对流传热系数课件

第四章

传热一、对流传热的分析二、壁面和流体的对流传热速率第三节

对流传热2023/7/3一、对流传热的分类2023/7/3二、对流传热的分析

流体沿固体壁面的流动

层流内层缓冲层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，在该层内温度发生较缓慢的变化。

温度梯度很小，各处的温度基本相同。

2023/7/3对流传热是集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。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。

2023/7/3三、壁面和流体间的对流传热速率

推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。

1、过程数学描述

2023/7/3

由于对流给热的复杂性，难以直接严格的数学推导，求出流体中的温度分布，从而得到壁面上的温度梯度，再得出热流密度q。同时自然对流的影响难以定量估计。

工程处理方法：将对流给热的热流密度写成如下形式：流体被加热流体被冷却——牛顿冷却定律

①牛顿冷却定律——对流给热的工程处理方法2023/7/3该公式并非理论推导结果，是一种假设推论。实际情况是：

q∝ΔTα不是常数而与ΔT有关结论：公式看来简化了，但问题并未解决因为必须知道α值——给热系数

α要通过实验测定2023/7/3②有效膜厚度二者比较

对流给热热阻可相当于某个厚度为δt的静止流体膜所造成的导热热阻。

比较结果：可将对流给热过程看作某个当量流体层厚度的导热过程，该当量的流体层厚度称为有效膜厚度（虚拟概念）。2023/7/32、对流传热系数对流传热系数定义式：

表示单位温度差单位传热面积的对流传热速率，W/m2.k。

反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。

2023/7/3传热方式对流传热系数W/（m2·K）空气自然对流5～25气体强制对流30～300水的自然对流200～1000水的强制对流1000～8000油类的强制对流500～1500水蒸气的冷凝5000～15000有机蒸汽的冷凝500～3000水的沸腾1500～30000表4-1对流传热系数数值的范围

下表给出了几种对流传热条件下，对流传热系数的大致范围

2023/7/3四、对流传热系数的影响因素

③流体的流动型态④流体的相态变化

②流体对流的起因⑤传热面的几何因素单相流动

有相变的流动

强制对流

自然对流

层流湍流

传热表面的形状、大小、流体与传热面作相对运动的位置和方向以及传热面的表面状况

①流体的物理性质比热、导热系数、密度和粘度等2023/7/3用一般函数关系表示：

通过因次分析，可将对流传热系数表示为如下四个准数的函数：五、对流传热的特征数关系式实验时变量较多，减少实验工作量

用因次分析方法：初始变量

2023/7/3准数的符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu表示对流传热的系数雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响的准数2023/7/33、应用准数关联式应注意的问题1）适用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。2）特征尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。3）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定——无相变时对流传热系数的普遍关联式。2023/7/3（1）定性温度：查取所需物性数据的温度基准

选择：本质上是对物性取平均值问题。

（壁温和主体温度的算术平均值）壁温难以测定，以流体主体的平均温度（代tm）简单方便（进、出口温度平均值）

2023/7/3（2）特征尺寸：指对给热过程产生直接影响的几何尺寸管内强制对流给热

圆管特征尺寸取管径d非圆形管，取当量直径大空间自然对流，取加热或冷却表面的垂直高度。

2023/7/3六、对流给热系数的经验关联式传热过程的准数关系式

通过因次分析得出化工中的对流给热

本节讨论无相变给热过程

2023/7/3（一）、流体无相变时的对流传热系数1、流体在管内作强制对流1）流体在圆形直管内作强制湍流a)低粘度（大约低于2mPa·s）流体

当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。（自然对流的影响忽略，故Gr数可略）

2023/7/3原因：考虑到层流底层中温度对液体粘度和导热系数的影响。

A、液体被加热时，层流底层温度高于液体主体温度。，层流底层厚度变薄，减小不显著，增大。反之，液体被冷却时，使减小；液体Pr>1。

B、对于气体，加热时，层流底层温度高于气体主体温度，，层流底层厚度变厚，大多数气体的增大不显著，总的结果使减小。气体Pr<1。

故流体加热时取0.4而冷却时取0.3，与实验结果相符。

2023/7/3

定性尺寸：

Nu、Re等准数中的l取为管内径d。定性温度：

取为流体进、出口温度的算术平均值。公式使用条件：Re>105(充分湍流)0.7<Pr<160(一般流体均可满足)低粘度：

μ<2mPas，

2023/7/3公式讨论：每个变量单独出现

（前面是物性，后面是操作条件，设备因素）

α∝u0.8

（u升高则α升高，对强化传热有利）

（说明管径对影响不大）。

2023/7/3例题：管内强制湍流时给热系数的计算列管式换热器，38根Φ25×2.5mm无缝钢管组成，苯在管内流动。（1）qm=8.32kg/s，水蒸气加热，求α=？

（2）qm’=2w时，α’=？

解：（1）求α：

tm=0.5×（20+80）=50℃，50℃下物性查手册2023/7/3千卡/（米·时℃）=0.14w/（m·℃）（2）qm’=2w，u’=2u2023/7/3b)高粘度的液体

