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1、2012年5月22日 第六章 传热第六章 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热速率二、壁面和流体的对流传热速率 三、热边界层三、热边界层 四、对流传热系数的影响因素四、对流传热系数的影响因素 五、对流传热过程的因次分析五、对流传热过程的因次分析 六、流体无相变时的对流传热系数六、流体无相变时的对流传热系数 七、流体有相变时的对流传热系数七、流体有相变时的对流传热系数 第三节 对流传热第三节 对流传热 2012年5月22日 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 对流传热是在流体流动进程中发生的热量传递现 象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与 流体的流动情况
2、密切相关。 工业上遇到的对流传热，常指工业上遇到的对流传热，常指间壁式换热器间壁式换热器中中两侧 流体 两侧 流体与与固体壁面固体壁面之间的之间的热交换热交换，即，即流体流体流体流体将将将将热量热量热量热量传给传给传给传给固体固体固体固体 壁面壁面壁面壁面或者由或者由或者由或者由壁面壁面壁面壁面将将将将热量热量热量热量传给传给传给传给流体流体流体流体的过程称之为的过程称之为的过程称之为的过程称之为对流传热对流传热对流传热对流传热 （或称对流给热）。（或称对流给热）。 2012年5月22日 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 在第一章流体流动中已指出，流体产生流动的原因流体产生流动的原因可以是
3、流 体在外力（如泵、鼓风机等）作用下而造成的强制对流，亦可是 由流体内部的温度差而引起流体的密度差产生的自然对流。 流体作流体作层流流动层流流动时，各层流体平行流动，在时，各层流体平行流动，在垂直于流体 动方向上的热量传递 垂直于流体 动方向上的热量传递，主要是，主要是热传导热传导（亦有（亦有较弱的自然对流较弱的自然对流） 的方式进行。 ） 的方式进行。 流体的流动类型有层流与湍流两种。 2012年5月22日 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 流体为湍流流动时，无论流体 主体的湍动程度多大，紧邻壁面处 总有一薄层流体一薄层流体顺着壁面作层流流 动（即层流底层）；因此，此层内 在垂直于流体流
4、动方向上的热量传 递，仍是以热传导方式为主进行。 由于大多数流体的导热系数较小，故热阻主要集中在由于大多数流体的导热系数较小，故热阻主要集中在 层流底层层流底层中，因此，中，因此，温度差温度差也主要集中在也主要集中在该层中该层中。 2012年5月22日 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 而在而在湍流主体湍流主体中，由于流体的质 点剧烈混合，可以认为 中，由于流体的质 点剧烈混合，可以认为无传热阻力无传热阻力， 即 ， 即温度梯度温度梯度已消失。已消失。 在层流底层与湍流主体之间存在 着一个 在层流底层与湍流主体之间存在 着一个过渡区过渡区，过渡区内的热量传递 是 ，过渡区内的热量传递 是传
5、导与对流传导与对流的的共同作用共同作用。 2012年5月22日 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 将有温度梯度存在的区域称为传 热边界层（thermal boundary layer ）或温度边界层，当然，传热的主要 热阻即在此层中。右图中表示对流传 热时A-A截面上的温度分布情况。 2012年5月22日 一、对流传热的分析一、对流传热的分析 流体沿固体 壁面的流动 层流底层 过 渡 区 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
6、发生较缓慢的变化。 温度梯度很小，各处的温度基本相同。 2012年5月22日 对流传热是集对流和热传导对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热对流传热的的热阻主要集中在层流底层热阻主要集中在层流底层。减小。减小 流底层的厚度是强化对流传热的主要途径流底层的厚度是强化对流传热的主要途径。 2012年5月22日 Next。 2012年5月22日 二、壁面和流体间的对流传热速率二、壁面和流体间的对流传热速率 1、对流传热速率表达式、对流传热速率表达式 据传递过程速率的普遍关系，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：壁面和流体间的温度差 阻力：影响因素很
7、多，但与壁面的表面积成反比。 2012年5月22日 对流传热速率对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律 ww ()()QA TTA tt= 式中Q 对流传热速率，W； 对流传热系数，W/(m2)； Tw，tw 壁温，； T，t 流体平均温度，； A 传热面积，m2。 2012年5月22日 1. 牛顿冷却定律是一种推论，假设Qt。 () 1 w w TTT QA TT R A = w tTT = R A = 1 推动力：阻力： 2. 复杂问题简单化表示。 2012年5月22日 t 总有效膜厚度； e 湍流区和过渡区虚拟膜厚度； 层流底层膜厚度。 牛顿冷却定律的推导过程（理论基础） 传热速率 w (
8、) t QA TT = = t T TW t tW t 把湍流区和过渡区的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中 ，在靠近壁面处构成一层厚度为t的流体膜。膜内为层流流动， 膜外为湍流，所有热阻集中膜内。 建立膜模型膜模型： te =+ 2012年5月22日 T TW t tW t 2012年5月22日 2、对流传热系数、对流传热系数 对流传热系数a定义式： tA Q = 表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快 2012年5月22日 Next。 2012年5月22日 三、热边界层三、热边界层 热边界层（温度边界层） ：热边界
9、层（温度边界层） ： 壁面附近因换热而使流体温度发生了变化的区域 。 规定0.99() ww TTTT =处为热边界层的界限， 热边界层的厚度常用 T 表示。 热边界层内的温度分布与流动边界层内流体的流动情况有关： 在靠近壁的层流底层中流动为层流，热量传递通过导热进行。温 度分布曲线的斜率大（温度梯度大）。 2012年5月22日 在过渡区内，由于对流传热的作用， 温度梯度变小。 在湍流核心，质点湍动强烈，对流很 快，温度梯度更小。 热边界层的厚薄，影响层内温度分布，因而影响温度梯 度。因此通过改善流动状况，使层流底层厚度减小，是强化 传热的主要途径之一。 2012年5月22日 Next。 20
