傳熱教學(xué)講解課件

第四章

傳熱一、對流傳熱方程與對流傳熱系數(shù)二、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式三、流體無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式四、流體有相變時的對流傳熱五、選用對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項第三節(jié)

對流傳熱2023/7/31第四章

傳熱一、對流傳熱方程與對流傳熱系數(shù)第三節(jié)

1一、對流傳熱方程與對流傳熱系數(shù)

流體沿固體壁面的流動滯流內(nèi)層過渡區(qū)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(dǎo)。該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。熱對流和熱傳導(dǎo)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。

2023/7/31一、對流傳熱方程與對流傳熱系數(shù)流體沿固體滯流內(nèi)層過渡區(qū)湍流2對流傳熱是集對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在傳熱邊界層中，它是指流體中有溫度梯度存在的區(qū)域。熱流體冷流體Tttw1tw2Tδ固體壁2023/7/31對流傳熱是集對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。熱流體冷流31、對流傳熱速率表達式

據(jù)傳遞過程速率的普遍關(guān)系，壁面和流體間的對流傳熱速率：——牛頓冷卻定律

推動力：壁面和流體間的溫度差對流傳熱速率方程可以表示為：阻力：令2023/7/311、對流傳熱速率表達式據(jù)傳遞過程速率的普遍關(guān)系，壁面和流體4此時冷流體的牛頓冷卻定律可以表示為：2、對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)α定義式：

表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率。

α單位：W/m2.k

α反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數(shù)大，則傳熱快。

各個字母的意義教材P1152023/7/31此時冷流體的牛頓冷卻定律可以表示為：2、對流傳熱系數(shù)表51、對流傳熱系數(shù)的影響因素

（1）流體的種類和相變化的情況

（2）流體的物性導(dǎo)熱系數(shù)滯流內(nèi)層的溫度梯度一定時，流體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，對流傳熱系數(shù)也愈大。粘度流體的粘度愈大，對流傳熱系數(shù)愈低。比熱和密度二、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

2023/7/311、對流傳熱系數(shù)的影響因素（1）流體的種類和相變化的情況6ρcp：單位體積流體所具有的熱容量。ρcp值愈大，流體攜帶熱量的能力愈強，對流傳熱的強度愈強。體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)β值愈大，密度差愈大，有利于自然對流。對強制對流也有一定的影響。（3）流體的溫度（4）流體流動狀態(tài)

湍流的對流傳熱系數(shù)遠比滯流時的大。2023/7/31ρcp：單位體積流體所具有的熱容量。2023/7/27（5）流體流動的原因

強制對流：自然對流：由于外力的作用

由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點的位移。（6）傳熱面的性狀、大小和位置

2、對流傳熱過程的因次分析116頁流體的溫度為t0、t1,，單位體積的流體所受的浮力為：2023/7/31（5）流體流動的原因強制對流：自然對流：由于外力的作用由8三、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式1、流體在管內(nèi)強制對流時的α2、流體在管外強制對流時的α3、大空間自然對流的α圓形直管、強制對流：4種圓形直管、強制層流圓形直管、過渡區(qū)非圓形直管、強制對流例題4-4、4-5119頁相互平行相互垂直垂直與平行交替例題4-62023/7/31三、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式1、流體在管內(nèi)強制91、流體在管內(nèi)作強制對流時的對流傳熱系數(shù)1）流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流：4種情況a)低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體

當流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時，n=0.3。應(yīng)用范圍：管長與管徑比

2023/7/311、流體在管內(nèi)作強制對流時的對流傳熱系數(shù)當流體被加熱時n=010將計算所得的α乘以

定性尺寸：

Nu、Re等準數(shù)中的l取為管內(nèi)徑di。定性溫度：

取為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。b)高粘度的液體

為考慮熱流體方向的校正項。

c）短管d）彎管2023/7/31將計算所得的α乘以定性尺寸：Nu、Re等準數(shù)中的l取為管11

應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

取為管內(nèi)徑di。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。

2)流體在圓形直管內(nèi)作強制滯流

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2023/7/31應(yīng)用范圍：定性尺寸：取為管內(nèi)徑di。定性溫度：除μw12應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

管內(nèi)徑di。

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2023/7/31應(yīng)用范圍：定性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：除μw取壁133）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。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：

