传热学(第9章--对流换热)

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横向节距 纵向节距
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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。
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炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化
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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。
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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。
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（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.
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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。
1 2 3
（3）相对节距的影响
s1 s2
5.换热壁面的几何因素
相变 单相
——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。
影响对流换热的主要因素可 用函数形式表示为：
f (u,l,, , , )
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对流换热分类
单相换热强制对流换热管 管外 内强 强制 制对 对流 流换 换热 热
对流换热
自然对流换热
相变换热沸凝腾结换换热热
t R
α——对流换热系数 ，它是对流换热强弱的 标志，单位为W/(m2.K)。
单位换热面积的对流换热热阻：R
1
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四、影响对流换热的因素：
1.流体流动产生的原因
强制 自然
强制对流
外力（如泵与风机）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。
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。（又称“湍流”）
8
9
流态的判别——雷诺数Re
➢ 实验表明，流体的流态是由多方面因素决定的：流速u能 引起流动状态改变，而且壁面几何尺寸l、流体的粘度μ
和密度ρ也会影响流态。把这些影响因素组合成一个无
2.流体流动的状态
层流 无流体微团的横向脉动，法线方向为导热。
紊流
紊流 层流
有流体微团的横向脉动，主要靠热对流方式传热。
3.流体的热物理性质
——如热导率、比热容c、动力粘度、密度等。
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4. 流体有无相变发生
有相变 如壁温高于流体饱和温度时，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。
6
一、对流换热的特点：
1.对流换热与热对流不同，它是导热与热对流同时 存在的复杂热传递过程； 2.必须有直接接触（流体与壁面间）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。
u tf
A
tw
7
二、速度（流动）边界层: 1.流体的粘性及两种流态：
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（4）壁面过热度：壁温tw与液体相应压力下
饱和温度ts之差。（∆t=tw-ts）
（5）液体的沸腾曲线：
➢ 随壁面过热度⊿t的增加，沸腾换热表现出不同 的传热规律。
➢ 表示沸腾换热的热流密度q与壁面过热度⊿t之 间的变化关系曲线，称为沸腾曲线。
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沸腾换热过程演示
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2.大容器沸腾换热的三个阶段：
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9-2 流体无相变时的对流换热
一、流体在管内强制对流换热
电厂中这种换热很常见：换热设备（过热器、 凝汽器等）中管内流体与管壁的换热。
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主要影响因素： ——流体种类、流态、管径
（a）层流
（b）紊流
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其他影响因素： ——弯管、入口效应、换热温差等
➢弯曲的管道中流动的 流体，在弯曲处由于离 心力的作用会形成垂直 于流动方向的二次环流， 从而加强流体的扰动， 带来换热的增强。（如 螺旋管与蛇形管）
换热系数 α[w/(m2.K)]
空气自然对流
5～50
水的强制对流 250～15000
空气强制对流 25～500 水的沸腾换热 2500～50000
水的自然对流 200～1000 蒸气凝结换热 5000～18000
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本章小结
热对流与对流换热的区别 牛顿冷却公式；影响对流换热的因素 蒸汽膜状凝结换热的影响因素（凝汽器装设
y uf
uf uf
边界层界限
紊流边界层
层流ห้องสมุดไป่ตู้界层
x
层流底层
沿平板流动的速度边界层发展
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（2）速度边界层特点：
速度边界层显示出粘性对流动的影响，速度边界 层厚度δ与壁面尺寸l相比是极小量，只有几毫 米厚；
边界层流态分层流和紊流，而紊流边界层有层流 底层；
层流边界层内传热主要为壁面法向方向导热，换 热较弱；
（2）蒸汽流速和流向的影响 ➢ 蒸汽流动会在汽—液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液
膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜变薄，传热加快。 （若u<10m/s时，可不考虑这一影响）
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（3）换热表面状况的影响 ➢ 表面粗糙、不清洁、有结垢和生锈等会使表面液膜增
厚，还会产生附加导热热阻，使换热系数减小。
高效抽气器的原因） 大容器沸腾换热的三个阶段；临界热负荷的
工程指导意义
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（2）主要特点：①汽泡的产生和运动；②液体汽 化吸收大量的汽化潜热；③由于汽泡形成和脱离 时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷 和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变 的换热。
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（3）汽化核心：
➢ 沸腾换热时加热面上产生汽泡的地点。汽化核 心越多，换热越强。较普遍的看法认为，壁面 上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核 心，如图所示。
量纲数——雷诺数Re。
Re
ul
ul
惯性力 粘性力
对圆管内流动： Re≤2200
2200 < Re < 104 Re≥104
层流区 过渡区 紊流区
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2.速度（流动）边界层：
（1）定义：紧贴固体壁面流速发生明显变化的流体薄层。
通常将由壁面（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，称为速度边界层厚度，用δ表示。
根据壁面过热度不同，分为自然对流、泡态（核 态）沸腾和膜态沸腾三个阶段。
3.临界热负荷（C——烧毁点）：
➢ 临界点：由泡态沸腾转变为膜态沸腾的转折点C。 ➢ 临界热负荷（qc）：临界点时的热流密度。如水
在1atm下，qc=1.25×106W/m2。 沸腾换热设备的设计和运行都必须控制q<qc，沸
（4）管排方式的影响 ➢ 对单管：横放比竖放换热好，因管外液膜短而薄。 ➢ 对管束：当管排数相同时，叉排换热系数最大，辐向
排列次之，顺排最小。
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管束的三种排列方式
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二、沸腾换热 1.特点：
（1）大容器沸腾：加热面上产生的汽泡能自由上 升，并在上升过程中不受液体流动的影响，液 体的运动只是由自然对流和汽泡扰动引起。
在壁面上铺展成膜状，则液膜层是壁
面与蒸汽间传热的主要热阻。
g
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2）珠状凝结
——凝结液体不能完全润湿壁面，在 壁面上形成一个个小液珠，且不断成 长变大，受重力作用而沿壁滚下。由 于没有完整液膜的阻碍，热阻很小， 换热系数约为膜状凝结的5～10倍， g 甚至更高。
tw ts
实现珠状凝结的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，
紊流边界层内层流底层主要为壁面法向方向导热， 该层是主要热阻；而底层外的紊流核心区主要依 靠热对流作用传热，热阻较小，换热较强。
总之：对流换热=（导热+热对流）综合作用
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三、对流换热的计算公式——牛顿冷却公式：
aAt aA tw t f
a tw t f
tw t f 1
第二篇 传热学
第九章 对流换热
● 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 基本热传递方式之一）
● 对流换热：是指流体流经固体壁面时，由于
存在温差而发生的流体与固体壁面间的热量传递 现象。
2
电厂中对流换热现象
烟蒸 烟
气
汽
气
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生活中对流换热现象
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本章主要内容
弯曲管道流动情况示意图
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二、流体在管外横掠圆管时的对流换热
✓ 电厂中各种换热设备（过热器、省煤器等）管外流 体与管壁的换热。
1、流体横向冲刷单管时的对流换热：
横向冲刷：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子 表面。(管面上形成边界层，还会发生绕流分离现象)