1、第二节第二节 对流传热对流传热对流传热分类 对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流管内对流圆形直管非圆管道弯管湍流过渡流滞流对流传热分析对流传热分析 对流传热是集热对流和热对流传热是集热对流和热传导于一体的综合传热现传导于一体的综合传热现象。对流传热的热阻主要象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层。因此减集中在滞流内层。因此减薄滞流内层的厚度、增加薄滞流内层的厚度、增加流体的湍动是强化对流传流体的湍动是强化对流传热的主要途径。热的主要途径。对流传热分析对流传热分析 强制对流强制对流流动的流体与外界的传热流动的流体与外界的传热2tQQ 电热炉烧水自然对流自然对流边界层
2、是对流传热边界层是对流传热的主要热阻所在。的主要热阻所在。ttwQ对流传热分析对流传热分析 对流传热系数，对流传热系数，W/m2K 牛顿冷却定律：( () )21ttAQ- -= =a a牛顿冷却定律牛顿冷却定律: : dAttdAdQaa1=tttw-=wTTt-=对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程对流传热速率方程( () )21ttAQ- -= =a a定义式：定义式： 物理意义物理意义：表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速：表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速 率；其值反映了对流传热的效果。率；其值反映了对流传热的效果。 ，对流传热越
3、快。，对流传热越快。 注意注意：导热系数是物性，对流传热系数：导热系数是物性，对流传热系数不是物性，不是物性， 它是受多种因素影响的一个物理量。它是受多种因素影响的一个物理量。tAQ=a 对流传热系数对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数影响影响a a的因素主要有：的因素主要有：引起流动的原因：引起流动的原因： 流动型态：流动型态： 流体的性质：流体的性质： 传热面的形状、大小、位置：传热面的形状、大小、位置：有相变与无相变：有相变与无相变：对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数
4、影响影响a a的因素主要有：的因素主要有：流体流动的原因流体流动的原因自然对流：自然对流：由于流体内部存在温度差引起密度差产生浮升力，由于流体内部存在温度差引起密度差产生浮升力， 使流体内部质点产生移动和混合，流速较小，使流体内部质点产生移动和混合，流速较小，值值 不大。不大。强制对流：强制对流：在机械搅拌的外力作用下引起的流体流动。在机械搅拌的外力作用下引起的流体流动。 流流 速较大，速较大，较大。较大。强制强制 自然自然对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数影响影响a a的因素主要有：的因素主要有：流体的流动状态流体的流动状态滞流：滞流：流体在热流方向上无附加的脉动，
5、其传热形式主要流体在热流方向上无附加的脉动，其传热形式主要 是流体滞流内层的导热，故是流体滞流内层的导热，故值较小。值较小。湍流：湍流：Re ，滞流内层的厚度减薄，滞流内层的厚度减薄, 。 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数影响影响a a的因素主要有：的因素主要有：流体的物性流体的物性流体的导热系数、比热容、粘度、密度等物性对流体的导热系数、比热容、粘度、密度等物性对的影的影响较大，响较大， ， ； （、 、C Cp p） , 。对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数影响影响a a的因素主要有：的因素主要有：传热面的形状、大小、位置：传热面的形状
6、、大小、位置：圆管、套管环隙、翘片、平板等不同壁面形状，管径和管长的圆管、套管环隙、翘片、平板等不同壁面形状，管径和管长的大小，传热面是垂直与水平放置、大小，传热面是垂直与水平放置、 管内与管外流动，沿管轴还管内与管外流动，沿管轴还是垂直管轴流动都影响对流传热系数是垂直管轴流动都影响对流传热系数有无相变：有无相变：流体相态变化主要有蒸汽冷凝和液体沸腾，发生相变时，由于流体相态变化主要有蒸汽冷凝和液体沸腾，发生相变时，由于汽化和冷凝的潜热远远大于温度变化的显热，所以一般情况下汽化和冷凝的潜热远远大于温度变化的显热，所以一般情况下，有相变时候的对流传热系数很大，有相变时候的对流传热系数很大对流传热
