第二节 热对流

1、 对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使 流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过 程。这 是由于流体的整体运动导致流体质点流体质点位置的移动，使流体 间各部分相互充分接触，流体温度趋于均匀。除了流体的 整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观 粒子运动造成的热传导。 对流传热是液体和气体热传递的主要方式， 在工程上， 常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程。 冷流体冷流体t2 热流体热流体 T2 冷流体冷流体t1 热流体热流体 T1 在工程上，对流传热是指流体和固体壁面的传热过程， 它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。因此与流体的 流动情况密切相关。热流体将热量传给

2、固体壁面，再由壁 面传给热流体。 冷流体冷流体t2 热流体热流体 T2 冷流体冷流体t1 热流体热流体 T1 由流体力学可知，流体流经壁面时，在靠近壁面处 总有一薄层流体顺着壁面做层流流动，即层流底层。当 流体做层流流动时，在垂直于流动方向的热量传递，主 要以热传导方式进行，由于大多数流体的导热系数较小， 故传热热阻主要集中在层流底层中，温差也主要集中在 该层，而在湍动主体中，由于流体质点剧烈混合，可近 似认为无传热热阻，即湍流主体中基本上没有差。在层 流底层和湍流主体之间存在着一个过渡区，在过滤区内， 热传导与对流传热均起作用，使该区的温度发生缓慢变 化。 所以，层流底层的温度梯度较大，传热

3、的主要热阻 集中在此层，因此，减薄层流底层的厚度是强化对流传 热的重要途径。 热 流 体 冷 流 体 th tc th,wtc,w 流体通过间壁的热交换 流体与固体壁面之间传热： 流体与固体壁面之间传热; 流体中质点发生相对位移而引起热 交换。 4.3 对流传热对流传热 （1）机理）机理 流体质点碰撞、混合，传递热量， 包括对流传热和热传导 对流传热与流体流动状况密切相关对流传热与流体流动状况密切相关 湍动程度越高，对流的传热速率越大。 Thm Tcm L1 Thw L2 1 2 TCW 从对流传热过程分析可知：对 流传热过程复杂，影响因素多。 为了方便起见，工程上采用一 种简化方法：即将流体

4、的全部 温差集中在厚度为内的一层 薄层内，但薄层的厚度难以测 定。 假设把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流层的热阻中，假设把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流层的热阻中， 在靠近壁面构成一层厚度为在靠近壁面构成一层厚度为的流体膜，称为的流体膜，称为(effective film)。 假设膜内为层流流动，而膜外为湍流，即把所有热阻都集中在有效假设膜内为层流流动，而膜外为湍流，即把所有热阻都集中在有效 膜中。该模型称为对流传热的膜中。该模型称为对流传热的(film theory model)。 从对流传热过程分析可知：对流传 热过程复杂，影响因素多。为了方 便起见，工程上采用一种简化

5、方法： 即将流体的全部温差集中在厚度为 内的一层薄层内，但薄层的厚度难 以测定。 据有效膜模型，对流传热可以用热传导的方式处理。若热流据有效膜模型，对流传热可以用热传导的方式处理。若热流 体向壁面作一维稳定传热，则传热速率由傅立叶定律得：体向壁面作一维稳定传热，则传热速率由傅立叶定律得： x t A n t AQ d d )( W TTAQ ? Q对流传热速率，对流传热速率，W； A传热面积，传热面积，m2； T热流体侧主体的平均温度，热流体侧主体的平均温度，； TW与热流体相接触一侧的壁面温度，与热流体相接触一侧的壁面温度，； 有效膜厚度，有效膜厚度，m2。 由于膜的厚度由于膜的厚度与流体的

