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1、單擊此處編輯母版標題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,重慶電力高等?？茖W(xué)校,熱工理論基礎(chǔ),第九章,對流換熱,第二篇 傳熱學(xué),對流換熱：,是指流體流經(jīng)固體壁面時，由于,存在溫差而發(fā)生的流體與固體壁面間的熱量傳遞,現(xiàn)象。,熱對流：,流體中溫度不同的各部分間發(fā)生宏觀的相對位移時所引起的熱量傳遞現(xiàn)象。（是三種基本熱傳遞方式之一）,2,電廠中對流換熱現(xiàn)象,蒸,汽,煙氣,煙氣,3,生活中對流換熱現(xiàn)象,4,本章主要內(nèi)容,對流換熱概述,流體無相變時的對流換熱,流體有相變時的對流換熱,5,自然界普遍存在對流換熱現(xiàn)象，它比導(dǎo)熱更復(fù)雜。,到目前為止，對流換熱問題的研究還很不充分,:

2、,(a),某些方面還處在積累實驗數(shù)據(jù)的階段；,(b),某些方面研究比較詳細，但由于數(shù)學(xué)上的困難，,使得在工程上可應(yīng)用的公式大多數(shù)還是經(jīng)驗公式（實驗結(jié)果）。,9-1,對流換熱概述,6,1.,對流換熱與熱對流不同，它是導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程；,2.,必須有直接接觸（流體與壁面間）和宏觀運動；也必須有溫差；,3.,由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層。,一、對流換熱的特點：,u,t,f,t,w,A,7,二、速度（流動）邊界層,:,1.,流體的粘性及兩種流態(tài)：,層流：,流速較小，流線相互平行，互不干擾，流體平行于流道流動。,紊流：,流速較大，各流線間

3、相互交錯和干擾，流體各部分運動不規(guī)則。（又稱,“,湍流,”,）,8,9,流態(tài)的判別,雷諾數(shù),Re,實驗表明，流體的流態(tài)是由多方面因素決定的：流速,u,能引起流動狀態(tài)改變，而且壁面幾何尺寸,l,、流體的粘度,和密度,也會影響流態(tài)。把這些影響因素組合成一個無量綱數(shù),雷諾數(shù),Re,。,對圓管內(nèi)流動,：,Re,2200,層流區(qū),2200 Re 10,4,過渡區(qū),Re,10,4,紊流區(qū),10,2.,速度（流動）邊界層：,（,1,）定義：,緊貼固體壁面,流速,發(fā)生明顯變化的流體薄層,。通常將由壁面（流速為,0,）起沿垂直壁面的方向到主流速度,u,f,的,99%,處的距離，稱為速度邊界層厚度，用,表示。,沿

4、平板流動的速度邊界層發(fā)展,層流邊界層,紊流邊界層,層流底層,邊界層界限,u,f,u,f,x,y,u,f,11,（,2,）速度邊界層特點：,速度邊界層顯示出粘性對流動的影響，速度邊界層厚度,與壁面尺寸,l,相比是極小量，只有幾毫米厚；,邊界層流態(tài)分層流和紊流，而紊流邊界層有層流底層；,層流邊界層,內(nèi)傳熱主要為壁面法向方向,導(dǎo)熱,，換熱較弱；,紊流邊界層,內(nèi),層流底層,主要為壁面法向方向,導(dǎo)熱,，該層是主要熱阻；而底層外的,紊流核心區(qū),主要依靠,熱對流,作用傳熱，熱阻較小，換熱較強。,總之：對流換熱,=,（導(dǎo)熱,+,熱對流）綜合作用,12,三、對流換熱的計算公式,牛頓冷卻公式：,對流換熱系數(shù),，它

