第四節(jié)對流傳熱

第四節(jié)對流傳熱第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五解決方法：研究各種對流傳熱情況下α的大小、影響因素及計算式。牛頓冷卻定律存在的問題：1.牛頓冷卻定律表達了復雜的對流傳熱問題，但它并非理論推導的結(jié)果，而是一種推論，即假設單位面積的傳熱速率與溫差成正比。2.該公式形式雖然簡單，但它并未揭示對流傳熱過程的本質(zhì)，并未減少計算困難，只不過將所有復雜的因素都轉(zhuǎn)移到對流傳熱系數(shù)中，實質(zhì)上是將矛盾集中到對流傳熱系數(shù)α。研究對流傳熱問題的核心第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五2.α反映了對流傳熱的快慢,α愈大表示對流傳熱愈快。二、對流傳熱系數(shù)α對流傳熱系數(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系數(shù)，反映對流傳熱熱阻的大小。1.α在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率。表5-8α值的范圍換熱方式空氣自然對流氣體強制對流水自然對流水強制對流水蒸汽冷凝有機蒸汽冷凝水沸騰W/(m2.℃)5～2520～10020～10001000～150005000～15000500～20002500～25000第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五3)實驗方法：用因次分析法、再結(jié)合實驗，建立經(jīng)驗關系式。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單的幾個傳熱過程，如管內(nèi)層流、平板上層流等。三.對流傳熱系數(shù)的確定2)類比方法：把理論上比較成熟的動量傳遞的研究成果類比到熱量傳遞過程?！獋鳠釋W及傳遞過程的研究內(nèi)容實驗表明：α與流體的物性、溫度、流動狀況以及壁面幾何狀況等諸多因素有關。

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

傳熱基本上依靠分子擴散作用的導熱方式,質(zhì)點無混雜運動。湍流:湍流主體的傳熱為渦流作用引起的熱對流，質(zhì)點呈混雜運動，傳熱充分。但在壁面附近的層流內(nèi)層中仍為熱傳導。2)對流情況：自然對流，強制對流(流動和傳熱規(guī)律不同)自然對流：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)點的相對位移。強制對流:

外力的作用，如泵、攪拌器等迫使流體流動。u影響大。第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五均與相態(tài)，溫度t和壓力p有關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，板高和進口效應）5)傳熱有、無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相變化，對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，共四十八頁，編輯于2023年，星期五3.各種情況下對流傳熱系數(shù)求算的特征數(shù)關系式1）特征數(shù)關系式通式——因次分析法由實驗可知流體無相變時：基本因次：長度L，時間，質(zhì)量M，溫度T變量總數(shù)：8個由定律（8-4）=4，可知有4個無因次數(shù)群。則有無相變，強制對流：無相變，自然對流：第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五表5-9特征數(shù)的名稱、符號和含義準數(shù)名稱符號準數(shù)式含義努賽爾特數(shù)(Nusseltnumber)Nu表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Re流體的流動狀態(tài)和湍動程度對對流傳熱的影響普蘭特數(shù)(Prandtlnumber)Pr表示流體物性對對流傳熱的影響格拉斯霍夫數(shù)(Grashofnumber)Gr表示自然對流對對流傳熱的影響2）各特征數(shù)（準數(shù)）的特點及意義第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五也可取壁溫3.討論—經(jīng)驗關聯(lián)式應用的幾點注意事項:a.適用范圍由于關聯(lián)公式是在不同實驗條件下得到的,故應用時應根據(jù)實際情況選用相應的公式,且準數(shù)范圍不能超出規(guī)定。b.特征(定性)尺寸:常以對傳熱發(fā)生重要影響的設備尺寸定量如對管道:一般取d,或de(非圓管道)對平壁:一般取厚度或高度(長度)c.物性的定性溫度因物性隨溫度變化，在傳熱過程中，流體在不同位置溫度不同，物性隨之變化。一般取法：進、出口流體的算術平均值作定性溫度?；蚰氐诰彭?，共四十八頁，編輯于2023年，星期五式中:流體被加熱時n=0.4流體被冷卻時n=0.3(1).圓直管內(nèi)強制湍流(低粘度液體及氣體)流體在管內(nèi)作強制對流傳熱五、流體無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五應用條件: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、出口算術平均溫度特征尺寸：管內(nèi)徑第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體強化措施：增大流速，減小管徑?思考：與u、d有何比例關系？提高管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的措施：第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五（2）圓直管中強制湍流（高粘度流體）應用范圍：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、出口溫度的算術平均值。當壁溫難以確定時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，共四十八頁，編輯于2023年，星期五（4）彎形圓管中強制湍流時對流傳熱系數(shù)先求出Re，再根據(jù)流動狀態(tài)及流體粘度（高、低粘度）選擇公式計算α。最后乘以彎管效應校正系數(shù)R彎——管道的彎曲半徑適應條件：Re=12000~220000其余同上：（3）短管中強制湍流時對流傳熱系數(shù)當l/d<60時，根據(jù)流動狀態(tài)及流體粘度（高、低粘度）選擇公式計算α。最后乘以管入口效應校正系數(shù)第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五（5）過渡流時圓直管中對流傳熱系數(shù)原則:按相應情況下湍流（高、低粘度）公式計算，乘以校正因子f2即可。應用條件:Re=2300~10000其余同上第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五應用范圍：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、出口溫度的算術平均值。特性尺寸：管內(nèi)徑。當Gr>25000時，自然對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)強制層流流時的對流傳熱系數(shù)第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五(7)非圓形管強制湍流1)當量直徑法2)直接實驗法套管環(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計算，u不同de,要用實際的流通面積計算。第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五例5-15潤滑油在內(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度第十八頁，共四十八頁，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)與特性溫度有關系具體解題過程見P167頁例5-15第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五六、管外強制對流的對流傳熱系數(shù)1.流體在管束外垂直流過管外流動由于結(jié)構件因素，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，共四十八頁，編輯于2023年，星期五C1,C2,n的值，查171頁，表5-11管外流動時的傳熱系數(shù)還與流體橫過管束時，管子的錯列、直列排列方式有關在換熱器內(nèi)單排管：第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五整個管束：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，共四十八頁，編輯于2023年，星期五2．流體在換熱器殼程的流動擋板形式：圓形、圓缺形第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五殼程流體的對流傳熱系數(shù)（圓缺形）：

