第四節(jié)對流傳熱

1、第四節(jié)第四節(jié) 給熱系數(shù)給熱系數(shù)一、對流傳熱速率方程一、對流傳熱速率方程牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律1tQA tA 牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律ttAQWtWTTTAQ熱流體：熱流體：冷流體：冷流體：解決方法：研究各種對流傳熱情況下的大小、影響因素及計算式。 牛頓冷卻定律存在的問題：1.牛頓冷卻定律表達了復雜的對流傳熱問題，但它并非理論推導的結(jié)果，而是一種推論，即假設(shè)單位面積的傳熱速率與溫差成正比。2.該公式形式雖然簡單，但它并未揭示對流傳熱過程的本質(zhì)，并未減少計算困難，只不過將所有復雜的因素都轉(zhuǎn)移到對流傳熱系數(shù)中，實質(zhì)上是將矛盾集中到對流傳熱系數(shù)。研究對流傳熱問題的核心1tQA tA tA 2.反映了

2、對流傳熱的快慢,愈大表示對流傳熱愈快。二、對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)的定義式2/QW mCA t意義:3.不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個系數(shù)，反映對流傳熱熱阻的大小。1.在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率。表5-8 值的范圍換熱方式空氣自然對流氣 體 強制對流水自然對流水強制對流水 蒸 汽冷凝有機蒸汽冷凝水沸騰W/(m2.)5252010020100010001500050001500050020002500250003)實驗方法實驗方法：用因次分析法、再結(jié)合實驗，建立經(jīng)驗關(guān)系式。用因次分析法、再結(jié)合實驗，建立經(jīng)驗關(guān)系式。1. 的獲得主要有三種方法：的獲得主要有三

3、種方法：1)理論分析法理論分析法：建立理論方程式，用數(shù)學分析的方法求出建立理論方程式，用數(shù)學分析的方法求出 的精的精確解或數(shù)值解。目前只適用于一些幾何條件簡單確解或數(shù)值解。目前只適用于一些幾何條件簡單的幾個傳熱過程，如管內(nèi)層流、平板上層流等。的幾個傳熱過程，如管內(nèi)層流、平板上層流等。三三. 對流傳熱系數(shù)的確定對流傳熱系數(shù)的確定2)類比方法類比方法：把理論上比較成熟的動量傳遞的研究成果類比到熱把理論上比較成熟的動量傳遞的研究成果類比到熱量傳遞過程。量傳遞過程。傳熱學及傳遞過程的研究內(nèi)容實驗表明：實驗表明：與流體的物性、溫度、流動狀況以及壁面幾何與流體的物性、溫度、流動狀況以及壁面幾何狀況等諸多因

4、素有關(guān)。狀況等諸多因素有關(guān)。 2. 影響對流傳熱系數(shù)的因素影響對流傳熱系數(shù)的因素:1) 流動狀態(tài)：流動狀態(tài)：層流和湍流的傳熱機理有本質(zhì)的區(qū)別層流和湍流的傳熱機理有本質(zhì)的區(qū)別層流層流: 傳熱基本上依靠分子擴散作用的導熱方式傳熱基本上依靠分子擴散作用的導熱方式, ,質(zhì)點無混雜運動。質(zhì)點無混雜運動。湍流湍流: 湍流主體的傳熱為渦流作用引起的熱對流，湍流主體的傳熱為渦流作用引起的熱對流，質(zhì)點呈混雜運質(zhì)點呈混雜運動，傳熱充分。但動，傳熱充分。但在壁面附近的層流內(nèi)層中仍為熱傳導。在壁面附近的層流內(nèi)層中仍為熱傳導。層流湍流2) 對流情況：對流情況：自然對流，強制對流自然對流，強制對流 ( (流動和傳熱規(guī)律不

5、同流動和傳熱規(guī)律不同) )自然對流：自然對流：流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點的相對位移。引起流體質(zhì)點的相對位移。強制對流強制對流: 外力的作用，如泵、攪拌器等迫使流體流動。外力的作用，如泵、攪拌器等迫使流體流動。u u影響影響大。大。自然對流強制對流幾十）（幾均與相態(tài)，溫度均與相態(tài)，溫度 t 和壓力和壓力 p有關(guān)有關(guān)4) 傳熱面的形狀，位置和大小傳熱面的形狀，位置和大小傳熱面?zhèn)鳠崦娲笮。捍笮。毫鞯莱叽纾ü軓?，管長，板高和進口效應）5) 傳熱有、無流體相變情況傳熱有、無流體相變情況無相變有相變傳熱面位置傳熱面位置：(水平,

