第四節(jié)對(duì)流傳熱

第四節(jié)對(duì)流傳熱第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五解決方法：研究各種對(duì)流傳熱情況下α的大小、影響因素及計(jì)算式。牛頓冷卻定律存在的問(wèn)題：1.牛頓冷卻定律表達(dá)了復(fù)雜的對(duì)流傳熱問(wèn)題，但它并非理論推導(dǎo)的結(jié)果，而是一種推論，即假設(shè)單位面積的傳熱速率與溫差成正比。2.該公式形式雖然簡(jiǎn)單，但它并未揭示對(duì)流傳熱過(guò)程的本質(zhì)，并未減少計(jì)算困難，只不過(guò)將所有復(fù)雜的因素都轉(zhuǎn)移到對(duì)流傳熱系數(shù)中，實(shí)質(zhì)上是將矛盾集中到對(duì)流傳熱系數(shù)α。研究對(duì)流傳熱問(wèn)題的核心第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.α反映了對(duì)流傳熱的快慢,α愈大表示對(duì)流傳熱愈快。二、對(duì)流傳熱系數(shù)α對(duì)流傳熱系數(shù)的定義式意義:3.α不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個(gè)系數(shù)，反映對(duì)流傳熱熱阻的大小。1.α在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率。表5-8α值的范圍換熱方式空氣自然對(duì)流氣體強(qiáng)制對(duì)流水自然對(duì)流水強(qiáng)制對(duì)流水蒸汽冷凝有機(jī)蒸汽冷凝水沸騰W/(m2.℃)5～2520～10020～10001000～150005000～15000500～20002500～25000第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3)實(shí)驗(yàn)方法：用因次分析法、再結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。1.的獲得主要有三種方法：1)理論分析法：建立理論方程式，用數(shù)學(xué)分析的方法求出的精確解或數(shù)值解。目前只適用于一些幾何條件簡(jiǎn)單的幾個(gè)傳熱過(guò)程，如管內(nèi)層流、平板上層流等。三.對(duì)流傳熱系數(shù)的確定2)類比方法：把理論上比較成熟的動(dòng)量傳遞的研究成果類比到熱量傳遞過(guò)程。——傳熱學(xué)及傳遞過(guò)程的研究?jī)?nèi)容實(shí)驗(yàn)表明：α與流體的物性、溫度、流動(dòng)狀況以及壁面幾何狀況等諸多因素有關(guān)。

第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素:1)流動(dòng)狀態(tài)：層流和湍流的傳熱機(jī)理有本質(zhì)的區(qū)別層流:

傳熱基本上依靠分子擴(kuò)散作用的導(dǎo)熱方式,質(zhì)點(diǎn)無(wú)混雜運(yùn)動(dòng)。湍流:湍流主體的傳熱為渦流作用引起的熱對(duì)流，質(zhì)點(diǎn)呈混雜運(yùn)動(dòng)，傳熱充分。但在壁面附近的層流內(nèi)層中仍為熱傳導(dǎo)。2)對(duì)流情況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流(流動(dòng)和傳熱規(guī)律不同)自然對(duì)流：流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。強(qiáng)制對(duì)流:

