第四节对流传热

第四节对流传热2023/4/16第1页，共60页，2023年，2月20日，星期二定义：流体和固体壁面间的传热过程。按有无相变化分：无相变化发生时的对流传热有相变化发生时的对流传热与（热）对流的区别：（热）对流是指传热机理对流传热指的是传热过程一：对流传热2023/4/16第2页，共60页，2023年，2月20日，星期二1：对流传热机理①：流体沿固体壁面的流动2023/4/16第3页，共60页，2023年，2月20日，星期二②：对流传热机理热流体冷流体QTt湍流主体：在该层内几乎无热阻；温度梯度很小，各处的温度基本相同。缓冲层：在该层内温度发生较缓慢的变化；温度分布呈直线。层流内层：热传导的作用，在该层内热阻较大，温度梯度较大；温度分布呈直线。2023/4/16第4页，共60页，2023年，2月20日，星期二对流传热是集热对流和热传导于一体的综合传热过程。对流传热的热阻主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。2：热边界层（温度边界层）：定义：壁面附近因换热而存在温度梯度的区域。规定：TW－T＝0.99(TW－T∞)处为热边界层的界限2023/4/16第5页，共60页，2023年，2月20日，星期二热边界层的形成过程2023/4/16第6页，共60页，2023年，2月20日，星期二Φt∞t∞t∞(tW-t)/(tW-t∞)=0.99tW

δt流体被平壁加热温度边界层0tyt∞u2023/4/16第7页，共60页，2023年，2月20日，星期二t'∞Φt∞t∞t∞-t(t-tW)/(t∞-t)=0.99t∞-ttW流体被平壁冷却温度边界层u0tyδt2023/4/16第8页，共60页，2023年，2月20日，星期二3：对流传热的微分方程热流体冷流体Tt①：对流传热的真实模型流体主体缓冲层层流底层对流对流、传导传导研究方法：总推动力为各层推动力之和；总热阻为各层热阻之和。2023/4/16第9页，共60页，2023年，2月20日，星期二②：对流传热的简化模型热流体冷流体Tt虚拟膜：有效膜——和热边界层厚度相当有效膜流体主体对流传导虚拟膜层内集中了全部的热阻，膜层外无温度差优点：对流传热问题→热传导问题2023/4/16第10页，共60页，2023年，2月20日，星期二③：对流传热的微分方程热量由主体到壁面的传热简化为通过有效膜层（厚度为δt）的热传导对微分传热面积和牛顿冷却定律对比——非物理特性q的含义2023/4/16第11页，共60页，2023年，2月20日，星期二④：对流传热系数的意义单位温度差，单位传热面积的流体与壁面间的对流传热速率——反映了对流传热系数与壁面温度梯度之间的关系⑤：强化对流传热对于一定的管长，破坏边界层的发展也能强化传热2023/4/16第12页，共60页，2023年，2月20日，星期二二：对流传热的量纲分析1：影响对流传热系数的因素①：流动状态②：流体流动原因③：流体的物理性质β：体积膨胀系数，影响到自然对流的程度2023/4/16第13页，共60页，2023年，2月20日，星期二④：传热面的形状、位置、大小和排列方式2023/4/16第14页，共60页，2023年，2月20日，星期二⑤：相变化的影响有相变传热：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。如：水强制传热：a＝250～10000W/(m2·℃)

水蒸汽冷凝：a＝5000～15000W/(m2·℃)

2：影响对流传热过程的量纲分析2023/4/16第15页，共60页，2023年，2月20日，星期二①：量纲分析过程——自学②：量纲分析结果——无因此数群的含义努赛尔数Nu含义：包含对流传热系数，反映对流传热的强弱？注意：努赛尔数恒大于1

？特征尺寸。平板：流动方向的长度；管：d或de2023/4/16第16页，共60页，2023年，2月20日，星期二雷诺数含义：反映流动状态对对流传热系数的影响。普朗特数含义：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2023/4/16第17页，共60页，2023年，2月20日，星期二ν＝导温系数ν＞导温系数ν＜导温系数注意：查取定性温度下的物性计算或查取；SI制一般情况下：气体的Pr＜1；液体的Pr

＞1格拉晓夫数（浮升力特征数）2023/4/16第18页，共60页，2023年，2月20日，星期二含义：反映自然对流的强弱程度自然对流强制对流混合对流3：应用准数关联式应注意的问题①：定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定②：定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。de的定义③：应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。

