1、4.5 对对 流流 传传 热热 系系 数数 (P244) 1）流体种类和相变化的情况）流体种类和相变化的情况 蒸汽冷凝、液体沸腾蒸汽冷凝、液体沸腾 相变相变 无相变无相变 2）流体的特性）流体的特性 导热系数、粘度、体积膨胀系数。导热系数、粘度、体积膨胀系数。 3）流体的温度）流体的温度 4）流体的流动状态）流体的流动状态 层流、湍流层流、湍流 湍湍 层层 一、影响对流传热系数的因素一、影响对流传热系数的因素 6 6）传热面的形状，大小和位置）传热面的形状，大小和位置 形状：形状：如管、板、管束等；如管、板、管束等； 大小：大小：如管径和管长等；如管径和管长等； 位置：位置：如管子的排列方式（
2、管束有正四方形和三角形如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排排 列）；管或板是垂直放置还是水平放置。列）；管或板是垂直放置还是水平放置。5）流体流动的原因）流体流动的原因 自然对流自然对流靠温度差而流动靠温度差而流动 强制对流强制对流由于外力的作用迫使流体流动由于外力的作用迫使流体流动 强强 自自二、对流传热过程的量纲分析二、对流传热过程的量纲分析 量纲分析法：量纲分析法： 1）实验和理论结合的方法，目的是减少变量数，从而减）实验和理论结合的方法，目的是减少变量数，从而减少实验次数；少实验次数； 2）物理方程两边量纲必相等）物理方程两边量纲必相等因次一致性原则因次一致性原则； 3）任一方程
3、均可用一幂函数逼近。）任一方程均可用一幂函数逼近。三、无相变时对流表面传热系数的计算：三、无相变时对流表面传热系数的计算： （1）在定性实验的基础上列出所有影响因素）在定性实验的基础上列出所有影响因素 =fm m, l,l, cp, r r, (b bgD Dt), u, l（2）列出各物理量的量纲）列出各物理量的量纲 MS-3T-1 l lMLS-3T-1 r rML-3 uLS-1m mMS-1L-1 cpL2S-2T-1 b bg gD Dt tS-2L lL（3）建立特征数方程（幂函数）建立特征数方程（幂函数）MS-3T-1=(MS-1L-1)a(MS-3T-1L)b(L2S-2T-1
4、)c (ML-3)d(S-2L)e(LS-1)fLg =Am mal lbcpcr rd(b bgD Dt)euflg 比较指数，得：比较指数，得：cpefctglulAl)()()(232l lm mm mb br rm mr rl l D D 032132231gfedcbacbfecbadba设设e、c、f为已知为已知 13212fegfedcbfeca从而从而 =Am mc-2e-fl l1-ccpcr r2e+f(b bgD Dt)eufl3e+f-1 Nu=ARefGrePrc讨论：讨论：（1）无量纲特征数的个数等于变量数减去基本单位）无量纲特征数的个数等于变量数减去基本单位数数
5、伯金汉伯金汉p p定理定理；（2）无量纲特征数均有一定的物理意义；）无量纲特征数均有一定的物理意义；几个特征数的物理意义：几个特征数的物理意义： l l lNu l lm mpc Pr D D 223Rem mr rb bm mr rtglGrul或或-格拉晓夫数格拉晓夫数Gr是雷诺数的一种是雷诺数的一种 变形，相当于自然对流时的变形，相当于自然对流时的“雷诺数雷诺数”-努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比-普朗特数，反映物性的影响。普朗特数，反映物性的影响。 一般地，气体的一般地，气体的Pr1 流体无相变时，对流传热系数的关联式流体无相变时，对流传热系数的
6、关联式 最常用最常用 ! 注意应用范围注意应用范围! P248(1) 流体在管内作强制对流流体在管内作强制对流npiincuddNulmmrl8 . 08 . 0)(023. 0PrRe023. 0或(2) 流体在圆形直管内作强制层流流体在圆形直管内作强制层流流体无相变时，对流传热系数的关联式流体无相变时，对流传热系数的关联式 1 应用范围：应用范围：Re，Pr等准数的应用范围等准数的应用范围2 定性温度：定性温度： 决定准数中各物性的温度决定准数中各物性的温度 （1） 取平均温度取平均温度 t=(t1+t2)/2 （2） 取壁面的平均温度取壁面的平均温度 tw （3） 取流体和壁面的平均温度
7、取流体和壁面的平均温度(膜温膜温) tm=(tw+t)/2 使用准数关联式时使用准数关联式时, ,需要注意以下几点需要注意以下几点: :3 定性尺寸：定性尺寸：无因次准数中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸，无因次准数中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸，通常选取对流体和传热发生主要影响的尺寸作为特通常选取对流体和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。征尺寸。例如：例如： 圆管内强制对流：取管内径圆管内强制对流：取管内径 非非圆管内强制对流：取当量直径圆管内强制对流：取当量直径传热当量直径：传热当量直径：传热周边传热周边流动截面积流动截面积 4ed在不同情况下，会有不同的准数关联式：在不同情况下，会有不
