化工原理4.第四章传热

4.3对流传热4.3.1对流传热过程分析4.3.2对流传热速率4.3.3影响对流传热系数的因素4.3.4对流传热系数关联式的建立4.3.5无相变时的对流传热系数关联式4.3.6有相变时的对流传热系数关联式4.3.1对流传热过程分析如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是为什么？因为室内空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量补充不上，所以感觉冷。一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。空气的流速加大，可加快热量的传递，对流传热机理通过流体内分子的定向流动和混合而导致热量的传递。指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。传热速率与流动状况有密切关系。湍动程度越高，对流的传热速率越大热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ流体通过间壁的热交换对流传热的分类自然对流：温差引起密度差，造成流体流。

强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。传导的方式将热量传给壁面，直线关系层流，增大温度梯度，使壁面的热流密度增大流动对传热的影响湍流脉动增大的温度梯度，使壁面的热流密度增大层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0u0u0xy层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流内层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流

近壁处，流体温度显著变化的区域--温度梯度热边界层的概念

热边界层的形成过程（2）热边界层的厚度（3）热边界层的特点层内（近壁处）：集中全部的温差和热阻层外（流体主体）：等温区，无温差和热阻（4）热边界层发展过程圆管内（1）层流边界层（层流内层）内：热传导，热阻大；（2）过渡区：热传导与对流传热共同起作用；（3）湍流区（主体流动区）：充满漩涡，混合很好，对流为主，热阻小。（5）热边界层与流动边界层关系

区别：本质不同，厚度不一定相等。联系：研究问题方法相似，两者密切相关。

CombinedConvectionandConduction

hotfluidinternallayeroflaminarflowtubewallcoldfluidt1t2T1T2QTwtwstatic，ConductionLaminar,Conduction+Conventionturbulentturbulent说明：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。如何强化传热?4.3.2对流传热速率方程和表面传热系数对流传热过程的简化模型①真实模型流体主体→过渡层→层流内层对流对流,导热导热研究方法：计算各层的热流量。hotfluidinternallayeroflaminarflowtubewallcoldfluidt1t2T1T2QTwtw存在的问题：无法区分各区假设（1）在壁面附近存在一传热边界层（又称有效膜），热量以传热方式进行，在该区内集中着全部热阻，即全部温差；（2）在传热边界层外，混合很好，温度梯度已消失。（层流内层外的热阻兑换成热传导形式后的虚拟厚度），ThmTcmδL1ThwδL2δ1‘δ2‘TCW②简化模型

有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。优点：对流传热问题→导热问题t──总有效膜厚e──湍流区和过渡区虚拟膜厚──层流底层膜厚膜模型：牛顿冷却定律──对流传热系数，W/(m2·℃)流体被冷却：t=T-TW

被加热：t=tW-tTTWttWt热阻全部在此牛顿冷却定律难测定

表示了对流传热的强度。关键是如何求？实验测定因次分析Alayerofinsulationisinstalledaroundtheoutsideofacylinderwhoseradiusr1isfixedandwithalengthL.ThecylinderhasahighthermalconductivityandtheinnertemperatureT1atpointr1

2.CriticalThicknessofInsulationforaCylinderThecylinderisametalpipewithsaturatedsteaminside.TheoutersurfaceoftheinsulationatT2isexposedtoanenvironmentatT0whereconvectiveheattransferoccurs.

Todeterminethevalueofthecriticalradiusr2

Atsteadystatetheheat-transferrateQthroughthecylinderandtheinsulation:outsidearea,A=

2πr2LAsinsulationisadded

usingthetworesistances

T2

TodeterminetheeffectofthethicknessofinsulationonQ,wetakethederivativeofQwithrespecttor2,equatethisresulttozero,andobtainthefollowingformaximumheatflow:(r2)cristhevalueofthecriticalradiuswhentheheat-transferrateisamaximum.r2<(r2)cr,theincreasingofthethicknessofinsulationincreaseQ.r2>(r2)cr,,theincreasingofr2willdecreaseQ.addinginsulationonsmallelectricalwirescouldincreasetheheatloss.

