对流传热系数

1、第三节 对流传热回忆：回忆：什么是对流传热？什么是对流传热？1t2tQQ 电热炉烧水强制对流强制对流-湍流流动的流体与外界的传热湍流流动的流体与外界的传热自然对流自然对流-静止静止流体、层流流动流流体、层流流动流体与外界的传热体与外界的传热对流传热系数，W/m2K边界层是对流传热边界层是对流传热的主要热阻所在。的主要热阻所在。ttwQ牛顿冷却定律：牛顿冷却定律： wttAQ 流向流向近壁面近壁面传热放传热放大图大图第三节 对流传热 获得的主要方法：获得的主要方法：u理论分析法理论分析法 解析求解、数值求解解析求解、数值求解u实验法：实验法： 半理论半经验方法，是目前的主要方法。半理论半经验方法

2、，是目前的主要方法。牛顿冷却定律：牛顿冷却定律： wttAQ 一、实验法求个个基基本本因因次次数数变变量量数数无无因因次次数数群群个个数数347 影响影响 的因素主要有：的因素主要有： 1.引起流动的原因引起流动的原因：自然对流和强制对流：自然对流和强制对流 2.流动型态流动型态：层流或湍流：层流或湍流 3.流体的性质流体的性质： 、 、cp、 等等 4.传热面的形状、大小、位置传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、：如圆管与平板、垂直与水平、 管内与管外等管内与管外等 5.有相变与无相变有相变与无相变： cp或汽化潜热或汽化潜热r tgulrcfp 或或，或或，量纲分析法：量纲

3、分析法：回忆第一章有关内容回忆第一章有关内容 用量纲分析法、用量纲分析法、再结合实验，建立再结合实验，建立经验关系式。经验关系式。 定理定理：一、实验法求 lNu pc Pr 223Re tglGrul或或-格垃晓夫数格垃晓夫数Gr是雷诺数的一种是雷诺数的一种 变形，相当于自然对流时的变形，相当于自然对流时的“雷诺数雷诺数”无因次数群：无因次数群：-努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比-普朗特数，反映物性的影响。普朗特数，反映物性的影响。 一般地，气体的一般地，气体的Pr1 一、实验法求 PrRe，或或GrfNu 故故定性温度：确定物性的温度，有两种定性温度

4、：确定物性的温度，有两种2出出进进tttm 2主体主体壁壁tttm 主体平均温度主体平均温度 膜温膜温 lNu pc Pr 223Re tglGrul或或二、各种情形下的经验式（一）（一） 无相变时无相变时1015. 018 . 031 Grf 当当Gr25000，需考虑自然对流对传热的影响，式，需考虑自然对流对传热的影响，式（5-5-6565）乘上一个大于乘上一个大于1的校正系数：的校正系数： 1、管内层流、管内层流时时0.6Pr6700，Gr25000（自然对流影响可以忽略），（自然对流影响可以忽略），温差（壁温与流体主体温度之差）不大。温差（壁温与流体主体温度之差）不大。使用范围为：使用

5、范围为： 管子的进口段，管子的进口段，恒壁温、恒壁温、Re2300、思考：思考：为什么需乘上一为什么需乘上一个大于个大于1 1的校正系数？的校正系数？-传热主要以导热方式为主（有时有自然对流）传热主要以导热方式为主（有时有自然对流）1/30.141.86(RePr)() (5-65)wdNul二、各种情形下的经验式2 2、管内湍流、管内湍流（5-63）0.80.40.023RePr0.3nnNun被加热被冷却熟记、常用熟记、常用 lNu 二、各种情形下的经验式2 2、管内湍流、管内湍流（式（式5-63） 被被冷冷却却被被加加热热3 . 04 . 0PrRe023. 08 . 0nnNun208

6、0.du dNu pc Pr思考思考1 1： 与与u、d有何比例关系？有何比例关系？思考思考2：为什么加热时为什么加热时n取取0.4，冷却时取，冷却时取0.3？气体的气体的Pr1等温等温液体被加热液体被加热 或气体被冷却或气体被冷却液体被冷却液体被冷却 或气体被加热或气体被加热速度分布速度分布时，时， 变大变大时，时， 变小变小ReduWhy？Why？因为：管内未充因为：管内未充分发展，层流底分发展，层流底层较薄，热阻较层较薄，热阻较小。小。 若不满足适用范围时，需修正：若不满足适用范围时，需修正： （1）对于短管，）对于短管，L/d100即可达到湍流。式（即可达到湍流。式（5-72）0.41

7、2=Re PrnNu C C二、各种情形下的经验式4 4、自然对流、自然对流 （大空间）（大空间） nGrCNu，Pr C、n为经验常数。为经验常数。 式（式（5-75）二、各种情形下的经验式（二）有相变（二）有相变 滴状冷凝滴状冷凝膜状冷凝膜状冷凝 热流方向 蒸汽 ts 热流方向 蒸汽 ts 膜膜滴滴 竖直壁面：竖直壁面：先层流，后湍流先层流，后湍流 层流：式（层流：式（5-79）、式（）、式（5-79 b ） 湍流：式（湍流：式（5-82）1 1、冷凝传热、冷凝传热 沸腾沸腾冷凝冷凝膜状冷凝：膜状冷凝：液膜是主要热阻液膜是主要热阻水平圆管外：水平圆管外： 层流：式（层流：式（5-80）wh

