化工原理第四章第三节

第四章

传热第三节

对流传热一、对流传热的分析二、壁面和流体对流传热速率三、对流传热系数四、流体无相变时对流传热系数五、流体有相变时对流传热系数2023/11/20一、对流传热的分析

流体沿固体壁面的流动

层流底层过渡区湍流主体流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在对流传热，仅为流体的热传导。流体的热导率较小，该层热阻较大，温度差较大，即温度梯度较大。对流和热传导共同作用，在该层内温度变化较缓慢。

热阻很小，温度梯度很小，各处的温度基本相同。2023/11/20

对流传热是集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底层。减薄层流底层的厚度是强化对流传热的主要途径。2023/11/20二、壁面和流体间的对流传热速率

1、对流传热速率方程△t－对流传热温差，℃（热流体△t＝T－Tw；冷流体△t＝tw－t）α－局部对流传热系数，W/(m2·K)或W/(m2·℃)。——牛顿冷却定律

2023/11/20α－平均对流传热系数，W/(m2·K)或W/(m2·℃)

A－总传热面积，m2；在换热器中，局部对流传热系数α随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数和平均温度差，此时牛顿冷却定律可以表示为：2023/11/202、对流传热系数对流传热系数α定义式：

表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。

2023/11/20三、对流传热系数的影响因素

（一）对流传热系数的影响因素1、流体的种类：液体的对流传热系数大于气体2、流体的物性1）导热系数

流体的导热系数愈大，热阻就愈小，对流传热系数愈大。2）粘度

流体的粘度愈小，对流传热系数愈高。3）比热容和密度2023/11/20

ρcp：单位体积流体所具有的热容量。

ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热强度愈大。4）体积膨胀系数体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。3、流体对流的起因强制对流的对流传热系数大于自然对流。2023/11/204、流体流动状态

湍流的对流传热系数远比层流时的大。5、流体的相态变化相变时的α比无相变时的大。6、传热面的结构传热面的形状（管、板、环隙、管束等）、位置（管子排列方式、垂直放置或水平放置）和流道尺寸（管径、管长等）2023/11/20准数名称符号准数式意义努塞尔特准数Nu表示对流传热系数雷诺准数Re流体流动状态的影响普朗特准数Pr

流体物性的影响格拉斯霍夫准数Gr

自然对流的影响（二）对流传热系数的一般准数关联式2023/11/20流体无相变时的强制对流：流体无相变时的自然对流：2023/11/20应用准数关联式应注意的问题1）定性温度：各准数中流体的物性参数所依据的温度如：流体进、出口温度的算术平均值；壁面的平均温度；流体与壁面的平均温度（膜温）2）特征尺寸：对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。3）适用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。2023/11/20四、流体无相变时的对流传热系数传热计算中，一般规定：

Re＜2300，层流

2300＜

Re＜10000，过渡流

Re＞10000，湍流2023/11/201、流体在管内作强制对流1）流体在圆形直管内作强制湍流a)低黏度（μ＜2×10-3Pa·s）流体

当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。

特征尺寸：Nu、Re等特征数中的l取管内径di。2023/11/20管长与管径比应用范围：定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。

b)高黏度的液体（μ＞2×10-3Pa·s）

应用范围：特征尺寸：

取管内径di。将计算所得的α乘以2023/11/20定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。

2023/11/202）流体在圆形直管内呈过渡流对于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f。

3)流体在圆形直管内作强制层流

当管径较小、水平管、流体与壁面间的温度差较小，流速较低才有严格的层流传热。其他情况下经常伴有自然对流传热。自然对流传热对强制层流的传热的影响可以忽略时：2023/11/20应用范围：

特征尺寸：

管内径di。

定性温度：

除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。

按上式计算出α后，再乘以一校正系数2023/11/205）流体在非圆形管中作强制对流

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，只要将特征尺寸由圆管内径改为当量直径。

计算结果欠准确，另一种方法是通过实验求得常用的非圆型管道的对流传热系数的关联式。将计算所得的α值乘以弯管效应校正系数4）流体在圆形弯管中作强制对流2023/11/20

套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：

应用范围：Re=12000~220000，Di/d0=1.65~17

特征尺寸：

流动当量直径de定性温度：

流体进出口温度的算术平均值。

2023/11/202、流体在管外强制对流（1）流体垂直流过管束2023/11/20直列三角形错列正方形错列2023/11/202023/11/202023/11/202023/11/20流体在管束外垂直流过时，对流传热系数应用范围：特征尺寸：管外径d0，流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的距离应在（x1-d0）和2（t-d0）两者中取小者。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。C、ε、n均由实验确定。2023/11/20管束的平均对流传热系数为：2023/11/20（2）流体在有折流板的换热器的管间流动

