1、1 1、流体的种类和相变化：、流体的种类和相变化： 液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；有相变时对流传热系数比无相变化时大的多； 2 2、流体的物理性质：、流体的物理性质： 影响较大的物性如密度影响较大的物性如密度、比热比热c cp p、导热系数导热系数、粘度粘度等。等。一、一、 影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素 3 3、流体的运动状况：、流体的运动状况：传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层厚度减薄，对流表面传热系数也就随之增大厚度减薄，对
2、流表面传热系数也就随之增大。4 4、流体对流的状况：、流体对流的状况： 自然对流，强制对流。自然对流，强制对流。5 5、传热表面的形状、位置及大小：、传热表面的形状、位置及大小： 如如圆管、翅片管等不同传热表面形状；圆管、翅片管等不同传热表面形状；管板、管板、管束、管径；管长；管子排列方式；垂直放置或管束、管径；管长；管子排列方式；垂直放置或水平放置等水平放置等。 ),(tgclufpgkpatlgcluCl)()()(223gkaGrCNuPrRe无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：八个物理量涉及四个基本因次：质量八个物理量涉及
3、四个基本因次：质量M M，长度长度L L，时间时间T T，温度温度。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即即二、对流传热中的因次分析二、对流传热中的因次分析准数符号及意义准数符号及意义准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。热系数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几在应用关联式时应注意以下几点：点：1 1、应用范围、应用范围2 2、特性尺寸、特性尺寸 无因次准数无因次准数NuNu、ReRe等中所包含的传热面尺寸称为特征等中所包含的传热面尺寸称为
4、特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸尺寸作为特征尺寸。3 3、定性温度、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。4 4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用
5、统一的单位制度。须用统一的单位制度。 npiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn 当流体被加热时，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.3。特性尺寸特性尺寸 ： 取管内径，取管内径， 长径之比大于长径之比大于60定性温度：定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。流体进、出口温度的算术平均值。二、流体无相变时对流传热系数的关联式二、流体无相变时对流传热系数的关联式1、流体在圆形直管内作强制对流、流体在圆形直管内作强制对流（1 1） 低粘度流体低粘度流体应用范围：应用范围：Re100000.7Pr120Nu=0.023Re0.8Pr1/3（/
6、w）0.14特性尺寸特性尺寸：取管内径：取管内径定性温度定性温度：除：除w w取壁温下的粘度外，取壁温下的粘度外，均为流体进、出口温度的算术平均值。均为流体进、出口温度的算术平均值。（2 2） 高粘度流体高粘度流体14.03/18.0)()()(023.0wpcdud范围：范围：同低粘度流体同低粘度流体例：例： 常压下，空气以常压下，空气以1515m/sm/s的流速在长为的流速在长为4 4m m，60603.5mm3.5mm的钢管中流动，温度由的钢管中流动，温度由150150升到升到250250。试求管壁对空气的。试求管壁对空气的对流传热系数。对流传热系数。 解：此题为空气在圆形直管内作强制对
7、流解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度定性温度 t=（150+250）/2=200 查查200时空气的物性数据（附录）如下时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.560 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68CmWNud 2/
8、8 .444 .60053. 003928. 0本题中空气被加热本题中空气被加热,n=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流的影响。对流的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：时，按下式计算： Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14特性尺寸：特性尺寸：取管内径取管内径d di i定性温度：定性温度： 除除w w取壁温下的值外，取壁温下的值外，均为流体进、出