8、y？水平管束：水平管束：膜状冷凝传热的强化膜状冷凝传热的强化：v 减薄冷凝液液膜厚度减薄冷凝液液膜厚度；v选择正确的蒸汽流动方向；选择正确的蒸汽流动方向；v在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等；在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等；v用过热蒸汽；用过热蒸汽；v及时排放不凝性气体。及时排放不凝性气体。第一排的第一排的 与单管相似，与单管相似，第二排的第二排的 比第一排小，比第一排小，第三排的第三排的 比第二排小，比第二排小，若干排后，若干排后， 基本上不变。基本上不变。平均平均 比单排的小（式比单排的小（式5-80与与5-80a对比）对比） 。膜状冷凝：膜状冷凝：二、各种情形下的

9、经验式2 2、沸腾传热（大容积）、沸腾传热（大容积）（1）产生沸腾现象的必要条件：）产生沸腾现象的必要条件： 液体过热、液体过热、 有汽化核心有汽化核心（2 2）沸腾传热机理：）沸腾传热机理：气泡的不断形成、长大、脱离壁面，气泡的不断形成、长大、脱离壁面，热量随气泡被带入液体内部；同时引起液体的搅动。热量随气泡被带入液体内部；同时引起液体的搅动。二、各种情形下的经验式（3 3）大容积沸腾传热的沸腾曲线）大容积沸腾传热的沸腾曲线加加热热twts气 泡 产生和 脱 离频率很快大量气泡在加热面上汇合，形成蒸汽膜沸沸腾腾曲曲线线 log 过热度（tw-ts） 过热度不大，过热度不大，气泡没有；气泡没有

10、； 辐射影响加强膜状沸腾膜状沸腾 自然对流自然对流核状沸腾核状沸腾工业上常用工业上常用二、各种情形下的经验式（4）核状沸腾传热系数的主要影响因素：）核状沸腾传热系数的主要影响因素： 表面粗糙度：表面粗糙度：粗糙表面粗糙表面 大，但粗糙度达到一定极限后，大，但粗糙度达到一定极限后， 就基本上没影响了。就基本上没影响了。过热度：过热度： 与与 t t的的2 23 3次方成正比。次方成正比。二、各种情形下的经验式对流传热系数小结对流传热系数小结 有相变有相变无相变无相变 自然对流自然对流管束外管束外水平圆管外水平圆管外外壁外壁湍流湍流层流层流管内管内 沸腾传热沸腾传热冷凝传热冷凝传热注意经验式的适用

11、范围、定性温度、定性尺寸注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸的数量级 KmWKmW22/30030/255强强制制对对流流：自自然然对对流流： KmWKmWKmWKmW2222/300001500/150005000/80001000/1000200水沸腾：水沸腾：蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：空气中空气中水中水中无无相相变变有有相相变变 自自然然强强制制 gl 总之：总之： KmWKmW22/3000500/1500500蒸蒸汽汽冷冷凝凝：强强制制对对流流：油类中油类中返回目录返回目录第六节 辐射传热一、基本概念一、基本概念 Q（投入） QR（反射） QA（

12、吸收） QD（透过） DRAQQQQ 吸收率吸收率 QQAA反射率反射率 QQRR透透过过率率 QQDD1、什么是辐射传热？、什么是辐射传热？2、吸收率、发射率、透过率、吸收率、发射率、透过率1 DRA热辐射线波长在热辐射线波长在0.4 m40 m，主要有可见光、红外线，主要有可见光、红外线靠电磁波传热的方式，称为。靠电磁波传热的方式，称为。 自然界中凡是温度自然界中凡是温度在在0 K0 K以上的物体，以上的物体，都会不停地向四周发都会不停地向四周发射热辐射能。射热辐射能。3黑体、白体、透热体、灰体黑体、白体、透热体、灰体灰体灰体-以相同的吸收率吸收所有波长的以相同的吸收率吸收所有波长的热辐射

13、能的物体。工业用的大多数固体热辐射能的物体。工业用的大多数固体材料可近似为灰体材料可近似为灰体。-透热体透热体，如单原子或对称双原子构成的气如单原子或对称双原子构成的气 体（体（ He ， H2，O2 等）等）吸收率吸收率A1 1反射率反射率R1 1透过率透过率D1 1-绝对黑体绝对黑体，如没有光泽的黑漆，如没有光泽的黑漆-绝对白体绝对白体或或镜体镜体，如十分光亮的金属，如十分光亮的金属 如图可见，实际物体的辐射特性曲线过如图可见，实际物体的辐射特性曲线过于复杂，工程上为方便处理，以灰体近似替于复杂，工程上为方便处理，以灰体近似替代实际物体。代实际物体。！注意：！注意：灰体是一种假想体。灰体是