6、流动情况、流体性质、对流状态以与流体的流动情况、流体性质、对流状态以 及传热面的形状等因素有关，而厚度及传热面的形状等因素有关，而厚度又难以测定，所以我们采又难以测定，所以我们采 用用代替上式中的代替上式中的 R T A TT TTAQ W W 1 )( ? 比例系数，又称比例系数，又称(convective heat-tansfer coeficient)或称为或称为(film coeficient)W/m2 )( W TTA Q 其其：流体与壁面间相差：流体与壁面间相差1时，单位时间内通过单时，单位时间内通过单 位传热面积所传递的热量。表征对流传热的强度。位传热面积所传递的热量。表征对流传

7、热的强度。 大量实验表明，影响对流传热系数的因素有：大量实验表明，影响对流传热系数的因素有： 流体在管内湍流流动时，靠近管壁有滞流底层，集流体在管内湍流流动时，靠近管壁有滞流底层，集 中绝大部分热阻，当中绝大部分热阻，当Re。 流体在管内层流流动时，不仅靠近管壁处而且沿整流体在管内层流流动时，不仅靠近管壁处而且沿整 个管截面流体，都是一层一层地平行流动，此时为个管截面流体，都是一层一层地平行流动，此时为最大，则最大，则 最小，所以有最小，所以有 。 对对影响较大的特性有：影响较大的特性有：CP，等。等。 ；CP；Re 易知这些物理性质不仅随着物质种类变化，而且也随着温度、易知这些物理性质不仅随

8、着物质种类变化，而且也随着温度、 压力而变化。压力而变化。 是流体在泵、风机或流体压头等作用下是流体在泵、风机或流体压头等作用下 产生的流动，其流速产生的流动，其流速u的改变对的改变对有较大影响。有较大影响。 是流体内部冷是流体内部冷(t1)、热、热(t2)各部分的密度差异所产生各部分的密度差异所产生 的浮升力作用而引起的流动。因的浮升力作用而引起的流动。因t12 。若流体的体积。若流体的体积 膨胀系数为膨胀系数为，则两密度间的关系为，则两密度间的关系为。于是在重力。于是在重力 场内单位体积流体由于密度不同所产生的浮升力为场内单位体积流体由于密度不同所产生的浮升力为 Ltg P LtgLgP

9、2 221 )( 在此压头的推动力下，必造成如图在此压头的推动力下，必造成如图(1)所示的环流，其速度所示的环流，其速度 满足下面的关系：满足下面的关系： 2 2 2 LtguLtg Pu 由此说明，流体只要存在温度差，就会有环流的存在。由此说明，流体只要存在温度差，就会有环流的存在。 图图(1) 除上述因素外，自然对流的强弱还与加热面的位置有关。除上述因素外，自然对流的强弱还与加热面的位置有关。 如如，b点温度高于点温度高于a点，产生如图所示的流体环流。点，产生如图所示的流体环流。 图图(1) 图图(2)图图(3) 冷流体冷流体 如如，在加热面上部将产生较大的自然对流，在其下则，在加热面上部

10、将产生较大的自然对流，在其下则 不能；不能； 如如，在冷却面下部，将产生较大的自然对流，在其上，在冷却面下部，将产生较大的自然对流，在其上 则不能。则不能。 由以上分析由以上分析，如果为了一定空间获得较为均匀的，如果为了一定空间获得较为均匀的 加热器应放置于该空间的加热器应放置于该空间的，房间采暖即为一例。反之，为，房间采暖即为一例。反之，为 了一定的空间进行较为均匀的了一定的空间进行较为均匀的，冷却器应放在该空间的，冷却器应放在该空间的 ，如剧场的冷气装置即为一例。，如剧场的冷气装置即为一例。 形状有形状有圆管圆管、翅片管翅片管、管束管束、平板平板、螺旋板螺旋板等。等。 传热面相对位置有传热

11、面相对位置有、以及以及流动和流动和 流动或流动或流动等；或管束中管子排列放置。流动等；或管束中管子排列放置。 传热面尺寸有管传热面尺寸有管、管、管、的宽与长等。的宽与长等。 通常把对流体流动和传热有决定性影响的尺寸称为通常把对流体流动和传热有决定性影响的尺寸称为。 传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等， 造成边界层分离，增加湍动，使a增大。 上述诸影响因素都是针对上述诸影响因素都是针对的单相而言。的单相而言。 在传热过程中，有相变时，如蒸汽在冷壁面上的在传热过程中，有相变时，如蒸汽在冷壁面上的以及以及 液体在热壁面上的液体在热壁面上的，其，其值

