第二節(jié)熱對流

第四章傳熱

第二講對流傳熱

對流僅發(fā)生于流體中，它是指由于流體的宏觀運動使流體各部分之間發(fā)生相對位移而導(dǎo)致的熱量傳遞過程。這是由于流體的整體運動導(dǎo)致流體質(zhì)點位置的移動，使流體間各部分相互充分接觸，流體溫度趨于均勻。除了流體的整體運動所帶來的熱對流之外，還伴生有由于流體的微觀粒子運動造成的熱傳導(dǎo)。對流傳熱是液體和氣體熱傳遞的主要方式，在工程上，常見的是流體流經(jīng)固體表面時的熱量傳遞過程。對流傳熱的基本概念冷流體t2熱流體T2冷流體t1

熱流體T1對流傳熱的的示意圖

在工程上，對流傳熱是指流體和固體壁面的傳熱過程，它是依靠流體質(zhì)點的移動進行熱量傳遞的。因此與流體的流動情況密切相關(guān)。熱流體將熱量傳給固體壁面，再由壁面?zhèn)鹘o熱流體。冷流體t2熱流體T2冷流體t1

熱流體T1

由流體力學(xué)可知，流體流經(jīng)壁面時，在靠近壁面處總有一薄層流體順著壁面做層流流動，即層流底層。當(dāng)流體做層流流動時，在垂直于流動方向的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)方式進行，由于大多數(shù)流體的導(dǎo)熱系數(shù)較小，故傳熱熱阻主要集中在層流底層中，溫差也主要集中在該層，而在湍動主體中，由于流體質(zhì)點劇烈混合，可近似認為無傳熱熱阻，即湍流主體中基本上沒有差。在層流底層和湍流主體之間存在著一個過渡區(qū)，在過濾區(qū)內(nèi)，熱傳導(dǎo)與對流傳熱均起作用，使該區(qū)的溫度發(fā)生緩慢變化。所以，層流底層的溫度梯度較大，傳熱的主要熱阻集中在此層，因此，減薄層流底層的厚度δ是強化對流傳熱的重要途徑。熱流體冷流體thtcth,wtc,wΦΦ

流體通過間壁的熱交換流體與固體壁面之間傳熱：

流體與固體壁面之間傳熱;

流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起熱交換。4.3對流傳熱（1）機理流體質(zhì)點碰撞、混合，傳遞熱量，包括對流傳熱和熱傳導(dǎo)

對流傳熱與流體流動狀況密切相關(guān)湍動程度越高，對流的傳熱速率越大。ThmTcmδL1ThwδL2δ1‘δ2‘TCW從對流傳熱過程分析可知：對流傳熱過程復(fù)雜，影響因素多。為了方便起見，工程上采用一種簡化方法：即將流體的全部溫差集中在厚度為δ內(nèi)的一層薄層內(nèi)，但薄層的厚度難以測定。1.對流模型

假設(shè)把過渡區(qū)和湍流主體的傳熱阻力全部疊加到層流層的熱阻中，在靠近壁面構(gòu)成一層厚度為δ的流體膜，稱為有效膜(effectivefilm)。假設(shè)膜內(nèi)為層流流動，而膜外為湍流，即把所有熱阻都集中在有效膜中。該模型稱為對流傳熱的膜理論模型(filmtheorymodel)。4.3.2對流傳熱方程----牛頓冷卻定律從對流傳熱過程分析可知：對流傳熱過程復(fù)雜，影響因素多。為了方便起見，工程上采用一種簡化方法：即將流體的全部溫差集中在厚度為δ內(nèi)的一層薄層內(nèi)，但薄層的厚度難以測定。據(jù)有效膜模型，對流傳熱可以用熱傳導(dǎo)的方式處理。若熱流體向壁面作一維穩(wěn)定傳熱，則傳熱速率由傅立葉定律得：Q——對流傳熱速率，W；A——傳熱面積，m2；T——熱流體側(cè)主體的平均溫度，℃；TW——與熱流體相接觸一側(cè)的壁面溫度，℃；δ——有效膜厚度，m2。2.牛頓冷卻定律

