化工原理第四章第三节

1、2021-6-21 第第第第第第四四四四四四章章章章章章 传热传热传热传热传热传热 第第第第第第三三三三三三节节节节节节 对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 二、壁面和流体对流传热速率二、壁面和流体对流传热速率 三、对流传热系数三、对流传热系数 四、流体无相变时对流传热四、流体无相变时对流传热 系数系数 五、流体有相变时对流传热五、流体有相变时对流传热 系数系数 2021-6-21 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 流体沿固体流体沿固体 壁面的流动壁面的流动 层流底层层流底层 过渡区过渡区 湍流主体湍流主体 流体分层运动，相邻层间没有流体

2、的流体分层运动，相邻层间没有流体的 宏观运动。宏观运动。在垂直于流动方向上不存在垂直于流动方向上不存 在对流传热，在对流传热，仅为流体的热传导。流仅为流体的热传导。流 体的热导率较小，该层热阻较大，体的热导率较小，该层热阻较大，温温 度差较大，即温度梯度较大。度差较大，即温度梯度较大。 对流和热传导共同作用，在该层内温度对流和热传导共同作用，在该层内温度 变化较缓慢。变化较缓慢。 热阻很小，温度梯度很小，热阻很小，温度梯度很小，各处的温度各处的温度 基本相同。基本相同。 2021-6-21 对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的对流传热

3、的热阻主要集中在层流底层。热阻主要集中在层流底层。减薄层流底层的厚减薄层流底层的厚 度是强化对流传热的主要途径。度是强化对流传热的主要途径。 2021-6-21 二、壁面和流体间的对流传热速率二、壁面和流体间的对流传热速率 1、对流传热速率方程、对流传热速率方程 t dtt dQdAdA dx 傅里叶定律： t对流传热温差，对流传热温差，（热流体热流体tTTw；冷流体；冷流体ttwt） 局部对流传热系数，局部对流传热系数，W/(m2K)或或W/(m2)。 dQtdA牛顿冷却定律牛顿冷却定律 2021-6-21 平均对流传热系数，平均对流传热系数，W/(m2K)或或W/(m2) A总传热面积，总

4、传热面积，m2； QA t 在换热器中，局部对流传热系数在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但在随管长而变化，但在 工程计算中，常使用平均对流传热系数和平均温度差，此工程计算中，常使用平均对流传热系数和平均温度差，此 时牛顿冷却定律可以表示为：时牛顿冷却定律可以表示为： 2021-6-21 2、对流传热系数、对流传热系数 对流传热系数对流传热系数定义式：定义式： Q A t 表示表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 反映了反映了对流传热的快慢，对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。对流传热系数大，则传热快。 2021-6-21 三、

5、对流传热系数的影响因素三、对流传热系数的影响因素 （一）对流传热系数的影响因素（一）对流传热系数的影响因素 1、流体的种类：、流体的种类：液体的对流传热系数大于气体液体的对流传热系数大于气体 2、流体的物性、流体的物性 1）导热系数）导热系数 流体的导热系数愈大，热阻就愈小，对流传热系数愈大。流体的导热系数愈大，热阻就愈小，对流传热系数愈大。 2）粘度）粘度 流体的粘度愈小，对流传热系数愈高。流体的粘度愈小，对流传热系数愈高。 3）比热容和密度）比热容和密度 2021-6-21 cp：单位体积流体所具有的热容量。单位体积流体所具有的热容量。 cp值值愈大，愈大，流体携带热量的能力愈强，流体携带

6、热量的能力愈强，对流传热强度对流传热强度 愈大。愈大。 4）体积膨胀系数）体积膨胀系数 体积膨胀系数体积膨胀系数值愈大，值愈大，密度差愈大，密度差愈大，有利于自然对流有利于自然对流 。对强制对流也有一定的影响。对强制对流也有一定的影响。 3、流体对流的起因、流体对流的起因 强制对流的对流传热系数大于自然对流。强制对流的对流传热系数大于自然对流。 2021-6-21 4、流体流动状态流体流动状态 湍流的对流传热系数远比层流时的大。湍流的对流传热系数远比层流时的大。 5、流体的相态变化、流体的相态变化 相变时的相变时的比无相变时的大。比无相变时的大。 6、传热面的结构、传热面的结构 传热面的形状（

