1、2022-8-17第第第第第第四四四四四四章章章章章章 传热传热传热传热传热传热一、对流传热的分析一、对流传热的分析二、壁面和流体的对流传二、壁面和流体的对流传热速率热速率第第第第第第三三三三三三节节节节节节 对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热2022-8-17管内冷凝管外冷凝冷凝传热管内沸腾大容器沸腾沸腾传热有相变混合对流传热有限空间自然对流大空间自然对流自然对流传热外部流动内部流动强制对流传热无相变对流传热一、对流传热的分类一、对流传热的分类一、对流传热的分类一、对流传热的分类一、对流传热的分类一、对流传热的分类2022-8-17二、对流传热的分析二、对流传热的分析二、对流传
2、热的分析二、对流传热的分析二、对流传热的分析二、对流传热的分析 流体沿固体壁面的流动 层流内层缓冲层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。2022-8-17 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内层热阻主要集中在层流内层。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。2022-8-17三、壁面和流体间的对流传热速率三、壁面和流体间的对流传热速率三、壁面和流体间的
3、对流传热速率三、壁面和流体间的对流传热速率三、壁面和流体间的对流传热速率三、壁面和流体间的对流传热速率 对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率 推动力系数推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。1 1、过程数学描述、过程数学描述 2022-8-17 由于对流给热的复杂性，难以直接严格的数学推导，求出流体中的温度分布，从而得到壁面上的温度梯度，再得出热流密度q。同时自然对流的影响难以定量估计。工程处理方法：将对流给热的热流密度写成如下形式：)()(TTAQTTqww流体被加热流体被冷却)()(wwTTAQTTqQA tqt 牛顿冷却定律牛顿冷却定律 牛顿冷却定律牛
4、顿冷却定律 对流给热的工程处理方法 2022-8-17 该公式并非理论推导结果，是一种假设推论。实际情况是：q T 不是常数而与T有关结论：结论：公式看来简化了，但问题并未解决 因为必须知道值给热系数 要通过实验测定要通过实验测定2022-8-17有效膜厚度有效膜厚度ttqtq热传导公式，牛顿冷却定律，二者比较 ttqtq1对流给热热阻可相当于某个厚度为t的静止流体膜所造成的导热热阻。比较结果：比较结果：可将对流给热过程看作某个当量流体层厚度的导热过程，该当量的流体层厚度称为有效膜厚度（虚拟概念）。2022-8-172、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数定义式：QA t 表示单位温度差单位
5、传热面积的对流传热速率，W/m2.k。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。2022-8-17传热方式对流传热系数 W/（m2K）空气自然对流5 25气体强制对流30 300水的自然对流200 1000水的强制对流1000 8000油类的强制对流500 1500水蒸气的冷凝5000 15000有机蒸汽的冷凝500 3000水的沸腾1500 30000表4-1 对流传热系数数值的范围 下表给出了几种对流传热条件下，对流传热系数的大致范围 2022-8-17四、对流传热系数的影响因素四、对流传热系数的影响因素四、对流传热系数的影响因素四、对流传热系数的影响因素四、对流传热系数的影响因素四
6、、对流传热系数的影响因素 流体的流动型态 流体的相态变化 流体对流的起因 传热面的几何因素 单相流动 有相变的流动 强制对流 自然对流 层流湍流 传热表面的形状、大小、流体与传热面作相对运动的位置和方向以及传热面的表面状况 流体的物理性质 比热、导热系数、密度和粘度等 TgLuTg单位质量流体浮力）(2022-8-17用一般函数关系表示：(,)pf u lc，g t通过因次分析，可将对流传热系数表示为如下四个准数的函数：五、对流传热的特征数关系式五、对流传热的特征数关系式五、对流传热的特征数关系式五、对流传热的特征数关系式五、对流传热的特征数关系式五、对流传热的特征数关系式实验时变量较多，减少
