化工原理：5-4 对流传热

1、1 第五章 传 热 5.4 对流传热 2 对流传热是 指运动流体与固 体壁面之间的热 量传递过程，对 流传热与流体的 流动状况密切相 关。 对流传热 概述 图5-12 对流传热的温度分布情况 3 无相变 有相变 强制对流 自然对流 对流传热 蒸汽冷凝 液体沸腾 概述 4 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1对流传热机理和对流传热系数 5 图5-12 对流传热的温度分布情况 一、对流传热机理 6 一、对流传热机理 当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流 边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将 进行热交换。 层流内层 缓冲层 湍流核心 湍流边 界层 传热方式 热传导 热传导和涡流传热

2、涡流传热 7 层流内层 缓冲层 湍流核心 湍流边 界层 温度梯度 较大 居中 较小 热阻 较大 居中 较小 对流传热是集热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，因 此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要 途径。 一、对流传热机理 8 二、热边界层及对流传热系数 靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义 为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的 温度基本上相同，即温度梯度可视为零。 热边界层 图 5-13 平板上的热边界层 9 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传 导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即 ()w dt dQdS dy 紧靠壁面处 薄层流体的 温度梯度

3、 二、热边界层及对流传热系数 10 根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传 热速率方程为 () 1 () w w TT dQTTdS dS 换热器任一截面 上与热流体相接 触一侧的壁温 换热器任一截 面上热流体的 平均温度 二、热边界层及对流传热系数 11 ()() ww w dtdt TTdyt dy 因此有 对流传热系数的另一定义式，它表明了对流传 热系数与壁面温度梯度之间的关系。 二、热边界层及对流传热系数 12 二、热边界层及对流传热系数 当流体流过圆管进行传热时，管内热边界 层的形成和发展与流动边界层类似。 对于一定的管长，破坏边界层的发展也能 强化对流传热。 对于同一种流体，强制对

4、流传热的对流传 热系数要大于自然对流的，有相变化的要大于 无相变化的。P234表54 的范围 13 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 14 5.4.2 对流传热的量纲分析 本节将尽量揭示本节将尽量揭示 的影响因素，并介绍不同情的影响因素，并介绍不同情 况下的况下的 计算式。计算式。 的影响因素多且复杂，的影响因素多且复杂，计算计算 式多以经验的、半经验的形式出现，称为式多以经验的、半经验的形式出现，称为“关联关联 式式”。 ()() ww w dtdt TTdyt dy 15 1.流体的种类(及物态)和相变化 流体的不同物

5、态(气、液)，种类各具不同的 值；传热时流体有/无相变使传递的热值有显著差 别。 如：1kg/s，100的饱和水蒸汽冷凝，释放 2258.4W热量；而1kg/s，100的水冷却到20， 释放的热量有 4.18(100-20)=334.4W。 一、影响对流传热系数的因素 16 2.流体流体物性物性 物性都是温度的函数，有些还是压强的函数。物性都是温度的函数，有些还是压强的函数。 传热多数存在温度变化，所以对物性的影响比较突传热多数存在温度变化，所以对物性的影响比较突 出。出。 换热器多采用湍流形式，包容了换热器多采用湍流形式，包容了99%温度差温度差 的热边界层在流动边界层里，滞流底层的热边界层

6、在流动边界层里，滞流底层(导热导热)是主是主 要的温度梯度集中域，要的温度梯度集中域， . 一、影响对流传热系数的因素 17 cp和和 cp单位体积流体的热容量。单位体积流体的热容量。 cp 流体携带的热量流体携带的热量对流传热强度对流传热强度 。 体积膨胀系数体积膨胀系数（ ,1/） 同同 t下的下的 利于自然对流。利于自然对流。 同同u下，下，液 液t 气气t w dy dt 一、影响对流传热系数的因素 18 3.流体的流体的温度温度 除影响物参大小，还影响流体与壁面间的除影响物参大小，还影响流体与壁面间的 t 以以 及由此产生的及由此产生的附加自然对流传热附加自然对流传热的大小。为此，在

7、的大小。为此，在 计算中十分重视流体温度对物性参数的影响。计算中十分重视流体温度对物性参数的影响。 4.流体流体流动状态流动状态 湍 湍 滞滞 5.流体流体流动原因流动原因 流动原因不同，流动和传热的规律就不同。流动原因不同，流动和传热的规律就不同。 通常，通常， 强 强 自自 几 几十几倍。十几倍。 一、影响对流传热系数的因素 19 6.6.传热面传热面的形状、位置及大、小的形状、位置及大、小 平平 波纹波纹 管状管状 板板 带翅片带翅片 传热面传热面 的形状的形状 直直 折折 错错 弯曲弯曲(螺旋螺旋) 流道流道 管径管径 管长管长(进口段影响进口段影响) 板高板高 环隙环隙de 流道尺寸

