第四节对流传热

1、第四节第四节 给热系数给热系数一、对流传热速率方程一、对流传热速率方程牛顿冷却定律牛顿冷却定律1tQA tA 牛顿冷却定律牛顿冷却定律ttAQWtWTTTAQ热流体：热流体：冷流体：冷流体：解决方法：研究各种对流传热情况下的大小、影响因素及计算式。 牛顿冷却定律存在的问题：1.牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题，但它并非理论推导的结果，而是一种推论，即假设单位面积的传热速率与温差成正比。2.该公式形式虽然简单，但它并未揭示对流传热过程的本质，并未减少计算困难，只不过将所有复杂的因素都转移到对流传热系数中，实质上是将矛盾集中到对流传热系数。研究对流传热问题的核心1tQA tA tA 2.反映了

2、对流传热的快慢,愈大表示对流传热愈快。二、对流传热系数对流传热系数的定义式2/QW mCA t意义:3.不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。1.在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。表5-8 值的范围换热方式空气自然对流气 体 强制对流水自然对流水强制对流水 蒸 汽冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾W/(m2.)5252010020100010001500050001500050020002500250003)实验方法实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。1. 的获得主要有三种方法：的获得主要有三

3、种方法：1)理论分析法理论分析法：建立理论方程式，用数学分析的方法求出建立理论方程式，用数学分析的方法求出 的精的精确解或数值解。目前只适用于一些几何条件简单确解或数值解。目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。三三. 对流传热系数的确定对流传热系数的确定2)类比方法类比方法：把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。量传递过程。传热学及传递过程的研究内容实验表明：实验表明：与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因

4、素有关。状况等诸多因素有关。 2. 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素:1) 流动状态：流动状态：层流和湍流的传热机理有本质的区别层流和湍流的传热机理有本质的区别层流层流: 传热基本上依靠分子扩散作用的导热方式传热基本上依靠分子扩散作用的导热方式, ,质点无混杂运动。质点无混杂运动。湍流湍流: 湍流主体的传热为涡流作用引起的热对流，湍流主体的传热为涡流作用引起的热对流，质点呈混杂运质点呈混杂运动，传热充分。但动，传热充分。但在壁面附近的层流内层中仍为热传导。在壁面附近的层流内层中仍为热传导。层流湍流2) 对流情况：对流情况：自然对流，强制对流自然对流，强制对流 ( (流动和传热规律不

5、同流动和传热规律不同) )自然对流：自然对流：流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。引起流体质点的相对位移。强制对流强制对流: 外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体流动。外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体流动。u u影响影响大。大。自然对流强制对流几十）（几均与相态，温度均与相态，温度 t 和压力和压力 p有关有关4) 传热面的形状，位置和大小传热面的形状，位置和大小传热面传热面大小：大小：流道尺寸（管径，管长，板高和进口效应）5) 传热有、无流体相变情况传热有、无流体相变情况无相变有相变传热面位置传热面位置：(水平,

6、垂直), 管束排列方式传热面传热面形状：形状：圆管,平板,环隙，翅片形式等流体有无相变化，对传热有不同的影响流体有无相变化，对传热有不同的影响有流体相变：有流体相变：如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液体在热壁面上的沸腾如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液体在热壁面上的沸腾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：3) 流体的性质流体的性质(Cp , ,，)层流湍流3. 各种情况下对流传热系数求算的特征数关系式各种情况下对流传热系数求算的特征数关系式1 1）特征数关系式通式）特征数关系式通式因次分析法因次分析法 由实验可知流体无相变时：由实验可知流体无相变时：pf ulCg t、 、 、 、

7、、基本因次：基本因次：长度长度L，时间，时间 ，质量，质量 M，温度，温度T变量总数：变量总数：8个个由由 定律（定律（8-4）=4，可知有，可知有4个无因次数群。个无因次数群。322bcapCllulgtK l特征尺寸则有无相变，强制对流强制对流：无相变，自然对流自然对流：Re PrabcNuKGr0,Re PrabcNuK0,PrbcaNuKGr表 5-9 特征数的名称、符号和含义准数名称符号准数式含义努赛尔特数(Nusselt number)Nu表示对流传热系数的准数雷诺数(Reynolds number)Re流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响普兰特数(Prandtl number