外力的作用，如泵、攪拌器等迫使流體流動(dòng)。u影響大。第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五均與相態(tài)，溫度t和壓力p有關(guān)4)傳熱面的形狀，位置和大小傳熱面大小：流道尺寸（管徑，管長(zhǎng)，板高和進(jìn)口效應(yīng)）5)傳熱有、無(wú)流體相變情況傳熱面位置：(水平,垂直),管束排列方式傳熱面形狀：圓管,平板,環(huán)隙，翅片形式等流體有無(wú)相變化，對(duì)傳熱有不同的影響有流體相變：如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液體在熱壁面上的沸騰總之：3)流體的性質(zhì)(Cp,λ,ρ,μ，β)第六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.各種情況下對(duì)流傳熱系數(shù)求算的特征數(shù)關(guān)系式1）特征數(shù)關(guān)系式通式——因次分析法由實(shí)驗(yàn)可知流體無(wú)相變時(shí)：基本因次：長(zhǎng)度L，時(shí)間，質(zhì)量M，溫度T變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無(wú)因次數(shù)群。則有無(wú)相變，強(qiáng)制對(duì)流：無(wú)相變，自然對(duì)流：第七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五表5-9特征數(shù)的名稱、符號(hào)和含義準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式含義努賽爾特?cái)?shù)(Nusseltnumber)Nu表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Re流體的流動(dòng)狀態(tài)和湍動(dòng)程度對(duì)對(duì)流傳熱的影響普蘭特?cái)?shù)(Prandtlnumber)Pr表示流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響格拉斯霍夫數(shù)(Grashofnumber)Gr表示自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響2）各特征數(shù)（準(zhǔn)數(shù)）的特點(diǎn)及意義第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五也可取壁溫3.討論—經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式應(yīng)用的幾點(diǎn)注意事項(xiàng):a.適用范圍由于關(guān)聯(lián)公式是在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到的,故應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用相應(yīng)的公式,且準(zhǔn)數(shù)范圍不能超出規(guī)定。b.特征(定性)尺寸:常以對(duì)傳熱發(fā)生重要影響的設(shè)備尺寸定量如對(duì)管道:一般取d,或de(非圓管道)對(duì)平壁:一般取厚度或高度(長(zhǎng)度)c.物性的定性溫度因物性隨溫度變化，在傳熱過(guò)程中，流體在不同位置溫度不同，物性隨之變化。一般取法：進(jìn)、出口流體的算術(shù)平均值作定性溫度。或膜溫第九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五式中:流體被加熱時(shí)n=0.4流體被冷卻時(shí)n=0.3(1).圓直管內(nèi)強(qiáng)制湍流(低粘度液體及氣體)流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流傳熱五、流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)用條件:Re>104μ≤20cP0.6<Pr<160（也有0.7<Pr<120）

l/d>50（也有l(wèi)/d>60）定性溫度：流體進(jìn)、出口算術(shù)平均溫度特征尺寸：管內(nèi)徑第十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體強(qiáng)化措施：增大流速，減小管徑?思考：與u、d有何比例關(guān)系？提高管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）圓直管中強(qiáng)制湍流（高粘度流體）應(yīng)用范圍：Re>104;0.6<Pr<160;

l/d>50

特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：除μw取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。當(dāng)壁溫難以確定時(shí)μ/μ壁可按以下處理：氣體（加熱、冷卻）μ/μ壁=1.0液體被加熱μ/μ壁=1.05液體被冷卻μ/μ壁=0.95第十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）彎形圓管中強(qiáng)制湍流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)先求出Re，再根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)及流體粘度（高、低粘度）選擇公式計(jì)算α。最后乘以彎管效應(yīng)校正系數(shù)R彎——管道的彎曲半徑適應(yīng)條件：Re=12000~220000其余同上：（3）短管中強(qiáng)制湍流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)當(dāng)l/d<60時(shí)，根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)及流體粘度（高、低粘度）選擇公式計(jì)算α。最后乘以管入口效應(yīng)校正系數(shù)第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（5）過(guò)渡流時(shí)圓直管中對(duì)流傳熱系數(shù)原則:按相應(yīng)情況下湍流（高、低粘度）公式計(jì)算，乘以校正因子f2即可。應(yīng)用條件:Re=2300~10000其余同上第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)用范圍：Re<2300，0.6<Pr<6700，Gr<25000，d/l>50定性溫度：除μw取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。特性尺寸：管內(nèi)徑。當(dāng)Gr>25000時(shí)，自然對(duì)流的影響不可忽略上式按校正系數(shù)相乘予于修正。（6）圓直管內(nèi)強(qiáng)制層流流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五(7)非圓形管強(qiáng)制湍流1)當(dāng)量直徑法2)直接實(shí)驗(yàn)法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)適用范圍：12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計(jì)算，u不同de,要用實(shí)際的流通面積計(jì)算。第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五例5-15潤(rùn)滑油在內(nèi)徑d=12mm的換熱管內(nèi)，由95℃冷卻到65℃；壁溫tw=20℃。在本題涉及的溫度下，油的物性可?。呵螅航o熱系數(shù)及所需要換熱器的長(zhǎng)度第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五分析：LAQTα選用合適的公式Re注意：所有物性參數(shù)與特性溫度有關(guān)系具體解題過(guò)程見(jiàn)P167頁(yè)例5-15第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五六、管外強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)1.流體在管束外垂直流過(guò)管外流動(dòng)由于結(jié)構(gòu)件因素，易產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，從而使局部傳熱系數(shù)在不同位置相差較大。第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五C1,C2,n的值，查171頁(yè)，表5-11管外流動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)還與流體橫過(guò)管束時(shí)，管子的錯(cuò)列、直列排列方式有關(guān)在換熱器內(nèi)單排管：第二十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五整個(gè)管束：定性溫度：

