第9章 单相对流换热
合集下载
传热学(第9章--对流换热)
— —
横向节距 纵向节距
23
9-3 流体有相变时的对流换热
一、凝结换热
1.特点：
——蒸汽和低于饱和温度的冷壁面相接触时会发 生凝结换热，放出凝结潜热。（如电厂中：凝汽 器和回热加热器内，管外蒸汽与管外壁的换热）
➢两种凝结方式：根据凝结液体依附在壁面上的形
态不同分.
tw ts
1）膜状凝结：凝结液体能润湿壁面，
腾换热设备安全经济的工作区为泡态沸腾区。
34
炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化
35
各种对流换热比较
液体对流换热比气体强；
对同一种流体，强制对流换热比自然对流换热强；
紊流换热比层流换热强；横向冲刷比纵向冲刷强；
有相变的对流换热比无相变换热强。
表9-5 各种对流换热平均换热系数的大致范围
换热系数 α[w/(m2.K)]
二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改 性处理，能在实验室条件下实现连续的珠状凝结，但在工 业换热器上应用，尚待时日。
26
2.影响蒸汽膜状凝结换热的因素：
（1）蒸汽中含有不凝结气体的影响 ➢ 蒸汽中含有不凝结气体（如空气）时，即使含量极微，
也会对凝结换热产生十分有害的影响。不凝结气体将会在 液膜外侧聚集而形成一层气膜，使热阻大大增加，从而恶 化传热。
21
（1）管束排列方式的影响
s1
s1
s2
顺排
s2
叉排
叉排：换热系数大，但流动阻力大. 顺排：换热系数小，但流动阻力小.
22
s1
s1
s2
s2
顺排
叉排
（2）流动方向上管排数的影响
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均换热系 数的影响直到20排以上的管子才能消失。
对流换热
du
物理量
cp 表明流体的某些物理性质对传热的影响。 gl 3 2 t 表明因受热引起的自然对流对传热的影响。 2 h—传热膜系数；—导热系数； l—传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)； Cp—流体的比定压热容；—流体的膨胀系数。
Nu K Rea Pr b Gr c
应用条件： 特征尺寸l：管内径d 应用范围：Re＞104；0.7＜Pr＜16700；l/d>60； μ＜2 mPa· s 定性温度：黏度μw 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： ( w )0.14 1.05 冷却时： ( w )0.14 0.95
1 2g 2 gt
强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头） 作用所产生的流动
h强制 h 自然
如空气自然对流的h值约为5-25 W/(m2· ℃)，而强制对流的h值可达 10-250 W/(m2· ℃)。
(2) 流动状态
当流体为湍流流动时，湍流主体中流体质点呈混杂运动，热量传 递充分，且随着Re增大，靠近固体壁面的有效层流膜厚度变薄， 提高传热速率，即h增大，当流体为层流流动时，流体中无混杂 的质点运动，所以其h值较湍流时的小。
3 2
2
)c
对流传热中的特征数
特征数
Nusselt number
Reynolds number Prandtl number Grashoff number 特征数形式
特征数的物理意义
h
l
表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导 热系数与换热器壁几何尺寸的作用。
确定传热时流体的流动形态，并表明对换热 的影响。
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。
强化单相对流换热的一般理论指导原则
强化单相对流换热的一般理论指导原则单相对流换热是一种对物体进行热力学分析时非常重要的技术。
它通常用于分析过程换热和机械性能等方面，以确定材料各种特性。
由于其广泛的应用，人们研究和开发了一些换热增加效率的方法，称为强化单相对流换热。
强化单相对流换热涉及到多种技术，包括热交换器的设计，有效利用表面的孔隙或增加表面蒸发或蒸发反应，使用吹送气体，改变温度差大小，使用低热传导材料，采用混合气体，改变流体动力学条件和改变传热系数大小等。