7、实验工作量 用因次分析方法：初始变量、l2022-8-17准数的符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nul表示对流传热的系数 雷诺准数（Reynolds）Relu确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Prpc表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr223tlg表示自然对流影响的准数2022-8-173、应用准数关联式应注意的问题1）适用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。2）特征尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。3）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 Re PrabcNuKGr无相变时对流传热系数的普遍关联式。2022-8-17（1
8、）定性温度：查取所需物性数据的温度基准）定性温度：查取所需物性数据的温度基准 选择：本质上是对物性取平均值问题。2tttwm（壁温和主体温度的算术平均值）壁温难以测定，以流体主体的平均温度（代 tm）简单方便（进、出口温度平均值）2出进tttm2022-8-17（2）特征尺寸：指对给热过程产生直接影响的几何尺寸）特征尺寸：指对给热过程产生直接影响的几何尺寸管内强制对流给热 圆管特征尺寸取管径d 非圆形管，取当量直径传热周边流动截面4de大空间自然对流，取加热或冷却表面的垂直高度。2022-8-17六、对流给热系数的经验关联式六、对流给热系数的经验关联式六、对流给热系数的经验关联式六、对流给热系
9、数的经验关联式六、对流给热系数的经验关联式六、对流给热系数的经验关联式传热过程的准数关系式 通过因次分析得出化工中的对流给热 液体沸腾给热蒸汽冷凝给热发生相变化的给热过程自然对流给热强制对流给热程液体无相变化的给热过本节讨论无相变给热过程 Re PrabcNuKGr2022-8-17（一）、流体无相变时的对流传热系数（一）、流体无相变时的对流传热系数（一）、流体无相变时的对流传热系数（一）、流体无相变时的对流传热系数（一）、流体无相变时的对流传热系数（一）、流体无相变时的对流传热系数1、流体在管内作强制对流、流体在管内作强制对流1）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a)低粘
10、度（大约低于2mPas）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。（自然对流的影响忽略，故Gr数可略）2022-8-17原因：考虑到层流底层中温度对液体粘度和导热系数的影响。A、液体被加热时，层流底层温度高于液体主体温度。，层流底层厚度变薄，减小不显著，增大。反之，液体被冷却时，使减小；液体Pr1。B、对于气体，加热时，层流底层温度高于气体主体温度，层流底层厚度变厚，大多数气体的增大不显著，总的结果使减小。气体Pr105(充分湍流)0.7Pr160(一般流体均可满足)低粘度：2mPas，60ld2022-8-17公式讨
11、论：每个变量单独出现 2.08.04.06.04.08.0023.0duCp（前面是物性，后面是操作条件，设备因素）u0.8（u升高则升高，对强化传热有利）2.01d（说明管径对 影响不大）。2022-8-17例题：管内强制湍流时给热系数的计算列管式换热器，38根252.5mm无缝钢管组成，苯在管内流动。80,2021tt（1）qm=8.32kg/s，水蒸气加热，求=？（2）qm=2w时，=？解：（1）求：tm=0.5（20+80）=50，50下物性查手册kgkJCCmkgpp80.1,45.0,85032022-8-172109.11千卡/（米时）=0.14w/（m）228.328500.8
12、20.785 0.02384Vqmusd n43330.80.420.02 0.82 850Re31000100.45 10(1.8 10)0.45 105.790.14 0.023Re1270prrduCPwPmKd（2）qm=2w，u=2u0.80.80.82()2,21.74 12702210/uW mKu2022-8-17b)高粘度的液体 0.140.80.330.027ReurwuNP14.0wu为考虑热流体方向的校正项 液体被加热时1.05液体被冷却时0.95 应用范围：Re10000,0.716700,60rLPd定性尺寸：取为管内径d。定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、
13、出口温度的算术平均值。2022-8-172)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 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c)短管（l/d60)前面两式计算结果乘以管入口效应系数：0.711dl d)弯管 前面两式计算结果乘以弯管效应校正系数：1 1.77RdR 2022-8-17应用范围：10.1431.86 Re PruwdNlRe2300,67000.6,25000,10rrerdPGR Pl定性尺寸：管内径d。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。25000rG，按上式计算出后，再乘以一校正因子31015.
