化工原理---传热.第二讲-2015.5.6(公开课)

1、第四节第四节 对流传热对流传热工程定义：流体与固体壁面之间的传热称为对流传热12管壁内侧管壁内侧热流体热流体对流对流)(1)1(Qt2t1T1T2对流对流对流对流 传导传导冷冷流流体体Q热热流流体体管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧热传导热传导)(2)2(Q冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧对流对流)(3)3(Q稳态传热：稳态传热：QQQQ 321一、对流传热过程分析一、对流传热过程分析3ttWTWTA2A1传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T tl 湍流主体湍流主体温度梯度小，热对流为主温度梯度小，热对流为主l 层流内层层流内层温度梯度大，热传导为主温度梯度大，热传导为主l 过渡区域过渡区域热传

2、导、热对流均起作用热传导、热对流均起作用l 传热有效膜传热有效膜所有阻力集中在一虚拟膜所有阻力集中在一虚拟膜层（厚度层（厚度）中，并按热传）中，并按热传导处理导处理一、对流传热过程分析一、对流传热过程分析5层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层传热方式热传导热传导和对流对流1. 对流传热分析温度梯度 较大居中较小热阻 较大居中较小 对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。6式中式中 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数，热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)；膜系数膜系数 T 、TW、t、tW 热、冷流体的

3、热、冷流体的平均平均温度及温度及 平均平均壁温，壁温，。 )(11WTTSQ)(22ttSQW冷流体：冷流体：热流体：热流体：牛顿冷却定律牛顿冷却定律简化假定：认为全部阻力都集中在厚度的有效膜内的有效膜内故：tSQ令：/得：tSQ二、对流传热速率方程式二、对流传热速率方程式7tSQ物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2)；反映对流传热的快慢， 越大，对流传热越快；不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。83.3.2 对流传热系数 KmWKmW22/10020/255：强制对流自然对流 KmWKmWKmWKmW22

4、22/250002500/150005000/150001000/1000200：水沸腾蒸汽冷凝强制对流自然对流空气中水中无相变有相变 自然强制 gl 总之： KmWKmW22/2000500/150050：蒸汽冷凝强制对流油类中的量级三、影响对流传热系数三、影响对流传热系数 的因素的因素1.1.流体的性质流体的性质影响影响 较大的物性有：较大的物性有：1. ，Re，;2. ，Re， ;3. ， ;4. cp，cp，cp：比热容：体积膨胀系数5. ，al ag， a相变 a非相变2.2.流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况: : 蒸汽冷凝、液体沸腾3.3.流体的流动状态流体的流动状态a

5、湍流 a层流4.4.引起流动的原因引起流动的原因a强制对流 a自然对流5.5.流体温度流体温度6.6.传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形 排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。10三、影响对流传热系数三、影响对流传热系数 的因素的因素四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式 固体表面与不发生相变化的流体间的对流传热过程，影响固体表面与不发生相变化的流体间的对流传热过程，影响此过程的因素有：此过程的因素有： 液体的物理性质：液体的物理性质： ， ， ，cp 固体表面的特征尺寸：固

6、体表面的特征尺寸：l 强制对流的流速：强制对流的流速：u 自然对流的特征速度：自然对流的特征速度： 在对流传热中，获得传热系数的最常用的方法是用因次在对流传热中，获得传热系数的最常用的方法是用因次分析将影响对流传热的因素无因次化，通过实验决定无因次分析将影响对流传热的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。准数之间的关系。tg 11变量总数：变量总数：8个个基本因次基本因次4个：长度个：长度L，时间时间T，质量质量M，温度温度 根据根据定律，定律，无量纲特征数无量纲特征数（8-48-4）=4=4),(tgClufp无相变时无相变时定律定律对于对于u u个基本单位给出的个基本单位给出的q

