（中职）化工单元过程及操作第三节 对流传热教学课件

（中职）化工单元过程及操作第三节对流传热ppt教材课件汇总完整版电子教案3.3对流传热主要内容：1.对流传热分析2.热对流基本概念常见类型速率方程传热系数α3.对流传热系数关联式一、对流传热分析当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处总有一滞流内层存在。在滞流内层和湍流主体之间有一过渡层。（录象）在湍流主体内，由于流体质点湍动剧烈，所以在传热方向上，流体的温度差极小，各处的温度基本相同，热量传递主要依靠对流进行，传导所起作用很小。在过渡层内，流体的温度发生缓慢变化，传导和对流同时起作用。1、滞流内层：流体呈滞流流动，沿壁面法向没有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此热阻较大，温度梯度大。2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层，减薄其厚度是强化传热过程的关键。在滞流内层中，流体仅沿壁面平行流动，在传热方向上没有质点位移，所以热量传递主要依靠传导进行，由于流体的导热系数很小，使滞流内层中的导热热阻很大，因此在该层内流体温度差较大。由以上分析可知，在对流传热（或称给热）时，热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度或破坏滞流内层是强化对流传热的重要途径。二、热对流基本概念1、对流传热的类型（4种）（1）流体强制对流传热----由于外界机械能的输入，如在泵、风机或搅拌器的作用下，流体被迫流过固体壁面时的给热。（2）流体自然对流传热----当静止流体与不同温度的固体壁面接触，在流体内部产生温度差异。流体内部温度不同必然导致流体密度不同。密度大的往下沉，密度小的朝上浮。于是，在流体内部发生了流动。这种流动称为流体自然对流。（3）蒸汽冷凝给热——蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽放热并凝结成液体，凝液在重力作用下沿壁面流下。（4）液体沸腾给热——液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生汽泡，汽泡在上浮时因继续发生液体汽化而长大。上述第1、2类型为流体无相变的给热，3、4类型为流体有相变的给热。2、对流传热速率（1）牛顿冷却定律α——平均对流传热系数，w/(m2℃)S——总传热面积，m2；△t——流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，℃；1/(αS

）——对流传热热阻。（2）对流传热系数定义式：物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；其值反映了对流传热的效果。α↑，对流传热越快。代价：动力消耗↑。（3）影响对流传热系数的因素

②流体流动原因强制对流：外部机械作功，一般流速较大，α也较大。自然对流：由流体密度差造成的循环过程,

一般流速较小，α也较小。①流体流动状态③流体的物理性质

④流体的种类和相变化情况α气体<α液体α有相变>α无相变⑤传热面的形状、位置和大小壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使α增大。几种常用的准数名称准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（给热准数）Nu表示对流传热系数的准数雷诺准数（流型准数）Re确定流动状态的准数普兰特准数（物性准数）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（升力准数）Gr表示自然对流影响的准数3、对流传热系数准数关联式4、流体无相变时的对流传热系数对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其粘度小于2倍常温水的粘度的流体，可用下式求取给热系数。Nu=0.023Re0.8Prn式中n值随热流方向而异，当流体被加热时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。

应用范围：Re>10000，0.7<Pr<120，

L/di≥60。

若L/di<60，需将上式算得的α乘以[1+(di/L)0.7]加以修正。

特征尺寸：Nu、Pr准数中的l取为管内径di。

定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。注意：提高对流传热系数，减小对流传热热阻，是强化对流传热的关键。

在流体温度一定的情况下，流体的物性均为定值，此时，对流传热系数式可以写成α与流体的流速u0.8成正比，与管子的管径d0.2成反比。即增大流速和减小管径都能增大对流传热系数，但以增大流速更为有效。这一规律对流体无相变时的其它情况也基本适用。此外，不断改变流体的流动方向，也能使α得到提高。有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾有相变对流传热的特点①相变过程中产生大量相变热（潜热）；例：水5.有相变化的对流传热②相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；③分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。一.蒸汽冷凝饱和蒸汽ts和冷壁面tw接触（ts>tw）蒸汽放出潜热→在壁面凝成液体→膜状液体和滴状液体1、膜状冷凝（可润湿）壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，与直接接触壁相比，附加了液膜的热阻.因λ液小，所以R液大，所以Q变小.δ越厚，传热效果越差。

2、滴状冷凝（不润湿）

表面张力F→液滴→长大降落带走下方液滴，壁面重新覆盖。蒸汽与大部分壁面接触，无附加热阻。

工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理膜状冷凝滴状冷凝(4)影响冷凝传热的因素

冷凝液膜两侧的温度差：

流体物性的影响：

不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。

蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。

蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；流速较大时，且与液膜同向，α增大；流速较大时，且与液膜反向，α减小。二、液体的沸腾传热在液体的对流传热过程之中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程，称为液体沸腾（又称沸腾传热）。工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为大容积沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。

沸腾:沸腾时，液体内部有气泡产生，气泡产生和运动情况，对α影响极大。沸腾分类：

①按设备尺寸和形状不同

池式沸腾（大容积饱和沸腾）；强制对流沸腾（有复杂的两相流）。

②按液体主体温度不同

过冷沸腾：液体主体温度t<ts，气泡进入液体主体后冷凝。

饱和沸腾：t≥ts，

气泡进入液体主体后不会冷凝。液体主体

t液体主体

t≥ts

液体主体

t<ts沸腾过程：过热度↑，汽化核心数↑，气泡产生和长大的速度↑，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数↑。说明：由于气泡产生，使液体扰动↑因此：实验条件:

大容积、饱和沸腾。

2)大容积饱和沸腾曲线曲线获得：0.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区不稳定膜状沸腾温度差和表面传热系数关系Δt=(tw-ts)/℃AB段：无相变自然对流，无汽泡产生，α

缓慢增加

BC段：核状沸腾

一方面，临界值：Δt、q、Q

另一方面，汽膜覆盖↑，又使α

↓；当两者作用相抵消，出现转折点—临界点（C点）。

沸腾曲线意义:CD段：核状、膜状共存，膜覆盖为主，Δt↑，α↓；

DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，