10、12年5月22日 四、对流传热系数的影响因素四、对流传热系数的影响因素 1、相变化的情况1、相变化的情况 蒸汽冷凝、液体沸腾相变 无相变 2、2、流体的物性流体的物性（导热系数、粘度、比热和密度（导热系数、粘度、比热和密度及及体积膨胀系数）体积膨胀系数） 1）导热系数1）导热系数 层流底层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对 流传热系数也愈大。 2）粘度2）粘度流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度3）比热和密度 2012年5月22日 cp：单位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。 （4）体积膨胀系数（4）体积膨胀系数 体积膨胀系数
11、值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对 强制对流也有一定的影响。 3、流体流动状态、流体流动状态 湍流的对流传热系数远比层流时的大。 2012年5月22日 4、流体流动的原因、流体流动的原因 强制对流： 自然对流： 由于外力的作用 由于流体内部存在温度差，使得各部分的 流体密度不同，引起流体质点的位移。单 位体积的流体所受的浮力为： ()()tggg=+= 00001 t1 2012年5月22日 5、传热面的形状、大小和位置、传热面的形状、大小和位置 形状：如管、板、管束等； 大小：如管径和管长等； 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列） ；管或板是垂直放置还是水平放置。 201
12、2年5月22日 由上述分析可见，影响对流传热的因素很多，故 对流传热系数的确定是一个极为复杂的问题。在一般 情况下，对流传热系数是不能推导出理论计算式，而 只能通过实验测定。 为减少实验工作量，实验前用因次分析方法将影 响对流传热系数的因素组成无因次数群，进行待求函 数的无因次化；再借助实验方法来确定这些准数在不 同情况下之间的关系，最后得到不同情况下对流传热 系数的关联式。 2012年5月22日 Next。 2012年5月22日 五、因次分析法在对流传热中的应用五、因次分析法在对流传热中的应用 式中 l特性尺寸； u特征流速； gt单位质量流体的浮升力。 基本因次：长度L，时间T，质量M，温
13、度 变量总数：8个 由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。 f(u，l，cp，gt) 2012年5月22日 看课本182页 32 2 (,) p c ldug tl f = lu 2012年5月22日 准数的符号和意义 准数名称符号准数式意义 努塞尔准数 （Nusselt） Nu l 为对流传热的特征数 雷诺准数 （Reynolds） Re lu 确定流动状态的准数 普兰特准数 （Prandtl） Pr p c 表示物性影响的准数 格拉斯霍夫准数 （Grashof） Gr 2 23 tlg 表示自然对流影响的准数 2012年5月22日 gka GrKNuPrRe= 对于不同的对流传热过程
14、，指数参数的数值不同 2012年5月22日 定性温度的取法： 3、应用准数关联式应注意的问题 2特性尺寸 取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。 2 ) 1 ( 21 tt tm + = 2 )2( mW tt+ =膜温 3准数关联式的适用范围。 1确定物性参数数值的温度称为定性温度 2012年5月22日 Next。 2012年5月22日 一、流体在一、流体在管内管内的的强制强制对流对流 k NuPrRe023. 0 8 . 0 = k p c du d )()(023. 0 8 . 0 = 适用范围： Re10000，0.760 六、流体无相变时的对流传热系数六、流体无相变时的对流传热系数
15、 1圆形直管内的湍流 gka GrKNuPrRe= 2012年5月22日 特征尺寸为管内径di 流体被加热时，k0.4；被冷却时，k0.3。 2 21 tt tm + = 注意事项： 定性温度取 k NuPrRe023. 0 8 . 0 = k p c du d )()(023. 0 8 . 0 = 2012年5月22日 强化措施强化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响，选大的流体 8 . 0 18 . 0 2 . 0 8 . 0 8 . 0 023. 0)()(023 . 0 kk p k p c d u c du d = 2012年5月22日 以下是对上面的公式进行修正
16、： (1)高粘度(1)高粘度 14. 0 3 1 8 . 0 )(PrRe027. 0 w Nu = = = = 0 .1)( 95.0 05.1 )( 14.0 冷却或加热气体 液体被冷却 液体被加热 w Re10000，0.760 定性温度取tm；特征尺寸为di 2012年5月22日 (2) l/d += l d f (4) 弯曲管内 177. 11+= R d f 2012年5月22日 (5) 非圆形管强制湍流 1) 当量直径法 2) 直接实验法 套管环隙 :水-空气系统 3 1 8 . 05 . 0 1 2 PrRe)(02. 0 d d de = 适用范围： 1200050 2012
17、年5月22日 计算Re数： 为2.28*1041*104（湍流） 故可用式(4-18)计算a, 本题中空气被加热,n=0.4代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4 所以： 44.8 W/(m2） 2012年5月22日 例)一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管为252.5mm 钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中流过 ，进口温度为15，出口为35。冷却水流速为0.4m/s，试求管壁 对水的对流传热系数。(画图） 解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度t=（15+35）/2=25 查25时水的物性数
18、据（见附录）如下 Cp=4.179103J/kg. =0.608W/m. =90.2710-3N.s/m2=997kg/m3 2012年5月22日 计算Re数： 为8836 1*104（在过渡区） 故可用式(6-34)计算a, 所 以： 本题中水被加热,n=0.4代入 校正系数 f （643） 2012年5月22日 2、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流 2012年5月22日 2012年5月22日 流体在管束外强制垂直流动流体在管束外强制垂直流动 2012年5月22日 2012年5月22日 2012年5月22日 对于流体横向流过管束的传热，传热过程 复杂，可以采用下式进行计算： C,N 的