適用范圍：特性尺寸：管的外徑doαi和Ai分別表示第i排的給熱系數(shù)和傳熱面積第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．流體在換熱器殼程的流動(dòng)擋板形式：圓形、圓缺形第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)（圓缺形）：

定性溫度：除μw取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：當(dāng)量直徑de由于折流擋板的存在，流體流過(guò)時(shí)湍動(dòng)程度很大，當(dāng)Re>100即達(dá)到湍流第二十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五正方形排列：正三角形排列：d0tt當(dāng)量直徑de要根據(jù)管子的排列方式而定：第二十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五流速u按流通截面最大處的截面計(jì)算：式中h—兩塊折流擋板間距離，m；D——換熱器殼徑，m；do——管子的外徑，m；

t——相鄰兩管中心距，m。第二十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五由可得：提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五注意：換熱器無(wú)折流擋板時(shí)，殼體流體平行流過(guò)管束，對(duì)流給熱系數(shù)按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑。所以：提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：3）加強(qiáng)湍動(dòng)，2）1）第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五七、大空間的自然對(duì)流傳熱

注意：C,n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。表5-12定性溫度：膜溫特征尺寸：垂直的管或板為高度水平管為管外徑第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五例5-17有一垂直蒸汽管，外徑100mm，長(zhǎng)3.5m，管外壁溫度為110℃。若周圍空氣溫度為30℃，試計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)由于自然對(duì)流散失于周圍空氣中的熱流量。分析：（1）確定流動(dòng)型態(tài)-----自然對(duì)流Qα自然對(duì)流GrPr定性溫度（膜溫）問(wèn)題：怎么求？Nu第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五復(fù)習(xí)：對(duì)流給熱系數(shù)的計(jì)算：一、無(wú)相變對(duì)流給熱系數(shù)的計(jì)算自然對(duì)流管束外水平圓管外外壁湍流層流管內(nèi)無(wú)相變公式不要求記住，但是要會(huì)查，知道公式的每一項(xiàng)物理意義。每一個(gè)公式要知道適用范圍，特性尺寸以及定性溫度。第三十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五九、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱1.蒸汽冷凝時(shí)的狀況膜狀滴狀產(chǎn)生原因：冷凝壁有潤(rùn)濕作用，形成冷凝液膜特點(diǎn)：傳熱阻力集中于膜中，導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻大，故給熱系數(shù)α小。產(chǎn)生原因：壁面無(wú)潤(rùn)濕作用（光滑）。特點(diǎn)：傳熱阻力小，給熱系數(shù)α大。過(guò)程比較:一）蒸汽冷凝傳熱系數(shù)冷凝方式故冷凝器的設(shè)計(jì)總是按膜狀冷凝來(lái)處理工業(yè)上遇到的大多數(shù)是膜狀冷凝第三十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)蒸汽在水平管外的膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)2.蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(2)蒸汽在垂直管板上膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)層流:Re<1800湍流:Re>1800定性溫度：膜溫特征尺寸：?jiǎn)喂埽汗苁簄—水平管束在垂直列上的管子數(shù)；r—汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫

