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热 工 学 基础

热 工 学 基础. 第二部分 单元 7 对流换热. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式┄┄┄┄┄┄┄（ 5 ）. 7.1.1 对流换热的概念┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（ 5 ）. 单元 7 对流换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（ 4 ）. 7.1.2 对流换热的机理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（ 7 ）. 7.1.3 牛顿冷却公式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（ 11 ）. 7.1.4 影响对流换热系数的主要因素┄┄┄┄┄（ 13 ）. 7.2 对流换热计算概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（ 18 ）.

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  1. 热工学基础 第二部分 单元7 对流换热

  2. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式┄┄┄┄┄┄┄（5） 7.1.1 对流换热的概念┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5） 单元7 对流换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（4） 7.1.2 对流换热的机理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（7） 7.1.3 牛顿冷却公式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（11） 7.1.4 影响对流换热系数的主要因素┄┄┄┄┄（13） 7.2 对流换热计算概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（18） 7.2.1 对流换热准则数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（19） 7.2.2 准则数之间的关系┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（23） 7.2.3 定性温度与特征尺寸┄┄┄┄┄┄┄┄┄（25） 7.2.4 换热计算的一般步骤┄┄┄┄┄┄┄┄┄（28） 7.3 单相流体对流换热计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（29） 7.3.1 管内流体强制对流换热计算┄┄┄┄┄┄（29） 7.3.2 管外流体强制对流换热计算┄┄┄┄┄┄（36） 单元7 对流换热

  3. 7.3.3 自然对流换热的计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄（43） 7.4 沸腾换热与凝结换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（51） 7.4.1 沸腾换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（51） 7.4.2 凝结换热┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（64） 7.4.3 热管技术┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（72） 单元7 对流换热

  4. 单元7 对流换热 • 【知识点】 • 牛顿冷却公式，强制对流换热，自然对流换热，凝结换热，沸腾换热。 • 【能力目标】 • 掌握：各种对流换热的基本概念。 • 理解：强制对流换热和自然对流换热及其特征。 • 熟悉：各公式的适用范围以及各种相关参数的合理选 择。 • 应用：能应用相关概念和公式进行对流换热分析和计 算。

  5. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • 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。在这一过程中，不仅有离壁面较远处流体的对流作用，同时还有紧贴壁面薄层流体的导热作用。因此，对流换热实际上是一种由热对流和导热共同作用的复合换热形式。 • 对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对流换热；按流体是否有相变分为相变对流换热和无相变对流换热；相变对流换热又分为凝结换热和沸腾换热。可以把对流换热分成以下几类，如图7.1所示： 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 7.1.1 对流换热的概念

  6. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 图7.1 对流换热分类

  7. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • 流体的流动状态可以分为两种类型：一种是流体质点始终沿流向作直线运动，质点和流层间彼此不掺混，这种流动状态称为层流；另一种是流体质点不仅有沿流向的运动，还有垂直于流向的运动，流层间相互掺混，这种流动状态称为紊流。在紊流中，由于流体的质点相互掺混，碰撞更为强烈，因此对流换热效果会更强。 • 当具有粘性的流体流过壁面时，就会在壁面上产生粘滞力。粘滞力阻碍了流体的运动，使靠近壁面流体的速度降低，使直接贴附于壁面的流体近于停滞不动，流体速度u=0。一般地，把从紧贴壁面速度u=0至速度等于来流速度u=u∞之间的流体薄层称为流体的速度边界层。边界层的厚度一般很小，如图7.2所示。 7.1.2 对流换热的机理

  8. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • 以流体在管内流动为例，流体的流动状态在沿流向x轴方向和与流向垂直的y轴方向都有变化。如图7.3所示。 图7.2 速度边界层 图7.3流体的流态