6、垂直), 管束排列方式傳熱面?zhèn)鳠崦嫘螤睿盒螤睿簣A管,平板,環(huán)隙，翅片形式等流體有無相變化，對傳熱有不同的影響流體有無相變化，對傳熱有不同的影響有流體相變：有流體相變：如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液體在熱壁面上的沸騰如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液體在熱壁面上的沸騰無無相相變變有有相相變變 自自然然強強制制 gl 總之：總之：3) 流體的性質(zhì)流體的性質(zhì)(Cp , ,，)層流湍流3. 各種情況下對流傳熱系數(shù)求算的特征數(shù)關(guān)系式各種情況下對流傳熱系數(shù)求算的特征數(shù)關(guān)系式1 1）特征數(shù)關(guān)系式通式）特征數(shù)關(guān)系式通式因次分析法因次分析法 由實驗可知流體無相變時：由實驗可知流體無相變時：pf ulCg t、 、 、 、

7、、基本因次：基本因次：長度長度L，時間，時間 ，質(zhì)量，質(zhì)量 M，溫度，溫度T變量總數(shù)：變量總數(shù)：8個個由由 定律（定律（8-4）=4，可知有，可知有4個無因次數(shù)群。個無因次數(shù)群。322bcapCllulgtK l特征尺寸則有無相變，強制對流強制對流：無相變，自然對流自然對流：Re PrabcNuKGr0,Re PrabcNuK0,PrbcaNuKGr表 5-9 特征數(shù)的名稱、符號和含義準數(shù)名稱符號準數(shù)式含義努賽爾特數(shù)(Nusselt number)Nu表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾數(shù)(Reynolds number)Re流體的流動狀態(tài)和湍動程度對對流傳熱的影響普蘭特數(shù)(Prandtl number

8、)Pr表示流體物性對對流傳熱的影響格拉斯霍夫數(shù)(Grashof number)Gr表示自然對流對對流傳熱的影響2 2）各特征數(shù)（準數(shù)）的特點及意義）各特征數(shù)（準數(shù)）的特點及意義LNuRelu322lgtGrPrpC也可取壁溫3.3.討論討論經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式應用的幾點注意事項經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式應用的幾點注意事項: :a.a.適用范圍適用范圍 由于關(guān)聯(lián)公式是在不同實驗條件下得到的由于關(guān)聯(lián)公式是在不同實驗條件下得到的, ,故應用時應根據(jù)故應用時應根據(jù)實際情況選用相應的公式實際情況選用相應的公式, ,且準數(shù)范圍不能超出規(guī)定。且準數(shù)范圍不能超出規(guī)定。b.b.特征特征( (定性定性) )尺寸尺寸: : 常以對傳熱發(fā)生重

9、要影響的設(shè)備尺寸定量如對管道: 一般取d,或de (非圓管道)對平壁: 一般取厚度或高度 (長度)c.c.物性的定性溫度物性的定性溫度 因物性隨溫度變化，在傳熱過程中，流體在不同位置溫度不因物性隨溫度變化，在傳熱過程中，流體在不同位置溫度不同，物性隨之變化。同，物性隨之變化。一般取法一般取法：進、出口流體的算術(shù)平均值122mtttwt作定性溫度?；蚰?mwttnNuPrRe023.08 .00.80.023npiiCd ud式中:流體被加熱時 n = 0.4 流體被冷卻時 n = 0.3(1). 圓直管內(nèi)強制湍流(低粘度液體及氣體) 1. 流體在管內(nèi)作強制對流傳熱流體在管內(nèi)作強制對流傳熱五、