8、流道尺寸 布置布置 换热器水平放置换热器水平放置 垂直放置垂直放置 倾斜放置倾斜放置 列管排列列管排列( ) 一、影响对流传热系数的因素 20 二、对流传热过程的量纲分析 1.根据对问题的观察，找出影响对流传热过程 的因素 2.通过量纲分析确定相应的量纲为一数群（准 数） 3.通过实验确定相应的经验关联式公式。 量纲分析步骤 21 量纲分析的基本依据是定理：一个表示n个 物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转 换成包含n-m个独立的量纲为一数群间的关联式， m指n个物理量中所涉及的基本量纲的数目。量纲 分析的核心在于确定n和m，并用一定技巧将各个 量纲为一数群的内涵确定下来。 量纲分析基本

9、依据 二、对流传热过程的量纲分析 22 1.流体无相变时的强制对流传热过程 （1）列出影响该过程的物理量 ( , , ) p f lcu 传热设备的 特征尺寸 二、对流传热过程的量纲分析 23 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲： 长度、质量、时间和温度 依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 123 (,) 二、对流传热过程的量纲分析 24 通过量纲分析，可确定 1 l Nu 2 Re lu 努赛尔特数 (Nusselt number) 雷诺数 (Reynolds number) 表示对流传热系数的准数 表示惯性力与黏性力之比，是表征流动状态的 准数

10、二、对流传热过程的量纲分析 25 3 Pr p c 普兰德数 (Prandtl number) 表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数， 反映与传热有关的流体物性。 (Re,Pr)Nu 强制对流（无相变） 传热时的准数关联式 因此，有 二、对流传热过程的量纲分析 26 2.自然对流传热过程自然对流传热过程 （1）列出影响该过程的物理量 传热设备的 特征尺寸 ( ,) p f lcgt 作用在单位 体积流体上 的浮力 ggt 二、对流传热过程的量纲分析 27 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲： 长度、质量、时间和温度 依据定理，量纲为一数群的数目等于7-

11、4=3 123 (,) 二、对流传热过程的量纲分析 28 通过量纲分析，可确定 1 l Nu 2 Pr p c 努赛尔特数 (Nusselt number) 普兰德数 (Prandtl number) 二、对流传热过程的量纲分析 29 格拉斯霍夫数 (Grashof number) 32 3 2 lgt Gr 表示由温度差引起的浮力与黏性力之比 (,Pr)NuGr 自然对流（无相变） 传热时的准数关联式 因此，有 二、对流传热过程的量纲分析 对于流体强制、自然流动对于流体强制、自然流动，共有，共有4个准个准 数数，切记它们的物理意义。，切记它们的物理意义。 31 3.使用由实验数据整理得到的关

12、联式应注意的 问题 （1）应用范围 关联式中Re、Pr等准数的数值 范围等； （2）特性尺寸 Nu、Re等准数中的应如何确定； （3）定性温度 各准数中的流体物性应按什么 温度查取。 二、对流传热过程的量纲分析 32 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 33 一、流体在管内作强制对流 1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流 （1）低黏度流体(2(2 水水) )可应用迪特斯 （Dittus）贝尔特（Boelter）关联式 0.8 0.023RePr n Nu 0.8 0.023()() pn

13、 i i C d u d 或或 当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 34 特性尺寸：管内径。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围： 4 Re100.7Pr120 /60 i L d /60 i L d 若，可将由上式求得的值乘以 0.7 1 (/ ) i dL 进行校正。 一、流体在管内作强制对流 35 （2）高黏度流体可应用西德尔（Sieder）泰 特（Tate）关联式 0.81 3 0.027RePrNu 0.81 30.14 0.027()() () p i iw C d u d 或或 壁温下 的黏度 0.14 () w 考虑热流方向的校正项 一、流

14、体在管内作强制对流 36 特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出 口温度的算术平均值。 应用范围： 4 Re100.7Pr1700 /60 i L d 一、流体在管内作强制对流 37 1 30.14 1.86(RePr) () i W d Nu L 2.流体在光滑圆形直管内作强制层流 特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进、 出口温度的算术平均值。 应用范围： Re23000.7Pr6700 RePr/100 i dL 一、流体在管内作强制对流 38 51.8 1 6 10 Re Re2300 10000 当 时，对流传热系数可先用 湍流时的公式计算，然后把

15、算得的结果乘以校正 系数。 3. 流体在光滑圆形直管中呈过渡流 一、流体在管内作强制对流 39 (1 1.77) i d R 4. 流体在弯管内作强制对流 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作 用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数 较直管内的大 管子的弯 曲半径 一、流体在管内作强制对流 40 22 22 12 12 22 4() 4 4 = e dd dd d dd 流动截面积 传热周边 5. 流体在非圆形管内作强制对流 流体在非圆形管内作强制对流时，只要将管 内径改为当量直径，则仍可采用上述各关联式。 传热当量直径定义： 究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决定。 一、流体在管内作强制对流 41 二、流体在换热器的管间作强制对流 换热器管间流体的流动： 装有折流挡板。 流体的流向和流速不断地变化。 在Re100时即可达到湍流。 42 图5-14 换热器折流挡板 二、流体在换热器的管间作强制对流 43 图5-15 管间管束排列形式 二、流体在换热器的管间作强制对流 44 0.551 3 0.36RePrNu 凯恩（Kern）法(圆缺形挡板） 应用范围： 。 特性尺寸：传热当量直径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进出口温 度的算术平均值。 36 Re2 10 1 10 二、流体在换热器的管间作强制对流 45 三