7、管、板、环隙、管束等）、位置（管子排传热面的形状（管、板、环隙、管束等）、位置（管子排 列方式、垂直放置或水平放置）和流道尺寸（管径、管长列方式、垂直放置或水平放置）和流道尺寸（管径、管长 等）等） 2021-6-21 准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义 努塞尔特准数努塞尔特准数 Nu l 表示对流传热系数表示对流传热系数 雷诺准数雷诺准数 Re lu 流体流动状态的影响流体流动状态的影响 普朗特准数普朗特准数Pr p c 流体物性的影响流体物性的影响 格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数Gr 2 23 tlg 自然对流的影响自然对流的影响 （二）对流传热系数的一般准数关联式（二）对流传热系

8、数的一般准数关联式 2021-6-21 (,) abc Nuf Re Pr GrKRe Pr Gr 流体无相变时的强制对流：流体无相变时的强制对流： 流体无相变时的自然对流：流体无相变时的自然对流： (,)Nuf Re Pr (,)Nuf Pr Gr 2021-6-21 应用准数关联式应注意的问题应用准数关联式应注意的问题 1）定性温度：定性温度：各准数中流体的物性参数所依据的温度各准数中流体的物性参数所依据的温度 如：流体进、出口温度的算术平均值；如：流体进、出口温度的算术平均值； 壁面的平均温度；壁面的平均温度； 流体与壁面的平均温度（膜温）流体与壁面的平均温度（膜温） 2）特征尺寸：特征

9、尺寸：对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。 3）适用范围：适用范围：关联式中关联式中Re,Pr等准数的数值范围。等准数的数值范围。 2021-6-21 四、流体无相变时的对流传热系数四、流体无相变时的对流传热系数 传热计算中，一般规定：传热计算中，一般规定： Re2300，层流层流 2300 Re10000，过渡流过渡流 Re10000，湍流湍流 2021-6-21 1、流体在管内作强制对流、流体在管内作强制对流 1）流体在圆形直管内作强制湍流）流体在圆形直管内作强制湍流 a)低黏度（低黏度（210-3Pas）流体）流体 n reu PRN 8 . 0 02

10、3. 0 0.8 0.023 n p i i c d u d 或 当流体被当流体被加热时加热时n=0.4，流体被流体被冷却时，冷却时，n=0.3。 特征尺寸：特征尺寸：Nu、Re等特征数中的等特征数中的l取管内径取管内径di。 2021-6-21 ,1207 . 0 ,104 re PR 管长与管径比管长与管径比 /60 i L d 应用范围：应用范围： 定性温度：定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进、出口温度的算术平均值。 b) 高黏度的液体（高黏度的液体（210-3Pas） 0.141/3 0.8 w 0.027 p i i c d u d 应用范围：应用范围： 4 Re

11、10 ,0.716700 ,60 r i L P d 特征尺寸：特征尺寸： 取管内径取管内径di。 /60 i Ld若时，将计算所得的将计算所得的乘以乘以)(1 7 . 0 Ldi 2021-6-21 定性温度：定性温度：除除w取取壁温壁温以外，其余均取液体进、出口温度以外，其余均取液体进、出口温度 的算术平均值。的算术平均值。 0.14 w a.1.05 当液体被加热时，取 0.14 w b.0.95 当液体被冷却时，取 0.14 w c.1 气体，取 2021-6-21 2）流体在圆形直管内呈过渡流）流体在圆形直管内呈过渡流 对于对于Re=230010000时的过渡流范围，时的过渡流范围，