9、口温度的算术平均值。均为流体进、出口温度的算术平均值。2 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应用范围：应用范围：Re 23000.6Pr6700Gr 25000当自然对流的影响不能忽略时当自然对流的影响不能忽略时, ,对水平管，按下式计算对水平管，按下式计算应用范围：应用范围：Re2300Re50l/d50； 特性尺寸：特性尺寸：取管内径取管内径d di i定性温度：定性温度：壁温壁温twtw与流体进、出口平均与流体进、出口平均温度的平均值温度的平均值t tm mNu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2应用范围：应用范围：Re 23000.6Pr6700Gr
10、 250008.15Re1061（3 3）流体在圆形直管内作过渡流）流体在圆形直管内作过渡流 对流表面传热系数可先用湍流时计算，然后乘以对流表面传热系数可先用湍流时计算，然后乘以 校正系数校正系数)77. 01 (Rd流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。式中式中 弯管中的对流传热系数，弯管中的对流传热系数，w/（m2 ） 直管中的对流传热系数，直管中的对流传热系数，w/（m2 ） R 弯管轴的弯曲半径，弯管轴的弯曲半径，m（4 4）流体在弯管内作强制对流）
11、流体在弯管内作强制对流例：例：一套管换热器，套管为一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管为钢管，内管为252.5mm钢管。环隙中为钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为却水在内管中渡过，进口温度为15，出口为，出口为85。冷却水流。冷却水流速为速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。试求管壁对水的对流传热系数。 解：此题为水在圆形直管内流动解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度定性温度 t=（15+35）/2=25 查查25时水的物性数据（见附录）如下时水的物性数据（见附录）如下 ：Cp=4.179103J/kg =0.6
12、08W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在在230010000之间，为过渡流区之间，为过渡流区 Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2a可按式可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 进行计算进行计算,水被加热水被加热, k=0.4。9524. 088361061Re10618 . 158 . 1519789524. 0)2 . 6()8836(02. 0608. 0023. 0)()(023. 04 . 08 . 04 . 08 . 0f
13、cuddpii校正系数校正系数 采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径d de e即可。即可。当量直径按下式计算当量直径按下式计算润湿周边流体流动截面积 4ed传热周边流体流动截面积 4ed或或（5 5）流体在非圆形管内强制对流）流体在非圆形管内强制对流管束错列管束错列 Nu=0.33Re0.6Pr0.33管束直列管束直列 Nu=0.26Re0.6Pr0.33应用范围：应用范围： R Re e30003000定性温度：定性温度：流体进、出口温度的平均值。流体进、出口温度的平均值。定性尺寸：定性尺寸：管外径。管束取管外径。管束取1010排，不是排，不
14、是1010排的查表进排的查表进行修正。行修正。2 2、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流（1 1） 流体在管束外强制垂直流动流体在管束外强制垂直流动换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%25%的壳体内截面积）的壳体内截面积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：（a a）多诺呼法）多诺呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14 应用范围应用范围: : R Re e=(2=(23)3)10104 4 特性尺寸特性尺寸: : 取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。
15、处的流速。 定性温度定性温度: : 除除w w取壁温外，均为流体进、出口温度取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。的算术平均值。（2 2） 流体在换热器的管间流动流体在换热器的管间流动Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14 应用范围应用范围: Re=20001 1000000 特性尺寸特性尺寸: 取当量直径，管子排列不同，计算公式取当量直径，管子排列不同，计算公式 也不同。也不同。 定性温度定性温度: 除除w取壁温外，均为流体进、出口温度取壁温外，均为流体进、出口温度 的算术平均值。的算术平均值。（b b）凯恩法）凯恩法Nu=c（GrPr）n定性温度：定性温度：取膜的平均温