  9. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • （1）流体在流动方向x上的流态变化 • 在流体入口处，粘滞力起主导作用，速度梯度相当大，流体呈现层流状态，形成层流段。流体继续流动，层流边界点开始逐渐偏离壁面，向y方向移动。当流体到达一定距离时，流体的惯性力逐渐强于流体的粘滞力，使边界层内的流动变得不稳定起来，流态朝着紊流方向过渡，形成过渡段。随着流动的距离继续增加，流体呈现旺盛紊流状态，形成紊流段。 • （2）紊流段中流体在y方向上的流态变化 • 由于紧贴壁面处的粘滞力仍起主导作用，致使贴附于壁面的极薄层的流体仍保持层流的状态，这一薄层流体称为层流底层。底层之上即为紊流层。

  10. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • 当流体在壁面上流动时，其紧贴壁面的极薄的层流底层相对于壁面几乎是不流动的。壁面与流体间的热量传递必须通过这个层流底层，热量传递的方式只能是导热这种方式，因此对流换热量实际上就等于层流底层的导热量。在层流段，沿壁面法线方向上的热量传递主要依靠导热作用；在紊流段，层流底层内的热量传递方式仍然是导热，这是紊流段主要的热阻；但在层流底层以外，对流的作用仍然占主导作用。因此，对流换热实际上是依靠层流底层的导热和层流底层以外的对流共同作用的结果。对流换热的热阻主要集中在流体的层流内层内，因此减薄层流内层的厚度是强化对流换热的主要途径。

  11. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 7.1.3 牛顿冷却公式

  12. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式

  13. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • 如前所述，对流换热是对流和导热共同作用的结果，那么所有支配这两种作用的因素，诸如流动的起因、流动状态、流体物性、物相变化、壁面的几何参数、管路的振动等等，都会影响对流换热系数α。 • （1）流体流动的起因 • 流体在壁面上流动的原因有两种：一种是自然对流，另一种是强制对流。一般地说，强制对流的流速较自然对流高，因而对流换热系数也高。例如空气自然对流换热系数约为5～25 W/（m2·℃），强制对流换热系数可达10～100 W/（m2·℃）；再如受风力影响，房屋墙壁外表面的对流换热系数比内表面高出一倍以上。 7.1.4 影响对流换热系数的主要因素

  14. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • （2）流体的流态 • 流体的流动存在着两种不同形式的流态，即层流和紊流。层流时，流体沿壁面法线方向的热量传递主要依靠导热，故对流换热系数的大小取决于流体的导热系数。紊流时，紊流核心的热阻较小，对流换热系数的大小主要取决于层流底层的热阻。因此，要强化对流换热效果，应该在一定程度上提高流体的流速，这样可以使流体的流态由层流变为紊流，减小层流底层的厚度，提高表面传热系数。 • （3）流体的物理性质 • 流体的物理性质如密度ρ、动力粘度ν、导热系数λ以及定压比热容cp等，对对流换热有很大的影响。流体的导热系数越大，流体与壁面之间的热阻就越小，换热就越强烈；

  15. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • 流体的比定压热容和密度越大，单位质量携带的热量就越多，传递热量的能力就越强；流体的粘度越大，粘滞力就越大，这就阻碍了流体的流动，加大了层流边界层的厚度，不利于对流换热。 • （4）流体的相变 • 流体是否发生了相变，对对流换热的影响很大。流体不发生相变的对流换热，是由流体显热的变化来实现的。而对流换热有相变时，流体吸收或放出汽化潜热。对于同种流体，潜热换热要比显热换热剧烈得多。因此，有相变时的对流换热系数要比无相变时的大。另外，沸腾时液体中气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。

  16. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • （5）换热表面的几何因素 • 几何因素是指换热表面的形状、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效果。如图7.4（a）所示，流体在管内强制流动与管外强制流动，由于换热表面不同，流体流动产生的边界层也不同，其换热规律和对流换热系数也不相同。在自然对流中，流体的流动与换热表面之间的相对位置，对对流换热的影响较大，图7.4（b）所示的平板表面加热空气自然对流时，热面朝上气流扰动比较激烈，换热强度大；热面朝下时流动比较平静，换热强度较小。