14、一种假想体。二、物体的辐射（发射）能力 0 dEEbb4040100 TCTEb 辐射能力：辐射能力：单位时间、单位面积上对所有波长辐射线的辐射单位时间、单位面积上对所有波长辐射线的辐射 能量，用能量，用E表示，单位表示，单位W/m2。又称。又称发射能力发射能力。根据普朗克量子理论，有根据普朗克量子理论，有 1251 TCbeCE 1、黑体的辐射能力、黑体的辐射能力Eb所有物体中，黑体的发射能力最强。所有物体中，黑体的发射能力最强。-斯蒂芬波尔茨曼定律 二、物体的辐射（发射）能力bEE bbEAEE)1( bEEA A -黑度（或辐射率）属物性，与材料性质属物性，与材料性质和温度、浓度等有关和

15、温度、浓度等有关3、 与与A的关系的关系-克希霍夫定律克希霍夫定律2 2、灰体的辐射能力、灰体的辐射能力E灰体灰体 黑体黑体 T1T2EEbAEbbEA)1 ( T TbEE 比黑体的小。比黑体的小。对虚线所示面能量衡算：对虚线所示面能量衡算：如图两壁面无限大且相距很近。如图两壁面无限大且相距很近。注意：注意：只是数值上相等只是数值上相等发射能力强的吸收发射能力强的吸收能力也强能力也强三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 B A 如图两物体之间的辐射传热量如图两物体之间的辐射传热量QAB不仅与两物体不仅与两物体的发射能力有关，还与两者的相互位置、周围环境的发射能力有关，还与两者的相互位置、周

16、围环境的对其辐射有关，很复杂。本节重点讨论的对其辐射有关，很复杂。本节重点讨论两灰体组两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率的计算。成的封闭体系的辐射传热速率的计算。QAB环境环境环境环境三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 j j r i i 影响角系数的因素：影响角系数的因素： 两物体间的距离两物体间的距离r、两物体表面积、两物体表面积A、两物体的放置角度、两物体的放置角度等。等。1、角系数、角系数辐射能被拦截的百分数，用辐射能被拦截的百分数，用 12、 21表示表示 jiijA AjiijjjiA AijjiiijdAdArAdAdArA22coscos1coscos1 可以证明：可以证明

17、：jijijiAA 三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 11 Nkik 12112 4 5 3 1 2 思考思考2：如图，两相距很近的无限大平板，如图，两相距很近的无限大平板，角系数为多少？角系数为多少？思考思考1 1：如图，由如图，由N N个面组成的闭合体，个面组成的闭合体，任一面的所有角系数之和为多少？任一面的所有角系数之和为多少？三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率GEJ)1( -投入辐射投入辐射,W/m2-有效辐射，有效辐射， W/m22、几个概念、几个概念物体与环境交换的热量物体与环境交换的热量JGq 物体物体环境环境GJq 或或三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 1 2

18、T1 T2 3、对两灰体组成的封闭体系、对两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率的辐射传热速率Q1-21-2： 2 1 1 2 T1 T211111111)1 ()1 (GEGEJb 111111 bEJG22222222)1 ()1 (GEGEJb 222221 bEJG 111121AGJQQ 环境环境 2222AGJQ 环境环境GEJ)1 ( 对灰体对灰体1 1（灰体（灰体2 2）表面作热量衡算，有：）表面作热量衡算，有：J J1 1G G1 1三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率2222221111112111AEJJAEJJQbb 22222222222111111111111111A

19、EJAJEAJEAJEbbbb 212121 AA 1211 AJ12121211 AJJQ 212211 AJJ 2122 AJ 21Q对灰体对灰体1 1与灰体与灰体2 2之间的任一面作热量衡算，有：之间的任一面作热量衡算，有： 1 2 T1 T2 表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻J J1 1J J2 2空间热阻空间热阻加和定理加和定理三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率辐射热阻辐射热阻推动力推动力 2221112112121111AAAEEQbb 空间热阻表面热阻辐射热阻辐射热阻推动力推动力 2221112112121111AAAEEQbb 424121100100TTAC小小（式（式5

20、-985-98，式，式5-1025-102）三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 424121100100TTAC小小空间热阻表面热阻辐射热阻辐射热阻推动力推动力 2221112112121111AAAEEQbb （式（式5-985-98，式，式5-1025-102） 11121021 CC 1-2=1，A1=A2=A小小0121CC 1 2 T1 T2 1-2=1，021 AA（式（式5-975-97）具体地：具体地： 1 2 T1 T2 1-2=1，212211211AAAAC （式（式5-1015-101）A1=A小小三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率 1 3222223332323313132111112122223332323233131321111131233121111111111111AAAAAAEEAAAEEAAAEEQQQbbbbbb 思考：思考：如图所示，写出两无限大平行平板之间平行插入第三块板时如图所示，写出两无限大平行平板之间平行插入第三块板时的辐射传热量计算式。的辐射传热量计算式。表面热阻表面热阻 空间热阻空间热阻空间热阻空间热阻表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻表面热阻32123211AAA 三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率2121 QQ显显然然， 1 32 22