12、比无相变时大很多。因为相变值比无相变时大很多。因为相变 时液体吸收汽化热时液体吸收汽化热变为蒸汽或蒸汽放出汽化热变为蒸汽或蒸汽放出汽化热变为液体，对变为液体，对 于同一液体，其于同一液体，其比比cP大很多，所以相变时的大很多，所以相变时的值比无相变时的值比无相变时的 大。大。 根据理论分析和实验研究，影响该对流传热过程的因素有根据理论分析和实验研究，影响该对流传热过程的因素有 流体的物理性质流体的物理性质cp， ； 传热表面的特征尺寸传热表面的特征尺寸l； 强制对流的流速强制对流的流速u。 于是无相变强制对流的传热系数可表达为：于是无相变强制对流的传热系数可表达为： ),(lucf p 。；

13、； 1221311 3113 TLCTMLML MLLlLuTM P 这七个物理量的因次这七个物理量的因次(单位单位)分别为：分别为： 由此知它们涉及到由此知它们涉及到基本因次，即长度基本因次，即长度L、质量、质量M、时间、时间 和温度和温度T。按前面介绍的。按前面介绍的定理，过程的无因次数群的数目定理，过程的无因次数群的数目N 347 mnN 将式将式(4-18)改写成幂函数的形式：改写成幂函数的形式： f P edcba clKu 将各个物理量的单位代入上式得：将各个物理量的单位代入上式得： fedcba TLMLTMLMLLLKTM 12231311113 根据因次一致性原理，等式两边各

14、基本单位的指数对应相根据因次一致性原理，等式两边各基本单位的指数对应相 等，则得到等，则得到方程，而其中有方程，而其中有6个未知数，需指定其中两个个未知数，需指定其中两个 (如如a，f)为已知，求出其余为已知，求出其余4个得：个得： ; 1 ; ; ;1 abaefacfd 将这四个关系代入式将这四个关系代入式(4-18a)并整理得：并整理得： )()( b P a clu K l 其中三个无因次数群分别为：其中三个无因次数群分别为： l Nu 表示对流与导热间关系的准数，包含待定的对流传热系数。表示对流与导热间关系的准数，包含待定的对流传热系数。 ul Re 表示流体的流动状态和湍流程度对对

15、流传热的影响。表示流体的流动状态和湍流程度对对流传热的影响。 p c Pr 表示流体的物性对对流传热的影响。表示流体的物性对对流传热的影响。 自然对流产生的原因是单位体积流体的浮升力自然对流产生的原因是单位体积流体的浮升力(gt)，也，也 是直接影响是直接影响的因素，于是对流传热可表示为：的因素，于是对流传热可表示为： ),(ltgcf p 式中式中7个物理量涉及个物理量涉及4个基本单位，所以有个基本单位，所以有3个无因次准数。其推个无因次准数。其推 导过程同上，得：导过程同上，得： )( )( 2 23 ba P tglC K l 格拉斯霍夫准数。格拉斯霍夫准数。其中：其中：- 2 23 t

16、gl Gr un为自然对流的为自然对流的，显然，显然Gr是雷诺数的变形，它表是雷诺数的变形，它表 征着自然对流的流动状态对征着自然对流的流动状态对的影响。的影响。 知：知：由式由式 17)-(4tglun 2 2 222 )(Ren n lu Gr 使用式使用式(4-19)和式和式(4-21) 时，需要注意以下几点：时，需要注意以下几点： 应用范围应用范围-关联式中关联式中Re(Gr)，Pr等准数的数值范围；等准数的数值范围； 定性尺寸定性尺寸-Nu，Re中的中的l如何取定；如何取定； 定性温度定性温度-各准数中的物性数据按什么温度来确定，各准数中的物性数据按什么温度来确定， 如换热过程中，流

