對流傳熱系數(shù)課件

第四章

傳熱一、對流傳熱的分析二、壁面和流體的對流傳熱速率第三節(jié)

對流傳熱2023/7/3一、對流傳熱的分類2023/7/3二、對流傳熱的分析

流體沿固體壁面的流動

層流內(nèi)層緩沖層湍流主體流體分層運動，相鄰層間沒有流體的宏觀運動。在垂直于流動方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導。該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。熱對流和熱傳導作用大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。

溫度梯度很小，各處的溫度基本相同。

2023/7/3對流傳熱是集對流和熱傳導于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層。減薄層流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。

2023/7/3三、壁面和流體間的對流傳熱速率

推動力：壁面和流體間的溫度差阻力：影響因素很多，但與壁面的表面積成反比。

1、過程數(shù)學描述

2023/7/3

由于對流給熱的復雜性，難以直接嚴格的數(shù)學推導，求出流體中的溫度分布，從而得到壁面上的溫度梯度，再得出熱流密度q。同時自然對流的影響難以定量估計。

工程處理方法：將對流給熱的熱流密度寫成如下形式：流體被加熱流體被冷卻——牛頓冷卻定律

①牛頓冷卻定律——對流給熱的工程處理方法2023/7/3該公式并非理論推導結(jié)果，是一種假設(shè)推論。實際情況是：

q∝ΔTα不是常數(shù)而與ΔT有關(guān)結(jié)論：公式看來簡化了，但問題并未解決因為必須知道α值——給熱系數(shù)

α要通過實驗測定2023/7/3②有效膜厚度二者比較

對流給熱熱阻可相當于某個厚度為δt的靜止流體膜所造成的導熱熱阻。

比較結(jié)果：可將對流給熱過程看作某個當量流體層厚度的導熱過程，該當量的流體層厚度稱為有效膜厚度（虛擬概念）。2023/7/32、對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)定義式：

表示單位溫度差單位傳熱面積的對流傳熱速率，W/m2.k。

反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數(shù)大，則傳熱快。

2023/7/3傳熱方式對流傳熱系數(shù)W/（m2·K）空氣自然對流5～25氣體強制對流30～300水的自然對流200～1000水的強制對流1000～8000油類的強制對流500～1500水蒸氣的冷凝5000～15000有機蒸汽的冷凝500～3000水的沸騰1500～30000表4-1對流傳熱系數(shù)數(shù)值的范圍

下表給出了幾種對流傳熱條件下，對流傳熱系數(shù)的大致范圍

2023/7/3四、對流傳熱系數(shù)的影響因素

③流體的流動型態(tài)④流體的相態(tài)變化

②流體對流的起因⑤傳熱面的幾何因素單相流動

有相變的流動

強制對流

自然對流

層流湍流

傳熱表面的形狀、大小、流體與傳熱面作相對運動的位置和方向以及傳熱面的表面狀況

①流體的物理性質(zhì)比熱、導熱系數(shù)、密度和粘度等2023/7/3用一般函數(shù)關(guān)系表示：

通過因次分析，可將對流傳熱系數(shù)表示為如下四個準數(shù)的函數(shù)：五、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式實驗時變量較多，減少實驗工作量

用因次分析方法：初始變量

2023/7/3準數(shù)的符號和意義準數(shù)名稱符號準數(shù)式意義努塞爾特準數(shù)（Nusselt）Nu表示對流傳熱的系數(shù)雷諾準數(shù)（Reynolds）Re確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)（Prandtl）Pr表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)（Grashof）Gr表示自然對流影響的準數(shù)2023/7/33、應(yīng)用準數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題1）適用范圍：關(guān)聯(lián)式中Re,Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍。2）特征尺寸：Nu，Re數(shù)中L應(yīng)如何選定。3）定性溫度：各準數(shù)中的物理性質(zhì)按什么溫度確定——無相變時對流傳熱系數(shù)的普遍關(guān)聯(lián)式。2023/7/3（1）定性溫度：查取所需物性數(shù)據(jù)的溫度基準

選擇：本質(zhì)上是對物性取平均值問題。

（壁溫和主體溫度的算術(shù)平均值）壁溫難以測定，以流體主體的平均溫度（代tm）簡單方便（進、出口溫度平均值）

2023/7/3（2）特征尺寸：指對給熱過程產(chǎn)生直接影響的幾何尺寸管內(nèi)強制對流給熱

圓管特征尺寸取管徑d非圓形管，取當量直徑大空間自然對流，取加熱或冷卻表面的垂直高度。

2023/7/3六、對流給熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式傳熱過程的準數(shù)關(guān)系式

通過因次分析得出化工中的對流給熱

本節(jié)討論無相變給熱過程

2023/7/3（一）、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)1、流體在管內(nèi)作強制對流1）流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流a)低粘度（大約低于2mPa·s）流體

當流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時，n=0.3。（自然對流的影響忽略，故Gr數(shù)可略）