为考虑热流体方向的校正项

液体被加热时1.05液体被冷却时0.95

应用范围：

定性尺寸：

取为管内径d。定性温度：

除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。

2023/7/32)流体在圆形直管内作强制层流

当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时c)短管（l/d<60)前面两式计算结果乘以管入口效应系数：

d)弯管

前面两式计算结果乘以弯管效应校正系数：

2023/7/3应用范围：

定性尺寸：

管内径d。

定性温度：

除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。

按上式计算出α后，再乘以一校正因子2023/7/33）流体在圆形直管内呈过渡流对于Re=2300~10000时的过渡流范围，先按湍流的公式计算α，然后再乘以校正系数f。

4）流体在弯管内作强制对流

2023/7/3对于圆形管道，流体流径的管道截面为:流体润湿的周边长度为:πdde=4×流道截面积/润湿周边长度5）流体在非圆形管中作强制对流对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。2023/7/3对于长宽分别为a与b的矩形管道：对于一外径为d1的内管和一内径为d2的外管构成的环形通道2023/7/3套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：

应用范围：Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17

定性尺寸：

当量直径de定性温度：

流体进出口温度的算术平均值。

2023/7/3【例4-4】套管换热器外管内径60mm，内管规格φ38×4.0mm，用水将为2500kg/h的某液体有机物从100℃冷却至40℃，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度860kg/m3,粘度2.8×10-3N·s/m2，比热2.26kJ/(公斤·℃)，导热系数0.452W/(m2·℃),水的进、出口温度分别为15℃和45℃，热损失忽略不计。试求：(1)水对管内壁的给热系数；(2)有机溶液对管外壁的给热系数；(3)若将水流量增加20%，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。·2023/7/3解：⑴水的定性温度：℃，查得ρ2=995.7kg/m3,μ2=0.0008N·s/m2,

2=0.618W/(m·K)Cp2=4.174kJ/(公斤·K)根据热量衡算式求得水流量公斤管内流速：m/s2023/7/3水侧给热系数：⑵套管环隙当量直径de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm,环隙流速

(过渡流)W/(m2·K）m/s2023/7/3根据过渡流给热系数的计算方法，有

W/(m2·K)故得溶液侧给热系数：

W/(m2·K)⑶水流量增加后的给热系数

W/(m2·K)2023/7/32、流体在管外强制对流2023/7/31）流体在管束外强制对流换热器壳程都是横掠管束流动，换热管排列分为直列和错列两种，流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的。错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。2023/7/3影响管束传热的因素除Re,Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数应用范围：

特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。2023/7/32023/7/3各排的给热系数不同，应按下式求其平均值。2023/7/32）自然对流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c,n的值在表4-9中。定性温度：壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。2023/7/32023/7/3自然对流2023/7/34、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↑,α↑,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

•u,u0.8

d,1/d0.2

2023/7/3流体物性的影响，选、ρ较大或μ较小的流体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，在管外加流板的情况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2023/7/3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。2023/7/3（二）流体有相变时的对流传热系数1、蒸汽冷凝时的对流传热1）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，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下

2023/7/32023/7/32）膜状冷凝的传热系数

b)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝

假设：①

冷凝液的物性为常数，取平均液膜温度的数值。②

一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热③

蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。④

冷凝液膜成层流,传热方式仅为通过液膜的热传导。

a)蒸汽在水平管外冷凝

2023/7/3定性尺寸：

l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。膜层湍流（Re＞1800）时膜层层流（Re<1800）时2023/7/3若冷凝液流通截面积为S，壁面润湿周边为∏，则当量直径质量流量：则：蒸汽冷凝热：蒸汽冷凝时的对流传热速率：2023/7/3联立上面两式得：=饱和蒸气的温度ts与壁面温度tw之差,ts-tw2023/7/3c)蒸汽在水平管束外冷凝层流时，Re值增加，α减小；湍流时，Re值增加，α增大；2023/7/3a)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α急剧下降。3）影响冷凝传热的因素b)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流动,α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，α急剧增大；2023/7/3c）冷凝液膜两侧的温度差△t(蒸汽过热的影响）

当液膜呈滞流流动时，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。d）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。2023/7/3e)

传热面的形状和位置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，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。冷凝面的表面情况对α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，α下降。2023/7/32023/7/31）过程分析

特征：液体内部有气泡产生只讨论大容积中的饱和沸腾，其它情况主要是经验公式有相变的对流给热

过冷沸腾几何尺寸

大容积管内饱和沸腾复杂自然对流+气流运动2、液体沸腾时的对流传热系数

2023/7/32）沸腾曲线

当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α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，α急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。

2023/7/32023/7/32023/7/3

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，α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。

2023/7/32023/7/3加热曲线与沸腾曲线有三个平衡点：

①稳定；

②不稳定，且增加热量很快就从点②变化到点③，温度急剧上升，称“飞温”；③稳定。

主要采用①点