化工原理（第2版）上册 课件 5-3 对流传热

1传热－对流传热对流传热5.3.1对流与对流传热5.3.2对流传热系数的实验研究5.3.3管内强制对流传热5.3.4管外强制对流传热5.3.5自然对流传热5.3.6蒸汽冷凝对流传热5.3.7液体沸腾对流传热25.3.1对流与对流传热

对流传热对流——流体内不同部位(质点)的相对位移、置换流体受外力流动(湍流)(1)自然对流(2)强制对流1自然对流与强制对流流体内部：温差密度差

质点位置互换传热－对流传热－对流与对流传热流体运动

内部环流质点脉动、出现漩涡固体壁面Q流体加热面水平放置时的自然对流加热面竖直放置时的自然对流热流量质点位置互换？对流(环流、质点脉动和漩涡)作用?壁面放置方式的影响？32对流传热过程分析（1）“静止”：（2）层流：（3）湍流：层流内层—微观运动(导热)湍流主体，质点脉动、漩涡过渡区>>微观运动、环流—微观运动+质点脉动、漩涡+环流总热阻层流内层传热－对流传热－对流与对流传热，热阻(温差)很小，热阻(温差)很大热阻适中层流内层过渡区湍流主体Q热流体微观运动环流脉动、漩涡热流体x层流湍流TT1T2TW对流传热速率

Q微观运动

Q微观运动、环流

Q

质点脉动、漩涡微观运动

Q

环流相差不大

环流43对流传热速率(W、J/s)流体被加热流体被冷却TW,tw—壁温；—牛顿冷却定律

—对流传热系数，W/(m2·K)；对流传热——复杂的物理过程影响因素

形式简单的方程—实验建立经验关联式微元换热面整个传热面传热－对流传热－对流与对流传热T1T2t2t1温度微元热冷TtQtwTw

lt1t2T2T1A—传热面积推动力/热阻力的形式：主体(T1+T2)/2(t1+t2)/255.3.2对流传热系数的实验研究1确定影响对流传热系数的主要因素自然对流或强制对流①引起运动的原因：④流动状况②流体的物理性质：

、

、

、cp

种类③传热面的情况：⑤是否发生相变传热－对流传热－对流传热系数的实验研究l

(d,h)强制对流时：Re

流速，u自然对流时：体积膨胀系数

g

t、t、pgg单位体积流体的浮升力形状、摆放方式、尺寸——单位质量流体的浮升力62用量纲分析法建立数群关联式简单变量关系——以流体无相变化为例数群数=变量数－基本量纲数=8－4=4—努塞尔数，待定数群，流动使传热系数增大为导热的多少倍传热－对流传热－对流传热系数的实验研究，湍动程度—普朗特数—格拉晓夫数—雷诺数，流体物理性质，温差引起的自然对流强度用幂函数

量纲为1的数群热传导传热系数逼近

/b73实验安排与结果整理—以强制湍流为例(忽略Gr)实验：多种流体、不同流量

…Re,Pr,Nu(若干组)，数据回归

C,a,k传热－对流传热－对流传热系数的实验研究4特征物理量的选取（1）定性温度：流体在换热器中的代表性温度

流体物性(

,

,

,cp)②膜温：①流体进、出口温度的平均值；(流体平均温度与壁面平均温度)的均值（2）特征尺寸：代表换热面几何特征，对流动、换热有影响（3）特征流速：计算Re时要用到的流体流速注意①特征物理量的取法不同

C,a,k不同使用公式时需按规定取特征物理量②实验范围＝关联式的使用范围85.3.3(圆)管内(无相变)强制对流传热

1湍流适用范围:注意事项①Pr的指数k:②特征尺寸—d内；定性温度—(t1+t2)/2；特征流速—平均流速低粘度流体，<2

水被冷却，取0.3；传热－对流传热－管内强制对流传热对其它情况的处理（1）高黏度液体被加热,1.05被冷却，0.95

W与

相差大t1t2Q,对流传热tw被加热，取0.4；换热管Re>10000；l/d>50；0.6<Pr<160；0.5<Pr<160(>2

水)9（3）弯管（4）非圆形管尽量采用专用公式当量直径误差有时很大，

二次环流（2）短管(l/d<50)气体：液体：进口附近，扰动大，层流内层薄，传热效果好先按l/d>50

例如：套管环隙

弯

=

直

R

系数

l传热－对流传热－管内强制对流传热系数102过渡区，湍动程度较低，

较小先按Re>10000算，再将结果乘以3层流(1)自然对流的影响可忽略时适用范围：Re<2300，l/d>60，0.6<Pr<6700特征物理量的取法同Re>10000时