7、速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数a a的获得主要有三种方法：的获得主要有三种方法：1理论分析法：理论分析法：2实验方法：实验方法：3类比方法：类比方法： 建立理论方程式，用数学分析的方法求出建立理论方程式，用数学分析的方法求出a a的精确解或数值的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。程，如管内层流、平板上层流等。用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。把理论上比较成熟
8、的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。),(tgclufp=a对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数a a的获得实验方法的获得实验方法影响对流传热系数主要因素有：流速影响对流传热系数主要因素有：流速u，传热设备特征尺寸，传热设备特征尺寸l，流体，流体密度密度 ，黏度，黏度 、比热、比热 容容Cp、热导率、热导率 ，以及单位质量流体受到的，以及单位质量流体受到的浮升力浮升力gkatlgcpluCl=223agkaGrPrCReNu =准数名称准数名称符号符号准数式准数式意意 义义努塞尔特准数努塞尔特准数（Nusselt）Nual表示对流传热的系数表示对流传热的系数 雷诺准
9、数雷诺准数（Reynolds）Relu确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数（Prandtl）Prpc表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr223tlg表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数a a相关的几个相关的几个几种常用的准数几种常用的准数gkaGrPrCReNu =对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数a a相关的几个相关的几个几种常用的准数几种常用的准数gkaGrPrCReNu =应用范围应用范围：关联式中：关联式中Re、Pr、Gr的数值范围。的数值范围。特征尺寸特征尺寸：Nu、Re、Gr等准
10、数中如何选取。等准数中如何选取。定性温度定性温度：各准数中流体的物性应按什么温度确定。：各准数中流体的物性应按什么温度确定。计量单位计量单位：每个特征数单位必须一致：每个特征数单位必须一致 流体在管内强制对流传热流体在管内强制对流传热流体在圆形直管内作强制湍流流体在圆形直管内作强制湍流（1）对于低粘度（）对于低粘度（ 小于小于2倍常温水的粘度）的流体倍常温水的粘度）的流体nNuPrRe023. 08 . 0=npcdud)()(023. 08 . 0a=n值与热流方向有关：值与热流方向有关： 流体被加热时，流体被加热时，n=0.4 流体被冷却时，流体被冷却时，n=0.3 应用范围：应用范围：R
11、e10000，0.7Pr160，L/d60 定性温度：取流体进出口温度的算术平均值定性温度：取流体进出口温度的算术平均值 特征尺寸：特征尺寸：Nu，Re 特征数中特征尺寸特征数中特征尺寸l 取管内径取管内径d例例 一根一根252.5mm 的钢管的钢管, 管内走某有机溶液管内走某有机溶液, 流量为流量为758kg/h，比热为，比热为1.76kJ/(kg K)，黏度为，黏度为1cP，导热系数为，导热系数为0.12W/(mK)。温度由。温度由20加热至加热至50。求管内对流传热系数。求管内对流传热系数。解：解： ud= =Re67.1412. 01011076. 1Pr33= = = = =- -
12、pc可以使用管内湍流对流传热系数计算公式可以使用管内湍流对流传热系数计算公式43102 .1341102. 0411013600758 = = = =- - dm 41= =4 . 08 . 0PrRe023. 0= =Nu例例 一根一根252.5mm 的钢管的钢管, 管内走某有机溶液管内走某有机溶液, 流量为流量为758kg/h，比热为，比热为1.76kJ/(kg K)，黏度为，黏度为1cP，导热系数为，导热系数为0.12W/(mK)。温度由。温度由20加热至加热至50。求管内对流传热系数。求管内对流传热系数。解：解：4 . 08 . 0PrRe023. 0d a a= =3 .81067.