  17. 7.1 对流换热的概念及牛顿冷却公式 • （6）管路的振动 • 当换热介质流经换热器管路时，会或多或少地引起管路的振动，尤其是蒸汽介质，会使振动更加明显。以前人们只认识到振动对于管路使用寿命的负面影响，近来有的科学家发现，振动实际上也是对流换热过程中一种能量转换与转移的方式，振动本身加强了换热介质的扰动，增强了换热效果；另外振动也减弱了污垢在管壁处的积累，减小了热阻。 图7.4换热表面几何因素对对流的影响 (a)强迫对流；(b)自然对流

  18. 7.2 对流换热计算概述 • 前边我们学过的对流换热牛顿冷却公式：Q=AαΔt，虽然揭示了对流换热量与温差、换热面积以及对流换热系数之间的关系，但是并不能应用此公式去解决实际的换热问题。因为公式中的对流换热系数α与换热过程中的许多因素有关，进行对流换热计算的主要任务，就是确定对流换热系数α。研究的方法大致有以下四种：分析法、实验法、比拟法、数值法。由于对流换热过程十分复杂，不管依靠哪种方法来求得对流换热系数都是非常困难的。考虑到高职学生的需要，在这里我们并不打算详细介绍各计算公式的由来及推导，只是介绍计算对流换热系数的一般方法以及公式的选择及应用。 7.2 对流换热计算概述

  19. 7.2 对流换热计算概述 7.2.1 对流换热准则数

  20. 7.2 对流换热计算概述

  21. 7.2 对流换热计算概述

  22. 7.2 对流换热计算概述

  23. 7.2 对流换热计算概述 7.2.2 准则数之间的关系

  24. 7.2 对流换热计算概述

  25. 7.2 对流换热计算概述 • （1）定性温度 • 在使用上述公式计算准则数时，往往要用到流体的物性参数，比如流体的密度ρ、运动粘度ν等，这些参数的大小一般都与温度有关，而在工程计算中，同一计算流体各部分的温度是不一样的，比如油水换热器进口和出口的水温是不一样的。因此大多数基于试验分析的经验公式都给出了一个决定公式中其他物理参数的温度，这个温度就叫做定性温度。其他随温度变化的物理参数的取值，应该由定性温度决定。 7.2.3 定性温度与特征尺寸

  26. 7.2 对流换热计算概述

  27. 7.2 对流换热计算概述 • （2）特征尺寸 • 参与对流换热的换热表面几何尺寸往往有几个，准则数公式中所用的尺寸参数，一般是实验中发现其中对换热有显著影响的几何尺寸，称为特征尺寸。如流体在圆形管内对流换热时，特征尺寸一般为管内径，而在非圆形管内对流换热时，则常用当量直径作为特征尺寸。在使用准则数公式时，要按准则公式的要求来确定。具体应用情况如下： • ① 流体在圆管内流动时，取管内径作为特征尺寸。 • ② 流体在非圆管道内流动时，如椭圆管道、矩形管道等，取当量直径de作为特征尺寸，即 (7.12)

  28. 7.2 对流换热计算概述 7.2.4 换热计算的一般步骤

  29. 7.3 单相流体对流换热计算 • 7.3.1.1 管内强制流动换热量计算公式的选用 • 管内流体与管壁之间的对流换热系数α受多种因素的影响，比如流体的流态、流体与壁面的温差、流体的粘度等，要通过努谢尔数Nu求出对流换热系数α ,就必须根据适用范围选择出正确计算Nu的公式。表7.1列出了管内强制流动努谢尔数Nu的计算公式。 7.3 单相流体对流换热计算 7.3.1 管内流体强制对流换热计算

  30. 7.3 单相流体对流换热计算 表7.1 管内强制流动努谢尔数Nμ的计算公式

  31. 7.3 单相流体对流换热计算 续表 7.1

  32. 7.3 单相流体对流换热计算 续表 7.1

  33. 7.3 单相流体对流换热计算 • 7.3.1.2 表面传热系数的修正

  34. 7.3 单相流体对流换热计算

  35. 7.3 单相流体对流换热计算 • 7.3.1.3 对流换热系数的求解步骤 • ① 先由已知条件计算Re，再根据Re值判断管内流态； • ② 根据管内流态（层流、紊流或过渡流）和适宜范围，选用相应的实用计算式，并注意特征尺寸和定性温度的确定； • ③ 由已知条件计算或选取有关修正系数； • ④ 由实用计算式计算Nu； • ⑤ 由Nu值求得对流换热系数α。 • 【例7.1】水流进长度为L=5 m的直管，从t′f＝25℃被加热到t″f＝35℃。管内径d=20 mm，水在管内的流速为2 m/s。求平均对流换热系数α。