AddinginsulationtolargepipesdecreasesQ.(r2)crEXAMPLEInsulatinganElectricalWireandCriticalRadiusAnelectricwirehavingadiameterof1.5mmandcoveredwithaplasticinsulation(thickness=2.5mm)isexposedtoairat300Kandh0

=20W/m2·K.Theinsulationhasaλ

of0.4W/m·K.Itisassumedthatthewiresurfacetemperatureisconstantat400Kandisnotaffectedbythecovering.(a).Calculatethevalueofthecriticalradius.(b).Calculatetheheatlosspermofwirelengthwithnoinsulation.(C)Repeat(b)forinsulationbeingpresent.

Forpart(a),Forpart(b),L=1.0m,r2=1.5/(2x1000)=0.75x10–3m,A=2πr2L.

Hence,addinginsulationgreatlyincreasestheheatloss.Forpart(c)withinsulation,r1=1.5/(2x1000)=0.75x10–3m,r2=(2.5+1.5/2)/1000=3.25x10–3m.Theseisduetor2=3.25x10–3m<0.02m重要结论

管路中常常要保温，以减少热损失，通常热损失随着保温层厚度的增加而减少在小直径管外包扎性能不良的保温材料，随保温层厚度的增加，可能反而使热损失增大：习题：有ф25×2的蒸汽管道,管内饱和蒸汽温度为130℃,管外包一层导热系数为0.8w/m2.℃的保温层,保温层外面的大气温度为30℃空气的传热膜系数为10w/m2℃,蒸气的传热膜系数为10000w/m2.℃试问:1.是否在任何条件下都是保温层越厚,热损失减少?2.最佳的保温层的r为多少?

问答题？在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在？，减少热阻的最有效措施是？提高流体湍动程度。1．一杯开水（100℃）置于20℃的静止空气中，问杯子两侧流体的传热各属何种类型？哪一侧热阻大？2．若将杯子浸在20℃的冷水中（两流体不直接接触），能否增强传热？理由？3．仍置于空气中，但使杯外的空气流动，问能否增强传热？理由？4．对1的情况，对杯中流体加以搅动，问是否比2、3两种办法有效呢？1．均为自然对流，气侧还有辐射，空气侧热阻大；2．能增强传热，因为水的对流传热系数比空气大；3．能增强传热，因为强制对流的对流传热系数比自然对流大4．主要热阻在空气侧，故2，3效果较好，4不及2，3⑴流体物性，主要是比热容、导热系数、密度和黏度；⑵流体的流动状态；⑶流动的原因是强制对流还是流体自然对流；⑷传热面的形状、位置和大小；⑸传热过程中有无相态变化。影响对流传热系数的因素4.3.3影响对流传热系数的因素1、引起流动的原因α自然对流<α强制对流强制对流：外部机械作功，一般流速较大，α也较大。

自然对流：由流体密度差造成的循环过程,一般流速较小，α也较小。代价：动力消耗↑。2、流体流动状态热流体冷流体thtcth,wtc,wQQ流体通过间壁的热交换tα层流<α湍流定性温度：计算表面传热系数的特征温度

3、流体的物性

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，使增大。4、传热面的形状、位置和大小

有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，

无相变传热：强制对流、自然对流，

一般地，有相变时表面传热系数较大。例：水强制对流，

蒸汽冷凝，5相变化的影响α值范围空气自然对流：5～25W/(m2·℃)气体强制对流：20～100W/(m2·℃)水自然对流：20～1000W/(m2·℃)水强制对流：1000～15000W/(m2·℃)水蒸气冷凝：5000～15000W/(m2·℃)有机蒸汽冷凝：500～2000W/(m2·℃)水沸腾：2500～25000W/(m2·℃)4.3.4对流传热系数关联式的建立无相变化时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析过程①优点：减少实验次数；②依据：物理方程各项量纲一致；③步骤：：1、因次分析

