第四章 传热第3节

1、上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30 工程上的对流传热实质为两部分：固体壁的工程上的对流传热实质为两部分：固体壁的导热及流体与固体壁间的热量传递。导热及流体与固体壁间的热量传递。热流体热流体固体壁固体壁冷流体冷流体热对流热对流热对流热对流 固体壁固体壁：具有一定几何形状和尺寸大小的传：具有一定几何形状和尺寸大小的传热设备热设备换热器。换热器。 对流传热的速度大小与对流传热的速度大小与流体的流动状态、流体的流动状态、流体的性质、状态流体的性质、状态( (热状热状态态) )、固体壁面固体壁面等均有关。等均有关。对流传热对流传热是是“热传导热传导+ +热对流热对流”的综合结果。的综合结果

2、。 对流传热的对流传热的热阻主要集中在层流热阻主要集中在层流内层内层。减薄层流内层的厚度是强化。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。对流传热的主要途径。 上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-302、流动流体：、流动流体：1) 1)层流流动层流流动: :流体内既有导热又流体内既有导热又有热对流，温差也较大；传热速有热对流，温差也较大；传热速度增大，但速度不太大。度增大，但速度不太大。2 2) )湍流流动湍流流动: :由于质点混强烈的混和由于质点混强烈的混和, ,远离壁面温度趋于均匀远离壁面温度趋于均匀, ,传热速率大传热速率大大提高；温差减少到认为不存在温差。大提高；温差减少到认

3、为不存在温差。传热边界层传热边界层：在靠近壁面附近在靠近壁面附近, ,存在较大温度差存在较大温度差( (温度温度 梯度梯度) )的流体层内的流体层内; ;同时紧靠壁面也存在同时紧靠壁面也存在 流动边界层。流动边界层。1 1) )对流传热的热阻全部在此传热边界层内；对流传热的热阻全部在此传热边界层内；2) 2)对流传热的热阻主要集中在层流层内；对流传热的热阻主要集中在层流层内；降低层流层厚度，可以强化对流传热，即增加传热速率。降低层流层厚度，可以强化对流传热，即增加传热速率。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30牛顿冷却定律：牛顿冷却定律

4、：对流传热速率对流传热速率Q Q与壁面的对应面积与壁面的对应面积S S及壁面及壁面 与流体间的温差与流体间的温差tt成正比。成正比。Q St热对流阻力热对流的推动力SttSQ1：对流传热系数（膜系数）。对流传热系数（膜系数）。1)单位单位: :2) 2)物理意义物理意义: :温差为温差为11时时, ,单位面积单位面积S=1mS=1m2 2的传热量；是反应对流的传热量；是反应对流 传热快慢的一个参数；传热快慢的一个参数；它包括很多影响因素它包括很多影响因素。2mWtSQ上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-301)t为两部分：为两部分：热流体与热壁面的温差热流体与热壁面的温差tt=T-=T

5、-T Tw w；冷壁面与流体的温差冷壁面与流体的温差tt= =t tw w-t -t；T Tw w、t tw w 壁温。壁温。3)S为两部分：为两部分：热流体与热壁面的接触面积热流体与热壁面的接触面积S Si i；冷流体与冷壁面的接触面积冷流体与冷壁面的接触面积S S0 0；2) 为两个值：为两个值：热流体与热壁面的热流体与热壁面的 i i；冷流体与冷壁面的冷流体与冷壁面的 0 0；上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-301、影响因素：影响因素：内因、内因、外因外因(1)(1)流体因对流体因对 的影响：的影响：热容热容( (比热比热) )c cp p; ;黏度黏度 ； 密度密度； 导热

6、系数导热系数 等；且均与温度有关。等；且均与温度有关。 热容热容( (比热比热) )：c cp p大，大，则则 也大；也大； c cp p ：单位体积的热容量单位体积的热容量 kJ/mkJ/m3 3 , , c cp p越大流体携带热量的越大流体携带热量的 能力越大。能力越大。 黏度黏度 ： 值大则流动性小，层流层加厚，不利于流体流值大则流动性小，层流层加厚，不利于流体流 动。动。 低黏流体低黏流体 高黏流体高黏流体 导热系数导热系数 ：热对流的热阻主要集中在靠近固体壁的层流热对流的热阻主要集中在靠近固体壁的层流 层内，层内，层流主要以导热传热层流主要以导热传热。 ， 也大。也大。上一内容下一