13、141 .1341902. 012. 0023. 04 . 08 . 0= = = =W/m2K流体在管内强制对流传热流体在管内强制对流传热流体在圆形直管内作强制湍流流体在圆形直管内作强制湍流（2）对于高粘度的流体）对于高粘度的流体npcdud)()(023. 08 . 0a=14. 023. 08 . 0027. 0=wreuPRN14. 0w近似处理，加热取近似处理，加热取1.05，冷却取，冷却取0.95 应用范围： 60,167007 .0,10000RedLPr定性尺寸： 取为管内径取为管内径d 。定性温度： 除除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值取壁温以外，其余均取液
14、体进、出口温度的算术平均值流体在管内强制对流传热流体在管内强制对流传热流体在圆形直管内作强制湍流流体在圆形直管内作强制湍流（3）流体在短管中的对流传热系数）流体在短管中的对流传热系数npcdud)()(023. 08 . 0a=7 .01=ldf当当 l / d 3 时C = 1.320.650.1510.60.22830.650.1610.60.29040.650.1510.60.290特征尺寸取管外径do流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度定性温度取进出口平均值流体在管外强制对流传热流体在管外强制对流传热流体垂直流过管束的传热流体垂直流过管束的传热4.0PrReCNun=对第一排管子
15、对第一排管子(相对于来流方向相对于来流方向)，不论错列或是直列，不论错列或是直列，C、 和和 n 都相同，都相同， a a值相同；值相同；从第二排起，错列的从第二排起，错列的 值较大，值较大， a a 也较大；也较大；在第三排以后，直列和错列的在第三排以后，直列和错列的 a a 值均不再变化。值均不再变化。流体在管外强制对流传热流体在管外强制对流传热流体垂直流过管束的传热流体垂直流过管束的传热由于各排的给热系数不同，则整个管束的平均给热系数应按下式求出： =321332211AAAAAAmaaaa式中：式中：A1、A2、A3分别为第一排，第二排，第三排分别为第一排，第二排，第三排的的传热面积；
16、传热面积； a a 1、a a 2、a a 3分别为第一排，第二排，第三排分别为第一排，第二排，第三排的的传热系数。传热系数。 流体在管外强制对流传热流体在管外强制对流传热流体在换热器壳层的流动流体在换热器壳层的流动对于常用的列管式换热器折流方式：对于常用的列管式换热器折流方式：(a) 圆盘形(b) 分流形(c) 弓形(圆缺形)流体在管外强制对流传热流体在管外强制对流传热流体在换热器壳层的流动流体在换热器壳层的流动对于常用的列管式换热器：对于常用的列管式换热器： 由于壳体是圆筒，管束中各排的管数不同。由于壳体是圆筒，管束中各排的管数不同。 壳体内装有折流挡板，流体先是垂直管束进行流动，在绕过折
17、流挡壳体内装有折流挡板，流体先是垂直管束进行流动，在绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动板时，则变为顺着管子的方向流动 由于流速和流向的不断变化，由于流速和流向的不断变化，Re100 即可达到湍流即可达到湍流壳程给热系数的计算要考虑具体的结构型式。壳程给热系数的计算要考虑具体的结构型式。流体在管外强制对流传热流体在管外强制对流传热流体在换热器壳层的流动流体在换热器壳层的流动对于装有圆缺型挡板时对于装有圆缺型挡板时 (割去直径的割去直径的 25% 所留下的部分所留下的部分) 的列管式换热的列管式换热器，壳程给热系数：器，壳程给热系数： (1) Re = 312104 时时 (2) Re =
18、21031106 时时 定性温度定性温度：除：除 w 取壁温外，其余均取流体平均温度；取壁温外，其余均取流体平均温度；特征尺寸特征尺寸：用当量直径。：用当量直径。0.141/30.623. 0=wPrReNu0.141/30.5536. 0=wPrReNu流体在管外强制对流传热流体在管外强制对流传热流体在换热器壳层的流动流体在换热器壳层的流动直列错列020244ddtde-=02024324ddtde-=流体在管外强制对流传热流体在管外强制对流传热流体在换热器壳层的流动流体在换热器壳层的流动流速 u ：按管间最大流通截面积 A 计算，即 式中：D 换热器外壳内径，m； h 两折流挡板间距，m。