基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定理（8-4）=4，可知有4个无因次数群。＝f(u，l，，，cp，，gt)①努赛尔数说明：▲反映对流传热的强弱，包含表面传热系数▲努赛尔数恒大于1。l：特征尺寸，平板——流动方向的板长；管——管径或当量直径；2、特征数的物理意义

说明：反映流动状态对的影响。②雷诺数

③普朗特数说明：

▲

反映流体物性对传热的影响▲反映热扩散和动量扩散的相对大小▲反映流动边界层和热边界层的相对厚度使用时注意：

*查取定性温度下的物性；*计算所用单位，SI制。说明：反映自然对流的强弱程度。

④Gr（浮升力特征数）强制对流自然对流混合对流准数式符号名称意义Nu努塞尔特准数(Nusselt)表示对流传热强弱程度的准数Re雷诺准数(Reynolds)反映流体流动湍动程度的准数Pr普兰特准数(Prandtl)反映物性对传热影响的准数Gr格拉斯霍夫准数(Grashof)反映自然对流强弱程度的准数用无因次准数方程形式表示下列各传热情况下诸有关参数的关系无相变对流传热自然对流传热强制对流传热问答题实验测定强制湍流：Nu＝CRemPrn（1）采用不同Pr的流体，固定Re

lgNu＝nlgPr＋lgCRem双对数坐标系得一直线，斜率为n（2）不同Pr的流体在不同的Re下

lg(Nu/Prn)＝mlgRe＋lgC

在双对数坐标系中得一直线

斜率为m，截距为CPrNunReNu/PrkCa4、使用关联式的注意事项（2）特征尺寸l:管内径、管外径、平板高度

（3）适用范围（1）确定物性参数数值的温度称为定性温度关联式无相变有相变自然对流强制对流湍流过渡区层流蒸汽冷凝液体沸腾管内、外直、弯管圆或非圆形一、流体在管内的强制对流适用范围：

Re>10000，0.7<Pr<120，<2mPa·s，l/d>604.3.5无相变时的对流传热系数关联式自学1．圆形直管内的湍流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1

管内强制对流Nu/Pr0.4与Re的关系Nu/Pr0.4Re1（1）管内强制对流传热一般关系式：流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3定性温度液体特性尺寸：di气体强化措施：

d一定,u0.8，u

u一定，1/d0.2，d

以下是对上面的公式进行修正：（1）高粘度液体适用范围：Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>60定性温度：tm特性尺寸：di（2）l/d<60（3）过渡区（2000<Re<10000)（4）弯曲管内校正系数校正系数校正系数（5）非圆形管内强制湍流套管换热器环形界面内传热:适用范围：1.2104<Re<2.2105；d2/d1=1.65~17

d1——内管外径，d2——外管内径适用范围：当定性温度：特性尺寸：di2.圆形管内强制层流【例】质量流量为8.32kg/s的苯通过由38根φ25×2.5mm钢管组成的列管换热器。20ºC的苯通过管内并被加热到80ºC。求管壁对苯的传热系数。当苯的流量提高50%时，传热系数有何变化？解：苯的平均温度tm由苯的平均温度查得：密度ρ=860kg/m3比热cp=1.8kJ/kg·ºC粘度µ=0.45cp导热系数λ=0.14W/m·ºC苯在列管内的流速忽略温度变化对物性的影响，当苯流量增加50%时，传热系数为α´流动阻力增加了多少？二、管外强制对流1.流体在管束外垂直流过整个管束：适用范围：特征尺寸：do