7、内容回主目录O返回2022-3-30 确定物理量取值的温度，称为定性温度。一般取流体的确定物理量取值的温度，称为定性温度。一般取流体的进出口平均值：进出口平均值：等值出口进口定性;2)(PctttT(2)外因对外因对的影响的影响 流体的流动状态：流体的流动状态：层流与湍流的对流传热系数时不同的；层流与湍流的对流传热系数时不同的；ReRe可以表示流可以表示流动状态。动状态。 其它条件固定其它条件固定, ,增大流速增大流速uu, ,则则ReRe，对流传热速率，对流传热速率。结论结论： 湍动湍动 层流层流 引起流体对流的原因：引起流体对流的原因：强制对流强制对流或或自然对流。自然对流。自然对流自然对

8、流：流体内部存在温差流体内部存在温差tt而引起密而引起密度差度差, ,产生了流动而进行传热。产生了流动而进行传热。结论结论：强制对流强制对流自然对流自然对流上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30相变化相变化蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾相变潜热相变潜热 以水为例比较潜热与显热的大小：热力学的角度比以水为例比较潜热与显热的大小：热力学的角度比较。发生相变与否的对流传热系数较。发生相变与否的对流传热系数 相差很大。相差很大。 结论结论： 有相变有相变 无相变无相变流体所处于的气态、液态，其流体所处于的气态、液态，其值不同。值不同。一般结论一般结论： 液液气气上一内容下一内容回主目录O返

9、回2022-3-30 传热面的大小，换热器的形状，管子的排列及相对位置传热面的大小，换热器的形状，管子的排列及相对位置 对传热均有影响。即例：平壁、筒壁、管束、管的排列方式对传热均有影响。即例：平壁、筒壁、管束、管的排列方式( (立式或卧式）立式或卧式）、管长管长L L、管径管径d, d,是否有翅片等的是否有翅片等的 值不同。值不同。 换热器的几何因素，对流体流动及对传热的影响因素，换热器的几何因素，对流体流动及对传热的影响因素，称为称为定性尺寸定性尺寸。例圆形管路为。例圆形管路为d d内内；环形管路为；环形管路为dede等。等。 综上所述综上所述，影响影响 的因素很多，确定的因素很多，确定

10、的值极为的值极为 复杂，只能复杂，只能 用实验和计算相结合的方法：用实验和计算相结合的方法：因次分因次分 析法。析法。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30=f(u,L,cp,gt),其中其中L L特性尺寸，特性尺寸，gtgt表示自然对表示自然对流的升力。流的升力。无相变无相变强制对流强制对流自然对流自然对流有相变有相变蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾综合各种因素得到综合各种因素得到关联式关联式：LNu表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数, ,表明对对流传热程度的影响表明对对流传热程度的影响LuRe表示流体流动状态和湍动表示流体流动状态和湍动程度对传热系数的准数。程度对传热系

11、数的准数。PrcP 表示对流传热时表示对流传热时, ,体物性质对体物性质对对流传热的影响的准数。对流传热的影响的准数。Gr:表示自然对流的准数。表示自然对流的准数。223tgLGr上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30将化工生产对流传热的情况归纳如下：将化工生产对流传热的情况归纳如下：无相变无相变强制对流强制对流自然对流自然对流有相变有相变蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾圆形直管内圆形直管内圆形弯管内圆形弯管内非圆形直管内非圆形直管内de湍流湍流层流层流低黏液体低黏液体气体气体高黏液体高黏液体低黏液体低黏液体：黏度黏度22倍常温水的黏度倍常温水的黏度管外管外过度流过度流上一内容下一内

12、容回主目录O返回2022-3-30Nu=0.023Re0.8Prn上式：上式：特性尺寸为特性尺寸为L=L= d d内内；l/d60;l/d60;定性温度定性温度冷流体冷流体221tttm热流体热流体221TTTmpcdudNuPr;Re；内 流体流体( (不论液体、气体不论液体、气体) )：被加热被加热n=0.4n=0.4；流体；流体被冷却被冷却n=0.3n=0.3ndPrRe023.08 .0上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30；，层流层厚度：被加热对液体,eWRtt由实验知：由实验知：液体液体被加热时的被加热时的被冷却时的被冷却时的 ；3 . 04 . 0, 1rrrPPP3