8、)Pr表示流体物性对对流传热的影响格拉斯霍夫数(Grashof number)Gr表示自然对流对对流传热的影响2 2）各特征数（准数）的特点及意义）各特征数（准数）的特点及意义LNuRelu322lgtGrPrpC也可取壁温3.3.讨论讨论经验关联式应用的几点注意事项经验关联式应用的几点注意事项: :a.a.适用范围适用范围 由于关联公式是在不同实验条件下得到的由于关联公式是在不同实验条件下得到的, ,故应用时应根据故应用时应根据实际情况选用相应的公式实际情况选用相应的公式, ,且准数范围不能超出规定。且准数范围不能超出规定。b.b.特征特征( (定性定性) )尺寸尺寸: : 常以对传热发生重

9、要影响的设备尺寸定量如对管道: 一般取d,或de (非圆管道)对平壁: 一般取厚度或高度 (长度)c.c.物性的定性温度物性的定性温度 因物性随温度变化，在传热过程中，流体在不同位置温度不因物性随温度变化，在传热过程中，流体在不同位置温度不同，物性随之变化。同，物性随之变化。一般取法一般取法：进、出口流体的算术平均值122mtttwt作定性温度。或膜温2mwttnNuPrRe023.08 .00.80.023npiiCd ud式中:流体被加热时 n = 0.4 流体被冷却时 n = 0.3(1). 圆直管内强制湍流(低粘度液体及气体) 1. 流体在管内作强制对流传热流体在管内作强制对流传热五、

10、流体无相变时对流传热系数的经验关联式五、流体无相变时对流传热系数的经验关联式p 应用条件:Re 104 20 cP0.6 Pr 160 （也有 0.7 Pr 50 （也有 l/d 60）p 定性温度：流体进、出口算术平均温度p 特征尺寸：管内径221tttm u ,u0.8 d , 1/d0.2 流体物性的影响，选流体物性的影响，选 大的流体大的流体 强化措施：增大流速，减小管径强化措施：增大流速，减小管径8 . 018 . 02 . 08 . 08 . 0023. 0)()(023. 0nnpnpcducdud0.80.2iud 思考：思考： 与与u、d有何比例关系？有何比例关系？p 提高管

11、内对流传热系数的措施：提高管内对流传热系数的措施：（2）圆直管中强制湍流（高粘度流体）应用范围：Re 104; 0.6 Pr 50 特性尺寸：管内径。定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。当壁温难以确定时 / 壁 可按以下处理：气体（加热、冷却） / 壁 = 1.0液体被加热 / 壁 = 1.05液体被冷却 / 壁 = 0.9510.140.830.027piiCd ud壁（4）弯形圆管中强制湍流时对流传热系数先求出Re ，再根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公式计算。 最后乘以弯管效应校正系数11.77dR内弯曲R弯 管道的弯曲半径适应条件： Re = 12000

12、220000其余同上：（3）短管中强制湍流时对流传热系数0.711dfl内当l/d 60时，根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公式计算。 最后乘以管入口效应校正系数（5）过渡流时圆直管中对流传热系数原则原则: 按相应情况下湍流（高、低粘度）公式计算，乘以校正按相应情况下湍流（高、低粘度）公式计算，乘以校正因子因子f2即可。即可。521.86 101Ref 应用条件: Re = 2300 10000其余同上应用范围： Re 2300 ， 0.6 Pr 6700 ， Gr 5010.1431.86 Re PrdNul壁定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术 平均值。特性尺寸：管内

13、径。当 Gr 25000时，自然对流的影响不可忽略上式按 校正系数相乘予于修正。1310.8(10.05)fGr（6）圆直管内强制层流流时的对流传热系数(7) 非圆形管强制湍流1) 1) 当量直径法当量直径法2) 2) 直接实验法直接实验法套管环隙套管环隙 : : 水水- -空气系统空气系统318 . 05 . 012PrRe)(02. 0ddde适用范围：适用范围： 12000Re100即达到湍流即达到湍流正方形排列正方形排列：正三角形排列：正三角形排列：0202)785. 0(4ddtde0202)785. 023(4ddtded0tt当量直径当量直径de要根据管子的排列方式而定：要根据管