由于膜的厚度δ與流體的流動情況、流體性質(zhì)、對流狀態(tài)以及傳熱面的形狀等因素有關(guān)，而厚度δ又難以測定，所以我們采用α代替上式中的α—比例系數(shù)，又稱局部對流傳熱系數(shù)(convectiveheat-tansfercoeficient)或稱為膜系數(shù)(filmcoeficient)W/m2℃

其物理意義：流體與壁面間相差1℃時，單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。表征對流傳熱的強度。2.牛頓冷卻定律4.3.3對流傳熱系數(shù)

大量實驗表明，影響對流傳熱系數(shù)的因素有：1.流體流動狀態(tài)

（1）流體在管內(nèi)湍流流動時，靠近管壁有滯流底層，集中絕大部分熱阻，當(dāng)Re↑→δ↓→α↑。（2）流體在管內(nèi)層流流動時，不僅靠近管壁處而且沿整個管截面流體，都是一層一層地平行流動，此時為δ最大，則α最小，所以有α滯<<α湍。2.流體的物理性質(zhì)對α影響較大的特性有：CP，λ，ρ，μ等。λ↑→α↑；CP↑→α↑；ρ↑→α↑；μ↑→Re↓→α↓

易知這些物理性質(zhì)不僅隨著物質(zhì)種類變化，而且也隨著溫度、壓力而變化。3.流體對流起因

強制對流是流體在泵、風(fēng)機或流體壓頭等作用下產(chǎn)生的流動，其流速u的改變對α有較大影響。

自然對流是流體內(nèi)部冷(t1)、熱(t2)各部分的密度差異所產(chǎn)生的浮升力作用而引起的流動。因t1<t2，∴ρ1>ρ2

。若流體的體積膨脹系數(shù)為β，則兩密度間的關(guān)系為ρ1=ρ2(1+β△t)。于是在重力場內(nèi)單位體積流體由于密度不同所產(chǎn)生的浮升力為

在此壓頭的推動力下，必造成如圖(1)所示的環(huán)流，其速度滿足下面的關(guān)系：

由此說明，流體只要存在溫度差，就會有環(huán)流的存在。圖(1)除上述因素外，自然對流的強弱還與加熱面的位置有關(guān)。如圖(1)，b點溫度高于a點，產(chǎn)生如圖所示的流體環(huán)流。圖(1)圖(2)圖(3)冷流體3.流體對流起因

如圖(2)，在加熱面上部將產(chǎn)生較大的自然對流，在其下則不能；

如圖(3)，在冷卻面下部，將產(chǎn)生較大的自然對流，在其上則不能。由以上分析說明，如果為了一定空間獲得較為均勻的加熱加熱器應(yīng)放置于該空間的下部，房間采暖即為一例。反之，為了一定的空間進行較為均勻的冷卻，冷卻器應(yīng)放在該空間的上部，如劇場的冷氣裝置即為一例。4.傳熱面的形狀、相對位置與尺寸形狀有圓管、翅片管、管束、平板、螺旋板等。傳熱面相對位置有水平放置、垂直放置以及管內(nèi)流動和管外沿軸向流動或垂直軸向流動等；或管束中管子排列放置。傳熱面尺寸有管內(nèi)徑、管外徑、管長、平板的寬與長等。通常把對流體流動和傳熱有決定性影響的尺寸稱為特征尺寸。4.3.3對流傳熱系數(shù)