7、 q 个物理量，它们之间的关系个物理量，它们之间的关系可以通过可以通过 q qu u 个无量纲单位组合数组成一个函数式来个无量纲单位组合数组成一个函数式来进行表达。进行表达。四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式12cbaGrKNuPrRe lNu luRepcPr223tlgGrcbpatlgcluCl)()()(223雷诺数，流动型态对对流传热的影响格拉晓夫数，自然对流对对流传热的影响努赛尔数，对流传热系数的特征数普朗特数，流体物性对对流传热的影响1314四个特征数及其意义四个特征数及其意义 1. 1. 雷诺数雷诺数ReRe：表征流体运动状态的影响。：表征流体运动状态的影响。

8、 2. 2.努塞尔数努塞尔数NuNu：/llNu相当于给热过程以纯导热方式进行时的传热系数，相当于给热过程以纯导热方式进行时的传热系数，Nu反映对流使传热系数增大的倍数。反映对流使传热系数增大的倍数。PcPr反映物性对给热过程的影响。反映物性对给热过程的影响。气体的气体的Pr值大都小于值大都小于1，液体，液体Pr值常大于值常大于1。3. 普朗特数普朗特数Pr：154.4.格拉晓夫数格拉晓夫数GrGr222223lTlgTlgGrTlgun22222)(RennulGr自然对流的特征速度自然对流的特征速度显然，显然，Gr是雷诺数的一个变形，它表征着自然对流的是雷诺数的一个变形，它表征着自然对流的

9、影响。影响。四个特征数及其意义四个特征数及其意义一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)简化：强制对流简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr)使用准数关联式时注意：使用准数关联式时注意：定性温度的取法：2特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。管内强制对流传热，如为 圆管，特征尺寸取管径d；如非圆形管，通常取当量直径dede=4(流动截面)/润湿周边2) 1 (21tttm3准数关联式的适用范围。1确定物性参数数值的温度称为定性温度。四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式1617五五. .无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式20

10、80.du dNu pcPr 思考： 与u、d有何比例关系？（4-70）1）流体在圆形管内作强制湍流18 特征尺寸为管内径di 流体被加热时，n0.4；被冷却时，n0.3。221tttm注意事项： 定性温度取强化措施：强化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响，选大的流体 8 . 018 . 02 . 08 . 08 . 0023. 0)()(023. 0nnpnpcducdud19200.80.023nNuRePr 情况流体被加热被冷却液体气体被冷却情况怎样？思考：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？层流底层温度高于平均温度, 减小,层流底层变薄, 变大。Pr1; Pr

11、0.4Pr0.3层流底层温度高于平均温度, 更大,层流底层更厚, 更小。Pr1; Pr0.410000，0.7Pr60定性温度取tm：除 取壁温外特征尺寸为di：管内径高粘度高粘度 w21l/d60 过渡流过渡流（2300Re10m/s ） 同向时， ；反向时， ； u （4）不凝气体 ： 不凝气体存在，导致 ，定期排放。（5）冷凝壁面的影响： 沿冷凝液流动方向上液膜增厚， 29 3.膜状冷凝传热的强化减薄冷凝液液膜厚度；l 选择正确的蒸汽流动方向；l在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等。30七、液体沸腾时的对流传热（自学）七、液体沸腾时的对流传热（自学）沸腾沸腾管内沸腾管内沸腾大容器内沸腾大容器内沸腾沸腾必要条件沸腾必要条件： 过热度过热度 t =（tts）0 存在汽化核心存在汽化核心1 1、大容器饱和沸腾现象、大容器饱和沸腾现象 推动力推动力 （twts） 沸腾三个阶段：沸腾三个阶段： 自然对流、核状沸腾、自然对流、核状沸腾、 膜状沸腾膜状沸腾水沸腾曲线水沸腾曲线ABCD31水沸腾曲线水沸腾曲线ABCD Ct 5液体轻微过热液体轻微过热自然对流自然对流无气泡无气泡 很小很小AB段段 自然对流自然对流 Ct 255 局部产生气泡局部产生气泡气泡上升气泡上升 液体扰动液体扰动 BC段段 核状沸腾核状沸腾 气泡增多气泡增多 气泡产生速度气泡产生速度脱离表面的速度脱离表面的速