19、 l若换热器中无挡板，壳程流体沿管外作平行流动，则可按非圆管道的管内强制对流公式计算。特征尺寸使用壳程空间的当量直径。 -=tdhDA01大空间自然对流传热大空间自然对流传热大容积自然对流的给热系数仅与 Gr 数和 Pr 数有关 自然对流：加热过程中流体密度发生变化而产生的流动。大容积自然对流：无搅拌时釜内液体的加热；传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热。定性温度：取壁温 tw 和流体平均温度 tm 的算术平均值 ()nrruPGCN=npCtlglC=a332或大空间自然对流传热大空间自然对流传热()nrruPGCN=加热面形状特征尺寸 (GrPr) 范围Cn水平园管 外径 d0 10
20、41090.531/4垂直管或板 高度 L 1041090.591/410910120.101/3C 和 n 的实验值流体有相变的对流传热系数流体有相变的对流传热系数 蒸汽是工业上最常用的热源。蒸汽在饱和温度下冷凝时，放出汽化潜热。 蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。冷凝传热 流体有相变的对流传热系数流体有相变的对流传热系数膜状冷凝膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，在壁面上铺展：冷凝液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜。成膜。特点特点：蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻。液膜层为壁面与蒸汽间传热的
21、主要热阻。因冷凝在整个壁面上发生，若凝液籍重力沿壁因冷凝在整个壁面上发生，若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小，下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小，如果壁面足够高，壁下部液膜中会出现凝液的湍如果壁面足够高，壁下部液膜中会出现凝液的湍流流动，使给热系数复又增加。流流动，使给热系数复又增加。流体有相变的对流传热系数流体有相变的对流传热系数滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成小液滴，且不断成长变大，在下滚过程中合并成更大的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的 510 倍甚至更高。实现滴状冷凝的方法：在壁面上
22、涂一层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；对管表面进行改性处理。流体有相变的对流传热系数流体有相变的对流传热系数蒸汽在水平管蒸汽在水平管外冷凝时，凝液受重力作用沿管周向下流动并脱离管壁。水平管平均给热系数可用下式计算： 4/103/232725. 0=tdngra4/13213. 1=tlgra竖直板或竖直管外给热系数可用下式计算：竖直板或竖直管外给热系数可用下式计算：4.03/1232Re0077.0=ag层层 流流湍湍 流流影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素(1) 蒸汽的流速和流动方向蒸汽的流速和流动方向 若蒸汽与液膜的流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄， 增加。 蒸汽流速 40
23、50m/s 时， 提高 30% 左右。 若蒸汽与液膜的流动方向相反，液膜的流动受到阻滞而变厚， 下降，若蒸汽的流速很高，将液膜吹离壁面， 将大大增加。 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素(2) 不凝性气体不凝性气体 随着可凝性蒸汽的冷凝，不凝性气体将在液膜外侧聚积而形成一层气膜，蒸汽必须以扩散的方式穿过此气膜才能到达液膜进行冷凝，热阻增大， 下降。例如水蒸汽中含有 1% 的空气能使 下降 60%。应定期排放不凝气体(3) 过热蒸汽过热蒸汽温度高于操作压力下的饱和温度的蒸汽为过热蒸汽壁面无冷凝现象的为无相变的对流传热过程壁面发生冷凝的过程的为两个串联的传热过程一般过热冷凝过程也可按饱和冷凝过程
24、处理，只是蒸汽的潜热r改为r， r=cp(tv-ts)+r影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素4)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。 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，增加膜层阻力，下降。可在壁面安装金属丝或翘片，使冷凝液在表面张力作用下，流向金属丝或翘片附近集中，从而使壁面的液膜减薄，提高冷凝传热系数，强化传热过程 对于水平管束，冷凝液从上面各排流向下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低，管束排数越多， 下降也越多。沸腾传热沸腾传热大容积沸腾(池内沸腾)：加热面浸在有自由表面的液体中所发生的沸腾，液体运