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a增大。5.流體的相態(tài)變化上述諸影響因素都是針對無相變化的單相而言。在傳熱過程中，有相變時，如蒸汽在冷壁面上的冷凝以及液體在熱壁面上的沸騰，其α值比無相變時大很多。因為相變時液體吸收汽化熱γ變?yōu)檎羝蛘羝懦銎療幡米優(yōu)橐后w，對于同一液體，其γ比cP大很多，所以相變時的α值比無相變時的α大。4.3.3對流傳熱系數(shù)4.3.4對流傳熱的因次分析1.無相變時的強制對流傳熱過程根據(jù)理論分析和實驗研究，影響該對流傳熱過程的因素有

（1）流體的物理性質(zhì)cp，λ，ρ，μ；

（2）傳熱表面的特征尺寸l；

（3）強制對流的流速u。于是無相變強制對流的傳熱系數(shù)可表達為：這七個物理量的因次(單位)分別為：

由此知它們涉及到四個基本因次，即長度L、質(zhì)量M、時間θ和溫度T。按前面介紹的π定理，過程的無因次數(shù)群的數(shù)目N將式(4-18)改寫成冪函數(shù)的形式：將各個物理量的單位代入上式得：根據(jù)因次一致性原理，等式兩邊各基本單位的指數(shù)對應(yīng)相等，則得到四個方程，而其中有6個未知數(shù)，需指定其中兩個(如a，f)為已知，求出其余4個得：將這四個關(guān)系代入式(4-18a)并整理得：4.3.4對流傳熱的因次分析1.無相變時的強制對流傳熱過程其中三個無因次數(shù)群分別為：

（1）努塞爾特準數(shù)：

表示對流與導(dǎo)熱間關(guān)系的準數(shù)，包含待定的對流傳熱系數(shù)。（2）雷諾準數(shù)：

表示流體的流動狀態(tài)和湍流程度對對流傳熱的影響。（3）普蘭特準數(shù)：

表示流體的物性對對流傳熱的影響。4.3.4對流傳熱的因次分析1.無相變時的強制對流傳熱過程2.無相變時的自然對流傳熱過程自然對流產(chǎn)生的原因是單位體積流體的浮升力(βρg△t)，也是直接影響α的因素，于是對流傳熱可表示為：式中7個物理量涉及4個基本單位，所以有3個無因次準數(shù)。其推導(dǎo)過程同上，得：un為自然對流的特征速度，顯然Gr是雷諾數(shù)的變形，它表征著自然對流的流動狀態(tài)對α的影響。4.3.4對流傳熱的因次分析3.說明使用式(4-19)和式(4-21)時，需要注意以下幾點：

（1）應(yīng)用范圍----關(guān)聯(lián)式中Re(Gr)，Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍；

（2）定性尺寸----Nu，Re中的l如何取定；

（3）定性溫度----各準數(shù)中的物性數(shù)據(jù)按什么溫度來確定，如換熱過程中，流體的溫度在改變，所以流體的物性參數(shù)數(shù)值也在改變，因此整理和應(yīng)用經(jīng)驗公式時，就有如何取各物性參數(shù)的平均值，也即確定定性溫度。對于不同情況，有不同的準數(shù)關(guān)聯(lián)式，一般分以下四類：

①無相變時的強制對流；

②無相變時的自然對流；

③有相變時的蒸汽冷凝；

④有相變時的液體沸騰；4.3.4對流傳熱的因次分析4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)1.流體在管內(nèi)作強制對流

（1）流體在圓形直管內(nèi)作強制對流在這種情況下，對流傳熱系數(shù)的準數(shù)關(guān)系式為式(4-19)，即式中系數(shù)C與指數(shù)m和n則由實驗加以確定。經(jīng)對不同的流體在光滑管內(nèi)傳熱進行大量實驗得到：說明：①應(yīng)用范圍：Re>104，Pr=0.6～160,適用于氣體或低粘度的液體(即μ<2倍常溫下水的粘度)；②定性溫度：流體進出口的算術(shù)平均值；③定性尺寸：管內(nèi)徑d。4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

（1）流體在圓形管內(nèi)作強制對流討論分析：①加熱與冷卻的差別加熱n=0.4，冷卻n=0.3。這主要是考慮溫度對粘度μ的影響，由于液體、氣體的μ隨溫度變化不同需分別討論：