12、先按湍流的先按湍流的 公式计算公式计算，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数f。 8 . 1 5 106 1 e R f 3) 流体在圆形直管内作强制层流流体在圆形直管内作强制层流 当管径较小、水平管、流体与壁面间的温度差较小，流当管径较小、水平管、流体与壁面间的温度差较小，流 速较低才有严格的层流传热。其他情况下经常伴有自然对流速较低才有严格的层流传热。其他情况下经常伴有自然对流 传热。传热。自然对流传热对强制层流的传热的影响可以忽略时：自然对流传热对强制层流的传热的影响可以忽略时： 2021-6-21 应用范围：应用范围： 1 0.14 3 i 1.86 L uer w d NR P 4

13、i 2.5 10 , Re2300, 10 L rer d GR P 特征尺寸：特征尺寸： 管内径管内径di。 定性温度：定性温度： 除除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。算术平均值。 时，当 4 105 . 2 r G按上式计算出按上式计算出后，再乘以一校正系数后，再乘以一校正系数 3 1 015. 018 . 0 r Gf 2021-6-21 5）流体在非圆形管中作强制对流）流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经 验式都适用，只要将特征尺寸由圆管内径改

14、为当量直径验式都适用，只要将特征尺寸由圆管内径改为当量直径。 4de 流体流动截面积 传热当量直径 传热周边长度 计算结果欠准确，另一种方法是通过实验求得常用计算结果欠准确，另一种方法是通过实验求得常用 的非圆型管道的对流传热系数的关联式。的非圆型管道的对流传热系数的关联式。 将计算所得的将计算所得的值乘以弯管效应校正系数值乘以弯管效应校正系数 i 1 1.77 d R 4）流体在圆形弯管中作强制对流）流体在圆形弯管中作强制对流 2021-6-21 套管环隙中套管环隙中的对流传热，用的对流传热，用水水和和空气空气做实验，所得的做实验，所得的 关联式为：关联式为： 0.53 1 0.8 3 0

15、0.02 i ier e D RP dd 应用范围：应用范围： Re=12000220000，Di/d0=1.6517 特征尺寸：特征尺寸： 流动当量直径流动当量直径de 定性温度：定性温度： 流体进出口温度的算术平均值。流体进出口温度的算术平均值。 2021-6-21 2、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流 （1）流体垂直流过管束）流体垂直流过管束 2021-6-21 直列直列三角形错列三角形错列正方形错列正方形错列 2021-6-21 2021-6-21 2021-6-21 2021-6-21 流体在流体在管束外垂直流过管束外垂直流过时，对流传热系数时，对流传热系数 4 . 0 PrR

16、e n CNu 应用范围：应用范围： 34 1020 Re5 10 7 101.2 51.2 5x dxd ，。 特征尺寸：特征尺寸： 管外径管外径d0，流速取流体通过每排管子中最狭流速取流体通过每排管子中最狭 窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的 距离应在（距离应在（x1-d0）和）和2（t-d0）两者中取小者。）两者中取小者。 定性温度：定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值取流体进、出口温度的算术平均值。 C、n均由实验确定。均由实验确定。 2021-6-21 管束的平均对流传热系数为：管束的平均对流传热系数为： 11221 12 1 n ii

17、nni n n i i A AAA AAA A 2021-6-21 （2）流体在有折流板的换热器的管间流动）流体在有折流板的换热器的管间流动 2021-6-21 2021-6-21 2021-6-21 应用范围：应用范围： Re=2103106 定性尺寸：定性尺寸： 传热传热当量直径当量直径de 。 定性温度：定性温度： 除除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温取壁温以外，其余均取液体进、出口温 度的算术平均值。度的算术平均值。 当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算： 14. 0 3 1 55. 0 36. 0 w reu PRN