2023/11/202023/11/202023/11/20应用范围：Re=2×103~106

定性尺寸：

传热当量直径de’

。定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。

当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：——凯恩公式2023/11/20管子呈正方形排列时：

管子呈三角形排列时：特征流速：根据流体流过管间的最大截面积A计算2023/11/203、大空间自然对流大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内，由壁面温度与周围流体温度不同引起自然对流，并且周围没有阻碍自然对流的物体。如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热。定性温度：取壁面温度与流体平均温度的算术平均值特征尺寸：水平管，取管外径do；垂直管或板，取垂直高度L2023/11/20五、流体有相变时的对流传热系数1、蒸汽冷凝时的对流传热系数1）蒸汽冷凝的方式a)

膜状冷凝：

若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜b)滴状冷凝：

若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下2023/11/202023/11/202）膜状冷凝的传热系数

a)蒸汽在水平管外膜状冷凝由于管径较小，液膜通常呈层流流动r－饱和温度Ts下，蒸汽的冷凝潜热J/kg；ρ－冷凝液的密度，kg/m3；λ－冷凝液的热导率，W/(m·K)；μ－冷凝液的黏度Pa·s；Ts－饱和蒸汽温度；Tw

－壁面温度；n－水平管束在垂直列上的管子数，单根水平管，n＝1。2023/11/20特征尺寸：管外径d0。

定性温度：壁面温度与饱和蒸汽温度的算术平均值，列管式换热器，管束由相互平行的Z列管子组成，各列管子在垂直方向上的排数并不相等，分别用n1，n2，……nZ表示，则平均管排数为：2023/11/20

b)蒸汽在垂直管外或平板上的膜状冷凝

液膜为层流（）时，液膜为湍流（Re＞1800）时，2023/11/20特征尺寸：

L取垂直管或板的高度。定性温度：冷凝潜热r取其饱和温度Ts下的值，取壁面温度与饱和蒸汽温度的算术平均值，冷凝液沿壁面流动的横截面积为S，则流动当量直径为Π－壁面的润湿周边长度，m，垂直管，Π

=πd0，垂直板，Π为板的宽度。2023/11/20冷凝液的液膜沿壁面流动的Re表达式为2023/11/203）影响冷凝传热的因素b)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，加速冷凝液流动，厚度减薄，使α增大蒸汽和液膜逆向流动，冷凝液的流动受到阻滞而变厚，α减小。如果蒸汽流速很大，无论向上还是向下，液膜被蒸汽吹离壁面，α急剧增大。a)蒸汽中不凝气体含量的影响

蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，液膜表面可能形成一层气膜，其热导率很小，增大热阻，使α急剧下降。应在蒸汽侧上方设排气阀，定期排放不凝性气体。2023/11/20当液膜呈层流流动时，液膜两侧温度差加大，则蒸汽冷凝速率增加，相应的液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。

用蒸汽加热时，蒸汽的温度应适当。c)液膜两侧温度差的影响d)冷凝水的影响未及时排放出去的冷凝水会占据一部分传热面，水的对流传热系数比蒸汽冷凝时的对流传热系数低，导致部分传热面的传热效率下降，应在下部设疏水阀，及时排放冷凝水。2023/11/20e)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。

例如水平布置的管束，冷凝液面从上面各排管子流动下面各排，使下面各排管子液膜逐渐增厚，使α降低。

冷凝面的表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。2023/11/202、液体沸腾时的对流传热系数

液体沸腾

大容器沸腾：

管内沸腾：

1）沸腾曲线

当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随温度升高较慢。

当△t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为汽化核心。气泡产生的速度随△t上升而增加，α急剧增大。称为泡状沸腾或核状沸腾。

液体在管内流动的过程中被加热沸腾。将加热面浸入大容器的液体中，液体被壁面加热而引起无强制对流的沸腾现象。2023/11/202023/11/20

当△t再增大，加热面的汽化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层气膜。

当△t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，α又随之增大，这段称为膜状沸腾。

由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点称为临界点。

临界点所对应的温差、热流密度分别称为临界温差△tc，临界热流密度qc。

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工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作。保持△t≤△tc。若变为膜状沸腾，α急剧下降，而且因加热壁面温度过高，可能烧毁加热面，因此，临界点也称烧毁点。2）影响沸腾传热的因素

a)液体性质的影响

一般情况下，α随λ、ρ的增加而增大，而随μ和σ（表面张力）增加而减小。

b）温度差△