  36. 7.3 单相流体对流换热计算 • 7.3.2.1 流体强制横向流过单管的换热量计算 7.3.2 管外流体强制对流换热计算 图图7.5 流体横向流过单管 表7.2

  37. 7.3 单相流体对流换热计算 • 【例7.2】已知管外径d＝20 mm，水温tf＝20℃，管壁温tw＝30℃，水流速u=0.5 m/s。试求冷却水横向流过单管时的对流换热系数。 表2-2 流体横掠单管计算式中的C，n值

  38. 7.3 单相流体对流换热计算 • 7.3.2.2 流体强制横向流过管束 • 在实际工程中，流体往往不是掠过单管，而是流过由许多管子组成的管束，例如在管式换热设备中，管外流体一般从垂直于管轴心的方向冲刷管束。管束排列方式很多，但以图7.6所示的顺排与叉排两种最为普遍。从图7.6中可以看出，顺排时流体的流道相对平直，而且当流速较低或管间距较小时，易在管的尾部形成滞流区。叉排时流体的流道是交替收缩和扩张的，流体扰动性较好，只要管的间距设计合理，其换热就比顺排强烈，但流体的阻力损失大于顺排。 • 影响对流换热系数的因素除了排列方式之外，还有管子排数、管径以及管子间距等。流体强制横向流过管束的各种实用计算式见表7.3。

  39. 7.3 单相流体对流换热计算 图7.6流体在圆管束间的流动状态 (a)顺排；(b)叉排表 见图7.6

  40. 7.3 单相流体对流换热计算 表7.3流体强制横向流过管束的换热计算式

  41. 7.3 单相流体对流换热计算

  42. 7.3 单相流体对流换热计算

  43. 7.3 单相流体对流换热计算 • 流体自然对流换热是指流体与固体壁面相接触，由于两者温度不同，靠近壁面的流体受壁面温度的影响，造成流体温度和密度的改变，流体主体与固体壁面附近的流体间因存在密度的差异而形成浮力，结果导致固体壁面附近的流体上升（或下降）和流体主体的流体下降（或上升）的自然对流。因此，流体与壁面之间的温度差是流体产生自然对流的根本原因。 • 空间自然对流换热主要分为两种类型：一类是流体在较大空间中自然对流，因为空间大，自然对流不受干扰，称为大空间的自然对流换热，如室内暖气片与室内空气的换热；另一类是流体在封闭狭小空间内自然对流，冷热流体相互干扰，称为有限空间的自然对流换热，如双层玻璃窗之间空气的对流换热等。 7.3.3 自然对流换热的计算

  44. 7.3 单相流体对流换热计算 • 7.3.3.1 大空间自然对流换热的计算 表7.6

  45. 7.3 单相流体对流换热计算 表7.6 大空间自然对流换热方程式中的c、n值

  46. 7.3 单相流体对流换热计算 续表7.6

  47. 7.3 单相流体对流换热计算 • 7.3.3.2 有限空间自然对流换热的计算 • 有限空间的自然对流换热是指在封闭的夹层内由高温壁到低温壁的换热过程，且其换热过程是热壁和冷壁两个自然对流过程的组合。封闭夹层的几何位置可分垂直、水平等情况，如图7.7所示。 图7.7有限空间自然对流换热

  48. 7.3 单相流体对流换热计算

  49. 7.3 单相流体对流换热计算 表7.7 有限空间的自然对流换热Nu的计算式

  50. 7.3 单相流体对流换热计算 • 【例7.5】冷、热两个竖直壁面之间夹层的厚度为25mm，高度为500mm，热壁面的温度为15℃，冷壁面的温度为－15℃，求夹层之间空气单位面积的传热量。 续表7.7

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