定性温度：单列管：2．流体在列管换热器壳程的流动挡板形式：圆形圆缺形目的：增强壳程流体的湍动，提高圆缺形：

特征尺寸：de定性温度：正方形正三角形d0tt适用范围：u按流过管间最大截面积计算：h——两挡板间距离D——外壳内径提高壳程的措施：3）加强湍动，2）1）有相变对流传热的特点①相变过程中产生大量相变热（潜热）；例：水4.4.4有相变化的对流传热②相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；③分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。特点：蒸气与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化热。蒸气冷凝进行加热的优点：①具有恒定的温度，操作时易于控制；②表面传热系数大。蒸汽冷凝(1)蒸汽冷凝机理界面层分子与内部分子受力不同lg将液体滴到固体表面上，若不铺展，将形成一平衡液滴，其形状由固液气三相交界面处所作气液界面之切线经液滴至固液界面所成之夹角决定，此角称为该种液体在所研究固体表面上之接触角，Young方程或润湿方程。γsgγlgγsl气液固γsgγlgγsl气液固<90不润湿，

>90接触角与各个界面张力润湿，膜状滴状壁面冷凝的存在形态

①膜状冷凝

冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面。②滴状冷凝

冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，合并成较大的液滴而脱落。有裸露壁面，直接传递相变热。膜状冷凝滴状冷凝比较两种冷凝方式的表面传热系数

滴状冷凝＞膜状冷凝，相差几倍到几十倍，但工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝表面传热系数

①研究：垂直管外或壁面的膜状冷凝；方法：真实模型→简化模型→数学模型求解。◆膜状冷凝的真实过程◆简化的物理模型①液膜很薄，层流流动，传热方式为导热，温度分布为线性；②蒸汽静止，汽-液界面无粘性应力；③汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度tδ=ts；④冷凝液为饱和液体,冷凝潜热。yx努塞尔特膜状冷凝简化模型修正后

定性尺寸：

H取垂直管或板的高度。定性温度：

蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物性取液膜平均温度。应用范围：若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：若膜层为湍流（Re＞2100）时滞流时，Re值增加，α减小；湍流时，Re值增加，α增大；Re=20000（2)蒸汽在水平管外冷凝

单根水平管

（b）水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和错排两种：12342123第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的影响，表面传热系数依次下降。

水平管束的排列及其对冷凝液膜厚度的影响管排数不同时，

▲

采用平均管排数：▲近似取壳体直径上的管根数NTc（c）水平管内冷凝

特点：考虑蒸汽流速对α的影响（1）蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出，可采用管外冷凝公式计算。（2）当蒸汽速度较大时，可能形成两相流动，应参考有关公式。3影响冷凝传热的因素a）冷凝液膜两侧的温度差△t

当液膜呈滞流流动时，若△t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。

层流：t=ts－tWb）流体物性

冷凝液

r

c)蒸汽的流速和流向（u>10m/s）蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流动，α减小，摩擦力超过液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，α急剧增大；

同向时；反向时；ud)蒸汽中不凝气体含量的影响

蒸汽凝液不凝气α气体《蒸气α空气自然对流：5～25W/(m2·℃)气体强制对流：20～100W/(m2·℃)水蒸气冷凝：5000～15000W/(m2·℃)蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。定期排放不凝气e)冷凝壁面的影响若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。冷凝面的表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。强化措施——减少液膜的厚度开纵向沟槽；采用错列；安装金属丝或翅片包括冷却和冷凝两个过程蒸汽的温度大于该压力下饱和蒸汽的温度时就是过热蒸汽了

传热量=蒸汽的显热+潜热。过热蒸汽先被冷却至饱和温度，然后再在液膜表面冷凝，液膜表面仍为饱和蒸汽温度。r'=r+cp(tv-ts)其中cp为过热蒸汽比热，tV为过热蒸汽温度。r'>r，过热蒸汽的冷凝传热系数要比饱和蒸汽冷凝时的大，两者相差不明显当壁温Tw高于蒸气饱和温度时，壁面上无冷凝发生，此时的传热过程与普通的对流传热完全相同过热蒸汽