16、度，即壁面温度和流体取膜的平均温度，即壁面温度和流体 平均温度的算术平均值。平均温度的算术平均值。特性尺寸：特性尺寸：对水平管取外径，对垂直管或板取垂直对水平管取外径，对垂直管或板取垂直 高度高度L L。c c值和值和n n值查表。值查表。3 3、自然对流传热、自然对流传热蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和和滴状冷凝滴状冷凝两种方式。两种方式。膜状冷凝膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。滴状冷凝滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作若
17、冷凝液不能润湿壁面，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。用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。三、流体有相变时的对流传热系数三、流体有相变时的对流传热系数1 1、蒸汽冷凝时的对流传热系数、蒸汽冷凝时的对流传热系数4132)(943.0tlgr4132)(725.0tdngr（a a）在垂直管或垂直板上作膜状冷凝）在垂直管或垂直板上作膜状冷凝（b b）水平管壁上作膜状冷凝）水平管壁上作膜状冷凝（1 1） 膜状冷凝时对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数不凝性气
18、体的影响不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。蒸汽流速和流向的影响蒸汽流速和流向的影响蒸汽的过热蒸汽的过热流体物性流体物性:粘度、密度、导热系数、汽化热粘度、密度、导热系数、汽化热液膜两侧温差液膜两侧温差(2)(2)影响冷凝传热的因素：影响冷凝传热的因素：表面粗糙度表面粗糙度n一般换热设备中的冷凝可按膜状冷凝考虑。一般换热设备中的冷凝可按膜状冷凝考虑。n冷凝的传热系数一般都很大，如水蒸汽作膜状冷冷凝的传热系数一般都很大，如水蒸汽作膜状冷凝时的传热系数
19、凝时的传热系数通常为通常为500015000 W/(m2)。因而传热壁的另一侧热阻相对地大，是传热过程因而传热壁的另一侧热阻相对地大，是传热过程的主要矛盾。的主要矛盾。n当蒸汽中不凝性气体的含量为当蒸汽中不凝性气体的含量为1%时，可降低时，可降低60%左右。因此冷凝器应装有放气阀，以便及左右。因此冷凝器应装有放气阀，以便及时排除不凝性气体。时排除不凝性气体。 工业上沸腾的方法有两种：工业上沸腾的方法有两种：（a a） 管内沸腾管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。液体在管内流动时受热沸腾。（b b） 大容积沸腾（池内沸腾）大容积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受
20、热沸腾。液体中，液体在壁面受热沸腾。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、 蒸汽锅炉等。蒸汽锅炉等。2 2、液体沸腾时的对流传热系数、液体沸腾时的对流传热系数（1 1）沸腾传热的特点）沸腾传热的特点 由于液体沸腾的对流传热是一个复杂的过程，由于液体沸腾的对流传热是一个复杂的过程，影响液体沸腾的因素很多，最影响液体沸腾的因素很多，最重要的是传热壁与重要的是传热壁与液体的温度差液体的温度差t。现以常压下水沸腾的情况为例，。现以常压下水沸腾的情况为例，说明对流传热的情况。说明对流传热的情况。 （a）自然对流阶段）自然对流阶段 当温度差当温度差t较小时较小时(
21、AB段段)，在加热表面上，在加热表面上有少量的汽化核心，加有少量的汽化核心，加热面附近的液层受到的热面附近的液层受到的扰动不大，传热主要以扰动不大，传热主要以自然对流方式进行。自然对流方式进行。 随随t的增大而略有增大。的增大而略有增大。此阶段称为此阶段称为自然对流区。自然对流区。 （b）核状沸腾阶段）核状沸腾阶段 当当t逐渐升高时逐渐升高时（BC段），在加热面段），在加热面上产生的汽化核心数上产生的汽化核心数目增加，目增加，由于这些蒸由于这些蒸气泡的产生、脱离和气泡的产生、脱离和上升使液体受到剧烈上升使液体受到剧烈的扰动，使的扰动，使随随t的增大而迅速增大，在的增大而迅速增大，在C点处达点处
22、达到最大值。此阶段称为到最大值。此阶段称为核状沸腾核状沸腾。 C点的温度差称为临界温度差。点的温度差称为临界温度差。 当当t继续增大时继续增大时（CD段），气泡形成段），气泡形成的过快，加热面逐渐被的过快，加热面逐渐被气泡覆盖，形成气膜，气泡覆盖，形成气膜，使得传热过程中的热阻使得传热过程中的热阻变大，变大，开始减小，到开始减小，到达达D点时为最小值。此点时为最小值。此阶段称为阶段称为膜状沸腾。膜状沸腾。 若在继续增加t （DE段），加热面完全被蒸气泡层所覆盖，通过该蒸气泡层的热量传递是以导热和热辐射方式进行。 再度随t的增大而增大。 一般的传热设备通常总是控制在核状沸腾下操作。 对流传热计算