18、凯恩公式凯恩公式 2021-6-21 管子呈管子呈正方形正方形排列时：排列时： 22 0 0 4 4 e td d d 管子呈管子呈三角形三角形排列时：排列时： 22 0 0 3 4 24 e td d d 特征流速：特征流速：根据流体流过管间的最大截面积根据流体流过管间的最大截面积A计算计算 t d hDA 0 1 2021-6-21 3、大空间自然对流、大空间自然对流 n rru PGCN n p C tlg l C 2 32 或 大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内，大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内， 由壁面温度与周围流体温度不同引起自然对流，并且周围没由壁面温度与周

19、围流体温度不同引起自然对流，并且周围没 有阻碍自然对流的物体。如管道或传热设备的表面与周围大有阻碍自然对流的物体。如管道或传热设备的表面与周围大 气层之间的对流传热。气层之间的对流传热。 定性温度：定性温度：取壁面温度与流体平均温度的算术平均值取壁面温度与流体平均温度的算术平均值 特征尺寸：特征尺寸：水平管，取管外径水平管，取管外径do；垂直管或板，取垂直高度；垂直管或板，取垂直高度L tGr中的取壁面温度与流体平均温度之差。 2021-6-21 五、流体有相变时的对流传热系数五、流体有相变时的对流传热系数 1、蒸汽冷凝时的对流传热系数、蒸汽冷凝时的对流传热系数 1）蒸汽冷凝的方式）蒸汽冷凝的

20、方式 a) 膜状冷凝：膜状冷凝： 若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完 整的液膜整的液膜 b)滴状冷凝：滴状冷凝： 若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作 用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面 落下落下 2021-6-21 2021-6-21 2）膜状冷凝的传热系数）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在水平管外膜状冷凝蒸汽在水平管外膜状冷凝 由于管径较小，液膜通常呈层流流动由于管径较小，液膜通常呈层流流动 1 4 23 2 3 0 0.725 SW gr ndTT r饱和温度

21、饱和温度Ts下，蒸汽的冷凝潜热下，蒸汽的冷凝潜热J/kg； 冷凝液的密度，冷凝液的密度，kg/m3； 冷凝液的热导率，冷凝液的热导率，W/(mK) ； 冷凝液的黏度冷凝液的黏度Pas； Ts饱和蒸汽温度；饱和蒸汽温度；Tw 壁面温度；壁面温度； n水平管束在垂直列上的管子数，单根水平管，水平管束在垂直列上的管子数，单根水平管，n1。 2021-6-21 特征尺寸：特征尺寸：管外径管外径d0。 定性温度：定性温度：壁面温度与饱和蒸汽温度的算术平均值，壁面温度与饱和蒸汽温度的算术平均值， sw 2TT即 12 0.750.750.75 12 Z m Z nnn n nnn 列管式换热器，管束由相互

22、平行的列管式换热器，管束由相互平行的Z列管子组成，各列管子列管子组成，各列管子 在垂直方向上的排数并不相等，分别用在垂直方向上的排数并不相等，分别用n1，n2，nZ表示，表示， 则平均管排数为：则平均管排数为： 2021-6-21 1 23 4 1.13 SW gr L TT 1800Re b)蒸汽在垂直管外或平板上的膜状冷凝蒸汽在垂直管外或平板上的膜状冷凝 液膜为液膜为层流层流（ ）时，）时， 液膜为液膜为湍流湍流（Re1800）时，）时， 4 . 031 2 32 Re(0077. 0） g 2021-6-21 特征尺寸：特征尺寸： L取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。 定性温度：定

23、性温度： 冷凝潜热冷凝潜热r取其饱和温度取其饱和温度Ts下的值，取下的值，取壁面温壁面温 度与饱和蒸汽温度的算术平均值度与饱和蒸汽温度的算术平均值， 冷凝液沿壁面流动的横截面积为冷凝液沿壁面流动的横截面积为S，则流动当量直径为，则流动当量直径为 壁面的润湿周边长度，壁面的润湿周边长度，m，垂直管，垂直管， =d0， 垂直板，垂直板，为板的宽度。为板的宽度。 2 SW TT即 4 e S d 2021-6-21 冷凝液的液膜沿壁面流动的冷凝液的液膜沿壁面流动的Re表达式为表达式为 4 Re e d ul T r 2021-6-21 3）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素 b) 蒸汽的流速和流