19、值见表6-2。 0.4 Re Pr n Nuc= 2012年5月22日 3、自然对流、自然对流 () b rru PGAN= b p C tlg l A = 3 32 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A,b的值在表6-3中。 定性温度：膜温，壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值。 2012年5月22日 4、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 n r i i P ud d 8 .
20、 0 023. 0 = ,4 . 0 时当 =n () 8 . 06 . 04 . 0 023 . 0 uC p = 2012年5月22日 与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 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，在管外加挡板的情况 14 . 0 3 1 55 . 0 36 . 0 = w p e e C ud d 45. 0 55. 0 e d u B= 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 2012年5月22日 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
21、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，对流传热系数增大，但此 时能耗增加。 2012年5月22日 Next。 2012年5月22日 七、流体有相变时的对流传热系数七、流体有相变时的对流传热系数 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 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
22、 作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿 壁面落下 2012年5月22日 2012年5月22日 2）膜状冷凝的传热系数）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设： 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 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。 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的 热传导。 2012年5月22日 4 1 32 13. 1 = tH rg 定性尺寸： H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。 应用范围：1800Re 2012年5月22日 若用
23、无因次冷凝传热系数来表示，可得： 31 Re76. 1 = 若膜层为湍流（Re1800）时 4 . 031 2 32 Re(0077. 0） g = 层流时，Re值增加，减小； 湍流时，Re值增加，增大； 2012年5月22日 2012年5月22日 b) 蒸汽在水平管外冷凝 1/4 23 0 0.725 rg dt = c) 蒸汽在水平管束外冷凝 4 1 0 3 2 32 725. 0 = tdn gr 12 0.750.750.75 12 z z nnn n nnn + = + ? ? 2012年5月22日 3）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素 a）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈层流
24、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。 b）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。 c) 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； 2012年5月22日 d) 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。 e)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。 例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜 逐
25、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。 2012年5月22日 2012年5月22日 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 液体沸腾 大容积沸腾 管内沸腾 1）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。 2012年5月22日 2012年5月22日 当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡 产生的速度大于
26、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 。 2012年5月22日 2）沸腾传热系数的计）沸腾传热系数的计 33. 2 )(163. 1tZ = 式中： sw ttt= 壁面过热度。 q= 7 . 03 . 0 05. 1qZ= 33. 3102 . 117. 0 4 )1048 . 1
27、)( 1081. 9 (10 . 0 RRR p Z c + = c p p R =对比压强 2012年5月22日 7 . 0102 . 117. 069. 0 4 )1048 . 1 () 1081. 9 (105. 0qRRR pc + = 应用条件： cc qqRkPap?, 9 . 001 . 0 ,3000= otcc SLDRRpq/)1 (38. 0 9 . 035 . 0 = 3）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素 a)液体性质的影响 一般情况下，随、的增加而加大，而随和 增加而减小。 2012年5月22日 b）温度差t的影响 ()nta = c) 操作压强的影响 提高沸腾
28、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) 加热表面的影响 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。 2012年5月22日 1、空气以5 m/s的流速通过75.5 mm3.75 mm的钢管，管长6 m。空 气入口温度30 ，出口温度70。计算： （1）空气与关闭间的对流传热系数； （2）如果空气流速增加一倍，其他条件不变，对流传热系数为多少？ （3）如果空气从管壁得到的热量为578W，则钢管内壁的平均温度为多 少？ 2、有一套管换热器，内管为 38 mm2.5 mm的钢管，外管为 57 mm3.5 mm的钢管，内管的传热管长为2 m。质量流量为2000kg/h的甲 苯在环隙中流动，进口温度72 ，出口温度38 ，求甲苯与内管外 表面的对流传热系数。 作业作业