化工原理傳熱2

4.3.2對流傳熱速率方程和表面?zhèn)鳠嵯禂担?）牛頓冷卻定律熱流體冷流體thtcth,wtc,wΦΦ

流體通過間壁的熱交換th1th2tc1tc2說明：①實驗定律；②對壁兩側流體(冷、熱)均適用。熱流體：冷流體：

③h是計算關鍵，一般由實驗測定。（2）對流傳熱過程的簡化模型①真實模型流體主體→過渡層→層流內層對流對流，導熱導熱

研究方法：計算各層的熱流量。thmtcmδL1thwδL2δ1‘δ2‘tCW②簡化模型

有效膜（虛擬膜）：集中全部溫差，以熱傳導方式傳熱。優(yōu)點：對流傳熱問題→導熱問題代價：動力消耗↑。4.4表面?zhèn)鳠嵯禂档慕涷炾P聯4.4.1影響表面?zhèn)鳠嵯禂档囊蛩?/p>

（2）流體流動原因

強制對流：外部機械作功，一般流速較大，h也較大。

自然對流：由流體密度差造成的循環(huán)過程,

一般流速較小，h也較小。（1）流體流動狀態(tài)（3）流體的物理性質

定性溫度：計算表面?zhèn)鳠嵯禂档奶卣鳒囟纫话?，?）傳熱面的形狀、位置和大小壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等，造成邊界層分離，增加湍動，使h增大。（5）相變化的影響有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰，無相變傳熱：強制對流、自然對流，

一般地，有相變時表面?zhèn)鳠嵯禂递^大。例：水強制對流，蒸汽冷凝，4.4.2無相變化時對流傳熱過程的量綱分析（1）量綱分析過程①優(yōu)點：減少實驗次數；②依據：物理方程各項量綱一致；③步驟：（a）通過理論分析和實驗觀察，確定相關因素；（b）構造函數形式；（c）列出量綱指數的線性方程組（M、L、T、）；（d）規(guī)定已知量（指數），確定余下指數表達式；（e）整理特征數方程形式。注意：（1）適用范圍不能超出適用范圍（2）定性溫度

（3）特征尺寸

d;de（4）計量單位統一單位制①努賽爾數說明：

▲反映對流傳熱的強弱，包含表面?zhèn)鳠嵯禂担?/p>

▲努賽爾數恒大于1。

說明：反映流動狀態(tài)對h

的影響。l：特征尺寸，平板——流動方向的板長；管——管徑或當量直徑；（2）特征數的物理意義②雷諾數

③普朗特數說明：▲

反映流體物性對傳熱的影響?！从碂釘U散和動量擴散的相對大小?！从沉鲃舆吔鐚雍蜔徇吔鐚拥南鄬穸取Ｊ褂脮r注意：

*查取定性溫度下的物性；*計算所用單位，SI制。說明：反映自然對流的強弱程度。

④格拉曉夫數（浮升力特征數）強制對流自然對流混合對流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1

管內強制對流Nu/Pr0.4與Re的關系Nu/Pr0.4Re14.4.3

無相變化的對流傳熱（1）管內強制對流傳熱一般關系式：傳熱流動狀態(tài)劃分（區(qū)別于流體流動時規(guī)律）①流體在圓形直管內湍流時的表面?zhèn)鳠嵯禂礱)一般流體流動狀態(tài)不同，則c、m、n

值不同流體被加熱，n=0.4流體被冷卻，n=0.3定性溫度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管內徑di保證流體達到傳熱湍流；適用條件：說明：避開傳熱進口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。傳熱進口段：傳熱正在發(fā)展，h不穩(wěn)定(隨管長增加h減小)OxNux或hxNuxhx

Nux或hx的變化趨勢tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分發(fā)展了的邊界層

層流情況下流體在管內溫度分布進口段溫度分布和局部表面?zhèn)鳠嵯禂档淖兓瘋鳠徇M口段長度：進口到傳熱邊界層匯合點間的長度。說明：經驗公式，有一定誤差。b)

粘度較大流體近似?。哼m用條件：

定性溫度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管內徑dic)流體流過短管（l/d<50）影響：處于傳熱進口段，表面?zhèn)鳠嵯禂递^大。計算：采用以上各式計算h，并加以校正。