17、体的温度在改变，所以流体的物性参数数值如换热过程中，流体的温度在改变，所以流体的物性参数数值 也在改变，因此整理和应用经验公式时，就有如何取各物性参也在改变，因此整理和应用经验公式时，就有如何取各物性参 数的平均值，也即确定定性温度。数的平均值，也即确定定性温度。 对于不同情况，有不同的准数关联式，一般分以下对于不同情况，有不同的准数关联式，一般分以下： 无相变时的强制对流；无相变时的强制对流； 无相变时的自然对流；无相变时的自然对流； 有相变时的蒸汽冷凝；有相变时的蒸汽冷凝； 有相变时的液体沸腾；有相变时的液体沸腾； 在这种情况下，对流传热系数的准数关系式为式在这种情况下，对流传热系数的准数

18、关系式为式(4-19)，即，即 nm CNuPrRe 式中系数式中系数C与指数与指数m和和n则由实验加以确定。经对不同的流体在则由实验加以确定。经对不同的流体在 光滑管内传热进行大量实验得到：光滑管内传热进行大量实验得到： n NuPrRe023. 0 8 . 0 23)-(4 . 3 . 0, 4 . 0, n n 流流体体被被冷冷却却 流流体体被被加加热热 ：应用范围：应用范围：Re104，Pr=0.6160,适用于气体或低粘适用于气体或低粘 度的液体度的液体(即即1，有，有 。所以。所以时取时取， 时取时取。 ：被加热时，仍是膜温大于气体主体温度，但气体的：被加热时，仍是膜温大于气体主体

19、温度，但气体的 是随是随t增加而增加，故被加热时，层流底层中的增加而增加，故被加热时，层流底层中的增大，增大，增加增加 ，则热阻增加，从而，则热阻增加，从而加热 加热减小。但对于大多数气体， 减小。但对于大多数气体，Pr1, ，故，故时用时用，时用时用。 ： 对于短管路对于短管路l/d 3000； 特征尺寸：管外径特征尺寸：管外径d，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距离应在窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的距离应在(x1-d0)和和(t- d0)两者之间中取较小的。两者之间中取较小的。 管束排列数应为管束排列数应为10。 如

20、教材如教材P174图图4-12、4-13为常用的列管式换热器。为常用的列管式换热器。 对于管外装有圆形折流板，其缺口面积为其截面的对于管外装有圆形折流板，其缺口面积为其截面的25%。则。则 其对流传热系数在其对流传热系数在Re=2103106时，有：时，有： 14. 0 3155. 0 PrRe36. 0 w Nu e Nu d 其其中中 大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内，由于大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内，由于 壁面温度与周围液体的温度不同而引起的自然对流。例如：管壁面温度与周围液体的温度不同而引起的自然对流。例如：管 道、设备或暧气片表面与周围大气之间的传热。道、

21、设备或暧气片表面与周围大气之间的传热。 自然对流时的自然对流时的仅与反应流体自然对流状况的仅与反应流体自然对流状况的准数及准数及准准 数有关，关联式为：数有关，关联式为： nn l CCNuPr)(Re Pr)(Re 或或 膜温膜温: ； C和和n由实验测定，可由有关手册查取。由实验测定，可由有关手册查取。 强制对流的情况是十分复杂的，各种经验公式虽然强制对流的情况是十分复杂的，各种经验公式虽然 形式但都有共同的形式：形式但都有共同的形式： nm CNuPrRe 这表明影响这表明影响的主要因素是的主要因素是、。一定的流体在一定的。一定的流体在一定的 温度下，它们的物性是一定的，特别是气体原子数