在这些技术的基础上，人们已经形成了一些对于强化单相对流换热技术发展的总体指导原则。
首先，在强化换热过程中，需要考虑到物理热传导和热传递过程，因此在选择和设计热交换器时，应选择具有足够固体热传导能力的材料，可以有效地实现换热。
如果选择了低热传导性材料，则不利于提高换热效率。
其次，不同换热器的使用也会影响换热效率。
选择不同的换热器类型有助于提高换热效率，例如，流体的流动强化的管壳反应换热器可以有效地提高换热效率。
第三，流体的动力学条件也是影响换热效率的一个重要因素。
例如，在改变流速时，可以调节换热效率，降低流速可以降低换热效率，增加流速可以提高换热效率。
第四，热传递表面也是影响换热效率的一个重要因素。
改变表面结构，增加表面的孔道或增加表面的蒸发或蒸发反应等，都可以提高换热效率。
第五，碳氢化物的浓度也会影响换热效率，过高或过低的浓度都会降低换热效率。
最后，温差是影响换热效率的重要因素。
温差越大，换热效率越高，温差越小，换热效率越低。
以上是强化单相对流换热的一般理论指导原则，借此可以有效地提高换热效率。
希望这些指导原则对于技术研究和工程应用会有所帮助。
斜微肋扁管单相对流换热实验研究
并根 据 工 程 实 际 需要 ， 用 适 当 的方 法 对 斜 微 肋 扁 管 在 实 验 范 围 内 的强 化 换 热 效 率 指 标 进 行 评 价 ， 定 选 确
了斜 微 肋 扁 管 的 最 佳 工 作 区域 。结 果 表 明 ： 微 肋 扁 管 的 管 内 换 热 系数 明显 高 于 光 管 ， 热 系 数 最 高 可 斜 换
达光 管 的 ５ ９倍 ， 换 热 面 积 和 泵功 率 相 同 的情 况 下 ， 微 肋 扁 管 最 佳 工 作 区域 的平 均 换 热 量 均 可 达 光 ． 在 斜
管 的 ３ 以上 。 倍
关键 词 ： 斜微 肋扁 管 ； 相 对 流 ； 化换 热 单 强 中 图 分 类号 ： ＴＬ３ ３ 文献标志码 ： Ａ 文章 编 号 ： ０ ０６ ３ （ ０ １ ０ — １ ４Ｏ １ ０ — ９ １ ２ １ ） ２０ ７ 一 ５
范广铭， 孙中宁， 盟 王
（ 尔 滨 工程 大 学 核 科 学 与技 术 学 院 ， 龙 江 哈尔 滨 哈 黑 １０ ０ ） ５ ０ １
摘 要 ： 单 相 水 为介 质 ， 以 对肋 高 或结 构 尺 寸 不 同 的 ４ 斜 微 肋 扁 管 的 换 热 与 阻 力 特 性 进 行 了 实 验 研 究 ， 种
ｗｏ ｋｉ ｇ ｒ ｇ ｏ ｓ ｄ ｔ ｒ ｉ ｅ ． Ｔｈｅ ｅ ｕ ｔ ｉ ｄ ｃ ｔ ｈ ｔ ｉ ｃ ｉ ｅ ｃ ｏ ｆｎ ｆａ ｔ ｂｅ ｒ ｎ ｅ ｉ ｎ ｗａ ｅ ｅ ｍ ｎ ｄ ｒ ｓ ｌｓ ｎ ｉ ａ ｅ ｔ ａ ｎ ｌｎ ｄ ｍｉｒ —ｉ ｌ ｔ ｕ ｓ
第４ 卷第 ２ ５ 期
２ １年２ ０１ 月
原
子
能
科
学
技
术
Ｖ ｏ１ ４ ． ５， Ｎｏ． ２Ｅｎｅ ｇｙ Ｓｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈｎｏ ｏ ｙ ｒ ｉｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｌｇ
对流换热
紊流 层流
紊流流动极为普遍：麦浪滚滚，旗帜在微风中轻轻飘扬。
3.流体有无相变： 相变 单相 单相换热：（single phase heat transfer） 相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等 (Phase change) (condensation) (boiling) 4.换热表面的几何因素：
对流换热
一、对流换热
1、概念： 流体流过固体壁面时所发生的热量传递过程。
y
tf u
u
q
tw
x
•实例：暖气片，吹风扇，电子元件冷却，热风炉。
2、机理： 包含着热传导和热对流两个串连的基本换热过程
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）必须有流体和壁面的直接接触和宏观运动； 也必须有温差 （3）由于流体的黏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流动边界层 （4）紧贴壁面处同时形成温度梯度很大的热边界层
强制对流
圆管内强制对流换热 内部流动