液體：被加熱時，靠近管壁的有效膜的溫度比液體的平均溫度高。對于液體，其粘度隨t增加而降低，故加熱時，液體的μ降低，因液體有效膜的粘度大小直接影響到膜的厚度，粘度小有效膜的厚度就薄，由此可見，被加熱時液膜的熱阻較小，也即α加熱較大，即在加熱時：反之，被冷卻時恰好相反。討論分析：①加熱與冷卻的差別但是，Pr是根據(jù)液體的平均溫度下物性數(shù)據(jù)值計算的，只要液體的進出口溫度一定，在加熱或冷卻時Pr值都相等，為了區(qū)別加熱與冷卻時α的差別，則在Pr的指數(shù)上進行校正，對于大多數(shù)液體，其Pr>1，有Pr0.4>Pr0.3

。所以加熱時取n=0.4，冷卻時取n=0.3。

氣體：被加熱時，仍是膜溫大于氣體主體溫度，但氣體的μ是隨t增加而增加，故被加熱時，層流底層中的μ增大，δ增加，則熱阻增加，從而α加熱減小。但對于大多數(shù)氣體，Pr<1,Pr0.4<Pr0.3，故加熱時用Pr0.4，冷卻時用Pr0.3。4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

（1）流體在圓形管內(nèi)作強制對流討論分析：②

l/d的影響對于短管路l/d<50時，α較式(4-23)計算值大，這是因為管短管內(nèi)流動尚未充分發(fā)展，層流底層較薄，則熱阻較小，即α較大。所以當(dāng)l/d=30～40時，需乘以校正系數(shù)1.02～1.07。③粘度的影響對于高粘度的液體，因粘度的絕對值較大，其壁面與主體溫度差帶來的影響更為顯著。此時利用指數(shù)n取不同值的方法，實驗數(shù)據(jù)得不到滿意的關(guān)聯(lián)式，因而須另外引入一個無因次即粘度比。對于高粘度的液體，通?？砂聪率接嬎恪?.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

（1）流體在圓形管內(nèi)作強制對流式中除μW取壁溫下流體粘度外，其它物理性質(zhì)均按流體進、出口算術(shù)平均溫度取值。引入μW

須先確定壁面溫度，這使計算過程復(fù)雜化。但對于工程計算，取以下數(shù)值即可滿足要求。討論分析：③粘度的影響

（2）流體在圓形管內(nèi)作過渡流若Re=2000～104之間的過渡流，因湍流不充分，層流底層較厚，則熱阻增大而α減小。此時利用式(4-23)計算結(jié)果應(yīng)乘以小于1的系數(shù)f加以校正。即4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

（1）流體在圓形管內(nèi)作強制對流（3）流體在圓形彎管內(nèi)作強制湍流在彎管內(nèi)流動由于離心力作用，擾動加劇，使傳熱系數(shù)增加。實驗結(jié)果表明，彎管中的α′可按下式計算4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

（4）流體在非圓形管內(nèi)作強制湍流其對流傳熱系數(shù)的計算有兩個途徑。一是沿用圓形直管的計算公式，而將定性尺寸代之以當(dāng)量直徑de，這種方法比較簡便，但計算結(jié)果的準確性欠佳；另一種是對常用的非圓形管道直接根據(jù)實驗找到計算傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式。例如對套管的環(huán)隙，用空氣和水做實驗在Re=1.2×104

～2.2×105，d2/d1=1.65～17.0的范圍內(nèi)，獲得如下經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)（5）流體在圓形直管內(nèi)作強制層流管內(nèi)強制層流的傳熱過程由于下列因素而趨于復(fù)雜。①流體物性(特別是粘度)受管內(nèi)不均勻溫度分布的影響，使速度分布顯著地偏離等溫流動時的拋物線(如圖)；冷卻加熱等溫線