13、. 04 . 0, 1rrrPPP为什么会有以上结果：为什么会有以上结果： 气体被加热时的气体被加热时的长管长管7 . 01dL上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-3014. 0318 . 0PrRe027. 0wd：壁温下的液体黏度；w;05. 114. 0w液体被加热95. 014. 0w液体被冷却上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30先算先算duRe判断是否过渡流判断是否过渡流：Re=2000105再算再算ndPrRe023.08 .0求出求出值；值；然后校正，校正因子：然后校正，校正因子：8 . 151061eRf强制过渡流的强制过渡流的 = f5、流体在圆形直管内强

14、制层流的、流体在圆形直管内强制层流的关联式关联式 判断是否层流：判断是否层流：Re2300Re2300，再计算：要考虑自然对流的再计算：要考虑自然对流的影响因素。影响因素。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30问题：问题：同样条件下流体在弯管和直同样条件下流体在弯管和直管内的管内的 值，哪个更大？值，哪个更大？ 校正系数校正系数f=(1+1.77d/R) f结论结论： 弯管弯管直管直管7、流体在非圆形直管内流体在非圆形直管内强制对流的强制对流的 ：特性尺寸特性尺寸= =dede计算当量直径计算当量直径dede后，再计算。后，再计算。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30自然

15、对流的传热：自然对流的传热：Nu=Nu=f(PrGrf(PrGr)=)=C(PrGr)C(PrGr)n n其中其中C C、n n值查表；不考虑值查表；不考虑ReRe的影响。的影响。问题：问题：何时的对流传热可以作为自然对流处理？何时的对流传热可以作为自然对流处理？ 大容器内，大空间的加热。大容器内，大空间的加热。 暖气加热室温，暖气外为自然对流，暖气内为强制对流。暖气加热室温，暖气外为自然对流，暖气内为强制对流。 Nu=L/=Nu=L/=C C（PrGr)PrGr)n n;C,n;C,n值查表值查表上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30 流体在对流传热的同时流体在对流传热的同时伴有相

16、变化伴有相变化，流体将吸收或放出，流体将吸收或放出大量的相变潜热，流体的温度并不变；而壁面的温度与流体大量的相变潜热，流体的温度并不变；而壁面的温度与流体不同，因此不同，因此壁面附近壁面附近的的温度梯度较大温度梯度较大，使，使相变过程相变过程的对流传的对流传热系数热系数值增大值增大。 相变过程的相变过程的影响因素复杂，因不仅涉及影响因素复杂，因不仅涉及相变潜热相变潜热、还、还涉及涉及相变速度相变速度、相变方式相变方式等。等。 例：例：在在1 1atm,100atm,100，水进行汽化与水蒸气进行冷凝，其水进行汽化与水蒸气进行冷凝，其 值不同，值不同，但在热力学计算上相同。但在热力学计算上相同。

17、同为蒸汽冷凝同为蒸汽冷凝, ,但由于壁面但由于壁面情况不同，则情况不同，则 值也不同值也不同. .上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30蒸汽冷凝过程：蒸汽冷凝过程：饱和蒸汽饱和蒸汽Ps饱和温度饱和温度Ts冷壁面冷壁面壁温壁温TW冷凝水冷凝水饱和温度饱和温度ts=Ts放出相变潜热放出相变潜热Q工业上的两种冷凝方式：工业上的两种冷凝方式：膜状冷凝膜状冷凝TW Ts冷冷壁壁面面壁面干净，冷凝液可壁面干净，冷凝液可以以润湿壁面润湿壁面，形成，形成液液膜，膜，热阻主要存在此热阻主要存在此液膜内，液膜内，热阻较大热阻较大。滴状冷凝滴状冷凝 冷冷壁壁面面TW Ts壁面不干净，冷凝液壁面不干净，冷凝

18、液不能润湿壁面不能润湿壁面，形成，形成液液滴滴，冷壁面裸露，冷壁面裸露，热阻热阻较小。较小。结论：结论： 膜状冷凝膜状冷凝 t ts s, ,气泡只在某些粗糙气泡只在某些粗糙不平的点上生成，称这些点为不平的点上生成，称这些点为汽化中心汽化中心。 生产的气泡不断由小到大，达到一定程度后，生产的气泡不断由小到大，达到一定程度后， 脱离壁脱离壁面上升，在上升过程或破裂或上升到液体面上升，在上升过程或破裂或上升到液体 表面；气泡起到表面；气泡起到剧烈扰动作用，故液体沸腾过程剧烈扰动作用，故液体沸腾过程 的的 值粗大较大值粗大较大。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30 随随t =t =t t