2023/7/3原因：考慮到層流底層中溫度對液體粘度和導熱系數(shù)的影響。

A、液體被加熱時，層流底層溫度高于液體主體溫度。，層流底層厚度變薄，減小不顯著，增大。反之，液體被冷卻時，使減??；液體Pr>1。

B、對于氣體，加熱時，層流底層溫度高于氣體主體溫度，，層流底層厚度變厚，大多數(shù)氣體的增大不顯著，總的結(jié)果使減小。氣體Pr<1。

故流體加熱時取0.4而冷卻時取0.3，與實驗結(jié)果相符。

2023/7/3

定性尺寸：

Nu、Re等準數(shù)中的l取為管內(nèi)徑d。定性溫度：

取為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。公式使用條件：Re>105(充分湍流)0.7<Pr<160(一般流體均可滿足)低粘度：

μ<2mPas，

2023/7/3公式討論：每個變量單獨出現(xiàn)

（前面是物性，后面是操作條件，設(shè)備因素）

α∝u0.8

（u升高則α升高，對強化傳熱有利）

（說明管徑對影響不大）。

2023/7/3例題：管內(nèi)強制湍流時給熱系數(shù)的計算列管式換熱器，38根Φ25×2.5mm無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動。（1）qm=8.32kg/s，水蒸氣加熱，求α=？

（2）qm’=2w時，α’=？

解：（1）求α：

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

為考慮熱流體方向的校正項

液體被加熱時1.05液體被冷卻時0.95

應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

取為管內(nèi)徑d。定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術(shù)平均值。

2023/7/32)流體在圓形直管內(nèi)作強制層流

當管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對流對強制滯流的傳熱的影響可以忽略時c)短管（l/d<60)前面兩式計算結(jié)果乘以管入口效應(yīng)系數(shù)：

d)彎管

前面兩式計算結(jié)果乘以彎管效應(yīng)校正系數(shù)：

2023/7/3應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

管內(nèi)徑d。

定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術(shù)平均值。

按上式計算出α后，再乘以一校正因子2023/7/33）流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流對于Re=2300~10000時的過渡流范圍，先按湍流的公式計算α，然后再乘以校正系數(shù)f。

4）流體在彎管內(nèi)作強制對流

2023/7/3對于圓形管道，流體流徑的管道截面為:流體潤濕的周邊長度為:πdde=4×流道截面積/潤濕周邊長度5）流體在非圓形管中作強制對流對于非圓形管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的計算，前面有關(guān)的經(jīng)驗式都適用，只是要將圓管內(nèi)徑改為當量直徑de。2023/7/3對于長寬分別為a與b的矩形管道：對于一外徑為d1的內(nèi)管和一內(nèi)徑為d2的外管構(gòu)成的環(huán)形通道2023/7/3套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實驗，所得的關(guān)聯(lián)式為：

應(yīng)用范圍：Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17

定性尺寸：

當量直徑de定性溫度：

流體進出口溫度的算術(shù)平均值。

2023/7/3【例4-4】套管換熱器外管內(nèi)徑60mm，內(nèi)管規(guī)格φ38×4.0mm，用水將為2500kg/h的某液體有機物從100℃冷卻至40℃，水走管內(nèi)，有機物走環(huán)隙，逆流流動，操作溫度下，有機物密度860kg/m3,粘度2.8×10-3N·s/m2，比熱2.26kJ/(公斤·℃)，導熱系數(shù)0.452W/(m2·℃),水的進、出口溫度分別為15℃和45℃，熱損失忽略不計。試求：(1)水對管內(nèi)壁的給熱系數(shù)；(2)有機溶液對管外壁的給熱系數(shù)；(3)若將水流量增加20%，其他條件不變，重求水對管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。·2023/7/3解：⑴水的定性溫度：℃，查得ρ2=995.7kg/m3,μ2=0.0008N·s/m2,

2=0.618W/(m·K)Cp2=4.174kJ/(公斤·K)根據(jù)熱量衡算式求得水流量公斤管內(nèi)流速：m/s2023/7/3水側(cè)給熱系數(shù)：⑵套管環(huán)隙當量直徑de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm,環(huán)隙流速

(過渡流)W/(m2·K）m/s2023/7/3根據(jù)過渡流給熱系數(shù)的計算方法，有

W/(m2·K)故得溶液側(cè)給熱系數(shù)：

W/(m2·K)⑶水流量增加后的給熱系數(shù)

W/(m2·K)2023/7/32、流體在管外強制對流2023/7/31）流體在管束外強制對流換熱器殼程都是橫掠管束流動，換熱管排列分為直列和錯列兩種，流體沖刷直列和錯列管束的情景是不同的。錯列時流體在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動，比直列時在管間走廊通道的流動擾動更為強烈，故錯列比直列傳熱要快，但錯列的流動阻力較大，清洗不如直列容易。2023/7/3影響管束傳熱的因素除Re,Pr數(shù)外，還有管子排列方式，管間距和管排數(shù)，給熱系數(shù)應(yīng)用范圍：

