状沸腾区区 随着t继续增大，汽化核心数目，气泡产生速度大于脱离的速度，形成一层气膜，覆盖在加热壁面上，使液体不能与加热壁面接触。由于气膜热阻大，使h急剧下降到D点。D点以后，t再
26、增大，加热壁面温度tw进一步增高，壁面全部被气膜覆盖，壁面的热量除了通过导热与膜内蒸汽的对流传给液体之外，辐射的传热量急剧增大，使点D以后的沸腾传热的h进一步增大。t常压下水沸腾时常压下水沸腾时h与与t 的关系的关系 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾ABCDC C C C点：临界点，核状点：临界点，核状膜状膜状 tc：临界温度差，一般控制ttc 第58页/共83页沸腾沸腾温度差小温度差小形成气泡核心形成气泡核心泡核沸腾泡核沸腾强烈泡核沸腾强烈泡核沸腾膜状沸腾膜状沸腾h泡核沸腾泡核沸腾h膜状沸腾膜状沸腾第59页/共83页3.3.影响沸腾传热的因素液体物性：冷凝液的热导率，密度，黏度，表面张力，沸腾传
27、热速率温度差：（见沸腾曲线）操作压力：pts，h加热面状况：新的或清洁的壁面，h较大。壁面越粗糙，汽化核心越多，越有利于沸腾传热。第60页/共83页六、选用对流传热系数关联式的注意事项针对所要解决的传热问题的类型，选择适当的关联式；要注意关联式的应用范围、特性尺寸的选择和定性温度的确定；应注意正确使用各物理量的单位，各特征数的量纲为一；对于纯经验公式，必须使用公式所要求的单位；应注意学会分析关联式中各物理量对h的影响，其影响大小可以通过指数的大小来判断；h的大致范围参考下表。第61页/共83页传热类型传热类型空气自然对流5-25水蒸气冷凝5000-15000空气强制对流30-300有机蒸汽冷凝
28、500-3000水自然对流200-1000水沸腾1500-30000水强制对流1000-8000有机物沸腾500-15000有机液体强制对流500-1500第62页/共83页七、换热器的分类：按用途分类 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器按冷、热流体的传热方式分类两流体直接接触式换热器蓄热式换热器间壁式换热器第63页/共83页1、夹套式换热器第64页/共83页2、蛇管换热器第65页/共83页3、喷淋式换热器第66页/共83页4、套管式换热器第67页/共83页5、螺旋板式换热器第68页/共83页6、优点优点：总传热系数高，结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目
29、以增减传热面积或以调节流道的办法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求；加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。缺点缺点：允许操作压力较低，处理量不大；操作温度不能太高；因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。第69页/共83页第70页/共83页第71页/共83页7、板翅式换热器第72页/共83页8、热管式换热器常用于高温气体向低温气体传递热量常用于高温气体向低温气体传递热量第73页/共83页9、第74页/共83页第75页/共83页浮头式和浮头式和U形管式可以在一定程度形管式可以在一定程度上消除热应力。上消除热应力。第76页/共83页U型管式第77页/共83页八、传热过程的强化八、传热过程的强化
30、1 1、目的、目的采取措施提高单位面积的传热量Q/A，或减小单位热负荷所需的传热面积A/Q改进换热器结构以增大单位体积的传热面积A/V，或在Q/A一定的条件下减小两流体之间温度差tm第78页/共83页2 2、增大传热平均温度差、增大传热平均温度差tm 流体的温度一般由生产工艺条件所决定，不能随意变动；两侧流体为变温传热，从设备结构上尽可能保证逆流或接近逆流操作。以增大tm强化传热有一定的限度。第79页/共83页3、增大单位体积的传热面积、增大单位体积的传热面积A/V采用新型的高效强化传热面，可以扩展传热面积，并且能增强传热面附近的流体的湍动程度。4、增大总传热系数、增大总传热系数K强化传热的最有效途径；要K值，必须金属壁、污垢及两侧流体等热阻中较大者的热阻第80页/共83页提高无相变流体的提高无相变流体的 值的主要措施值的主要措施：增大流体流速u u湍动程度 层流底层厚度 u p u的增大受到一定限制。管内插入旋流元件 金属螺旋圈、麻花铁、扭带等 湍动程度，第81页/共83页改变传热面形状和增加粗糙度 把加热面加工成波纹状、螺旋槽状、纵槽状、翅片状等，或挤压成皱纹、小凸起，或烧结一层多孔金属层，增加粗糙程度，以增大值。第82页/共83页感谢您的观看！第83页/共83页