1、2022-6-9第第第第第第四四四四四四章章章章章章 传传传传传传 热热热热热热一、对流传热一、对流传热方方程与对流传热系数程与对流传热系数二、二、对对流传热系数的经验关联式流传热系数的经验关联式三、三、流流体无相变时对流传热系数的体无相变时对流传热系数的经验关联式经验关联式四、流体有相变时的对流传热四、流体有相变时的对流传热五、选用对流传热系数关联式的注五、选用对流传热系数关联式的注意事项意事项第第第第第第三三三三三三节节节节节节 对对对对对对 流流流流流流 传传传传传传 热热热热热热2022-6-9一、对流传热方程与对流传热系数一、对流传热方程与对流传热系数一、对流传热方程与对流传热系数一
2、、对流传热方程与对流传热系数一、对流传热方程与对流传热系数一、对流传热方程与对流传热系数 流体沿固体壁面的流动 滞流内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热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。 温度梯度很小，各处的温度基本相同。 2022-6-9 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传热边界层中传热边界层中，它是指流体中有温度梯度存在的区域。热流体热流体冷流体冷流体Tttw1tw2T固体壁固体壁2022-6-9对流传热阻力
3、对流传热推动力对流传热速率 1、对流传热速率表达式、对流传热速率表达式 据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：推动力系数,()hhh wQA tt牛顿冷却定律牛顿冷却定律 推动力：壁面和流体间的温度差对流传热速率方程可以表示为：阻力：tRA令t2022-6-9此时冷流体的牛顿冷却定律可以表示为：2、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数定义式： tAQ 表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 单位：W/m2.k 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。 ,()cc wccQA ttA t各个字母的意义教材P1152022-6-91 1 1、对流传热系数的影响因素
4、、对流传热系数的影响因素、对流传热系数的影响因素、对流传热系数的影响因素、对流传热系数的影响因素、对流传热系数的影响因素 （1）流体的种类和相变化的情况）流体的种类和相变化的情况 （2）流体的物性）流体的物性导热系数导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。粘度粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。比热和密度比热和密度二、对流传热系数的经验关联式二、对流传热系数的经验关联式二、对流传热系数的经验关联式二、对流传热系数的经验关联式二、对流传热系数的经验关联式二、对流传热系数的经验关联式 2022-6-9 cp：单位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带
5、热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。体积膨胀系数体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，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）流体的温度）流体的温度（4）流体流动状态流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。2022-6-9（5）流体流动的原因）流体流动的原因 强制对流：自然对流：由于外力的作用 由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移。（6）传热面的性状、大小和位置）传热面的性状、大小和位置 2 2 2、对流传热过程的因次分析、对流传热过程的因次分析、对流传热过程的因次分析、对流传热过程的因次分析、对流传热过程的因次分析、对流传热过程的因次分
6、析 116116116页页页页页页 tggg00001t1 流体的温度为t0、t1,，单位体积的流体所受的浮力为：2022-6-9三、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式三、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式三、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式三、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式三、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式三、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式1、流体在管内强制对流时的、流体在管内强制对流时的2、流体在管外强制对流时的、流体在管外强制对流时的3、大空间自然对流的、大空间自然对流的圆形直管、强制对流：4种圆形直管、强制层流圆形直管、过渡区非圆形直管、强制对流例
7、题4-4、4-5 119页相互平行相互垂直垂直与平行交替例题4-62022-6-91、流体在管内作强制对流时的对流传热系数、流体在管内作强制对流时的对流传热系数1）流体在圆形直管内作）流体在圆形直管内作强制湍流强制湍流：4种情况种情况a)低粘度（大约低于低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体倍常温水的粘度）流体 nreuPRN8 . 0023. 0nrPdud8 . 0023. 0或当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。应用范围：,1206 . 0 ,10000rePR管长与管径比 60/idl2022-6-9时，若60/idl将计算所得的乘以7 . 0)(1 Ldi 定性尺寸：
8、 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。b) 高粘度的液体高粘度的液体 14. 023. 08 . 0027. 0wreuuPRN14. 0wu为考虑热流体方向的校正项。 c）短管）短管d）弯管）弯管2022-6-9 应用范围： 60,167007 . 0,1000ReirdLP定性尺寸： 取为管内径di。定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 2) 流体在圆形直管内作强制流体在圆形直管内作强制滞流滞流 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2022-6-9应用范围： 14. 03
9、1313186. 1wireuLdPRN10,25000, 6 . 06700,2300ReLdPRGPirerr定性尺寸： 管内径di。 定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 时，当25000rG按上式计算出后，再乘以一校正因子31015. 018 . 0rGf2022-6-93）流体在圆形直管内呈过渡流）流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=230010000时的过渡流范围， 先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。 8 . 151061eRf4）流体在非圆形管中作强制对流）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，
10、只是要将圆管内径改为当量直径de。 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： 2022-6-9318 . 053. 02102. 0reePRddd应用范围： Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性尺寸： 当量直径de定性温度： 流体进出口温度的算术平均值。 书119页例题2022-6-9流体在管束外垂直流动流体在管束外垂直流动2、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流0.4Re PrnNuC应用范围：121页2022-6-92022-6-92022-6-92022-6-92022-6-93、大空间自然对流传热、大空间自然对流传热nrruPGCNnpCtl
11、glC332或 对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在的值在表表4-9中。中。定性温度定性温度 ： 壁温壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。书122例题2022-6-94、提高对流传热系数的途径、提高对流传热系数的途径 1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，数，并且并且Re，应力求使流体在换热器内达到湍流流动应力求使流体在换热器内达