②

對高度湍流而言，流體因受熱產(chǎn)生的自然對流無足輕重,但對層流而言，自然對流造成的徑向流動，強化了傳熱過程；

③層流流動時達到定態(tài)速度分布的進口段距離一般較長(約為100d)在實用的管長范圍內(nèi)，加熱管的相對l/d將對全管平均的傳熱系數(shù)有明顯影響。4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)由于上述這些原因使管內(nèi)層流傳熱的理論解不能用于設(shè)計計算，而必須根據(jù)實驗結(jié)果加以修正。修正后的計算式為：4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)（5）流體在圓形直管內(nèi)作強制層流2.無相變時流體在管外作強制湍流

（1）流體垂直管束流動

在換熱器內(nèi)大量遇到的是流體橫向流過管束的傳熱。此時由于管子之間的相互影響，傳熱過程更為復(fù)雜，流體橫向流過的傳熱系數(shù)可用下式計算：

其中管子的排列方式分為直列和錯列兩種，錯列中又有正方形和等邊三角形兩種，如圖下圖所示。4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

如果流體在錯列管束外流過時，平均對流傳熱系數(shù)可用下式計算，即

如果流體在直列管束外流過時，平均對流傳熱系數(shù)可用下式計算，即上面兩式的應(yīng)用范圍：①

Re>3000；

②特征尺寸：管外徑d，流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。其中錯列管距最狹窄處的距離應(yīng)在(x1-d0)和(t-d0)兩者之間中取較小的。

③管束排列數(shù)應(yīng)為10。2.無相變時流體在管外作強制湍流（1）流體垂直管束流動

4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

（2）流體在換熱器管間流動

如教材P174圖4-12、4-13為常用的列管式換熱器。對于管外裝有圓形折流板，其缺口面積為其截面的25%。則其對流傳熱系數(shù)在Re=2×103～106時，有：2.無相變時流體在管外作強制湍流4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)3.無相變時大空間自然對流大空間自然對流是指傳熱壁面放置在很大的空間內(nèi)，由于壁面溫度與周圍液體的溫度不同而引起的自然對流。例如：管道、設(shè)備或曖氣片表面與周圍大氣之間的傳熱。自然對流時的α僅與反應(yīng)流體自然對流狀況的Gr準數(shù)及Pr準數(shù)有關(guān)，關(guān)聯(lián)式為：定性溫度膜溫:

t=0.5(tw+tm)；C和n由實驗測定，可由有關(guān)手冊查取。4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)小結(jié)：強制對流的情況是十分復(fù)雜的，各種經(jīng)驗公式雖然形式但都有共同的形式：這表明影響α的主要因素是Re、Pr。一定的流體在一定的溫度下，它們的物性是一定的，特別是氣體原子數(shù)相同時，其Pr接近常數(shù)，不隨溫度和壓力變化。例如：單原子氣體：Pr=0.67；雙原子氣體：Pr=0.72?？諝庠?個大氣壓、t=25℃時，Pr=0.708。通常為了增加α可采取以下措施：增加湍動程度，如加折流板，管中添加物或選用螺紋管等；①在圓管中湍流時4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)同樣u↑，de↓可以增加α。②

流過管間(即流體走殼程)時：小結(jié)：4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)

例

某蒸汽在套管熱器中冷凝，內(nèi)管為φ25×2.5mm鋼管，管長2m。蒸汽在管外冷凝，冷卻水走管內(nèi)，管內(nèi)流速為1m/s，冷卻水的進、出口溫度分別為20℃、50℃。試求：①管壁對水的膜系數(shù)α？②若將管徑縮小一半，流速及其它條件不變，則膜系數(shù)α有何變化？③若將流速增加一倍，其它條件都不變，則膜系數(shù)α又有何變化？4.3.5流體作強制對流時的對流傳熱系數(shù)4.4有相變的對流傳熱condensation)和滴狀冷凝(dropwisecondensation)。