14、018.0rGf2022-8-173）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。51.86 101Ref 4）流体在弯管内作强制对流）流体在弯管内作强制对流 1 1.77/d R2022-8-17 对于圆形管道，流体流径的管道截面为:24d流体润湿的周边长度为:d de=4流道截面积/润湿周边长度5）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，只是要将圆管内径改为当量直径de。2022-8-17对于长宽分别为a与b的矩形管道：)(
15、24baabde对于一外径为d1的内管和一内径为d2的外管构成的环形通道)()44(4212122ddddde2022-8-17 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：318.053.02102.0reePRddd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。2022-8-17【例【例 4-4】套 管 换 热 器 外 管 内 径】套 管 换 热 器 外 管 内 径 6 0 m m，内 管 规 格内 管 规 格384.0mm，用水将为用水将为2500kg/h的某液体有机物从的某液体有机物从100冷却
16、至冷却至40，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度温度下，有机物密度860kg/m3,粘度粘度2.810-3Ns/m2，比热比热2.26kJ/(公斤公斤)，导热系数，导热系数0.452W/(m2),水的进、出口水的进、出口温度分别为温度分别为15和和45，热损失忽略不计。试求：，热损失忽略不计。试求：(1)水对水对管内壁的给热系数；管内壁的给热系数；(2)有机溶液对管外壁的给热系数；有机溶液对管外壁的给热系数；(3)若将水流量增加若将水流量增加20%，其他条件不变，重求水对管内壁的，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。给热系数。2
17、022-8-17解：解：水的定性温度：水的定性温度：，查得，查得2=995.7kg/m3,2=0.0008Ns/m2,2=0.618W/(mK)Cp2=4.174kJ/(公斤K)根据热量衡算式求得水流量 公斤管内流速：m/s3024515t111222122500 36002.26100400.7524.17445 15mpmpq CTTqCtt22222/0.752/995.71.087/40.785 0.032mqud42221033.40008.07.995087.1032.0Redu2022-8-17水侧给热系数：套管环隙当量直径de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm,环
18、隙流速 (过渡流)2224.174 1000 0.0008Pr5.4030.618pC0.80.80.440.40.0230.0234.33 105.403231.2NuRe Pr20.618231.244650.032Nud11222221/2500/(3600 860)0.514/40.0600.04/4mqudd1000010158.30028.0860514.002.0Re3111ude1112.26 1000 0.0028Pr140.452pCW/(m2K）m/s2022-8-17根据过渡流给热系数的计算方法，有 W/(m2K)故得溶液侧给热系数：W/(m2K)水流量增加后的给热系数
19、 W/(m2K)0.80.80.340.30.0230.0233.158 101432NuRe Pr10.452327230.02Nude699.0)10158.3(1061Re10618.1358.15f0.699 723433.4f0.80.84465 1.25166mmqq2022-8-172、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流2022-8-171）流体在管束外强制对流）流体在管束外强制对流 换热器壳程都是横掠管束流动，换热管排列分为直列和错列两种，流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的。错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比
20、直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。2022-8-17 影响管束传热的因素除Re,Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数4.0PrRenCNu应用范围：应用范围：特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。12Re5000 70000,1.2 5.0,1.2 5.0 xxdd2022-8-172022-8-17各排的给热系数不同，应按下式求其平均值。112233123mAAAAAA2022-8-172）自然对流）自然对流nr
21、ruPGCNnpCtlglC332或 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c,n的值在表4-9中。定性温度：壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。2022-8-172022-8-17自然对流2022-8-174、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数,并且Re,应力求使流体在换热器内达到湍流流动。2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数 nriiPudd8.0023.0,4.0 时当 n8.06.04.0023.0uCp u,u0.8 d,1/d0.2 2022-8-17 流