10、流體無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式五、流體無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式p 應用條件:Re 104 20 cP0.6 Pr 160 （也有 0.7 Pr 50 （也有 l/d 60）p 定性溫度：流體進、出口算術(shù)平均溫度p 特征尺寸：管內(nèi)徑221tttm u ,u0.8 d , 1/d0.2 流體物性的影響，選流體物性的影響，選 大的流體大的流體 強化措施：增大流速，減小管徑強化措施：增大流速，減小管徑8 . 018 . 02 . 08 . 08 . 0023. 0)()(023. 0nnpnpcducdud0.80.2iud 思考：思考： 與與u、d有何比例關(guān)系？有何比例關(guān)系？p 提高管

11、內(nèi)對流傳熱系數(shù)的措施：提高管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的措施：（2）圓直管中強制湍流（高粘度流體）應用范圍：Re 104; 0.6 Pr 50 特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。當壁溫難以確定時 / 壁 可按以下處理：氣體（加熱、冷卻） / 壁 = 1.0液體被加熱 / 壁 = 1.05液體被冷卻 / 壁 = 0.9510.140.830.027piiCd ud壁（4）彎形圓管中強制湍流時對流傳熱系數(shù)先求出Re ，再根據(jù)流動狀態(tài)及流體粘度（高、低粘度）選擇公式計算。 最后乘以彎管效應校正系數(shù)11.77dR內(nèi)彎曲R彎 管道的彎曲半徑適應條件： Re = 12000

12、220000其余同上：（3）短管中強制湍流時對流傳熱系數(shù)0.711dfl內(nèi)當l/d 60時，根據(jù)流動狀態(tài)及流體粘度（高、低粘度）選擇公式計算。 最后乘以管入口效應校正系數(shù)（5）過渡流時圓直管中對流傳熱系數(shù)原則原則: 按相應情況下湍流（高、低粘度）公式計算，乘以校正按相應情況下湍流（高、低粘度）公式計算，乘以校正因子因子f2即可。即可。521.86 101Ref 應用條件: Re = 2300 10000其余同上應用范圍： Re 2300 ， 0.6 Pr 6700 ， Gr 5010.1431.86 Re PrdNul壁定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術(shù) 平均值。特性尺寸：管內(nèi)

13、徑。當 Gr 25000時，自然對流的影響不可忽略上式按 校正系數(shù)相乘予于修正。1310.8(10.05)fGr（6）圓直管內(nèi)強制層流流時的對流傳熱系數(shù)(7) 非圓形管強制湍流1) 1) 當量直徑法當量直徑法2) 2) 直接實驗法直接實驗法套管環(huán)隙套管環(huán)隙 : : 水水- -空氣系統(tǒng)空氣系統(tǒng)318 . 05 . 012PrRe)(02. 0ddde適用范圍：適用范圍： 12000Re100即達到湍流即達到湍流正方形排列正方形排列：正三角形排列：正三角形排列：0202)785. 0(4ddtde0202)785. 023(4ddtded0tt當量直徑當量直徑de要根據(jù)管子的排列方式而定：要根據(jù)管

14、子的排列方式而定：)1 (tdhDSo流速流速u u按流通截面最大處的截面計算：按流通截面最大處的截面計算：式中式中 h兩塊折流擋板間距離，兩塊折流擋板間距離，m； D換熱器殼徑，換熱器殼徑，m； do管子的外徑，管子的外徑，m； t相鄰兩管中心距相鄰兩管中心距，m。45. 055. 0edu由由14. 055. 03/114. 055. 03/1)()(36. 0RePr36. 0WepeWudcdNu可得：可得：p 提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：注意：注意：換熱器無折流擋板時，殼體流體平行換熱器無折流擋板時，殼體流體平行流過管束，對流給熱系數(shù)按流過管束，對流給熱系

15、數(shù)按管內(nèi)強制對流計管內(nèi)強制對流計算，但管子的內(nèi)徑換為當量直徑算，但管子的內(nèi)徑換為當量直徑。所以：提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：所以：提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：f2h, u u ; u流動阻力但 ed3）加強湍動，加強湍動，2）1）七、大空間的自然對流傳熱七、大空間的自然對流傳熱 Pr),(GrfNu nGrCNuPr)(注意：注意： C,n與傳熱面的形狀（管或板）、放與傳熱面的形狀（管或板）、放 置位置（垂直、水平）有關(guān)。置位置（垂直、水平）有關(guān)。表表5-125-12定性溫度：定性溫度：膜溫膜溫特征尺寸：特征尺寸：垂直的管或板為高度垂直的管或板為高度 水平管為管外徑水平管為管外徑npctlgl