其他形状管道对流换热 外掠平板的对流换热
外掠单根圆管的对流换热
对 流 换 热
无 相 变
外部流动 大空间 自然对流 混合对流 大空间沸腾
外掠圆管管束的对流换热 外掠其他截面柱体的换热 射流冲击换热
有限空间
有 相 变
沸腾换热 凝结换热
管内沸腾 管内凝结 管外凝结
4、牛顿冷却公式
对流换热量的基本计算公式
Q F t
w
W/m2
q t
t = t w t f
热流量Q和热流密度q总取正值 ，因此对流换热温差总取正值。
t Q 1 F
对流换热的热阻为1/ F ，单位为K/W。 单位面积对流换热热阻为 1 ，单位为(m2· K/W)。
多孔介质中单相对流换热分析的流体渗流模式_王补宣
加而线性地增大, 如图 1 所示[6]. 但当 uD 提高到某个
临界值, 再提高, 床高增大而导致空隙率 Ε增加, 床
层将由静止的“固定床”转向颗粒浮游的“流化床”,
∃p 则下降到新的平衡值, 如图 2 中 CD 线所示. 图
中, B 点高于 CD 线, 是由于调整颗粒浮动以克服原
先相接触的颗粒与颗粒间的摩擦力; CD 线代表的
O n the M ode lling of F luid F low in P o rous M e d ia
W A N G B u 2x uan In st. fo r T herm a l Sci. & Eng. , T singhua U n iv. , B eijing 100084, Ch ina
C p = 5. 6Ε- 5. 5 R ep
(11)
由式 (6) , 也不难得到数据综合的表达式为
Cp = f (R ep )
(12)
并从式 (6) 直接看出, 在达西定律适用范围内, 不受
惯 性 影 响, 于 是, 对 给 定 的 多 孔 介 质 和 流 体,
(K
Ε) 1
2 可作为空隙结构的特征尺寸,
(K
L
Ε) 1
2
和
d L
p
也都将是常量, dp
L
L
(K Ε) 1 2
2
可被表示为孔隙率Ε
图 3 Cp～ R ep 的标绘 F ig. 3 Co rrela tion of flow resistance coefficien t
小, 式 (9) 中 F 越小. 可从实验数据资料整理成D a
(bK dp
R
ep
)～
强化单相对流换热技术研究进展
强化单相对流换热技术研究进展近年来，由于能源短缺和环境保护的压力日益增大，对于能源的有效利用和节约成为了热工研究的热点问题之一、在众多能源利用技术中，热传递技术被广泛应用于工业生产、建筑空调、核电站等领域。
在传统的热交换器中，由于传热管路的相对布局折流和换向导致压力损失，降低了传热效果，同时也增加了制造难度和成本。
为了克服这些问题，强化单相对流换热技术应运而生。
首先，在强化单相对流换热技术的研究方面，研究人员通过改变管道的布置形式来改善传热效果。
例如采用错位排列的螺旋通道结构，可以实现流体在管内的旋转，增加流体表面与管壁的接触面积，从而提高传热效果。
此外，还有一种多流路对流换热器，即将传热液体分流至多个平行流通的通道中，在保证流体流速的情况下，进一步增加了流体与管壁的接触面积，提高了传热效率。
其次，在传热性能的提升方面，研究人员还通过改变流体的流动状态来实现。
相比于传统的强制对流方式，自然对流方式具有低压降、低噪声、节能等优点。
通过改变流体与换热器之间的传热方式，如采用导热油和高分子溶液等媒体代替水，可以在保证换热效果的同时，减小流体的流动阻力，提高传热效率。
第三，研究人员还通过改变换热器的几何结构来优化传热性能。
如采用微小尺寸管道或将管道加工为波纹状，可以增加单位面积内的传热面积，从而提高传热效果。
此外，还可以通过优化流体入口和出口的设计，增加流体的流速，提高传热效果。
最后，在辅助技术方面，研究人员还通过加强换热器与其他设备的配合，进一步提高传热效率。
例如在核电站中，可以通过将换热器与核反应堆或蓄热器等设备结合，实现余热的回收利用；在工业生产中，可以通过连续换热技术，使废热在多个换热器之间传递，提高能量的利用率。
总之，强化单相对流换热技术在传热领域具有广阔的应用前景。
通过改变传热器的结构和流体的流动方式，可以大幅度提高传热效率。
目前，国内外学者们还在深入探索和实验中，以更高效、更节能的强化单相对流换热技术为目标，为相关领域的发展做出更大的贡献。
单相流体对流传热共29页