12、到湍流流动。 2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数湍流时，圆形直管中的对流传热系数 nriiPudd8 . 0023. 0,4 . 0 时当 n8 . 06 . 04 . 0023. 0uCp2022-6-9 与流速的与流速的0.8呈正比，与管径的呈正比，与管径的0.2次方呈反比，次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。对流传热系数的效果更为显著。 例题：水以例题：水以2m/s的流速通过的流速通过55*25，长长3m的钢管去冷却套的钢管去冷却套管换热器环隙中的苯，已知水温从管换热器环隙中的苯，已知
13、水温从25升高到升高到55 ，试计，试计算算 ：(1)水对管壁的给热系数；水对管壁的给热系数；(2)若将水的流速提高若将水的流速提高30%，在其，在其它条件相同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？它条件相同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？(3)若若将管径缩小一半，在其它条件下同的情况下，水对管壁的给将管径缩小一半，在其它条件下同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？热系数又为多少？2022-6-93）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况14. 03155. 036. 0wpeeCudd45. 055. 0eduB 对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次
14、方成反比2022-6-9 设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。 4) 不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。 2022-6-9四、流体有相变时的对流传热四、流体有相变时的对流传热四、流体有相变时的对流传热四、流体有相变时的对流传热四、流体有相变时的对流传热四、流体有相变时的对流传热蒸汽冷凝式的对流传热蒸汽冷凝式的对流传热液体沸腾时的对流传热液体沸腾时的对流传热蒸汽
15、冷凝的方式蒸汽冷凝的方式膜状冷凝的对流传热系数膜状冷凝的对流传热系数影响冷凝传热的因素：影响冷凝传热的因素：6个个膜状膜状滴状滴状水平管水平管竖直管竖直管液体沸腾的分类液体沸腾的分类沸腾产生的条件沸腾产生的条件沸腾对流传热系数关联式沸腾对流传热系数关联式影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线2022-6-9a) 膜状冷凝：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 1）蒸汽冷凝的方式）蒸汽冷凝的方式 1、蒸汽冷凝时的对流传热系数、蒸汽
16、冷凝时的对流传热系数 洗烧杯时类似于2022-6-92022-6-9蒸汽在水平管外冷凝蒸汽在水平管外冷凝4103232725. 0tdngr2）膜状冷凝的传热系数）膜状冷凝的传热系数 n：水平管束在垂直列上的管子数，单根管， n=12022-6-9蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设：、 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。、 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热、 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。、 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。 2022-6-94132943. 0tHrg修正后 413213. 1tHrg定性尺
17、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：0002Re2022-6-9若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：31Re76. 1若膜层为湍流（Re2000）时4 . 031232Re(0077. 0）g滞流时，Re值增加，减小；湍流时，Re值增加，增大；书124页例题2022-6-93）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素a）冷凝液膜两侧的温度差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。b）流体物性流体物性 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
18、热系数。c) 蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大；蒸汽和液膜逆向流动， 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，急剧增大；2022-6-9d) 蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响 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，使急剧下降。e)冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响 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，因此下面管子的要比上排的为低。 冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜
19、层阻力，下降。2022-6-9书124例题2022-6-92、液体沸腾时的对流传热、液体沸腾时的对流传热液体沸腾 大容积沸腾管内沸腾饱和沸腾 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，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，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度t随上升而增加， 急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。 1）沸腾分类）沸腾分类 2）沸腾产生的条件）沸腾产生的条件 2022-6-9 当t再增大，加热面的气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，形成一层不稳定的蒸汽膜。 当t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈
20、来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。 由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。 临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。 工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作 。 2022-6-93）沸腾曲线）沸腾曲线 2022-6-95）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素 a)液体性质的影响 一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。 4）沸腾对流传热系数关联式）沸腾对流传热系数关联式mnC t pP-为绝对压力；t-过热度； C、m、n-实验测定2022-6-9b）过热度t的影响 nta c) 操作压强的影响 提高沸腾压强，液
21、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。在相同t的下，传热系数增加。 d) 加热表面的影响 新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后，会使急剧下降。 壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。 加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。 2022-6-9五、选用对流传热系数关联式的注意事项五、选用对流传热系数关联式的注意事项五、选用对流传热系数关联式的注意事项五、选用对流传热系数关联式的注意事项五、选用对流传热系数关联式的注意事项五、选用对流传热系数关联式的注意事项 的算法半经验法（因次分析法）纯经验法注意事项：1.确定传热类型，选择适当关联式；2.注意关联式的适用范围、特性尺寸、定性温度等要求；3.要正确使用各物理量的单位。常见的取值范围见127页。
