对流换热

2. 流体流动的状态 紊流 层流
层流
无流体微团的横向脉动，法线方向为导热
过渡状态----
紊流
有流体微团的横向脉动
3.流体的热物性
导热系数、比热容c、动力粘度、密度
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4.流体有无相变 相变 单相 有相变 壁温高于流体饱和温度，发生汽化沸腾现象 无相变 对流换热系数比有相变时小得多 5.换热壁面的几何因素
6．了解强化对流换热的主要方法及措施。
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电厂中对流换热现现象
烟 气
蒸烟 汽气
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生活中对流换热现现象
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9-1 对流换热概述
自然界普遍存在对流换热，它比导热更复杂。 某些方面研究比较详细，但由于数学上的困难；
使得在工程上可应用的公式大多数还是经验公式 （实验结果）
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4、对流换热的分类
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二、对流换热计算公式----牛顿公式
aAt
tw
Hale Waihona Puke Baidu 1
t
f
t R
A
或q
at
tw
1
t
f
t r
α——比例系数（亦称对流换热系数） ，对流
换热强度的标志 。
即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体 对流体的传热量Φ，与壁面积A成正比，与壁面 和流体间的温度差Δt成正比。
u tf
A
tw
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4、对流换热的分类
按照不同的原因可分为多种类型 按是否有相变分为：有相变的对流
换热（沸腾换热和凝结换热）和无 相变的对流换热。 按流动原因分为：强迫对流换热和 自然对流换热。 按流动状态分为：层流和紊流对流 换热。 按换热面与流体的相对位置分为： 内部流动与外部流动换热。如:管内 或槽内和外掠平板、圆管、管束。
u 0.4m / s
l 1.m1mm
3cm
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局部表面传热系数的变化趋势：
αx
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3、温度（热）边界层
（1）概念：当壁面与流体间有温差时，壁面附 近温度梯度很大的一薄层称为温度边界层（热 边界层）,其厚度用δt表示.
Tw
y 0, w T Tw 0
t — 热边界层厚度
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一、 对流换热的概念和性质
1、热对流：流体中温度不同的各部分间发生宏观 的相对位移时所引起的热量传递现象。是三种基 本传热方式之一。 2、对流换热：是指流体流经固体时流体与固体表 面之间的热量传递现象。 ● 对流换热与热对流不同，对流换热是热对流导热 综合作用的结果；不是基本传热方式 ● 电厂中对流换热实例：
y t , T Tw 0.99 与t 不一定相等
流动边界层与热边界层的状况决定了热量传递过程和
边界层内的温度分布
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（2）温度边界层特点
温度边界层相对壁面尺寸是极小量； 层内温度变化（梯度）很大，层外可认为不变
化； 层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热，
换热较弱，边界层内温度分布呈抛物线型； 紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导
层流
紊流
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（2）流态的判别--雷诺数Re（雷诺准则）
流体的流动状况是由多方面因素决定的,流体物性（粘 度μ和密度ρ等） 、流速u和流道尺寸等都能引起流动 状况改变。通过进一步的分析研究，可以把这些影响
因素组合成一个无因次量---雷诺数来判别。
雷诺准数 的定义
Re
uL
uL
惯性力 粘性力
热，该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区 主要依靠漩涡扰动的混合作用传热，对流换热 较强； 总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用。
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四、影响换热系数的因素
1.流体流动的动力因素 强制 自然
强迫对流
外力迫使流体产生运动，有整齐的宏观运动， 流速是决定因素。
自然对流
流体冷、热部分的密度差产生的浮升力引起，无 整齐的宏观运动，浮升力的大小是决定因素。
本章主要内容
对流换热概述 流体无相变时的对流换热 流体有相变时的对流换热
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本章基本要求
1．掌握热对流和对流换热的概念，了解对流换热过程的 热传递机理。了解边界层的概念及特点。
2．掌握牛顿冷却公式及式中各量含义，其中关键是对流 换热系数α的确定；掌握影响对流换热的主要因素。
3．理解研究稳态无相变对流换热问题时所常用的准则数 及其物理意义。
主流区
uf
uf
y
边界层界限
uf
紊流边界层
层流边界层
x 平板上的流动边界层发展
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层流底层
(2)速度边界层的重要特性
流场可划分为主流区和边界层区，边 界层内才有粘性。
边界层流态分层流和紊流，而紊流边 界层有层流底层。
边界层的厚度与壁的尺寸相比是极小 值，只的几毫米厚。
层内速度梯度很大。
1）各种换热设备管内（或管外）流体与管内壁 间的换热;
2) 设备的散热等。
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换热器中管内（管外）壁与流体间的对流换热
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3、对流换热的特点
(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有 温差 (3) 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处 会形成速度梯度很大的边界层。
换热壁面的形状、大小以及相对于流动方向的位置都会引 起换热系数的变化。 影响对流换热系数的主要因 素可用函数形式表示为：
整个换热面积的对流换热热阻：
R
1
A
单位换热面积的对流换热热阻：r
1
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三、速度边界层和热边界层
1、流体的流态与雷诺数 （1）流态：层流和紊流（湍流） 层流：流速较小，流线相互平行，互不干扰，
流体平行于流道流动。 紊流：流速较大，各流线间相互交错和干扰，
流体各部分运动不规则。 过渡区：由层流至紊流的过渡状态。
4．了解常见的各种无相变对流换热过程（如管内强制对 流换热、管外横向绕流管束时的强制对流换热以及大空 间自然对流换热）的换热特点，会选择正确的准则关系 式进行不同对流换热过程换热量的计算。
5．掌握蒸汽膜状凝结换热的特点及影响因素。掌握大容 器沸腾换热的三个阶段及其特点，理解临界热负荷的工 程指导意义。
临界雷诺数
Rec
uxc
对直管内流动：
Re≤2200
稳定的层流区
2200 < Re < 104 过渡区
Re≥ 104
紊流区
对对纵掠平板：一般取:Rec=5×105
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2、速度边界层
（1）概念：紧邻固体壁面流速发生剧烈变化的薄层。其
厚度δ通常是指由壁面（流速为0）起沿垂直壁面的方
向到主流速度uf的99%处的距离。