d)圓形直管內過渡流時表面?zhèn)鳠嵯禂?/p>

計算：采用湍流公式，但需加以校正。說明：設計換熱器時，一般避免過渡流。107

過渡狀態(tài)的傳熱103102l/d=500.0011041051060.0020.010.1400200100

e)圓形直管內強制層流

特點：1）傳熱進口段的管長所占比例較大；

2）熱流方向不同，也會影響；

3）自然對流的影響，有時不可忽略。定性溫度：tm=(t1+t2)/2

；特征尺寸：管內徑di。

適用條件：

f)圓形彎管內的強制對流特點：離心力使徑向壓力不均，產生二次環(huán)流；

結果：流體湍動程度增加，使h增加；

同時，流動阻力損失增加。

g)非圓形管內強制對流

★

采用圓形管內相應的公式計算，

但特征尺寸采用當量直徑。

★

最好采用專用、經驗公式。如：套管環(huán)隙R

彎管內流體的流動d式中：

②管外強制對流

a)流體橫向流過單管A

流體橫向流過單根圓管外時流動情況表面?zhèn)鳠嵯禂捣植?/p>

1）低雷諾數（70800~101300）φ=0~80°，層流邊界層厚度增大使h↓，φ>80°，邊界層分離，使h↑，有一個最低點。

2）高雷諾數（140000~219000）有兩個最低點：

N01：φ=70~80°，層流邊界層→湍流邊界層；

N02：φ=140°（分離點），發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流體橫向流過圓管時局部努塞爾數的變化Reф=21900018600014000010130070800170000常數C、指數n見下表沿整個管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂担篟eCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外徑

◆

管束的排列方式

直列（正方形）、錯列（正三角形）b)流體橫向流過管束的表面?zhèn)鳠嵯禂祒2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意x1x2d錯列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意直列第一排管直接沖刷；第二排管不直接沖刷，擾動減弱；第二排管以后基本恒定。錯列第一排管錯列和直列基本相同；

第二排管錯列和直列相差較大，阻擋減弱，沖刷增強；

第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d◆

各排管h的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排數的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ錯列管束中，不同排數的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）

可以看出，錯列傳熱效果比直列好?！魝鳠嵯禂档挠嬎惴椒?/p>

任一排管子：C、ε、n

取決于管排列方式和管排數。特征尺寸：管外徑適用范圍：

c)流體在列管換熱器管殼間的傳熱裝有圓缺折流板的列管換熱器

圓缺折流板管板折流擋板：

殼程流體的流動方向不斷改變，較小Re（Re=100），即可達到湍流。缺點：流動阻力↑，殼程壓降↑的重要因素。作用：●提高湍動程度，↑h，強化傳熱；

●加固、支撐殼體。

圓缺折流板示意圖管板10102103104101021管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂涤嬎闱€ReNuPr有折流擋板時殼程流體表面?zhèn)鳠嵯禂担簱醢迩懈疃龋?5%D。特征尺寸：流道的當量直徑。正方形排列dot也可采用關聯式：正三角形排列流速的確定：按最大流通截面(最小流速)計算。DS1S2B

說明：無折流板時，流體平行流過管束，按管內公式計算，特征尺寸為當量直徑。dot(3)自然對流傳熱溫度差引起流體密度不均，導致流體流動。分類：大空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。

有限空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。大空間自然對流傳熱：大空間內流體沿垂直壁面進行自然對流：豎直壁面上表面?zhèn)鳠嵯禂档姆植冀谔帨囟扰c流速的分布

沿豎壁自然對流的流動和換熱特征00表面?zhèn)鳠嵯禂档那笕。孩俨閳D求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流體沿垂直壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關系曲線lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流體沿水平壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關系曲線lg(GrPr)lg(Nu)大空間內流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時：定性溫度：膜溫定型尺寸：豎板，豎管，L；水平管，外徑do影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；系數C和指數n的取值見下表：②經驗關聯doL傳熱面的形狀及位置GrPrCn特征長度垂直的平板及圓柱面10-1~104104~109109~1013查圖4.1.15(a)0.590.1查圖4.1.15(a)1/41/3高度L水平圓柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4查圖4.1.15(b)0.530.130查圖4.1.15(b)1/41/3外徑d0水平板熱面朝上或水平板冷面朝下2×104~8×1068×106~10110.540.151/41/3矩形取兩邊平均值圓盤0.9d

狹長條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上105~10110.581/5有相變對流傳熱的特點①相變過程中產生大量相變熱（潛熱）；例：水4.4.4有相變化的對流傳熱②相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復雜；③分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1)蒸汽冷凝機理

優(yōu)點：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制蒸汽冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂递^大。冷凝方式：①膜狀冷凝凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力），熱量：蒸汽相→液膜表面→固體壁面。②滴狀冷凝凝液結為小液滴（附著力小于表面張力），有裸露壁面，直接傳遞相變熱。比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?/p>

h滴狀冷凝＞h膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍，但工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。膜狀冷凝滴狀冷凝(2)膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?/p>

①努塞爾方程的理論推導研究：垂直管外或壁面的膜狀冷凝；方法：真實模型→簡化模型→數學模型求解。◆膜狀冷凝的真實過程hx③

汽、液相物性為常數，壁面溫度恒定，膜表面溫度t