基传教学资料-第七章 对流换热.pdfVIP

7 对流换热 7.0 本章主要内容导读 本章讨论对流换热问题，包括对流换热基本概念、内部强制对流换热、外部强制对流换热和自然对流 换热四大部分内容( 图7-1) 。 图7-1 第七章主要内容导读 教材中和本章有关的内容包括：第十一章。 1 7.1 对流换热基本概念 7.1.1 对流换热机理 如前所述，对流换热是流体宏观流动造成的对流和流体分子导热共同作用的结果。以流体绕等温平板 流动时的稳态对流换热为例，如图7-2 所示，假设流体温度t 低于平板温度t ，在紧靠固体壁面的流体薄 f w 层内，由于分子导热，热量从平板传输到流体中。被加热的流体同时向前流动，以对流的形式带走部分热 量，使继续向平板法向传输的热量逐渐减少。到某一特定位置时，从固体壁面传输到流体中的热量全部被 流体带走，该处流体在平板法向的温度差接近零，法向的流体导热也为零。 层流底层中没有流体流动，热量传输方式为单纯的导热。 在流体流动方向上流体温度同样逐渐变化，因此在流动方向上也存在流体的分子导热。但是，该方向上导热的换热效果 一般明显小于流体对流的换热效果。因此，一般情况下可以不考虑流动方向上的流体分子导热。 图7-2 对流换热过程中的热量传输机理 理论上，对流换热传输的热流量可以通过牛顿冷却公式求解，即热流量可以表示为 Q Ft 对流换热系数α 是表征对流换热强度大小的指标。根据牛顿冷却公式，对流换热系数的物理意义为：单位时间、单位面 积、单位温度差作用下产生的传热量。 和导热中的导热系数λ 不同，对流换热系数α 不是物性参数，因此对流换热过程和对应的对流换热系 数受到许多因素的影响，这些影响因素可以分为如下五类。 (1)流体流动产生的原因。根据流体流动产生的原因，对流换热可以分为强制对流(forced convection)换 热/强迫对流换热/受迫对流换热和自然对流(natural convection/free convection)换热/ 自由对流换热两大类。强 制对流换热由泵、风机或者其它外部动力源的作用引起，自然对流换热通常由流体各个部分温度不同产生 的密度差引起。两种流动产生的原因不同，流体中的速度场、对流换热规律和对流换热强度均不一样。一 般情况下，同一种流体的强制对流换热的流体速度和对流换热系数均大于自然对流换热。例如，自然对流 2 2 换热和强制对流换热时空气的对流换热系数分别为5~25W/(m ·°C)和10~100 W/(m ·°C) ； (2)流体有无相变。在一定条件下，流体在对流换热过程中会发生相变，例如沸腾或者凝结。流体没有 相变时，对流换热中的热量传输由流体显热的变化实现；有相变的换热过程中，流体相变热/潜热的释放/ 吸收常常起主要作用，流体的物性、流动特性和换热规律均与无相变时明显不同。一般情况下，同一种流 体在有相变时的对流换热强度远大于无相变时的对流换热强度； (3)流体的流动状态。根据动量传输知识，粘性流体存在着两种不同的流态——层流和湍流。层流时流 体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合。在其它条件相同时， 湍流换热的强度明显强于层流换热的强度； (4)对流换热表面的几何因素。这里的几何因素指对流换热表面的形状、尺寸、对流换热表面与流体运 动方向的相对位置以及对流换热表面的粗糙度等。这些几何因素都将影响流体在壁面上的流动状况，从而 影响到对流换热。例如，管内强制对流换热与流体横掠圆管的强制对流换热中的流动是截然不同的，前者 是内流中的管内流动，后者是外流中的外掠圆管流动。这两种不同流动条件下的换热规律有明显差异。在 自然对流中不仅几何形状，几何布置对流动也有决定性影响，同样的水平壁面在热面朝上散热时的流动与 热面朝下散热时的流动有显著差异，它们的换热规律也不一样； 2 (5)流体的物理性质。流体的物理性质对