第四章-传热第3节课件

第三节对流传热(1)

工程上的对流传热实质为两部分：固体壁的导热及流体与固体壁间的热量传递。热流体→固体壁←冷流体热对流热对流

固体壁：具有一定几何形状和尺寸大小的传热设备—换热器。一、对流传热过程分析

对流传热的速度大小与流体的流动状态、流体的性质、状态(热状态)、固体壁面等均有关。对流传热是“热传导+热对流”的综合结果。

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。

2023/7/20第三节对流传热(2)2、流动流体：1)层流流动:流体内既有导热又有热对流，温差也较大；传热速度增大，但速度不太大。2)湍流流动:由于质点混强烈的混和,远离壁面温度趋于均匀,传热速率大大提高；温差减少到认为不存在温差。传热边界层：在靠近壁面附近,存在较大温度差(温度梯度)的流体层内;同时紧靠壁面也存在流动边界层。1)对流传热的热阻全部在此传热边界层内；2)对流传热的热阻主要集中在层流层内；降低层流层厚度，可以强化对流传热，即增加传热速率。2023/7/20第三节对流传热(3)2023/7/20第三节对流传热(4)牛顿冷却定律：对流传热速率Q与壁面的对应面积S及壁面与流体间的温差Δt成正比。Q∝

S∝Δtα：对流传热系数（膜系数）。1)α单位:2)物理意义:温差为1℃时,单位面积S=1m2的传热量；是反应对流传热快慢的一个参数；它包括很多影响因素。二、对流传热速率——牛顿冷却定律2023/7/20第三节对流传热(5)1)Δt为两部分：热流体与热壁面的温差—Δt=T-Tw；冷壁面与流体的温差—Δt=tw-t；Tw、tw

壁温。3)S为两部分：热流体与热壁面的接触面积—Si；冷流体与冷壁面的接触面积—S0；2)α为两个值：热流体与热壁面的αi；冷流体与冷壁面的α0；2023/7/20第三节对流传热(6)1、影响因素：内因、外因(1)流体因对α的影响：热容(比热)cp;黏度μ；

密度ρ；导热系数λ等；且均与温度有关。

①热容(比热)：cp大，则α也大；

cpρ：单位体积的热容量[kJ/m3℃],cpρ越大流体携带热量的能力越大。②黏度μ：

μ值大则流动性小，层流层加厚，不利于流体流动。α

低黏流体>α高黏流体③导热系数λ：热对流的热阻主要集中在靠近固体壁的层流层内，层流主要以导热传热。

λ↑，α↑也大。三、影响对流传热系数α的因素2023/7/20第三节对流传热(7)定性温度：

确定物理量取值的温度，称为定性温度。一般取流体的进出口平均值：(2)外因对α的影响①流体的流动状态：层流与湍流的对流传热系数时不同的；Re可以表示流动状态。其它条件固定,增大流速u↑,则Re↑，α↑，对流传热速率↑。结论：

α湍动>

α层流②引起流体对流的原因：强制对流或自然对流。自然对流：流体内部存在温差Δt而引起密度差Δρ,产生了流动而进行传热。结论：α强制对流>α自然对流2023/7/20第三节对流传热(8)（3）流体有无相变化对α的影响：相变化蒸汽冷凝液体沸腾相变潜热