16、C)(232例例5-17 有一垂直蒸汽管，外徑有一垂直蒸汽管，外徑100mm，長，長3.5m，管外壁，管外壁溫度為溫度為110。若周圍空氣溫度為。若周圍空氣溫度為30 ，試計算單位時間，試計算單位時間內(nèi)由于自然對流散失于周圍空氣中的熱流量。內(nèi)由于自然對流散失于周圍空氣中的熱流量。分析：分析：（1）確定流動型態(tài)）確定流動型態(tài)-自然對流自然對流QQA t自然對流自然對流nGrCNuPr)(GrPr322lgtGr定性溫度（膜溫）定性溫度（膜溫）問題：問題： 怎么求？怎么求？Nu復復 習：對流給熱系數(shù)的計算：習：對流給熱系數(shù)的計算：一、無相變對流給熱系數(shù)的計算一、無相變對流給熱系數(shù)的計算自然對流自然

17、對流管束外管束外水平圓管外水平圓管外外壁外壁湍流湍流層流層流管內(nèi)管內(nèi)無相變無相變p 公式不要求記住，但是公式不要求記住，但是要會查要會查，知道公式的，知道公式的每一項物理每一項物理意義意義。p 每一個公式要知道每一個公式要知道適用范圍，特性尺寸以及定性溫度適用范圍，特性尺寸以及定性溫度。九、九、 流體有相變時的對流傳熱流體有相變時的對流傳熱1.蒸汽冷凝時的狀況膜狀滴狀產(chǎn)生原因：冷凝壁有潤濕作用，形成冷凝液膜特點：傳熱阻力集中于膜中，導熱系數(shù)小， 熱阻大，故給熱系數(shù)小。產(chǎn)生原因：壁面無潤濕作用（光滑）。特點：傳熱阻力小，給熱系數(shù)大。過程比較:5 10滴冷膜冷一）蒸汽冷凝傳熱系數(shù)冷凝方式故冷凝器的

18、設(shè)計總是按膜狀冷凝來處理無相變相變 熱流方向 蒸汽 ts 熱流方向 蒸汽 ts膜膜滴滴 工業(yè)上遇到的大多數(shù)是膜狀冷凝(1)蒸汽在水平管外的膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)13240.725r gdt 02.蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式(2)蒸汽在垂直管板上膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)層流:Re180012330.420.0077Reg定性溫度：膜溫特征尺寸：2wsttt0d13242 30.725r gndt 外單管：單管：管束：管束：n水平管束在垂直列上的管子數(shù)； r汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸：管或板高H定性溫度：膜溫 4Rel tr例例5-18 101.3kPa（絕）下的水蒸氣在單根

19、管外冷凝（管內(nèi)通（絕）下的水蒸氣在單根管外冷凝（管內(nèi)通空氣作為冷卻劑）。管徑空氣作為冷卻劑）。管徑100mm，管長，管長1.5m，管壁溫度為，管壁溫度為98。（1）若管垂直放置，試計算蒸汽冷凝時的給熱系數(shù)。）若管垂直放置，試計算蒸汽冷凝時的給熱系數(shù)。（2）若管水平放置，重新計算冷凝給熱系數(shù)。）若管水平放置，重新計算冷凝給熱系數(shù)。分析：分析：（1）垂直放置）垂直放置判斷層流或者湍流判斷層流或者湍流12341.13grH t, , ,r Ht定性溫度（膜溫）定性溫度（膜溫）特性尺寸（長度）特性尺寸（長度）swttt 4Rel tr驗驗證證Re1800（2）水平放置）水平放置, , ,r 0dt定性

20、溫度（膜溫）定性溫度（膜溫）特性尺寸（管外徑）特性尺寸（管外徑）swttt 13240.725r gdt 01400.725()1.13Hd更簡捷的求法？更簡捷的求法？具體解題過程見具體解題過程見P178頁例頁例5-19 單組分飽和蒸汽冷凝時，氣相內(nèi)溫度均勻，都是飽和溫度，單組分飽和蒸汽冷凝時，氣相內(nèi)溫度均勻，都是飽和溫度，沒有溫度差，故熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。因此沒有溫度差，故熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。因此對一定的組分，液對一定的組分，液膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵因素。膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵因素。凡是有利于凡是有利于減薄液膜厚度的因素都可提高冷凝傳熱系數(shù)減薄液膜厚度