8、同的准数关联式：无相变时无相变时强制对流强制对流自然对流自然对流有相变时有相变时蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾 相变相变 无相变无相变1 1蒸汽冷凝蒸汽冷凝（1 1）冷凝方式：）冷凝方式：滴状冷凝和滴状冷凝和膜状冷凝膜状冷凝四、有相变时的对流传热系数四、有相变时的对流传热系数 滴滴 膜膜 a) 膜状冷凝：膜状冷凝： 若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜一完整的液膜 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力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下滴，并
9、沿壁面落下 （2） 冷凝过程的热阻：冷凝过程的热阻：液膜的厚度液膜的厚度 （3） 蒸汽冷凝的蒸汽冷凝的 ： a) 水平管束外水平管束外41o3/232725.0 D D tdngrm ml lr r 式中式中 n水平管束在垂直列上的管子数；水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（汽化潜热（ts），），kJ/kg。特性尺寸特性尺寸l：管外径：管外径do2Wsttt 定性温度：膜温定性温度：膜温 4-89 b）竖壁或竖管上的冷凝）竖壁或竖管上的冷凝层流层流413213.1 D D tlgrm ml lr r 适用条件：适用条件：Re21003132068.0 D D tlgrm ml lr r
10、特性尺寸特性尺寸l：管或板高管或板高H定性温度：定性温度：或或4 . 00077. 0Re蒸汽冷凝潜热蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度取其饱和温度t0下的值，下的值，其余物性取液膜平均温度（其余物性取液膜平均温度（膜温膜温 ）。）。bA定义冷凝负荷定义冷凝负荷M为单位长度润湿周边上的冷凝液质量流量。为单位长度润湿周边上的冷凝液质量流量。bAd4e m mm mm mMbqAqbARe444mm Aqum r rbqMm Re的校核：的校核：（4）冷凝传热的影响因素和强化措施冷凝传热的影响因素和强化措施 a）流体物性流体物性 冷凝液冷凝液r r m m ， ；冷凝液冷凝液l l ， ；潜热潜热r ，
11、b）温差温差 液膜层流流动时，液膜层流流动时，D Dt=tstW ， ， c）不凝气体不凝气体 不凝气体不凝气体存在，导致存在，导致 ，定期排放。定期排放。 d）蒸汽流速与流向蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时，同向时， ；反向时，反向时， ； u e）蒸汽过热）蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。包括冷却和冷凝两个过程。f）冷凝面的形状和位置）冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽；垂直板或管：开纵向沟槽； 水平管束：可采用错列水平管束：可采用错列沸腾种类沸腾种类: 大容积沸腾大容积沸腾(池内沸腾池内沸腾) 管内沸腾管内沸腾 （1）
12、汽泡产生的条件）汽泡产生的条件 问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？ 过热度过热度：D Dt=tWts 汽化核心汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处：一般为粗糙加热面的细小凹缝处 汽化核心汽化核心生成汽泡生成汽泡长大长大脱离壁面脱离壁面新汽泡形成新汽泡形成搅动液层搅动液层 2 2液体沸腾液体沸腾 （2）沸腾曲线）沸腾曲线 a）自然对流阶段）自然对流阶段 D Dt D Dt5 C c）不稳定膜状沸腾）不稳定膜状沸腾 25 C D Dt5 C工业上：核状沸腾工业上：核状沸腾 d）稳定膜状沸腾）稳定膜状沸腾 250 C D Dt25 C 优点：优点： 大
13、，大，tW小小观看动画：观看动画：气泡的产生过程气泡的产生过程.swf（3）沸腾传热的影响因素及强化措施）沸腾传热的影响因素及强化措施 a）液体的性质）液体的性质 m mr rl l,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等） b）温差）温差 在核状沸腾阶段温差提高，在核状沸腾阶段温差提高， c）操作压强）操作压强 m mstpd）加热面）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，新的、洁净的、粗糙的加热面， 大大 强化措施：强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒将表面腐蚀，烧结金属粒 KmWKmW22/30030/255强强制制对对流流：自自然然对对流流： KmWKmWKmWKmW2222/300001500/150005000/80001000/1000200水沸腾：水沸腾：蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：空气中空气中水中水中无无相相变变有有相相变变 自自然然强强制制 gl 总之：总之： KmWKmW22/3000500/1500500蒸蒸汽汽冷冷凝凝：强强制制对对流流：油类中油类中对流传热系数的数量级对流传热系数的数量级