定性溫度：除μw取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術平均值。特征尺寸：當量直徑de由于折流擋板的存在，流體流過時湍動程度很大，當Re>100即達到湍流第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五正方形排列：正三角形排列：d0tt當量直徑de要根據(jù)管子的排列方式而定：第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五流速u按流通截面最大處的截面計算：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，共四十八頁，編輯于2023年，星期五由可得：提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五注意：換熱器無折流擋板時，殼體流體平行流過管束，對流給熱系數(shù)按管內(nèi)強制對流計算，但管子的內(nèi)徑換為當量直徑。所以：提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：3）加強湍動，2）1）第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五七、大空間的自然對流傳熱

注意：C,n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關。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，共四十八頁，編輯于2023年，星期五例5-17有一垂直蒸汽管，外徑100mm，長3.5m，管外壁溫度為110℃。若周圍空氣溫度為30℃，試計算單位時間內(nèi)由于自然對流散失于周圍空氣中的熱流量。分析：（1）確定流動型態(tài)-----自然對流Qα自然對流GrPr定性溫度（膜溫）問題：怎么求？Nu第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五復習：對流給熱系數(shù)的計算：一、無相變對流給熱系數(shù)的計算自然對流管束外水平圓管外外壁湍流層流管內(nèi)無相變公式不要求記住，但是要會查，知道公式的每一項物理意義。每一個公式要知道適用范圍，特性尺寸以及定性溫度。第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五九、流體有相變時的對流傳熱1.蒸汽冷凝時的狀況膜狀滴狀產(chǎn)生原因：冷凝壁有潤濕作用，形成冷凝液膜特點：傳熱阻力集中于膜中，導熱系數(shù)小，熱阻大，故給熱系數(shù)α小。產(chǎn)生原因：壁面無潤濕作用（光滑）。特點：傳熱阻力小，給熱系數(shù)α大。過程比較:一）蒸汽冷凝傳熱系數(shù)冷凝方式故冷凝器的設計總是按膜狀冷凝來處理工業(yè)上遇到的大多數(shù)是膜狀冷凝第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五(1)蒸汽在水平管外的膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)2.蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關聯(lián)式(2)蒸汽在垂直管板上膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)層流:Re<1800湍流:Re>1800定性溫度：膜溫特征尺寸：單管：管束：n—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，共四十八頁，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1.5m，管壁溫度為98℃。（1）若管垂直放置，試計算蒸汽冷凝時的給熱系數(shù)。（2）若管水平放置，重新計算冷凝給熱系數(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（長度）驗證第三十四頁，共四十八頁，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）更簡捷的求法？具體解題過程見P178頁例5-19第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

單組分飽和蒸汽冷凝時，氣相內(nèi)溫度均勻，都是飽和溫度，沒有溫度差，故熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。因此對一定的組分，液膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關鍵因素。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:當液膜呈滯流流動時，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:蒸汽和液膜逆向流動:摩擦力將是液膜加速，厚度減薄，但這種力若超過液膜重力，液膜會被蒸汽吹離壁面，第三十六頁，共四十八頁，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。因此在冷凝器的設計和操作中，都必須考慮排除不凝氣。（5）冷凝壁面的表面情況：對α的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會使膜層加厚，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，但當高度尺寸增至某一程度時，液膜進入湍流，α有開始增大。第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五問題：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。故在設計和安裝冷凝器時，應正確安放冷凝壁面。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，如圖片4-29所示。第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五1.沸騰過程：對液體加熱時，有液相變?yōu)闅庀嗟倪^程，即在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜，因液體沸騰時必伴有液體流動，故屬于對流傳熱過程。二）液體沸騰時對流傳熱系數(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)流動過程中于管內(nèi)壁發(fā)生的沸騰。其傳熱機理要較大容積沸騰復雜得多。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，請參閱有關專著。第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五大容積沸騰時，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沸騰曲線過熱度不大，氣泡沒有；

膜狀沸騰

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