23、公式有两种类型：准数关系式和对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：1 1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。制对流或是自然对流，是否有相变等。2 2、选定相应的对流传热系数计算式。、选定相应的对流传热系数计算式。3 3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再进行验证。计算，再进行验证。4 4、计算公式中的各物性数据的单位。、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数
24、小结对流传热系数小结 1 1、热辐射、热辐射 物体由于热的原因以电磁波的形式向外物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程称为发射能量的过程称为热辐射热辐射。10-101010110210410610-410-210-6射线射线无线电波无线电波微波微波X射线射线紫外紫外热射线热射线红外红外能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。热射线。2 2、电磁波的波长范围、电磁波的波长范围及热射线及热射线 第六节第六节 热辐射热辐射一、基本慨念一、基本慨念3 3、吸收率、吸收率 A A，反射率反射率 R R 和透过率和透过率 D D （Absorption,R
25、eflectionAbsorption,Reflection and Diaphaneity ) and Diaphaneity )DRAQQQQ1QQQQQQDRA1DRA根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长表面状况、温度和投射辐射的波长。4 4、黑体、白体和透体、黑体、白体和透体黑体黑体 A=1 A=1 白体白体 R=1 R=1 透热体透热体 D=1D=15 5、灰体和黑度、灰体和黑度灰体：灰体： 能吸收所有波长范围的辐射能，且对不同波能吸收所有波长范围的辐
26、射能，且对不同波长辐射能的长辐射能的吸收率相等吸收率相等的物体称灰体。的物体称灰体。6 6、辐射传热、辐射传热 物体向外发射辐射能，同时也自周围吸收辐射能。物体向外发射辐射能，同时也自周围吸收辐射能。辐射传热辐射传热：物体间相互发射和吸收辐射能的传热过程。：物体间相互发射和吸收辐射能的传热过程。黑体辐射能力与其表面热力学温度的四次方成正比黑体辐射能力与其表面热力学温度的四次方成正比。C C0 0称为称为黑体的辐射常数，黑体的辐射常数，其值为其值为5.67W/m5.67W/m2 2 K K4 4。 40)100(TCEb四次方定律四次方定律-斯蒂芬斯蒂芬- -波尔茨曼定律波尔茨曼定律40TEb由
27、于0很小，所以常用右式来表示：C C称为称为灰体的辐射常数灰体的辐射常数。（2 2）黑度：定义为灰体辐射能力与黑体的辐射能）黑度：定义为灰体辐射能力与黑体的辐射能力之比。力之比。4)100(TCE bEE40)100(：TCE故有常见工业材料的黑度见常见工业材料的黑度见P200P200表表4-74-7基尔霍夫定律基尔霍夫定律 假设有两个无限大的平行平壁：假设有两个无限大的平行平壁：对壁对壁1 1来说，热量的来说，热量的收支差额为：收支差额为：bEAEq11当两壁处于热平衡状态当两壁处于热平衡状态bEAE11bEAE110q)(TfEAEb表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值：表明任何物体的辐射
28、能力和吸收率的比值：恒等于同温度下黑体的辐射能力；恒等于同温度下黑体的辐射能力；并且只与温度有关。并且只与温度有关。 基尔霍夫定律基尔霍夫定律对于任何灰体对于任何灰体A 所以bEEbEAE即：灰体的吸收率，数值上等于同温度下该灰体的黑度。即：灰体的吸收率，数值上等于同温度下该灰体的黑度。 40)100(：TACE 故有比较比较即：灰体的吸收率，数值上等于同温度下该灰体的黑度。即：灰体的吸收率，数值上等于同温度下该灰体的黑度。 若平行平壁的面积为若平行平壁的面积为A A，则辐射传热速率为则辐射传热速率为42412121100100TTSCQC C1-21-2称为称为物体物体1 1对对2 2的总辐
29、射系数，的总辐射系数，W/mW/m2 2K K4 4。对于任意两物体之间的辐射传热速率的计算，有如下对于任意两物体之间的辐射传热速率的计算，有如下普遍适用的形式。普遍适用的形式。42412121100100TTSCQ由对流传热而损失的热量为由对流传热而损失的热量为 )(ttSQwwc由辐射传热而损失的热量为由辐射传热而损失的热量为 4421100100TTSCQwwR)(ttSQwwRR在对流和热辐同时存在的场合，常将辐射传热也用对流在对流和热辐同时存在的场合，常将辐射传热也用对流传热速率方程表示：传热速率方程表示： 设备的总热损失为：设备的总热损失为：)()(ttSQQQwwRcR)(ttSQwwT辐射传热系数辐射传热系数R为：为：)(ttSQwwRR)/(1001004421ttTTCwwR或表示成：或表示成：T称为对流辐射联合传热系数，单位W/m2W/m2n空气自然对流时空气自然对流时平壁保温层外：平壁保温层外： T=9.8+0.07(tw-t)圆筒保温层外：圆筒保温层外： T=9.4+0.052(tw-t)n空气沿粗糙管壁面强制对流空气沿粗糙管壁面强制对流空气流速空气流速uu 5m/s5m/s时，时，T=6.2+4.2u空气流速空气流速u u 5m/s5m/s时，时，T=7.8u0.78440)100273300()100273420()420(SCTSQ