2023/7/313）流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流4）流體在非圓形管中作強制對流214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。

書119頁例題2023/7/31應(yīng)用范圍：Re=12000~220000，d1/d2=1.615流體在管束外垂直流動2、流體在管外強制對流應(yīng)用范圍：121頁2023/7/31流體在管束外垂直流動2、流體在管外強制對流應(yīng)用范圍：121頁162023/7/312023/7/25172023/7/312023/7/25182023/7/312023/7/25192023/7/312023/7/25203、大空間自然對流傳熱

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。書122例題2023/7/313、大空間自然對流傳熱對于大空間的自然對流214、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)

2023/7/314、提高對流傳熱系數(shù)的途徑1）流體作湍流流動時的傳22

α與流速的0.8呈正比，與管徑的0.2次方呈反比，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。

例題：水以2m/s的流速通過Φ55*25，長3m的鋼管去冷卻套管換熱器環(huán)隙中的苯，已知水溫從25℃升高到55℃，試計算：(1)水對管壁的給熱系數(shù)；(2)若將水的流速提高30%，在其它條件相同的情況下，水對管壁的給熱系數(shù)又為多少？(3)若將管徑縮小一半，在其它條件下同的情況下，水對管壁的給熱系數(shù)又為多少？2023/7/31α與流速的0.8呈正比，與管徑的0.2次方呈反比233）流體在換熱器管間流過時，在管外加折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2023/7/313）流體在換熱器管間流過時，在管外加折流板的情況24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。2023/7/31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25四、流體有相變時的對流傳熱蒸汽冷凝式的對流傳熱液體沸騰時的對流傳熱蒸汽冷凝的方式膜狀冷凝的對流傳熱系數(shù)影響冷凝傳熱的因素：6個膜狀滴狀水平管豎直管液體沸騰的分類沸騰產(chǎn)生的條件沸騰對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式影響沸騰傳熱的因素大容器飽和沸騰曲線2023/7/31四、流體有相變時的對流傳熱蒸汽冷凝式的對流傳熱液體沸騰時的對26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

1）蒸汽冷凝的方式

1、蒸汽冷凝時的對流傳熱系數(shù)

洗燒杯時類似于？2023/7/31膜狀冷凝：若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完b)滴272023/7/312023/7/2528①蒸汽在水平管外冷凝2）膜狀冷凝的傳熱系數(shù)

n：水平管束在垂直列上的管子數(shù)，單根管，n=12023/7/31①蒸汽在水平管外冷凝2）膜狀冷凝的傳熱系數(shù)n：水平管束在29②蒸汽在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝

假設(shè)：ⅰ、

冷凝液的物性為常數(shù)，可取平均液膜溫度下的數(shù)值。ⅱ、

一蒸汽冷凝成液體時所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱ⅲ、

蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力。ⅳ、

冷凝液膜成層流流動，傳熱方式僅為通過液膜進行的熱傳導(dǎo)。

2023/7/31②蒸汽在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝2023/7/2530修正后

定性尺寸：

H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。應(yīng)用范圍：2023/7/31修正后定性尺寸：H取垂直管或板的高度。定性溫度：蒸汽冷31若用無因次冷凝傳熱系數(shù)來表示，可得：若膜層為湍流（Re＞2000）時滯流時，Re值增加，α減??；湍流時，Re值增加，α增大；書124頁例題2023/7/31若用無因次冷凝傳熱系數(shù)來表示，可得：若膜層為湍流（Re＞20323）影響冷凝傳熱的因素a）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差△t

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。b）流體物性液膜的密度、粘度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸汽的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。c)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；2023/7/313）影響冷凝傳熱的因素2023/7/2533d)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。e)冷凝壁面的影響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。2023/7/31d)蒸汽中不凝氣體含量的影響2023/7/2534書124例題2023/7/31書124例題2023/7/25352、液體沸騰時的對流傳熱液體沸騰

大容積沸騰管內(nèi)沸騰飽和沸騰

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。

1）沸騰分類

2）沸騰產(chǎn)生的條件

2023/7/312、液體沸騰時的對流傳熱液體沸騰大容積沸騰36

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。

2023/7/31當△t再增大，加熱面的氣化核心數(shù)進一步增多，373）沸騰曲線

2023/7/313）沸騰曲線2023/7