22、相同时，其温度下，它们的物性是一定的，特别是气体原子数相同时，其 Pr接近常数，不随温度和压力变化。例如：接近常数，不随温度和压力变化。例如： 单原子气体：单原子气体：；双原子气体：；双原子气体：。 空气在空气在1个大气压、个大气压、t=25时，时，。 通常为了增加通常为了增加可采取以下措施：可采取以下措施： 增加湍动程度，如加折流板，管中添加物或选用螺纹管等；增加湍动程度，如加折流板，管中添加物或选用螺纹管等； 在圆管中湍流时在圆管中湍流时 n NuPrRe023. 0 8 . 0 2 . 0 8 . 0 d u 同样同样，可以增加可以增加 。 流过管间流过管间( (即流体走壳程即流体走壳程

23、) )时：时： 45. 0 55. 0 14. 0 3155. 0 PrRe36. 0 de u Nu w 某某蒸汽在套管热器中冷凝，内管为蒸汽在套管热器中冷凝，内管为252.5mm钢管钢管 ，管长，管长2m。蒸汽在管外冷凝，冷却水走管内，管内流速为。蒸汽在管外冷凝，冷却水走管内，管内流速为 1m/s，冷却水的进、出口温度分别为，冷却水的进、出口温度分别为20、50。试求：。试求： 管壁对水的膜系数管壁对水的膜系数？ 若将管径缩小一半，流速及其它条件不变，则膜系数若将管径缩小一半，流速及其它条件不变，则膜系数 有何变化？有何变化？ 若将流速增加一倍，其它条件都若将流速增加一倍，其它条件都 不变

24、，则膜系数不变，则膜系数又又 有何变化？有何变化？ condensation)和和(dropwise condensation) 。 若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜 此种传热现象称为此种传热现象称为。 若冷凝液不能够润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液若冷凝液不能够润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液 在壁面上形成许多液滴，并沿管壁落下，此种传热现象称为在壁面上形成许多液滴，并沿管壁落下，此种传热现象称为 。 通常蒸气在壁面上的冷凝方通常蒸气在壁面上的冷凝方 式有两种，即式有两种，即(filmwise 经大量实验表明：除前面

25、讨论的流体的经大量实验表明：除前面讨论的流体的、 和和以及冷凝传热以及冷凝传热等影响膜状冷凝传热的因素等影响膜状冷凝传热的因素 外，下面再补充一些重要因素：外，下面再补充一些重要因素： 蒸汽冷凝时，不凝性气体在液膜表面形成一层蒸汽冷凝时，不凝性气体在液膜表面形成一层，使，使 。 措施：冷凝器上设有气体排放器，以排出不凝性气体。措施：冷凝器上设有气体排放器，以排出不凝性气体。 蒸汽与液膜同向：蒸汽与液膜同向： Ruu 膜膜蒸蒸 Ruu 膜膜蒸蒸 反反向向时时： 过热蒸汽冷凝过程由蒸汽过热蒸汽冷凝过程由蒸汽和和两个过程串联组成，两个过程串联组成， 公式中用公式中用代替：代替： 下下汽汽化化热热 s

26、svp tttc )( 一般来讲，蒸汽一般来讲，蒸汽cp不大，使得过热蒸汽冷凝放出热量与饱不大，使得过热蒸汽冷凝放出热量与饱 和蒸汽放出的热量差别不大，故工业一般不采用过热蒸汽。和蒸汽放出的热量差别不大，故工业一般不采用过热蒸汽。 冷凝液膜是膜状冷凝传热的主要热阻，如何减薄膜厚度降冷凝液膜是膜状冷凝传热的主要热阻，如何减薄膜厚度降 低热阻，是强化膜状冷凝传热的关键。低热阻，是强化膜状冷凝传热的关键。 通常液体沸腾有两种情况：一种是将加热面浸入在容器的通常液体沸腾有两种情况：一种是将加热面浸入在容器的 液体中，液体被壁面加热，而引起无强制对流的沸腾现象，称液体中，液体被壁面加热，而引起无强制对流