66、节制使快乐增加并使享再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
单相流体对流传热
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
n10
17
9.5 管内对流换热计算
9.5.1 管内流动和换热的基本概念
管内速度分布： 截面速度分布，速度剖面 ，流动入口段，充分发展段 管内流动状态：
Re
um d
18
管流的临界雷诺数，记作Rec 。 层流的速度剖面是一个二次抛物线，而湍流速度剖面一 般可以近似表示为1/7次幂抛物线 qV 1 2 r0 um u ( r , x) dA 2 u ( r , x) r dr Ac Ac r0 0 Ac
5
把整个流场划分成两个区域： 紧贴壁面的薄层区域为边界层区。这里的速度梯度非常 大，即使流体的粘度不很大，粘性切应力也不容忽视。 边界层以外是主流区，也称势流区。这里流体的速度几 乎是均匀一致的。于是不论流体的粘度如何，粘性切应 力都可以忽略不计，即主流区的流体可以近似被视为无 粘性的理想流体。 层流边界层 湍流边界层：紧贴壁面极薄的粘性底层、起过渡作用的 缓冲层以及湍流核心三部分组成。
9.6.1 大空间的自然对流换热
25
边界层内的速度分布呈单峰形状，温 度分布仍与强迫流动时近似 Nu = f ( Gr, Pr ) = C ( Gr Pr ) n Gr（Grashof number）称 格拉晓夫数
Grx
gV tw t x3
2
Grx Grx Nux g Δt x3 hx
0.037 ReL 4 / 5 Pr1/ 3
0.6 < Pr < 60
0.6 < Pr < 60
11
实际上，前面先是层流，达到临界雷诺数以后才转变成湍 流：分段积分
L 1 xc h hl dx ht dx 0 x c L
Nu L hL / (0.037ReL
0.6 Pr 60
0.8
871) Pr1 / 3
5×105 < Re ≤108
恒热流边界条件时，层流时局部和平均的努塞尔数计算 关联式
Nu x 0.453Re
1/ 2 x
Pr1 / 3
NuL 0.680ReL1/ 2 Pr1/3
12
湍流恒热流条件下，局部努塞尔数只比恒壁温时 大约高4％
Nux 0.029 6Rex 4/5 Pr1/3
5×105 < Rex <107，0.6 < Pr < 60
• 特别注意平均Nu与局部Nux 之间的关系！ • 遵守关联式适用范围规定：自变量，定性温度，特征 尺寸， 适用何种边界条件等
NuL
NuL
hL
hL
0.664 ReL1/ 2 Pr1/ 3
●管内的热边界层 温度剖面 最终定型的温度分布（温度剖面）与壁面上的加热或冷 却条件（热边界条件）有关
热入口段 与 换热充分发展段 因管壁换热引起的热边界层会从壁面逐步发展，直到在管 中心线汇聚，这一段距离称为 热入口段 无量纲过余温度比(t－tw) / (tm－tw)不再变化，这就是 换热 充分发展段。 不论壁面具有何种热边界条件，在换热充分发展段局部表 20 面传热系数都将保持常数。
7
Ludwig Prandtl （1875—1953）
8
Osborne Reynolds (1842—1912)
Wilhelm Nusselt （1882 — 1957）
9
9.3 沿平壁的对流换热计算
定义以下的无量纲参数 t tw x y X , Y , , L L tf t w 代入式(9-2)，得到
Pr Nu d CRe Pr Pr w 0.7 Pr 500, 1 Red 106
m d n
1/ 4
除壁面普朗特数Prw以外，其它所有物性按主流温度取值。 各项常数值见表9–1。
15
管束传热计算 (1)排列方式和管间距 顺排 和 叉排 (2) 前排尾流对后排有影响 排数修正
(3) 换热表面的几何参数 特征尺寸，习惯上也称为定型尺寸
(4) 表面的热边界条件 层流状态对边界条件的变化比较敏感，而湍流时不甚敏感。 两种最典型的热边界条件是恒壁温和恒热流
4
9.2 边界层理论简介
均匀速度u 的流体从平板上方流过，壁面上的流体静止 速度边界层，也称为流动边界层 速度边界层外缘达到主流速度的 99％
2
g qw x 4
2
6