以水为例比较潜热与显热的大小：热力学的角度比较。发生相变与否的对流传热系数α相差很大。

结论：α

有相变>α无相变流体所处于的气态、液态，其α值不同。一般结论：α

液>α气（4）流体所在的相状态对α的影响：2023/7/20第三节对流传热(9)（5）几何因素的影响：

传热面的大小，换热器的形状，管子的排列及相对位置对传热均有影响。即例：平壁、筒壁、管束、管的排列方式(立式或卧式）、管长L、管径d,是否有翅片等的α值不同。

换热器的几何因素，对流体流动及对传热的影响因素，称为定性尺寸。例圆形管路为d内；环形管路为de等。综上所述，影响α的因素很多，确定α的值极为复杂，只能用实验和计算相结合的方法：因次分析法。2023/7/20第三节对流传热(10)α=f(u,L,μ,λ,cp,ρ,βgΔt),其中L特性尺寸，βgΔt表示自然对流的升力。无相变强制对流自然对流有相变蒸汽冷凝液体沸腾综合各种因素得到关联式：表示对流传热系数的准数,表明对对流传热程度的影响表示流体流动状态和湍动程度对传热系数的准数。表示对流传热时,体物性质对对流传热的影响的准数。Gr:表示自然对流的准数。2、α的研究方法——因次分析法：2023/7/20第三节对流传热(11)将化工生产对流传热的情况归纳如下：α无相变强制对流自然对流有相变蒸汽冷凝液体沸腾圆形直管内圆形弯管内非圆形直管内de湍流层流低黏液体气体高黏液体低黏液体：黏度≤2倍常温水的黏度管外四、对流传热系数α的准数关联式：过度流2023/7/20第三节对流传热(12)Nu=0.023Re0.8Prn上式：①特性尺寸为L=

d内；l/d>60;②定性温度冷流体热流体③流体(不论液体、气体)：被加热n=0.4；流体被冷却n=0.31、无相变低黏流体在圆形直管内强制湍流的对流传热系数α关系式：2023/7/20第三节对流传热(13)由实验知：液体被加热时的α>被冷却时的α；为什么会有以上结果：

气体被加热时的α<被冷却时的α；2023/7/20第三节对流传热(14)

问题：同样条件下流体在短管和长管内的α

值，哪个更大？结论：α

短管>α长管2、流体在短管内强制湍流的对流传热系数α关系式：2023/7/20第三节对流传热(15)3、无相变强制湍流高黏流体的α关系式：2023/7/20第三节对流传热(16)先算判断是否过渡流：Re=2000－105再算求出α值；然后校正，校正因子：强制过渡流的α´=fα5、流体在圆形直管内强制层流的α关联式

判断是否层流：Re≤2300，再计算：要考虑自然对流的影响因素。4、流体在圆形直管内强制过度流的α关系式：2023/7/20第三节对流传热(17)问题：同样条件下流体在弯管和直管内的α

值，哪个更大？

校正系数f=(1+1.77d/R)α´＝fα结论：α

弯管>α直管7、流体在非圆形直管内强制对流的α：特性尺寸=de计算当量直径de后，再计算。6、流体在弯管内强制湍流的α关系式：2023/7/20第三节对流传热(18)自然对流的传热：Nu=f(PrGr)=C(PrGr)n其中C、n值查表；不考虑Re的影响。问题：何时的对流传热可以作为自然对流处理？

①大容器内，大空间的加热。②暖气加热室温，暖气外为自然对流，暖气内为强制对流。

Nu=αL/λ=C（PrGr)n;C,n值查表8、流体自然对流的对流传热系数α关系式：2023/7/20第三节对流传热(19)

流体在对流传热的同时伴有相变化，流体将吸收或放出大量的相变潜热，流体的温度并不变；而壁面的温度与流体不同，因此壁面附近的温度梯度较大，使相变过程的对流传热系数α值增大。

相变过程的α影响因素复杂，因不仅涉及相变潜热、还涉及相变速度、相变方式等。

例：在1atm,100℃，水进行汽化与水蒸气进行冷凝，其α值不同，但在热力学计算上相同。同为蒸汽冷凝,但由于壁面情况不同，则α值也不同.9、流体有相变化时的对流传热系数α：2023/7/20第三节对流传热(20)蒸汽冷凝过程：饱和蒸汽Ps饱和温度Ts冷壁面壁温TW冷凝水饱和温度ts=Ts放出相变潜热Q工业上的两种冷凝方式：①膜状冷凝TW<Ts冷壁面壁面干净，冷凝液可以润湿壁面，形成液膜，热阻主要存在此液膜内，热阻较大。②滴状冷凝