2023/4/16第19页，共60页，2023年，2月20日，星期二三：流体无相变时的对流传热系数1：流体在光滑圆形直管内作强制对流①：流体在光滑、圆形、直管内作强制湍流Ⅰ：低粘度流体（大约低于2倍常温水的粘度）流体当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。2023/4/16第20页，共60页，2023年，2月20日，星期二应用范围：将计算所得的α乘以定性尺寸：Nu、Re等准数中的l取为管内径di。定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。Ⅱ：高粘度流体应用范围：2023/4/16第21页，共60页，2023年，2月20日，星期二定性尺寸：管内径di。定性温度：µw取壁温，其他均取为流体进、出口温度的算术平均值。为考虑热流体方向的校正项。被加热取1.05被冷却取0.95液体被加热：粘度减小，速度增大，热边界层减薄，速度梯度增大，传热系数增大；液体被冷却，传热系数减小，且Pr﹥1。而气体刚好相反,，但Pr﹤1

→n的取值，热流校正项的取值2023/4/16第22页，共60页，2023年，2月20日，星期二②：流体在光滑、圆形、直管内作强制层流特点：A：层流时流体的流速较小，自然对流不可忽略

B：自然对流的影响与热流方向有关当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时2023/4/16第23页，共60页，2023年，2月20日，星期二应用范围：定性尺寸：管内径di。定性温度：µw取壁温，其他均取流体进、出口温度的算术平均值。为考虑热流体方向的校正项。被加热取1.05被冷却取0.952023/4/16第24页，共60页，2023年，2月20日，星期二③：流体在光滑、圆形、直管内呈过度流对于Re=2300～10000时的过渡流范围，先按湍流的公式计算α，然后再乘以校正系数Φ。思考：校正系数Φ是＞1？还是＜1？④：流体在弯管内作强制对流按直管计算，然后再乘以校正系数。思考：校正系数Φ是＞1？还是＜1？2023/4/16第25页，共60页，2023年，2月20日，星期二⑤：流体在非圆形管中作强制对流

A：对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de

B：最好采用专用、经验公式。如：套管环隙应用范围：Re=12000～220000；d1/d2=1.65～17定性尺寸：当量直径de流体进出口温度的算术平均值。定性温度：2023/4/16第26页，共60页，2023年，2月20日，星期二2：流体在换热器的管间作强制对流装有圆缺折流板的列管换热器

圆缺折流板管板2023/4/16第27页，共60页，2023年，2月20日，星期二2023/4/16第28页，共60页，2023年，2月20日，星期二圆缺折流板示意图2023/4/16第29页，共60页，2023年，2月20日，星期二折流挡板：壳程流体的流动方向不断改变，较小Re（Re=100），即可达到湍流。作用：提高湍动程度，强化传热；加固、支撑管束缺点：流动阻力↑→壳程压降↑2023/4/16第30页，共60页，2023年，2月20日，星期二当换热器内装有圆缺形折流板（缺口面积约为25%壳体内截面积时，壳方流体的对流传热系数关联式为：应用范围：定性温度：Re=2×103～1×106；除μw取壁温以外，其余均取流体进出口温度的算术平均值。2023/4/16第31页，共60页，2023年，2月20日，星期二正方形排列d0t正三角形排列d0t流速的确定：按最大流通截面A(最小流速)计算定性尺寸：流道当量直径de2023/4/16第32页，共60页，2023年，2月20日，星期二DA1A2Z说明：还有其他关联式，可查化工手册。说明：无折流板时，流体平行流过管束，按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。2023/4/16第33页，共60页，2023年，2月20日，星期二3：自然对流大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰大空间自然对流传热：自然对流时的对流传热系数，只与Gr和Pr有关2023/4/16第34页，共60页，2023年，2月20日，星期二1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流体沿垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流体沿水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)①：查图求解2023/4/16第35页，共60页，2023年，2月20日，星期二定型尺寸：竖板，竖管，L；水平管，外径do影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式；②：经验关联式doL定性温度：膜温系数C和指数n的取值见P250表5——7：2023/4/16第36页，共60页，2023年，2月20日，星期二四：流体有相变时的对流传热系数有相变化时对流传热的特点：相变过程中产生大量相变热（潜热）相变过程有其特殊传热规律，传热的影响因素更为复杂；例：水