当流体与壁面之间存在温差时， 温度的变化也主要发生在紧贴壁 面的一个薄层内，其中的温度梯 度非常大： 热边界层。 在壁面上，有ty =0 = tw 流体过余温度比 (tw－t ) / (tw－tf ) = 0.99 所对应的离壁 距离为热边界层厚度，记作t 。 根据热边界层概念，整个流场也可以划分成两个区域： 温度变化剧烈、导热机理起重要作用的热边界层区，和热 边界层以外的近似等温流动区。 结论：研究对流换热只需要关注热边界层以内的热量传 递规律就够了。 边界层理论的重要贡献在于极大地缩小了流场求解域的范围。 支配方程组得到了很大简化。
hx
L Y
Y 0, x
Nux Y hx x
Y 0, x
局部努塞尔数Nux ,流体在壁面上的无量纲温度梯度。
10
在恒壁温条件下，层流和湍流的局部努塞尔数分别等于
Nu x 0.332Re
1/ 2 x
Pr1 / 3
Rex < 5×105，0.6≤Pr≤15
Nuf 0.027Ref0.8 Prf1 / 3 f w 0.14
0.7≤Prf ≤16 700, Ref ≥104 贝图霍夫（B. S. Petukhov）关联式 还可用于计算粗糙管 的换热
f Nuf 1/ 2 2/3 1.07 12.7 f / 8 Pr 1 w （f /8）Ref Pr
d
2
64 f Re
f 0.316 Re1 / 4
f 0.184 Re
1/5
2
f 0.790ln Re 1.64
9.5.2 管内对流换热的计算关联式
层流圆管管内充分发展段的换热关联式 Nuf = 4.36， qw = 常数 Nuf = 3.66， tw = 常数 速度充分发展的恒壁温层流换热入口段：爱德华兹 （Edwards. D K）计算式
3
(2) 流体的热物理性质 密度和比热容 导热系数 粘度 流体的物性全部都是温度的函数 定性温度，或称 参考温度 边界层的平均温度 tm = ( tw + tf ) / 2，也称为 边界层膜温度 对流换热计算中存在一项特别的无量纲物性特征数，称为普 朗特数，Pr /a。它表示流体扩散动量的能力与扩散热量 能力的相对大小。
24
9.6 自然对流换热计算
9.6.1 大空间的自然对流换热
自然界和工程技术中存在的自然对流现象 无限大空间的自然对流换热 有限空间的自然对流换热 自然对流与强迫流动的基本区别是：浮升力驱动流体运 动。速度分布由包含有体积力项的动量微分方程和连续 性方程描述 。
9.6 自然对流换热计算
qx hx tw tf x
表面传热系数的物理实质 。 紧贴壁面的流体是静止不动的，这被称为无滑移条件。于是 热量传递在通过这一层“静止”的流体时只能依靠导热机理
t qx y y 0, x
qx hx tw tf x
Δtx y y0 , x
16
针对气体的格雷米森（E. D. Grimison）计算关联式
m Nu d CRed ,max
常数C、m 的值见表9 - 2。 排修正系数n，其值见表9 – 3。
2 000 < Red,max < 40 000, Pr = 0.7, 排数 n ≥ 10
Nud
n10
n Nud
第
单相对流换热
9.1 对流换热的物理机制
9.2 边界层理论简介 9.3 沿平壁的对流换热计算 9.4 绕流圆柱体的对流换热计算 9.5 管内对流换热计算 9.6 自然对流换热计算 9.7 对流换热的强化
9
章
1
9.1 对流换热的物理机制
对流换热的物理机制比导热复杂很多，原因是对流换热中热 对流和热传导两种换热方式同时发生，流体的速度和方向等 很多项物性参数都对换热的强弱具有重要影响。 对流换热的强弱用表面传热系数来表示
hx
t
2
特定x 位置的局部表面传热系数沿程变化，当对流换热温 差恒定时，表面上的平均表面传热系数与局部值之间具有
1 h hx dAx A A
影响对流换热的主要因素 为 (1) 流动状态和流动的起因 层流、湍流和过渡流 雷诺数，Re u L / ，临界雷诺数
Nu d 0.3
1 0.4 / Pr
0.62 Re Pr
1/ 2 d
1/ 3
2 / 3 1/ 4
1 Red 282 000
5/8
4/5
只要求：Red Pr > 0.2 茹卡乌斯卡斯（A. Zhukauskas）计算式
0.5 < Pr < 2 000, 104 < Ref < 5106
0.14
23
物性修正和弯管修正 非圆截面管道，如椭圆管、环形夹层和不同长宽比的矩 形截面管道：当量直径 4 Ac de P 层流时当量直径的概念不能统一全部关联式 对雷诺数介于2 300 ~ 10 000之间的过渡流，推荐采用格尼林 斯基（V. Gnielinski）针对光滑管的计算式