27、的沸腾现象，称 为为或或(pool boiling)。另一种是液体在管。另一种是液体在管 内流动过程中被加热沸腾，称为内流动过程中被加热沸腾，称为。 液体加热沸腾的主要液体加热沸腾的主要是在液体内部的加热壁面上不断是在液体内部的加热壁面上不断 有汽泡有汽泡，、和和到液面，然后破裂。到液面，然后破裂。 液体被加热时，汽泡总是产生在液体被加热时，汽泡总是产生在（ttW-tS） 较高的加热面上且形成汽化核心位置是在粗糙不平的地点。较高的加热面上且形成汽化核心位置是在粗糙不平的地点。 右图给出了在常压下水饱和沸腾时，右图给出了在常压下水饱和沸腾时， 与与t=tW-tS的关系曲线，称为的关系曲线，称为

28、自然对流自然对流 核状沸腾核状沸腾 膜状沸腾膜状沸腾 A B C D t/K 此阶段此阶段较小，只有少量汽泡产生，而且汽泡长大的速度较小，只有少量汽泡产生，而且汽泡长大的速度 也很慢，不能脱离壁面，因此看不到沸腾现象，热量依靠自然也很慢，不能脱离壁面，因此看不到沸腾现象，热量依靠自然 对流由壁面传递到液体主体，蒸发在液体表面进行，对流由壁面传递到液体主体，蒸发在液体表面进行，随随t增增 加而略有增大。这一区称为加而略有增大。这一区称为。 随随t，汽化核心数增加，汽泡生成速度、成长速度以及浮，汽化核心数增加，汽泡生成速度、成长速度以及浮 升速度都加快。汽泡不断地离开壁面上升，使液体受到剧烈的搅升

29、速度都加快。汽泡不断地离开壁面上升，使液体受到剧烈的搅 拌作用，使拌作用，使值随值随t增大而迅速增大。称此过程为增大而迅速增大。称此过程为。 随随t，生成的汽泡多而快，产生气泡的速度大于脱离表面，生成的汽泡多而快，产生气泡的速度大于脱离表面 的速度，气泡连成一片，形成一层不稳定的蒸汽膜，覆盖在加的速度，气泡连成一片，形成一层不稳定的蒸汽膜，覆盖在加 热壁面上，使液体不能直接和加热面接触，由于蒸汽导热性能热壁面上，使液体不能直接和加热面接触，由于蒸汽导热性能 差，使热阻差，使热阻， 从而从而。此过程称为。此过程称为。 在上述液体沸腾的各个阶段中，核状沸腾具有在上述液体沸腾的各个阶段中，核状沸腾具

30、有大，大，tw低的低的 优点，故工业上的加热器都尽量设法保持在核状沸腾下操作。优点，故工业上的加热器都尽量设法保持在核状沸腾下操作。 (C点点) 由核状沸腾转变为膜状沸腾的转变点。由核状沸腾转变为膜状沸腾的转变点。 tC 处于临界点处的过热度，即处于临界点处的过热度，即tC=tW-tS。 自然对流自然对流 核状沸腾核状沸腾 膜状沸腾膜状沸腾 A B C D t/K 在一般情况下，液体的导热系数和密在一般情况下，液体的导热系数和密 tttt sw , 研究不同液体，发现核状沸腾阶段的研究不同液体，发现核状沸腾阶段的t近似为直线。近似为直线。 提高提高P，即是提高液体的饱和温度，从而使其表面张力及

31、，即是提高液体的饱和温度，从而使其表面张力及 粘度均下降，有利于汽泡的生成和脱离，强化了传热，在同样粘度均下降，有利于汽泡的生成和脱离，强化了传热，在同样 t下，可增大下，可增大。 自然对流自然对流 核状沸腾核状沸腾 膜状沸腾膜状沸腾 A B C D t/K 度增加，粘度和表面张力减小，都能增大沸腾传热速率。度增加，粘度和表面张力减小，都能增大沸腾传热速率。 粗糙表面能使汽化核心增加，沸腾传热加强，因此可采粗糙表面能使汽化核心增加，沸腾传热加强，因此可采 用机械加工或腐蚀的方法将金属表面用机械加工或腐蚀的方法将金属表面，如将细小的金属，如将细小的金属 颗粒颗粒(如铜如铜)通过铅焊或烧结在金属板