24、向蒸汽的流速和流向 蒸汽和液膜蒸汽和液膜同向流动，加速冷凝液流动，厚度减薄，使同向流动，加速冷凝液流动，厚度减薄，使增大增大 蒸汽和液膜蒸汽和液膜逆向流动，冷凝液的流动受到阻滞而变厚，逆向流动，冷凝液的流动受到阻滞而变厚，减小。减小。 如果蒸汽流速很大，如果蒸汽流速很大，无论向上还是向下，无论向上还是向下， 液膜被蒸汽吹离液膜被蒸汽吹离 壁面，壁面，急剧增大。急剧增大。 a) 蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，液膜表面可能形成液膜表面可能形成 一层气膜，其热导率很小，增大热阻，一层气膜，其热导率很小，增大热阻，使使

25、急剧下降。急剧下降。应在应在 蒸汽侧上方设排气阀，定期排放不凝性气体。蒸汽侧上方设排气阀，定期排放不凝性气体。 2021-6-21 当液膜呈层流流动时，液膜两侧温度差加大，则蒸汽冷凝当液膜呈层流流动时，液膜两侧温度差加大，则蒸汽冷凝 速率增加，相应的液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。速率增加，相应的液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。 用蒸汽加热时，蒸汽的温度应适当。用蒸汽加热时，蒸汽的温度应适当。 c)液膜两侧温度差的影响液膜两侧温度差的影响 d)冷凝水的影响冷凝水的影响 未及时排放出去的冷凝水会占据一部分传热面，水的对流未及时排放出去的冷凝水会占据一部分传热面，水的对流 传热系数比蒸汽冷凝时的对

26、流传热系数低，导致部分传热面的传热系数比蒸汽冷凝时的对流传热系数低，导致部分传热面的 传热效率下降，应在下部设疏水阀，及时排放冷凝水。传热效率下降，应在下部设疏水阀，及时排放冷凝水。 2021-6-21 e)e)冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响 若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚， 使传热系数下降。使传热系数下降。 例如水平布置的例如水平布置的管束，管束，冷凝液面从上面各排管子流冷凝液面从上面各排管子流 动下面各排，使下面各排管子液膜逐渐增厚，使动下面各排，使下面各排管子液膜逐渐增厚，使降低降低 。 冷凝面的表面情况对冷凝面的表面情况对影响也很大

27、，影响也很大，若壁面粗糙不若壁面粗糙不 平，平，使膜层加厚，增加膜层阻力，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。下降。 2021-6-21 2、液体沸腾时的对流传热系数、液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾液体沸腾 大容器沸腾：大容器沸腾： 管内沸腾：管内沸腾： 1）沸腾曲线）沸腾曲线 当当温度差较小温度差较小时，液体内部产生时，液体内部产生自然对流，自然对流，较小，且较小，且 随温度升高较慢。随温度升高较慢。 当当t逐渐升高，逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局在加热表面的局部位置产生气泡，该局 部位置称为部位置称为汽化核心。汽化核心。气泡产生的速度随气泡产生的速度随t上升而增加，上升而增加， 急剧增大。急剧增大。称为称为泡状沸腾或核状沸腾。泡状沸腾或核状沸腾。 液体在管内流动的过程中被加热沸腾。液体在管内流动的过程中被加热沸腾。 将加热面浸入大容器的液体中，液体被将加热面浸入大容器的液体中，液体被 壁面加热而引起无强制对流的沸腾现象。壁面加热而引起无强制对流的沸腾现象。 2021-6-21 2021-6-21 当当t再增大，再增大，加热面的汽化核心数进一步增多，且气泡加热面的汽化核心数进一步增多，且气泡 产生的速度大于它