5、是對流換熱強弱的標志，單位為,W/(m,2,.K),。,單位換熱面積的對流換熱熱阻：,13,四、影響對流換熱的因素：,1.,流體流動產(chǎn)生的原因,2.,流體流動的狀態(tài),強制對流,自然對流,流體冷、熱部分的密度差產(chǎn)生的浮升力引起，無整齊的宏觀運動，浮升力的大小是決定因素。,外力（如泵與風(fēng)機）迫使流體產(chǎn)生運動，有整齊的宏觀運動，流速是決定因素。,無,流體微團的橫向脈動，法線方向為導(dǎo)熱。,層流,紊流,有流體微團的橫向脈動，主要靠熱對流方式傳熱。,3.,流體的熱物理性質(zhì),如熱導(dǎo)率、比熱容,c,、,動力粘度、密度等。,14,4,.,流體有無相變發(fā)生,有,相變,無,相變,如壁溫高于流體飽和溫度時，發(fā)生汽化沸

6、騰現(xiàn)象。,對流換熱系數(shù)比有相變時小得多。,5.,換熱壁面的幾何因素,換熱壁面的形狀、大小以及相對于流動方向的位置都會引起換熱系數(shù)的變化。,影響對流換熱的主要因素可用函數(shù)形式表示為：,15,對流換熱分類,16,9-2,流體無相變時的對流換熱,一、流體在管內(nèi)強制對流換熱,電廠中這種換熱很常見：換熱設(shè)備（過熱器、凝汽器等）中管內(nèi)流體與管壁的換熱。,17,主要影響因素：,流體種類、流態(tài)、管徑,（,a,）層流 （,b,）紊流,18,彎曲管道流動情況示意圖,彎曲的管道中流動的流體，在彎曲處由于離心力的作用會形成垂直于流動方向的二次環(huán)流，從而加強流體的擾動，帶來換熱的增強。（如螺旋管與蛇形管）,其他影響因素

7、：,彎管、入口效應(yīng)、換熱溫差等,19,二、流體在管外橫掠圓管時的對流換熱,電廠中各種換熱設(shè)備（過熱器、省煤器等）管外流體與管壁的換熱。,1,、流體橫向沖刷單管時的對流換熱：,橫向沖刷,：,流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。,(,管面上形成邊界層，還會發(fā)生繞流分離現(xiàn)象,),20,2,、流體橫向沖刷管束時的對流換熱：,外掠管束在換熱器中最為常見。,通常管子有,叉排,和,順排,兩種排列方式。,影響因素,流體種類、流態(tài)、管徑、,管束排列方式、管間距、管束排數(shù)等。,21,（,1,）管束排列方式的影響,叉排：,換熱系數(shù)大，但流動阻力大,.,順排：,換熱系數(shù)小，但流動阻力小,.,22,（,2,）流動

8、方向上管排數(shù)的影響,（,3,）相對節(jié)距的影響,后排管受前排管尾流的擾動作用對平均換熱系數(shù)的影響直到,20,排以上的管子才能消失。,23,1,）膜狀凝結(jié)：,凝結(jié)液體能潤濕壁面，在壁面上鋪展成,膜狀,，則液膜層是壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。,一、凝結(jié)換熱,蒸汽和,低于飽和溫度的冷壁面,相接觸時會發(fā)生凝結(jié)換熱，放出凝結(jié)潛熱。（如電廠中：凝汽器和回?zé)峒訜崞鲀?nèi)，管外蒸汽與管外壁的換熱）,9-3,流體有相變時的對流換熱,g,1.,特點：,兩種凝結(jié)方式：,根據(jù)凝結(jié)液體依附在壁面上的形態(tài)不同分,.,24,25,2,）珠狀凝結(jié),凝結(jié)液體不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一個個小,液珠,，且不斷成長變大，受重力作用而