19、w w-t-ts s的变化，出现的不同沸腾类型。的变化，出现的不同沸腾类型。 t tw w壁温，壁温， t ts s操作压强下的操作压强下的沸点沸点。 自然对流沸腾区：自然对流沸腾区：t 5；液体自然对流，此阶段液体自然对流，此阶段 的的 较小，较小，q=Q/Sq=Q/S也小。也小。 核状沸腾：核状沸腾：t=525 t=525 ；液体内部产生大量气泡，液体内部产生大量气泡， 、q q值均较大。值均较大。 膜状沸腾：膜状沸腾： t 25t 25；气泡产生速度大于气泡脱离壁气泡产生速度大于气泡脱离壁 面的速度，面的速度，气泡在壁面形成气膜，使气泡在壁面形成气膜，使 、 q q值急值急 剧下降。剧下

20、降。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30 由由核状沸腾核状沸腾向向膜状沸腾膜状沸腾过渡的转折点，过渡的转折点，称为临界称为临界点点C C；临界点上对应临界对流膜系数临界点上对应临界对流膜系数c c, ,临界热通量临界热通量q q c c值最大值最大。 影响沸腾传热膜系数的因素：影响沸腾传热膜系数的因素： 液体的物性常数液体的物性常数、 、(表面张力表面张力)()(内因内因) )。 温差温差t =t =t tw w-t-ts s是控制沸腾的重要参数，是控制沸腾的重要参数， = =CtCtn n 。 操作压强：提高操作压强操作压强：提高操

21、作压强P PS S ，则则t ts s,液体的液体的 ，有利于生成气泡，有利于生成气泡，强化汽化速度。强化汽化速度。 加热表面的情况：表面粗糙易生成气泡。加热表面的情况：表面粗糙易生成气泡。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30是否存在对流是否存在对流( (传热方式决定是否计算传热方式决定是否计算) )是否有相变是否有相变化化:有相变有相变无相变无相变是强制对流还是自然对流是强制对流还是自然对流: : 强制对流强制对流 自然对流自然对流何种流动状态：层流还是湍流何种流动状态：层流还是湍流: : 湍动湍动 层流层流什么类型的换热面。什么类型的换热面。 小结：小结：2 . 08 . 04

22、 . 04 . 08 . 06 . 04 . 08 . 0023. 0)()(023. 0duccdudPP2 . 08 . 0duAu0.8; d-0.2(流速不变流速不变) )即增大流速与减少管径均能即增大流速与减少管径均能增大增大 值，实质是减少了层流层的厚度，增大了值，实质是减少了层流层的厚度，增大了 值。值。 在流体阻力允许的情况下，在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。的效果更为显著。上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30 值值决定于流体种类：决定于流体种类： 水溶液水溶液 有机溶液有机溶液； 液液

23、 气气 同一流体内：同一流体内： 有相变有相变 无相变无相变； 流速流速u u，管径管径d d，对对 有影响有影响不凝性气体不凝性气体( (用真空泵抽出用真空泵抽出) )及冷凝液及冷凝液( (换热器底部换热器底部) )的排除要及时，的排除要及时，否则否则 急剧急剧 下降。下降。 直管与弯管（其他条件相同）：直管与弯管（其他条件相同）： 弯管弯管 直管直管； 短管与长管（其他条件相同）：短管与长管（其他条件相同）： 短管短管 长管长管； 上一内容下一内容回主目录O返回2022-3-30化工管路化工管路为了为了减少热损失减少热损失，通常需要，通常需要保温（冷）。保温（冷）。其特点：其特点：用热阻较大的材料进行保温；因金属管路的热损用热阻较大的材料进行保温；因金属管路的热损 失相对比较小可忽略，因此管内、外壁的温度视为相同。失相对比较小可忽略，因此管内、外壁的温度视为相同。热损失随保温层厚度的增加而减少。热损失随保温层厚度的增加而减少。但对于但对于小直径金属圆管外小直径金属圆管外的的保温层厚度增加却反而使热损保温层厚度增加却反而使热损 失增