2023/4/16第37页，共60页，2023年，2月20日，星期二1：蒸汽冷凝时的对流传热系数①：蒸汽冷凝的方式Ⅰ：膜状冷凝：若冷凝液的附着力大于表面张力，能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜。膜状冷凝分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。工业上，基本无固——液、固——汽间的相变化??热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面。2023/4/16第38页，共60页，2023年，2月20日，星期二Ⅱ：滴状冷凝：若冷凝液的附着力小于表面张力，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下滴状冷凝热量：蒸汽相→固体壁面（不断更新、裸露）两种冷凝方式下表面传热系数的比较a滴状冷凝＞a膜状冷凝，相差几倍到几十倍，工业上，多为膜状冷凝，不特别指明均为膜状冷凝2023/4/16第39页，共60页，2023年，2月20日，星期二②：膜状冷凝的传热系数

Ⅰ：蒸汽在垂直管或平壁侧层流时的膜状冷凝方法：真实模型→简化模型（数学模型推导）膜状冷凝的真实模型ax膜状冷凝的简化模型2023/4/16第40页，共60页，2023年，2月20日，星期二ⅰ：液膜很薄，层流流动，传热方式为导热，温度分布为线性ⅱ：蒸汽静止，对液膜无摩檫阻力ⅲ：汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度tδ=tsⅳ：冷凝液为饱和液体按以上简化模型进行数学推导，得到努塞尔方程——理论公式2023/4/16第41页，共60页，2023年，2月20日，星期二修正后定型尺寸L：垂直管或板的高度：m定性温度：膜温ρ、µ、cp——冷凝液的物性；按定性温度，单位：SIr——蒸汽的冷凝潜热；按蒸汽饱和温度，单位：SI应用范围：垂直管或垂直平壁，且2023/4/16第42页，共60页，2023年，2月20日，星期二液膜雷诺准数的计算冷凝负荷Γ

：单位润湿周边单位时间流过的冷凝液量；单位：kg/(m·s)2023/4/16第43页，共60页，2023年，2月20日，星期二Ⅲ：蒸汽在水平管外膜状冷凝时的对流传热系数Ⅱ：蒸汽在垂直管或平壁侧湍流时的膜状冷凝定性温度：膜温壁温不知，一般用试差法蒸汽在水平管外膜状冷凝时，液膜的流动为层流2023/4/16第44页，共60页，2023年，2月20日，星期二水平管外膜状冷凝单根和管束是有区别的2023/4/16第45页，共60页，2023年，2月20日，星期二ⅰ：蒸汽在单根水平管外冷凝单根水平管外与垂直管外（层流）冷凝传热系数的关系？ⅱ：蒸汽在水平管束外冷凝n——水平管束在垂直列上的管子数2023/4/16第46页，共60页，2023年，2月20日，星期二列管换热器管束在垂直列上的管子数不等，可按平均值ｎｍ计算③：影响冷凝传热的因素ⅰ：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。2023/4/16第47页，共60页，2023年，2月20日，星期二ⅱ：流体物性液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。ⅲ：蒸汽的流速和流向；及过热的影响蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大；ⅳ：蒸汽中不凝气体含量——不凝气体排出阀蒸汽和液膜逆向流动，α减小；但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；过热时先放出显热——气体对流传热2023/4/16第48页，共60页，2023年，2月20日，星期二ⅴ：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。2023/4/16第49页，共60页，2023年，2月20日，星期二

补例：饱和温度为100℃的水蒸汽，在外经为0.04m、长度为2m的单根直立圆管外表面上冷凝。管外壁温度为94℃

，试求每小时的蒸汽冷凝量。若管子水平放置，蒸汽冷凝量为多少？分析：本题为一膜状冷凝传热过程，求冷凝量ｑｍ热衡算方程和传热速率方程相结合有其中a的求取须知冷凝液膜的流动状态，故只能用试差法先假定液膜的流动状态，计算冷凝液量然后再验证。2023/4/16第50页，共60页，2023年，2月20日，星期二解：假定液膜为层流，其定性温度该温度下液膜的特性为蒸汽饱和温度下的2023/4/16第51页，共60页，2023年，2月20日，星期二核算流型层流和假定相同，计算结果可靠2023/4/16第52页，共60页，2023年，2月20日，星期二蒸汽在单根垂直圆直管冷凝2023/4/16第53页，共60页，2023年，2月20日，星期二2：液体沸腾时的对流传热系数液体的沸腾：当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的过程。分类：按设备尺寸和受热面形状不同分：大容积沸腾和管内沸腾按液体主体温度不同分：过冷沸腾：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。2023/4/16第54页，共60页，2023年，2月20日，星期二①：大容积、饱和沸腾传热机理ⅰ：汽泡能够存在的条件：abcd气泡的生成过程气泡的力平衡plpvrσσ2023/4/16第