22、体物性的影响，选、较大或较小的流体 在流体阻力允许的情况下，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。3）流体在换热器管间流过时，在管外加流板的情况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次方成反比2022-8-17 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
23、流传热系数增大，但此时能耗增加。2022-8-17（二）流体有相变时的对流传热系数（二）流体有相变时的对流传热系数（二）流体有相变时的对流传热系数（二）流体有相变时的对流传热系数（二）流体有相变时的对流传热系数（二）流体有相变时的对流传热系数1、蒸汽冷凝时的对流传热、蒸汽冷凝时的对流传热1）蒸汽冷凝的方式）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 2022-8-172022-8-17 2）膜状冷凝的传热系数）膜状冷凝的传热系数 b)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的
24、冷凝 假设：冷凝液的物性为常数，取平均液膜温度的数值。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,传热方式仅为通过液膜的热传导。a)蒸汽在水平管外冷凝 232300.725grndt2022-8-1712341.13grl t定性尺寸：l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。膜层湍流（Re1800）时4.031232Re(0077.0）g膜层层流（Re1800）时2022-8-17若冷凝液流通截面积为S，壁面润湿周边为，则当量直径4/edS4ReeSud u质量流量：mqSu则：4Remq
25、蒸汽冷凝热：mQq r蒸汽冷凝时的对流传热速率：QA tl t 2022-8-17联立上面两式得：mql tr4Rel trt=饱和蒸气的温度ts与壁面温度tw之差,ts-tw2022-8-17c)蒸汽在水平管束外冷凝4103232725.0tdngr75.075.0275.0121zzmnnnnnnn层流时，Re值增加，减小；湍流时，Re值增加，增大；2022-8-17a)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。3）影响冷凝传热的因素）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，厚度减薄，使增大；蒸汽和
26、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；2022-8-17c）冷凝液膜两侧的温度差t(蒸汽过热的影响）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。d）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。2022-8-17e)传热面的形状和位置 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，增加膜层阻力，下降。2022-8
27、-172022-8-171 1）过程分析）过程分析 特征：液体内部有 气泡产生只讨论大容积中的饱和沸腾，其它情况主要是经验公式有相变的对流给热 过冷沸腾几何尺寸 大容积管内饱和沸腾复杂自然对流+气流运动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 2022-8-172）沸腾曲线）沸腾曲线 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。2022-8-172022-8-172022-8-17 当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产
28、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。2022-8-172022-8-17加热曲线与沸腾曲线 有三个平衡点：稳定；不稳定，且增加热量很快就从点变化到点，温度急剧上升，称“飞温”；稳定。主要采用点，因温度低，稳定，高。2022-8-173）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素 a)液体
29、性质 一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。b）温度差t的影响 mCt2022-8-17 c)操作压强的影响 提高沸腾压强，液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)加热表面的状况 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。2022-8-174）强化）强化对易结晶，如烧碱采取将气泡移至空间，不在壁面上产生 即通入惰性气体，壁面不结垢（专利）q q（沸腾液体）增加压强，气泡变小，不易合并增加有机添加剂，改变表面张力（加热表面）
30、增加壁面粗糙程度，对有机液体加热有利 提供更多的汽化核心2022-8-17五、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(1)针对传热问题类型，选择适当的关联式。(2)注意关联式的应用范围、特性尺寸的选择和定性温度的确定。(3)应注意正确使用各物理量的单位(4)分析关联式中各物理量对的影响2022-8-17(5)一般情况下值的大致范围如下，单位为w/(m2K)传热方式对流传热系数 W/（m2K）空气自然对流5 25气体强制对流30 300水的自然对流200 1000水的强制对流1000 8000油类的强制对流500 1500水蒸气的冷凝5000 15000有机蒸汽的冷凝500 3000水的沸腾1500 30000