32、或管上，制成多孔金属表面通过铅焊或烧结在金属板或管上，制成多孔金属表面 可使可使提高十几倍。即提高十几倍。即，； 一般使用清洁的加热面时，一般使用清洁的加热面时，较高，当壁面被油脂等玷较高，当壁面被油脂等玷 污后，会使污后，会使严重下降。如加热面为新的铬板时严重下降。如加热面为新的铬板时q=370kW/m2,而而 旧铬板的旧铬板的q=140kW/m2。故设计时必须考虑到操作后期情况。故设计时必须考虑到操作后期情况。 除了上述因素外，还有设备除了上述因素外，还有设备、加热面、加热面和和 以及以及等都会对沸腾传热有影响。等都会对沸腾传热有影响。 使用各种情况下对流传热系数关联式时需要注意以使用各种

33、情况下对流传热系数关联式时需要注意以 下几点：下几点： 按公式应用范围正确按公式应用范围正确选用选用具体计算式；具体计算式； 有相变：冷凝无相变：强制对流有相变：冷凝无相变：强制对流 沸腾沸腾 自然对流自然对流 准数准数，的范围；的范围；，；传热面；传热面：管，板。：管，板。 正确计算有关物理量：正确计算有关物理量： 定性温度：注意何时用定性温度：注意何时用tm，何时考虑，何时考虑tw。 定性尺寸：内径，外径，板高定性尺寸：内径，外径，板高(长长)等。等。 流体流速：指哪一个截面的流体流速：指哪一个截面的u。 公式中单位必须统一。公式中单位必须统一。 对经验公式的说明：对经验公式的说明： 准确

34、性；多样性；通用性。准确性；多样性；通用性。 KmWKmW 22 / / 换换热热方方式式换换热热方方式式 0003005 有有机机蒸蒸汽汽冷冷凝凝： 165005500 水水蒸蒸汽汽膜膜状状冷冷凝凝： 0015005 有有机机液液体体强强制制对对流流： 30030 空空气气强强制制对对流流： 30001500 水水沸沸腾腾： 80000001 水水强强制制对对流流： 0001002 水水自自然然对对流流： 255 空空气气自自然然对对流流： 气气体体液液体体冷冷凝凝沸沸腾腾强强制制自自然然 ，无无相相变变时时一一般般 :)( 计算类型计算类型 ： 设计型计算：已知设计型计算：已知th1，th

35、2，tc1 ，qmc，qmh，K 求 传热面积A； 操作型计算：操作型计算： 已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求th2 、tc2、Q。 错流错流 折流折流 错流错流并流并流 冷流体tc2 热流体 th1 Tc1冷流体 th2热流体 热 流 体 冷 流 体 th tc th,wtc,w Q Q 计算基础：计算基础：热量衡算方程和传热速率方程热量衡算方程和传热速率方程 。 4.6.1 热流量衡算方程热流量衡算方程 稳态传热，忽略热损失时， 冷流体吸收热量冷流体吸收热量 = 热流体放出热量热流体放出热量 (1) 无相变传热无相变传热 4.6 传热过程的计算传热过程的计算 tc2 th1

36、 tc1 th2 .取定性温度下数值其中， P c )()( 12,21,cccpcmhhhphm ttcqttcq即： )( 21,hhhphmh ttcq热流体放热量： )( 12,cccpcmc ttcq冷流体吸热量： (2) 有相变传热有相变传热 cchh rDrD两侧均有相变： cchhhphm rDttcq)( 2 ,1 , 一侧沸腾： 饱和状态下饱和状态下 hhcccpcm rDttcq)( 1 ,2 , 一侧冷凝： 说明：说明： 换热过程中各流股热流量间关系； 各流股间相互制约，热量守恒。 非饱和状态下非饱和状态下 例：过热蒸气冷凝过冷液体 hLPhL h mh h m V h