14、子的排列方式而定：)1 (tdhDSo流速流速u u按流通截面最大处的截面计算：按流通截面最大处的截面计算：式中式中 h两块折流挡板间距离，两块折流挡板间距离，m； D换热器壳径，换热器壳径，m； do管子的外径，管子的外径，m； t相邻两管中心距相邻两管中心距，m。45. 055. 0edu由由14. 055. 03/114. 055. 03/1)()(36. 0RePr36. 0WepeWudcdNu可得：可得：p 提高壳程对流传热系数的措施：提高壳程对流传热系数的措施：注意：注意：换热器无折流挡板时，壳体流体平行换热器无折流挡板时，壳体流体平行流过管束，对流给热系数按流过管束，对流给热系

15、数按管内强制对流计管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径算，但管子的内径换为当量直径。所以：提高壳程对流传热系数的措施：所以：提高壳程对流传热系数的措施：f2h, u u ; u流动阻力但 ed3）加强湍动，加强湍动，2）1）七、大空间的自然对流传热七、大空间的自然对流传热 Pr),(GrfNu nGrCNuPr)(注意：注意： C,n与传热面的形状（管或板）、放与传热面的形状（管或板）、放 置位置（垂直、水平）有关。置位置（垂直、水平）有关。表表5-125-12定性温度：定性温度：膜温膜温特征尺寸：特征尺寸：垂直的管或板为高度垂直的管或板为高度 水平管为管外径水平管为管外径npctlgl

16、C)(232例例5-17 有一垂直蒸汽管，外径有一垂直蒸汽管，外径100mm，长，长3.5m，管外壁，管外壁温度为温度为110。若周围空气温度为。若周围空气温度为30 ，试计算单位时间，试计算单位时间内由于自然对流散失于周围空气中的热流量。内由于自然对流散失于周围空气中的热流量。分析：分析：（1）确定流动型态）确定流动型态-自然对流自然对流QQA t自然对流自然对流nGrCNuPr)(GrPr322lgtGr定性温度（膜温）定性温度（膜温）问题：问题： 怎么求？怎么求？Nu复复 习：对流给热系数的计算：习：对流给热系数的计算：一、无相变对流给热系数的计算一、无相变对流给热系数的计算自然对流自然

17、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无相变无相变p 公式不要求记住，但是公式不要求记住，但是要会查要会查，知道公式的，知道公式的每一项物理每一项物理意义意义。p 每一个公式要知道每一个公式要知道适用范围，特性尺寸以及定性温度适用范围，特性尺寸以及定性温度。九、九、 流体有相变时的对流传热流体有相变时的对流传热1.蒸汽冷凝时的状况膜状滴状产生原因：冷凝壁有润湿作用，形成冷凝液膜特点：传热阻力集中于膜中，导热系数小， 热阻大，故给热系数小。产生原因：壁面无润湿作用（光滑）。特点：传热阻力小，给热系数大。过程比较:5 10滴冷膜冷一）蒸汽冷凝传热系数冷凝方式故冷凝器的

18、设计总是按膜状冷凝来处理无相变相变 热流方向 蒸汽 ts 热流方向 蒸汽 ts膜膜滴滴 工业上遇到的大多数是膜状冷凝(1)蒸汽在水平管外的膜状冷凝时的对流传热系数13240.725r gdt 02.蒸汽冷凝的对流传热系数经验关联式(2)蒸汽在垂直管板上膜状冷凝时的对流传热系数层流:Re180012330.420.0077Reg定性温度：膜温特征尺寸：2wsttt0d13242 30.725r gndt 外单管：单管：管束：管束：n水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（ts下），kJ/kg。特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温 4Rel tr例例5-18 101.3kPa（绝）下的水蒸气在单根

19、管外冷凝（管内通（绝）下的水蒸气在单根管外冷凝（管内通空气作为冷却剂）。管径空气作为冷却剂）。管径100mm，管长，管长1.5m，管壁温度为，管壁温度为98。（1）若管垂直放置，试计算蒸汽冷凝时的给热系数。）若管垂直放置，试计算蒸汽冷凝时的给热系数。（2）若管水平放置，重新计算冷凝给热系数。）若管水平放置，重新计算冷凝给热系数。分析：分析：（1）垂直放置）垂直放置判断层流或者湍流判断层流或者湍流12341.13grH t, , ,r Ht定性温度（膜温）定性温度（膜温）特性尺寸（长度）特性尺寸（长度）swttt 4Rel tr验验证证Re1800（2）水平放置）水平放置, , ,r 0dt定性