21、的因素都可提高冷凝傳熱系數(shù)。這些因素為。這些因素為:（2）流體物性:由膜狀冷凝傳熱系數(shù)計算式可知3影響冷凝傳熱的因素膜t（1）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差:當液膜呈滯流流動時，都影響冷凝傳熱系數(shù)。r物性: 、 、 、（3）蒸汽的流速和流向:蒸汽和液膜同向流動:蒸汽和液膜逆向流動:摩擦力將是液膜加速，厚度減薄，但這種力若超過液膜重力，液膜會被蒸汽吹離壁面，（4）蒸汽中不凝氣體含量的影響：蒸汽中不凝氣體含量的影響：若蒸汽中含有空氣或其它不若蒸汽中含有空氣或其它不凝性氣體，則壁面可能為氣體（凝性氣體，則壁面可能為氣體（小）層所遮蓋，增加了一?。铀谏w，增加了一層附加熱阻，使層附加熱阻，使急劇下降。因此在急

22、劇下降。因此在冷凝器的設(shè)計和操作中冷凝器的設(shè)計和操作中，都必須考慮排除不凝氣。，都必須考慮排除不凝氣。（5）冷凝壁面的表面情況：冷凝壁面的表面情況：對對的影響也很大，若壁面粗糙不平的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會使膜層加厚，增加膜層阻力，因而或有氧化層，則會使膜層加厚，增加膜層阻力，因而降低降低 （6）冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響：a.垂直壁面（板或管）垂直壁面（板或管）若沿冷凝液流動方向的尺寸增大，沿途積存的液體增多，則若沿冷凝液流動方向的尺寸增大，沿途積存的液體增多，則液膜增厚，使液膜增厚，使下降，但當高度尺寸增至某一程度時，液膜進下降，但當高度尺寸增至某一程度時，液膜進入湍流

23、，入湍流，有開始增大。有開始增大。問題：冷凝液面從上面各排流到下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的比上排的要低。故在設(shè)計和安裝冷凝器時，應正確安放冷凝壁面。b.水平布置的管束:措施:為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般需減少垂直列上的管子數(shù)目，或把管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流過，如圖片4-29所示。1. 沸騰過程：沸騰過程：對液體加熱時，有液相變?yōu)闅庀嗟倪^程，即在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜，因液體沸騰時必伴有液體流動，故屬于對流傳熱過程。二）液體沸騰時對流傳熱系數(shù)二）液體沸騰時對流傳熱系數(shù)大容積沸騰：大容積沸騰：將加熱表面浸入液體的自由表面之下，液體在壁面受熱沸騰。管內(nèi)

24、沸騰：管內(nèi)沸騰：液體在管內(nèi)流動過程中于管內(nèi)壁發(fā)生的沸騰。其傳熱機理要較大容積沸騰復雜得多。工業(yè)上的液體沸騰主要有兩種：本節(jié)主要討論大容積沸騰，至于管內(nèi)沸騰，請參閱有關(guān)專著。加加熱熱大容積沸騰時，熱通量大容積沸騰時，熱通量q和和的大小取決于加熱壁面溫度與液體飽的大小取決于加熱壁面溫度與液體飽和溫度之差和溫度之差 2.液體沸騰曲線Swttt加加熱熱t(yī)wts氣 泡 產(chǎn)生和 脫 離頻率很快大量氣泡在加熱面上匯合，形成蒸汽膜沸沸騰騰曲曲線線 log 過熱度（tw-ts） 過熱度不大，過熱度不大，氣泡沒有；氣泡沒有； 輻射影響加強膜狀沸騰膜狀沸騰 自然對流自然對流核狀沸騰核狀沸騰工業(yè)上常用工業(yè)上常用下圖為常壓下水在池內(nèi)沸騰時的熱通量下圖為常壓下水在池內(nèi)沸騰時的熱通量 q=Q/A、與與 t 之間的之間的關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。沸騰過程大致分三個階段沸騰過程大致分三個階段:自然對流階段:KtttSw50核狀沸騰階段:Kttt