9、沿壁滾下。由于沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，換熱系數(shù)約為膜狀凝結(jié)的,5,10,倍，甚至更高。,g,實現(xiàn)珠狀凝結(jié)的方法：,一是在壁面上涂一層油類物質(zhì)，二是在蒸汽中混入油類或脂類物質(zhì),。,對紫銅管進行表面改性處理，能在實驗室條件下實現(xiàn)連續(xù)的珠狀凝結(jié)，但在工業(yè)換熱器上應(yīng)用，尚待時日。,26,蒸汽中含有不凝結(jié)氣體（如空氣）時，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響。不凝結(jié)氣體將會在液膜外側(cè)聚集而形成一層氣膜，使熱阻大大增加，從而惡化傳熱。,2.,影響蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的因素：,（,2,）蒸汽流速和流向的影響,蒸汽流動會在汽,液界面上產(chǎn)生摩擦阻力，若蒸汽與液膜流向相同，則會加速液膜的流動，使液膜變

10、薄，傳熱加快。（若,u10m/s,時，可不考慮這一影響）,（,1,）蒸汽中含有不凝結(jié)氣體的影響,27,（,3,）換熱表面狀況的影響,表面粗糙、不清潔、有結(jié)垢和生銹等會使表面液膜增厚，還會產(chǎn)生附加導(dǎo)熱熱阻，使換熱系數(shù)減小。,（,4,）管排方式的影響,對單管：橫放比豎放換熱好，因管外液膜短而薄。,對管束：當管排數(shù)相同時，叉排換熱系數(shù)最大，輻向排列次之，順排最小。,28,管束的三種排列方式,29,二、沸騰換熱,1.,特點：,（,1,）大容器沸騰：,加熱面上產(chǎn)生的汽泡能自由上升，并在上升過程中不受液體流動的影響，液體的運動只是由自然對流和汽泡擾動引起。,（,2,）主要特點：,汽泡的產(chǎn)生和運動；,液體汽

11、化吸收大量的汽化潛熱；,由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱。,30,（,3,）汽化核心：,沸騰換熱時加熱面上產(chǎn)生汽泡的地點,。汽化核心越多，換熱越強。較普遍的看法認為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。,31,（,4,）壁面過熱度：,壁溫,t,w,與液體相應(yīng)壓力下飽和溫度,t,s,之差。（,t=,t,w,-t,s,）,（,5,）液體的沸騰曲線：,隨壁面過熱度,t,的增加，沸騰換熱表現(xiàn)出不同的傳熱規(guī)律。,表示沸騰換熱的熱流密度,q,與壁面過熱度,t,之間的變化關(guān)系曲線，稱為沸騰曲線。,32,沸騰換熱

12、過程演示,33,3.,臨界熱負荷（,C,燒毀點,）：,臨界點：,由泡態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰的轉(zhuǎn)折點,C,。,臨界熱負荷（,q,c,）：,臨界點時的熱流密度。如水在,1atm,下，,q,c,=1.25,10,6,W/m,2,。,沸騰換熱設(shè)備的設(shè)計和運行都必須控制,qq,c,，,沸騰換熱設(shè)備安全經(jīng)濟的工作區(qū)為,泡態(tài)沸騰區(qū),。,2.,大容器沸騰換熱的三個階段：,根據(jù)壁面過熱度不同，分為,自然對流、泡態(tài)（核態(tài)）沸騰,和,膜態(tài)沸騰,三個階段。,34,爐內(nèi)高熱負荷區(qū),水冷壁,沸騰換熱的強化,35,各種對流換熱比較,液體對流換熱比氣體強；,對同一種流體，強制對流換熱比自然對流換熱強；,紊流換熱比層流換熱強；橫向沖刷比縱向沖刷強；,有相變的對流換熱比無相變換熱強。,表,9-5,各種對流換熱平均換熱系數(shù)的大致范圍,換熱系數(shù),w/(m,2,.K),換熱系數(shù),w/(m,2,.K),空氣自然對流,5,50,水的強制對流,250,15000,空氣強制對流,25,500,水的沸騰換熱,2500,50000,水的自然對流,200,1000,蒸氣凝結(jié)換熱,5000,18000,36,本章小結(jié),熱對流與對流換熱的區(qū)別,牛頓冷卻公式；影響對流換熱的因素,蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的影響因素（凝汽器裝設(shè)高效抽氣器的原因）,大容器沸騰換熱的三個階段；臨界熱負荷的工程指導(dǎo)意義,37,