冷壁面TW<Ts壁面不干净，冷凝液不能润湿壁面，形成液滴，冷壁面裸露，热阻较小。结论：α

膜状冷凝<α滴状冷凝(1)蒸汽冷凝时的对流传热系数α：2023/7/20第三节对流传热(21)2023/7/20第三节对流传热(22)2023/7/20第三节对流传热(23)

单组分饱和蒸汽冷凝时，气相内温度为Ts无温差，热阻集中在冷凝液膜内。因此液膜厚度、流动状态是冷凝传热的关键。凡是有利于减少膜厚的因素，均可提高冷凝传热系数α，归纳如下——①不凝性气体(空气)的影响：

不凝性气体的积累在壁面形成气膜，迅速增大附加热阻，使α下降很快，必须定时排除不凝性气体。②冷凝液的及时排出：在换热器中，蒸汽一定是上进下出。(2)影响蒸汽冷凝对流传热系数及传热速率的主要因素液膜气膜twtstv2023/7/20第三节对流传热(24)③蒸汽的流速及流向的影响：蒸汽的流向与液膜流向相同，能减少液膜的厚度，有利于传热。⑤冷凝液物性的影响：冷凝液的ρ，λ，cp、μ等均有影响。⑥冷凝器(换热器)壁面的影响：管子的排列方式等。④壁面污垢层的影响：污垢会降低传热效率，要及时除垢。2023/7/20第三节对流传热(25)工业上液体沸腾分为两种方式大容器内沸腾：加热面浸没在液体内而沸腾。管内沸腾：液体在管内受热后沸腾。

汽化中心：液体被加热而沸腾tw>ts,气泡只在某些粗糙不平的点上生成，称这些点为汽化中心。

生产的气泡不断由小到大，达到一定程度后，脱离壁面上升，在上升过程或破裂或上升到液体表面；气泡起到剧烈扰动作用，故液体沸腾过程的α值粗大较大。(3)液体沸腾的对流传热系数α2023/7/20第三节对流传热(26)

随Δt=tw-ts的变化，出现的不同沸腾类型。

tw壁温，ts操作压强下的沸点。

①自然对流沸腾区：Δt≤5℃；液体自然对流，此阶段的α较小，q=Q/S也小。

②核状沸腾：Δt=5—25℃；液体内部产生大量气泡，

α、q值均较大。

③膜状沸腾：

Δt>25℃；气泡产生速度大于气泡脱离壁面的速度，气泡在壁面形成气膜，使α、q值急剧下降。(4)大容器内液体沸腾过程的讨论2023/7/20第三节对流传热(27)2023/7/20第三节对流传热(28)

由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点，称为临界点C；临界点上对应临界对流膜系数αc,临界热通量qc值最大。

影响沸腾传热膜系数的因素：

①液体的物性常数ρ、λ、μ、σ(表面张力)(内因)。②温差Δt=tw-ts是控制沸腾的重要参数，α=CΔtn。

③操作压强：提高操作压强PS↑，则ts↑,液体的μ↓σ↓，有利于生成气泡，强化汽化速度。④加热表面的情况：表面粗糙易生成气泡。(5)液体沸腾的临界点2023/7/20第三节对流传热(29)①是否存在对流(传热方式决定是否计算α)②是否有相变化:α有相变>α无相变③是强制对流还是自然对流:α强制对流>α自然对流④何种流动状态：层流还是湍流:α湍动>α层流⑤什么类型的换热面。α

小结：α∝u0.8;

α

∝d-0.2(流速不变)即增大流速与减少管径均能增大α值，实质是减少了层流层的厚度，增大了α值。10、计算α的要点及关联式

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。2023/7/20第三节对流传热(30)①α值决定于流体种类：

α水溶液>α有机溶液；α液>α气

②同一流体内：

α有相变>α无相变；

⑤流速u，管径d，对α有影响⑥不凝性气体(用真空泵抽出)及冷凝液(换热器底部)的排除要及时，否则α急剧下降。结论：

③直管与弯管（其他条件相同）：

α弯管>α直管；

④短管与长管（其他条件相同）：

α短管>α长管；

2023/7/20第三节对流传热(31)五