20、温度（膜温）定性温度（膜温）特性尺寸（管外径）特性尺寸（管外径）swttt 13240.725r gdt 01400.725()1.13Hd更简捷的求法？更简捷的求法？具体解题过程见具体解题过程见P178页例页例5-19 单组分饱和蒸汽冷凝时，气相内温度均匀，都是饱和温度，单组分饱和蒸汽冷凝时，气相内温度均匀，都是饱和温度，没有温度差，故热阻集中在冷凝液膜内。因此没有温度差，故热阻集中在冷凝液膜内。因此对一定的组分，液对一定的组分，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键因素。膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键因素。凡是有利于凡是有利于减薄液膜厚度的因素都可提高冷凝传热系数减薄液膜厚度

21、的因素都可提高冷凝传热系数。这些因素为。这些因素为:（2）流体物性:由膜状冷凝传热系数计算式可知3影响冷凝传热的因素膜t（1）冷凝液膜两侧的温度差:当液膜呈滞流流动时，都影响冷凝传热系数。r物性: 、 、 、（3）蒸汽的流速和流向:蒸汽和液膜同向流动:蒸汽和液膜逆向流动:摩擦力将是液膜加速，厚度减薄，但这种力若超过液膜重力，液膜会被蒸汽吹离壁面，（4）蒸汽中不凝气体含量的影响：蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有空气或其它不若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气体（凝性气体，则壁面可能为气体（小）层所遮盖，增加了一小）层所遮盖，增加了一层附加热阻，使层附加热阻，使急剧下降。因此在急

22、剧下降。因此在冷凝器的设计和操作中冷凝器的设计和操作中，都必须考虑排除不凝气。，都必须考虑排除不凝气。（5）冷凝壁面的表面情况：冷凝壁面的表面情况：对对的影响也很大，若壁面粗糙不平的影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，则会使膜层加厚，增加膜层阻力，因而或有氧化层，则会使膜层加厚，增加膜层阻力，因而降低降低 （6）冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响：a.垂直壁面（板或管）垂直壁面（板或管）若沿冷凝液流动方向的尺寸增大，沿途积存的液体增多，则若沿冷凝液流动方向的尺寸增大，沿途积存的液体增多，则液膜增厚，使液膜增厚，使下降，但当高度尺寸增至某一程度时，液膜进下降，但当高度尺寸增至某一程度时，液膜进入湍流

23、，入湍流，有开始增大。有开始增大。问题：冷凝液面从上面各排流到下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的比上排的要低。故在设计和安装冷凝器时，应正确安放冷凝壁面。b.水平布置的管束:措施:为了减薄下面管排上液膜的厚度，一般需减少垂直列上的管子数目，或把管子的排列旋转一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流过，如图片4-29所示。1. 沸腾过程：沸腾过程：对液体加热时，有液相变为气相的过程，即在液体内部产生气泡或气膜，因液体沸腾时必伴有液体流动，故属于对流传热过程。二）液体沸腾时对流传热系数二）液体沸腾时对流传热系数大容积沸腾：大容积沸腾：将加热表面浸入液体的自由表面之下，液体在壁面受热沸腾。管内

24、沸腾：管内沸腾：液体在管内流动过程中于管内壁发生的沸腾。其传热机理要较大容积沸腾复杂得多。工业上的液体沸腾主要有两种：本节主要讨论大容积沸腾，至于管内沸腾，请参阅有关专著。加加热热大容积沸腾时，热通量大容积沸腾时，热通量q和和的大小取决于加热壁面温度与液体饱的大小取决于加热壁面温度与液体饱和温度之差和温度之差 2.液体沸腾曲线Swttt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； 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下图为常压下水在池内沸腾时的热通量下图为常压下水在池内沸腾时的热通量 q=Q/A、与与 t 之间的之间的关系曲线。关系曲线。沸腾过程大致分三个阶段沸腾过程大致分三个阶段:自然对流阶段:KtttSw50核状沸腾阶段:Kttt