第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五例5-18101.3kPa（絕）下的水蒸氣在單根管外冷凝（管內(nèi)通空氣作為冷卻劑）。管徑100mm，管長(zhǎng)1.5m，管壁溫度為98℃。（1）若管垂直放置，試計(jì)算蒸汽冷凝時(shí)的給熱系數(shù)。（2）若管水平放置，重新計(jì)算冷凝給熱系數(shù)。分析：（1）垂直放置判斷層流或者湍流定性溫度（膜溫）特性尺寸（長(zhǎng)度）驗(yàn)證第三十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）水平放置定性溫度（膜溫）特性尺寸（管外徑）更簡(jiǎn)捷的求法？具體解題過(guò)程見(jiàn)P178頁(yè)例5-19第三十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

單組分飽和蒸汽冷凝時(shí)，氣相內(nèi)溫度均勻，都是飽和溫度，沒(méi)有溫度差，故熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。因此對(duì)一定的組分，液膜的厚度及其流動(dòng)狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵因素。凡是有利于減薄液膜厚度的因素都可提高冷凝傳熱系數(shù)。這些因素為:（2）流體物性:由膜狀冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算式可知3．影響冷凝傳熱的因素（1）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差:當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，都影響冷凝傳熱系數(shù)。（3）蒸汽的流速和流向:蒸汽和液膜同向流動(dòng):蒸汽和液膜逆向流動(dòng):摩擦力將是液膜加速，厚度減薄，但這種力若超過(guò)液膜重力，液膜會(huì)被蒸汽吹離壁面，第三十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）蒸汽中不凝氣體含量的影響：若蒸汽中含有空氣或其它不凝性氣體，則壁面可能為氣體（λ?。铀谏w，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降。因此在冷凝器的設(shè)計(jì)和操作中，都必須考慮排除不凝氣。（5）冷凝壁面的表面情況：對(duì)α的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會(huì)使膜層加厚，增加膜層阻力，因而α降低

（6）冷凝壁面的影響：a.垂直壁面（板或管）若沿冷凝液流動(dòng)方向的尺寸增大，沿途積存的液體增多，則液膜增厚，使α下降，但當(dāng)高度尺寸增至某一程度時(shí)，液膜進(jìn)入湍流，α有開(kāi)始增大。第三十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五問(wèn)題：冷凝液面從上面各排流到下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的α比上排的要低。故在設(shè)計(jì)和安裝冷凝器時(shí)，應(yīng)正確安放冷凝壁面。b.水平布置的管束:措施:為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般需減少垂直列上的管子數(shù)目，或把管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流過(guò)，如圖片4-29所示。第三十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.沸騰過(guò)程：對(duì)液體加熱時(shí)，有液相變?yōu)闅庀嗟倪^(guò)程，即在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜，因液體沸騰時(shí)必伴有液體流動(dòng)，故屬于對(duì)流傳熱過(guò)程。二）液體沸騰時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)大容積沸騰：將加熱表面浸入液體的自由表面之下，液體在壁面受熱沸騰。管內(nèi)沸騰：液體在管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中于管內(nèi)壁發(fā)生的沸騰。其傳熱機(jī)理要較大容積沸騰復(fù)雜得多。工業(yè)上的液體沸騰主要有兩種：本節(jié)主要討論大容積沸騰，至于管內(nèi)沸騰，請(qǐng)參閱有關(guān)專著。第三十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五大容積沸騰時(shí)，熱通量q和α的大小取決于加熱壁面溫度與液體飽和溫度之差

2.液體沸騰曲線twts沸騰曲線過(guò)熱度不大，氣泡沒(méi)有；

膜狀沸騰

自然對(duì)流核狀沸騰工業(yè)上常用第四十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五下圖為常壓下水在池內(nèi)沸騰時(shí)的熱通量q=Q/A、α與t之間的關(guān)系曲線。沸騰過(guò)程大致分三個(gè)階段:自然對(duì)流階段:核狀沸騰階段