25、动由自然对流和汽泡扰动引起。强制对流沸腾(管内沸腾)：液体在管内流动过程中受热沸腾。产生的汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽-液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。饱和沸腾：液体主体达到饱和温度 ts，加热壁面的温度 tw 高于饱和温度所发生的沸腾。随壁面过热度 t=tw-ts 增加，沸腾传热表现出不同的规律。沸腾曲线：沸腾传热热流密度 q 与壁面过热度 t 的变化关系沸腾传热沸腾传热自然对流沸腾区：t较小（ t5 ) ，壁面处液体轻微过热，产生的少量汽泡尚未升浮达到自由液面就放热再冷凝而消失。液体的运动主要决定于自然对流，通常称为自然对流区。核状沸腾区：t 增大（ 5 t25 )
26、 ，加热面上汽泡数量增加，促进液体扰动， 和 q 都迅速增加。在 C 点 超过104 W/(m2)，q 高达106W/m2。 l o g a 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾 过热度（tw- ts） c沸腾传热沸腾传热 l o g a 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾 过热度（tw- ts） 过渡沸腾区（不稳定膜状沸腾）： t 增大过 C 点（25 t ) ，汽泡数大大增加，且生成速率大于脱离速率，汽泡连成汽膜，与 q 均下降。因汽膜很不稳定，属于核状沸腾和膜状沸腾共存的过渡区。膜状沸腾（稳定膜状沸腾区）： t 继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生稳定的膜状沸腾。但由于膜内辐射
27、传热的逐渐增强， 和 q 又随 t 的增加而升高。c沸腾传热沸腾传热 影响传热速率的因素甚为复杂，一般用因次分析法得出准数影响传热速率的因素甚为复杂，一般用因次分析法得出准数关系式，并用实验数据回归关系式，并用实验数据回归33. 0)(Pr-=vlwlpgrqCrstcC Cwl wl 取决于加热表面取决于加热表面液体组合情况的经验常数；液体组合情况的经验常数；c cp p饱和液体的定压比热，饱和液体的定压比热，kJ/(kgK)kJ/(kgK)；r r 汽化潜热，汽化潜热，kJ/kgkJ/kg；PrPr 饱和液体的普兰特准数；饱和液体的普兰特准数；q q 热流密度，热流密度，q=q= t t,
28、 , t=tt=tw w-t-ts s； 饱和液体的粘度，饱和液体的粘度，Ns/mNs/m2 2； l l、 v v 分别为饱和液体和汽体的密度，分别为饱和液体和汽体的密度，kg/mkg/m3 3； 液体液体- -蒸汽界面的表面张力，蒸汽界面的表面张力，N/mN/m；s s 系数，对水系数，对水 s s = 1.0= 1.0，对其他液体，对其他液体 s s = 1.7= 1.7；g g 重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2。 沸腾传热沸腾传热33. 0)(Pr-=vlwlpgrqCrstc各种表面液体组合情况的Cwl 临界点下热流密度推荐使用下式 4121max)(24vlvgrq-=表
29、面-液体组合Cwl表面-液体组合Cwl水-铜0.013乙醇-铬0.027水-铂0.013水-金刚砂磨光的铜0.0128水-黄铜0.006正戊烷-金刚砂磨光的铜0.0154正丁醇-铜0.00305四氯化碳-金刚砂磨光的铜0.0070异丙醇-铜0.00225水-磨光的不锈钢0.0080正戊烷-铬0.015水-化学腐蚀的不锈钢0.0133苯-铬0.010水-机械磨光的不锈钢0.0132垂直管沸腾过程中的流动型态和传热类型液体无相变加热过程：液体进入管内至开始产生汽泡；过冷沸腾：液体在过冷状态下 ( ts ) 开始产生汽泡；泡状沸腾：ts 时形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)；环状流：蒸汽含量，大汽块在管中心合并形成汽芯；蒸干：环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失；干蒸汽单相传热区：对湿蒸汽继续加热使其成为过热蒸汽。 有相变有相变无相变无相变 自然对流自然对流管束外管束外水平圆管外水平圆管外外壁外壁湍流湍流层流层流管内管内 沸腾传热沸腾传热冷凝传热冷凝传热注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸对流传热系数小结对流传热系数小结