特征尺寸：管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速定性溫度：流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。2023/7/32023/7/3各排的給熱系數(shù)不同，應(yīng)按下式求其平均值。2023/7/32）自然對流對于大空間的自然對流，比如管道或傳熱設(shè)備的表面與周圍大氣層之間的對流傳熱，通過實驗側(cè)得的c,n的值在表4-9中。定性溫度：壁溫tw和流體進出口平均溫度的算術(shù)平均值，膜溫。2023/7/32023/7/3自然對流2023/7/34、提高對流傳熱系數(shù)的途徑1）流體作湍流流動時的傳熱系數(shù)遠大于層流時的傳熱系數(shù),并且Re↑,α↑,應(yīng)力求使流體在換熱器內(nèi)達到湍流流動。2）湍流時，圓形直管中的對流傳熱系數(shù)

?u,u0.8

d,1/d0.2

2023/7/3流體物性的影響，選、ρ較大或μ較小的流體在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管徑對提高對流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。

3）流體在換熱器管間流過時，在管外加流板的情況對流傳熱系數(shù)與流速的0.55次方成正比，而與當量直徑的0.45次方成反比2023/7/3設(shè)置折流板提高流速和縮小管子的當量直徑，對加大對流傳熱系數(shù)均有較顯著的作用。4)不論管內(nèi)還是管外，提高流u都能增大對流傳熱系數(shù)，但是增大u，流動阻力一般按流速的平方增加，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最佳的流速。5）除增加流速外，可在管內(nèi)裝置如麻花鐵或選用螺紋管的方法，增加流體的湍動程度，對流傳熱系數(shù)增大，但此時能耗增加。2023/7/3（二）流體有相變時的對流傳熱系數(shù)1、蒸汽冷凝時的對流傳熱1）蒸汽冷凝的方式

a)

膜狀冷凝：

若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完整的液膜b)滴狀冷凝：

若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下

2023/7/32023/7/32）膜狀冷凝的傳熱系數(shù)

b)蒸汽在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝

假設(shè)：①

冷凝液的物性為常數(shù)，取平均液膜溫度的數(shù)值。②

一蒸汽冷凝成液體時所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱③

蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力。④

冷凝液膜成層流,傳熱方式僅為通過液膜的熱傳導。

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。定性溫度：

蒸汽冷凝潛熱r取其飽和溫度t0下的值，其余物性取液膜平均溫度。膜層湍流（Re＞1800）時膜層層流（Re<1800）時2023/7/3若冷凝液流通截面積為S，壁面潤濕周邊為∏，則當量直徑質(zhì)量流量：則：蒸汽冷凝熱：蒸汽冷凝時的對流傳熱速率：2023/7/3聯(lián)立上面兩式得：=飽和蒸氣的溫度ts與壁面溫度tw之差,ts-tw2023/7/3c)蒸汽在水平管束外冷凝層流時，Re值增加，α減小；湍流時，Re值增加，α增大；2023/7/3a)蒸汽中不凝氣體含量的影響

蒸汽中含有空氣或其它不凝氣體，壁面可能為氣體層所遮蓋，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降。3）影響冷凝傳熱的因素b)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流動，厚度減薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流動,α減小,摩擦力超過液膜重力時，液膜被蒸汽吹離壁面，當蒸汽流速增加，α急劇增大；2023/7/3c）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差△t(蒸汽過熱的影響）

當液膜呈滯流流動時，若△t加大，則蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝傳熱系數(shù)降低。d）流體物性液膜的密度、粘度及導熱系數(shù)，蒸汽的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。2023/7/3e)

傳熱面的形狀和位置若沿冷凝液流動方向積存的液體增多，液膜增厚，使傳熱系數(shù)下降。例如管束，冷凝液面從上面各排流動下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的α要比上排的為低。冷凝面的表面情況對α影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，使膜層加厚，增加膜層阻力，α下降。2023/7/32023/7/31）過程分析

特征：液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生只討論大容積中的飽和沸騰，其它情況主要是經(jīng)驗公式有相變的對流給熱

過冷沸騰幾何尺寸

大容積管內(nèi)飽和沸騰復雜自然對流+氣流運動2、液體沸騰時的對流傳熱系數(shù)

2023/7/32）沸騰曲線

當溫度差較小時，液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對流，α較小，且隨溫度升高較慢。當△t逐漸升高，在加熱表面的局部位置產(chǎn)生氣泡，該局部位置稱為氣化核心。氣泡產(chǎn)生的速度△t隨上升而增加，α急劇增大。稱為泡核沸騰或核狀沸騰。

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

當△t再增大，加熱面的氣化核心數(shù)進一步增多，且氣泡產(chǎn)生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接起來，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜。

當△t在增大，由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈來愈顯著，α又隨之增大，這段稱為穩(wěn)定的膜狀沸騰。

由核狀沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點C稱為臨界點。臨界點所對應(yīng)的溫差、熱通量、對流傳熱系數(shù)分別稱為臨界溫差，臨界熱通量和臨界對流傳熱系數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)中，一般應(yīng)維持在核狀沸騰區(qū)域內(nèi)操作。

2023/7/32023/7/3加熱曲線與沸騰曲線有三個平衡點：

①穩(wěn)定；

②不穩(wěn)定，且增加熱量很快就從點②變化到點③，溫度急劇上升，稱“飛溫”；③穩(wěn)定。

主要采用①點