37、PhV h m tcqrqtcq 又如：过冷液体 沸腾 过热蒸气 cVpcVmccmccLpcL c m tcqrqtcq cpc c m tcq 过热蒸汽 冷流体 热流体 过冷液体 hph h m tcq 管内壁热量：热流体 对流传热 管外壁 热传导 冷流体 对流传热 4.6.2 总传热速率方程总传热速率方程 间壁传热过程：间壁传热过程： 各部分传热速率方程：各部分传热速率方程： 管内侧流体： 管壁导热： 管外侧流体： )( ,whhiii ttAa bttA wcwhmm / )( , )( ,000cwc ttAa 热 流 体 冷 流 体 th tc th,wtc,w 热 流 体 冷 流

38、 体 th tc th,wtc,w 对稳态传热对稳态传热: omi m wcwh ii whh A b tt Aa tt , 1 00 , 1 Aa tt cwc 00 11 AaA b Aa tt mii ch 因此， R t 00 111 AaA b AaKA R mii 令： )( ch ttKA总传热速率方程： 式中，K 总传热系数，W/m2K。 注意注意： K 与 A 对应，选Ai、Am 或 A0 0000 11111 AhA b AhAKAKAK miimmii ）代替（用平均传热温差 chm ttt m tKA总传热速率方程： )()( 12,21,cccpcmhhhphmm t

39、tcqttcqtKA无相变， DrttcqtKA hhhphmm )( 21, 有相变， 故稳态传热时，故稳态传热时， 4.6.3 传热系数和传热面积传热系数和传热面积 m tKA KA tm 1 K 传热系数传热系数，表示换热设备性能的重要参数。表示换热设备性能的重要参数。 (1) K的计算的计算 在实际生产中以外表面积A0作为传热面积。 K的来源：的来源： 实验测定； 取生产实际的经验数据； 计算求得。 000 0 00 111 AaA R A b A R AaAK d mi di ii 0 00 0 0 1111 a R A Ab A A R A A aKK KK do mi o di

40、ii 表示，则有：用将 0000 111 AaA b AaAK mii 实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻： 0 00 111 a R d db d d R d d aK do mi o di ii 圆管中：圆管中： i o io m d d dd d ln 其中， ）（近似取： iom ddd 2 1 LdA 00 平壁：平壁： moi AAA dodi imio R a b R aKKK 2 11111 (2) 污垢热阻污垢热阻 Rdi和和 Rdo 污垢热阻影响：污垢热阻影响：使a，热流量。 污垢热阻取值：污垢热阻取值： 经验数据。 注意注意：传热系数、污垢热阻的单位。 列管式换热器的壁厚列

41、管式换热器的壁厚b=1mm，管径为，管径为50mm。已知。已知 1=50W/m2， 2=1000W/m2，=0.1W/m。 求总传热系数求总传热系数K=？ 1不变，不变， 2=2000、10000W/m2时，时，K=？ 2不变，不变， 1=100、300W/m2时，时，K=？ 当当1与与2接近时，改变两者均可达到提高接近时，改变两者均可达到提高K的目的；的目的； 当当12时，时，K2； 由此说明：提高总传热系数由此说明：提高总传热系数K的关键在于提高较小的的关键在于提高较小的。 此外当污垢热阻影响较大时，减小污垢热阻对提高此外当污垢热阻影响较大时，减小污垢热阻对提高K也是比较也是比较 关键，通常采取定期清洗换热器等措施。关键，通常采取定期清洗换热器等措施。 1 1 2 2 K K 2 2 1 1 K K 5050 10001000 47.447.4 2000 505048.548.5 20002000 48.548.510010094.394.3 1000010000 49.5 49.5 300254.2 (3) 壁温计算壁温计算 忽略污垢热阻，稳态传热时： m wcwh ii whh A b tt Aa tt , 1 00 , 1 Aa tt c