沸腾分类：

①按设备尺寸和形状不同池式沸腾poolboiling（大容积饱和沸腾）；强制对流沸腾flowboiling（复杂的两相流，管内沸腾。

液体在管内或沿一加热表面强制流动的同时，被加热沸腾。管内沸腾时壁面形成的气泡不能自由浮动，而是和液体混杂在一起强制流动，产生复杂的两相流，沸腾和流动两种现象相互影响。液体沸腾

过冷沸腾：液体主体温度t<ts，

气泡进入液体主体后冷凝。

饱和沸腾：t≥ts，

气泡进入液体主体后不会冷凝。液体主体

t≥ts

液体主体

t<ts根据管内液流的主体温度是否达到相应压力下的饱和温度，还可分为问题：1、为什么气泡只在加热面个别地方产生？2、气泡是如何产生的？主要特征：液体内部有汽泡产生，气泡产生和运动情况，对α影响极大。

液体主体

t液体沸腾机理及其影响因素表面自由能（表面张力）：单位液体上的物质比起在液体体相内自由能的增量，故这是一过剩量（超量）。mJ·m-2，mN/m。界面层分子与内部分子受力不同lg水的表面张力：72mN/m起泡剂的表面张力：<40mN/ma）汽泡能够存在的条件：

abcd气泡的生成过程气泡的力平衡pLpvrσσ液体中的气泡气泡是球形的，气泡内部的压力为Pv，周围液体的压力为PL，液体的表面张力为σ，

必须有汽化核心汽泡产生的条件

液体必须过热提供必须的汽化热量

说明：●

无汽化核心，气泡不会产生；●液体过热度增大，汽化核心数增多。汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，

气泡能附着在其周围生长。气泡的产生过程及其沸腾曲线过热度↑，汽化核心数↑，气泡产生和长大的速度↑，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数↑。0.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区不稳定膜状沸腾温度差和表面传热系数关系Δt=(tw-ts)/℃实验条件:大容积、饱和沸腾。

工业上：核状沸腾不稳定—CD段；250C>t>25C；t稳定—DE段t>250C

；t（t高，热辐射影响大）优点：tW小，大（1）自然对流区——AB段t<5C；t稍（2）核状沸腾区——BC段25C>t>5C；t（3）膜状沸腾区

3.沸腾传热的影响因素及强化措施（1）液体的性质强化措施：加表面活性剂使液体的（2）温差在核状沸腾阶段，t

（3）操作压强液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热（4）加热面

粗糙壁面,气泡核心愈多，

↑，光滑的壁面,↓；

被油脂污染的壁面,↓，清洁表面,↑；

水平管束沸腾传热，上排管

↓。强化措施：在表面烧结金属粒沸腾传热膜系数

参看有关手册，管外沸腾传热更为常用。（a）水在105~4×105Pa压力下的核状沸腾（b）不同液体在不同清洁面上的核状沸腾对流传热小结量纲分析法纯经验式实验测定注意：1.根据处理对象的具体特点选择适当公式2.注意应用范围、特征尺寸、定性温度3.不同情况下物理量对α的影响4.正确使用各物理量的单位5.数量级，对计算结果判断和分析【例】质量流率为0.9kg/s的空气通过有每行20根共20行管所组成的φ14×1mm管束，被烟道气加热，已知空气进出口平均温度的物性参数为：µ=1.98×10-5N·s/m2

λ=0.029W/m·Kcp=1.0×103J/kg·K。求空气与管壁的对流表面传热系数。若空气质量流率加倍，其他条件不变，此时的对流表面传热系数为若干。解：空气的流通截面积质量流速当空气质量流率增加一倍，其他条件不变【例】某单管程单壳程列管式换热器由48根φ25×2.5mm的钢管组成，壳内径为0.5m，质量流量为150kg/s的煤油在壳程中流动。用冷却水冷却，已知定性温度下煤油的物性参数为：

λ=0.14W/m·Kµ=0.002N·s/m2

cp=2.09×103J/kg