《流體力學與傳熱》4-3 對流傳熱

4.3對流傳熱4.3.1對流傳熱過程分析4.3.2對流傳熱速率4.3.3影響對流傳熱系數(shù)的因素4.3.4對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式的建立4.3.5無相變時的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式4.3.6有相變時的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式4.3.1對流傳熱過程分析At2qm1，T1qm2，t1

T24.3.2對流傳熱速率——牛頓冷卻定律膜模型：流體的溫差主要集中在壁面附近，假想在壁面處覆蓋了一層厚度為dt的靜止液膜。TTWttWt熱阻全部在此h──對流傳熱系數(shù)（傳熱膜系數(shù)），W·m-2·℃-1牛頓冷卻定律：流體被冷卻：t=T-TW被加熱：t=tW-t（1）（2）復雜問題簡單化表示——h

4.3.3影響對流傳熱系數(shù)的因素一、引起流動的原因自然對流壁面處t2和主體t1；如t2>t1時2<1體積膨脹系數(shù)：溫度改變1C時，流體體積的變化率對理想氣體

h強

>h自

二、流體的物性

，，，cp

強制對流單位體積流體所受浮升力：單位質(zhì)量流體所受浮升力：gt——代表自然對流的能力——u五、是否相變蒸汽冷凝、液體沸騰四、傳熱面的形狀、大小和位置三、流動型態(tài)h湍

>h層

h相變

>

h無相變特性尺寸l：

對流動與換熱有主要影響的傳熱面尺寸4.3.4對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式的建立一、因次分析

基本因次：長度L，溫度t，質(zhì)量M，時間變量總數(shù)：8個由定理（8-4）=4，可知有4個無因次數(shù)群。h＝f(u，l，，，cp，，gt)——待定準數(shù)——流動型態(tài)——流體物性——自然對流二、實驗安排及結(jié)果整理強制湍流：Nu＝CReaPrk（1）采用不同Pr的流體，固定RelgNu＝klgPr＋lgCRea雙對數(shù)坐標系得一直線，斜率為k（2）相同Pr的流體在不同的Re下

lg(Nu/Prk)＝algRe＋lgC

在雙對數(shù)坐標系中得一直線

斜率為a，截距為CPrNukReNu/PrkCa三、使用h關聯(lián)式的注意事項（1）特征尺寸l

對于管內(nèi)流動，特征尺寸為直徑d，對于垂直放置的平板的自然對流，特征尺寸為板的長度l。（3）適用范圍（2）確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度h關聯(lián)式無相變有相變自然對流強制對流湍流過渡區(qū)層流蒸汽冷凝液體沸騰管內(nèi)、外直、彎管圓或非圓形一、流體在管內(nèi)的強制對流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa·s，l/d>604.3.5無相變時的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流流體被加熱時，k＝0.4；被冷卻時，k＝0.3定性溫度液體特性尺寸：di氣體強化措施：

d一定,hu0.8，u

h

u一定，h1/d0.2，d

h

問題：直徑不變，流量為原來的2倍，h？hf？流量不變，把直徑改為原來的1/2，h怎么變？

以下是對上面的公式進行修正：（1）高黏度

適用范圍：Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>60定性溫度：tm特性尺寸：di（2）

l/d<60（3）過渡區(qū)（2000<Re<10000)（4）彎曲管內(nèi)hhh（5）非圓形管強制湍流（a）當量直徑法（b）直接實驗法套管環(huán)隙:適用范圍：1.2104<Re<2.2105；d2/d1=1.65~17

d1——內(nèi)管外徑，d2——外管內(nèi)徑用de代di，u用實際A流通計算

【例4-4】一列管式換熱器，由38根25×2.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg·s-1，外殼中通入水蒸氣進行加熱，求：（1）管壁對苯的h；（2）管子換為19×2mm，管壁對苯的h

；（3）當苯的流量提高一倍，h變化如何？（4）如苯走殼程，水蒸氣走管內(nèi)，h如何計算？（設外殼直徑為450mm）已知：苯的物性（1）管壁對苯的h（2）管子換為19×2mm，管壁對苯的h

（3）當苯的流量提高一倍（4）如苯走殼程，水蒸氣走管內(nèi)

特點：導致速度分布受熱流方向影響層流受自然對流影響大，h2.圓形管內(nèi)強制層流液體適用范圍：當：定性溫度：（流體平均溫度）特性尺寸：di二、管外強制對流的h

1.流體在管束外垂直流過整個管束：適用范圍：特征尺寸：do

定性溫度：單列管：排數(shù)直列錯列Cnεnε10.60.1710.60.171x1/d=1.2～3時C＝1＋0.1n/d20.650.1570.60.22830.650.1570.60.290x1/d>3時C＝1.340.650.1570.60.2902．流體在列管換熱器殼程的流動擋板形式：圓形圓缺形目的：（1）增強殼程流體的湍動，提高h,