Gr<25000(2)自然对流不能忽略时

Gr>25000(15)先用①算，再乘以①传热－对流传热－管内强制对流传热114列管式换热器管程(1)单管程流体均匀分布于各管管程(2)

多管程n根管被分为N组，N—管程数各组间为串联关系qV—总流量；，每组管根数：n/Nn—总管数=单管

特征流速特征流速传热－对流传热－管内强制对流传热5.3.4管外强制对流传热1流体在管外垂直流过管束换热管排列——直列和错列绕圆柱流,边界层分离

传热

注意①前几列的n或

不同这几列不同传热－对流传热－管外强制对流传热0.2900.60.1570.654及以上0.2900.60.1570.6530.2280.60.1570.6520.1710.60.1710.61

n

nC错列直列列数直列错列5000<Re<70000；x1/d0、x2/d0=1.2~5②特征尺寸—管外径d0；特征流速—各列中最窄流道的u；

高整个管束2流体平行流过管束求当量直径de—特征尺寸，按圆管内求

圆缺形折流板(25%)传热－对流传热－管外强制对流传热系数3流体流过有折流板的管束壳程d外D內正方形排列正三角形排列特征流速u1.05

or0.95

最大流通截面积正方形排列正三角形排列——特征尺寸dB——折流板间距145.3.5自然对流传热大空间自然对流C、n值和特征尺寸表传热－对流传热－自然对流传热1/50.58105~1011水平板热面朝下或水平板冷面朝上正方形取边长；长方形取两边长的平均值；圆盘取0.9d1/41/30.540.152×104～8×1068×106～1011水平板热面朝上或水平板冷面朝下外径d00－1/41/30.40－0.530.130~10-510-5~104104~109109~1012水平圆柱高度H－1/41/3－0.590.1010-1~104104~109109~1013垂直平板或圆柱特征尺寸nCGrPr加热表面形状及位置加热面水平放置时的自然对流加热面竖直放置时的自然对流定性温度：膜温(流体平均温度与平均壁温的平均值)—传热面在大空间内，环流运动不受其它

物体的影响15例题外径为0.3m的圆管水平置于室外，管外表面温度为180℃，环境空气温度为20℃。试计算每米管长因自然对流而损失的热量。解：圆管水平放置，特征尺寸为管外径d0。膜温：100℃空气物性：体积膨胀系数

查表，每米管长热损失

℃传热－对流传热－自然对流传热系数pV=nRTpdV=nRdT

得C=0.53,n=1/4165.3.6

蒸汽冷凝对流传热1蒸汽冷凝现象大部分壁面

蒸汽2蒸汽冷凝对流传热系数（1）竖直壁面上的冷凝下部可能发展为湍流（1）膜状冷凝：冷凝液能润湿壁面

液膜

覆盖壁面，蒸汽冷凝于液膜（2）滴状冷凝：冷凝液不能润湿壁面

液滴，发生于整个高度

逐渐增厚的液膜上部流量小、流速低，为层流，难以长久维持，发展成膜状冷凝热阻集中于冷凝液膜传热－对流传热－蒸汽冷凝传热局部对流传热系数：由上到下，先减小，后增大Q=

A(ts-tw)饱和蒸汽

ttstw壁面液膜17层流or湍流？判据：Re<1800?层流时：

雷诺数Re湍流时：传热－对流传热－蒸汽冷凝传热ts-tW平均值定态时，传热速率＝放热速率试差！假设为层流

<1800?①

Re①

—润湿周长平均值18（2）蒸汽在水平管外冷凝水平单管：水平管束：注意

、

、

——冷凝液

定性温度为膜温传热－对流传热－蒸汽冷凝传热3影响蒸汽冷凝传热系数的因素n-竖直方向上的管排数①冷凝液的物理性质②传热温差③不凝性气体④蒸汽流向与流速

、

、

t=ts-tw

同向，u

管外径，r

冷凝温度(ts)—很大的热阻冷凝器设排气口，排放不凝气

液膜附近的气层195.3.7液体沸腾对流传热

1液体沸腾现象外在表现：产生大量汽泡（1）汽泡生成和长大的必要条件汽泡使液面为凹面（2）汽泡产生的地点加热面上的细小凹缝、裂穴—液体过热

液体蒸汽压较低，—汽化核心t-ts

＝过热度传热－对流传热－液体沸腾对流传热（3）汽泡长大搅动壁面附近液体

强化传热t

液体蒸汽压ps=外压p时，沸腾不易汽化。条件：液体t>ts(p)——过热①液体容易过热；②存在汽泡的胚胎；③提供依托大容积沸腾、管内沸腾t=ts—饱和温度&脱离壁面

对流传热系数很高202大容积沸腾曲线（