《热工与流体力学基础》课件第十三章 对流换热

表明：
t t Φ 1 RW hA
△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/W
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。
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。
• 比定压热容cp
、 cp越大，单位质量携带的热量越多，传热能力越大；
• 动力黏度
越大，黏滞力越大，加大了层流底层的厚度，不利于
对流换热。
影响因素
4.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。 无相变时，流体显热变化实现对流换热。 有相变时，流体吸收或放出潜热，对流换热要剧烈得多。 沸腾换热 凝结换热
一、表面传热系数的一般关联式
流体无相变时对流换热的表面传热系数可表示为
该层温差很 大,热阻也大
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。
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。
Φ hAt
或
: 热流量，W；
A : 换热面积，m2； h : 表面传热系数，W/（m2K）； tf流体平 均温度
h
5～12 12～100
对流换热方式
高压水蒸气强制对流 水沸腾
h
500～3500 600～50000
水自然对流
水强制对流
200～1000
1000～15000
蒸汽膜状凝结
蒸汽珠状凝结
4500～18000
45000～140000
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 。 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。
牛顿冷却公式
表面传热系数h表明了当流体与壁面间的温差为1 K 时，在单位时间内通过单位面积的热流量。 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。
表13-1 表面传热系数h的大致范围 W/（m2K）
对流换热方式
空气自然对流 空气强制对流
2.流体的流动状态及流速的影响
层流 湍流
如空气的流动
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。
同一流态，流体流速增加时，传热速率加快。
影响因素
3.流体的物理性质
• 热导率
RW
A
越大，流体与壁面间的热阻就越小，换热就越强烈； • 密度
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。
管内凝结换热 管外凝结换热
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:
流体在管内湍 流时, 其流动 状况由层流内 层、缓冲层和 湍流主体组成
th
t h
tw1
tw2
t c
Hale Waihona Puke Baidu
tc
• 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。
第十三章
对流换热
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。
• 按流体是否有相变分为
无相变对流换热
对流换热
内部流动 强制对流 无相变 自然对流 对流换热 沸腾换热 有相变 凝结换热 圆管内强制对流换热 非圆管内强制对流换热
流体流过单根圆管的对流换热 外部流动 流体流过圆管束的对流换热 流体流过平板的对流换热 大空间的自然对流换热 有限空间的自然对流换热 大容器的沸腾换热 管内的沸腾换热
• 自然对流
由于流体中各部分的密度不同而引起。
• 强制对流
如水泵驱动空调装 置中的冷媒水
流体的流动由动力机械的作用造成。
流体的热对流总是伴随着导热。
2.对流换热
如空气掠过 房间空调器
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 相变对流换热 凝结换热 沸腾换热
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。
影响因素
5.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果。
热面朝上气流扰动比较 激烈，换热强度大
第二节 流体无相变时的对流换热计算
第一节 对流换热概念及牛顿冷却公式
一、对流换热的概念
1.热对流
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。 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。
热对流
就引起的流动原因而论，对流可分为:
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。