（2）支承管束圓缺形：

特征尺寸：de定性溫度：正方形正三角形d0tt適用范圍：u按流過管間最大截面積計算：H——兩擋板間距離D——外殼內(nèi)徑

無折流擋板時，流體平行流過管束，h按管內(nèi)強制對流計算，但di換為de

提高殼程h的措施：3）加強湍動，h2）1）三、大空間的自然對流傳熱

定性溫度：膜溫特性尺寸：垂直的管或板為H；水平管為doC、n——由實驗測定段數(shù)GrPrCn1231×10-3～5×1025×102～2×1072×107～10131.180.540.1351/81/41/3例【4-5】在外徑為152mm的水平管內(nèi)通有171oC的飽和水蒸氣，管外空氣溫度為21oC，試求：（1）管道不保溫，每米管長因空氣自然對流引起的熱損失？（2）管外包有一層50mm厚的保溫層，使保溫層的表面溫度降為59oC，此時每米管長因空氣自然對流造成的熱損失又為多少？保溫層的導熱系數(shù)是多少？解（1）管道不保溫，空氣的定性溫度查定性溫度下空氣的物性參數(shù)=0.956kgm-3，=3.16710-2Wm-1K-1，Pr=0.694，=2.1710-5kgm-1s-1，=1/t定=1/（96+273）=1/369K-1因5102<GrPr<5107

，查表得C=0.54，n=1/4所以空氣自然對流傳熱系數(shù)h有：=

熱損失Q/L=hdo?t=7.40.152(171-21)=530Wm-1Wm-2K-1(2)管道保溫后，空氣的定性溫度查該定性溫度下空氣的物性參數(shù)=1.128kgm-3，=2.75410-2Wm-1K-1，Pr=0.696，=1.19110-5kgm-1s-1，=1/t定=1/（40+273）=1/313K-1因5102<GrPr<5107

，查表4-3得C=0.54，n=1/4包保溫層后空氣自然對流傳熱系數(shù)h=包保溫層后的熱損失Q/L=hdo?t=4.90.252(59-21)=147.3Wm-1Wm-2K-1保溫層的導熱系數(shù)有：為什么把蒸汽溫度看成是管外壁溫度？一、蒸汽冷凝冷凝方式膜狀冷凝滴狀冷凝4.3.6有相變時的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式h滴>h膜

主要熱阻——液膜工業(yè)2.蒸汽冷凝的h（1）水平管束外n——水平管束在垂直列上的管數(shù)r——汽化潛熱（按ts查）特性尺寸：do定性溫度：膜溫

（2）豎直壁或管外hhRe=1800qm——冷凝液量，kg·s-1M——冷凝負荷，單位時間單位長度濕潤周邊的冷凝液量，kg·s-1.m-1層流Re<1800Re>1800特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫

湍流

4．冷凝傳熱的影響因素和強化措施（1）流體物性冷凝液

r

h（2）溫差

層流：t=ts－tWh最低處（3）不凝氣體不凝氣存在h定期排放（4）蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時h；反向時h；uh（5）蒸汽過熱——包括冷卻和冷凝兩個過程

一般不考慮過熱蒸汽的影響，即忽略過熱蒸汽的冷卻過程（6）冷凝面的形狀和位置

強化措施——減少液膜的厚度開縱向溝槽；采用錯列；安裝金屬絲或翅片例【4-6】一單根垂直管式降膜蒸發(fā)器，管長為1m，管外徑為100mm，溫度為108oC飽和蒸氣在管外冷凝，其冷凝對流傳熱系數(shù)為8000Wm-2oC-1，冷凝液膜作層流流動。管壁溫度為101oC，如果加熱蒸氣改為115oC飽和蒸氣在管外冷凝，其他條件保持不變，忽略管壁熱阻，求冷凝傳熱系數(shù)。當管由垂直放置改為水平放置，加熱蒸氣為108oC飽和蒸氣時的冷凝傳熱系數(shù)為多少。解：溫度為108oC飽和蒸氣，冷凝傳熱系數(shù)為溫度為115oC飽和蒸氣時，冷凝傳熱系數(shù)為h’=0.84h=0.848000=6722.7Wm-2oC-1當管由垂直改為水平放置，冷凝傳熱系數(shù)為h’’=1.148000=9120Wm-2oC-1沸騰種類（1）大容積沸騰（2）管內(nèi)沸騰主要特征：液體內(nèi)部有汽泡產(chǎn)生

二、液體沸騰1.汽泡產(chǎn)生的條件過熱度：t=t－ts

汽化核心：一般為粗糙加熱面的細小凹縫處問題：為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生？氣泡的依托含少量氣體過熱度最大2.沸騰曲線自然對流EABCD250525臨界點工業(yè)上：核狀沸騰

不穩(wěn)定—CD段；

250C>t>25C；th

穩(wěn)定—DE段t>250C

；th（t高，熱輻射影響大）優(yōu)點：tW小，h大（1）自然對流區(qū)——AB段t<5C；