（1）膜狀冷凝若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜此種傳熱現(xiàn)象稱為膜狀冷凝。

（2）滴狀冷凝若冷凝液不能夠潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿管壁落下，此種傳熱現(xiàn)象稱為滴狀冷凝。4.4.1蒸氣冷凝傳熱1.蒸氣冷凝方式

通常蒸氣在壁面上的冷凝方式有兩種，即膜狀冷凝(filmwise3.影響冷凝傳熱的因素

經(jīng)大量實驗表明：除前面討論的流體的物性、冷凝壁面尺寸和放置位置以及冷凝傳熱溫度差等影響膜狀冷凝傳熱的因素外，下面再補充一些重要因素：

（1）不凝性氣體的影響蒸汽冷凝時，不凝性氣體在液膜表面形成一層氣膜，使傳熱阻力↑↑→α↓↓。措施：冷凝器上設(shè)有氣體排放器，以排出不凝性氣體。

（2）蒸汽流速和流向的影響蒸汽與液膜同向：4.4.1蒸氣冷凝傳熱

（3）蒸汽過熱的影響過熱蒸汽冷凝過程由蒸汽冷卻和冷凝兩個過程串聯(lián)組成，公式中用γ’代替：一般來講，蒸汽cp不大，使得過熱蒸汽冷凝放出熱量與飽和蒸汽放出的熱量差別不大，故工業(yè)一般不采用過熱蒸汽。

（4）傳熱壁面的形狀與布置冷凝液膜是膜狀冷凝傳熱的主要熱阻，如何減薄膜厚度降低熱阻，是強化膜狀冷凝傳熱的關(guān)鍵。4.4.1蒸氣冷凝傳熱3.影響冷凝傳熱的因素4.4.2液體的沸騰傳熱（動畫）通常液體沸騰有兩種情況：一種是將加熱面浸入在容器的液體中，液體被壁面加熱，而引起無強制對流的沸騰現(xiàn)象，稱為大容器內(nèi)沸騰或池內(nèi)沸騰(poolboiling)。另一種是液體在管內(nèi)流動過程中被加熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。1.大容器飽和沸騰現(xiàn)象

液體加熱沸騰的主要特征是在液體內(nèi)部的加熱壁面上不斷有汽泡生成，長大、脫離和浮升到液面，然后破裂。液體被加熱時，汽泡總是產(chǎn)生在過熱程度（△t＝tW-tS）較高的加熱面上且形成汽化核心位置是在粗糙不平的地點。2.沸騰曲線

右圖給出了在常壓下水飽和沸騰時，α與△t=tW-tS的關(guān)系曲線，稱為沸騰曲線自然對流核狀沸騰膜狀沸騰ABCD△t/Kα

（1）AB段－自然對流

此階段△t較小，只有少量汽泡產(chǎn)生，而且汽泡長大的速度也很慢，不能脫離壁面，因此看不到沸騰現(xiàn)象，熱量依靠自然對流由壁面?zhèn)鬟f到液體主體，蒸發(fā)在液體表面進行，α隨△t增加而略有增大。這一區(qū)稱為自然對流區(qū)。4.4.2液體的沸騰傳熱

（2）BC段－核狀沸騰隨△t↑，汽化核心數(shù)增加，汽泡生成速度、成長速度以及浮升速度都加快。汽泡不斷地離開壁面上升，使液體受到劇烈的攪拌作用，使α值隨△t增大而迅速增大。稱此過程為核狀沸騰。

（3）CD段－膜狀沸騰隨△t↑，生成的汽泡多而快，產(chǎn)生氣泡的速度大于脫離表面的速度，氣泡連成一片，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜，覆蓋在加熱壁面上，使液體不能直接和加熱面接觸，由于蒸汽導(dǎo)熱性能差，使熱阻↑↑，從而α↓↓。此過程稱為膜狀沸騰。在上述液體沸騰的各個階段中，核狀沸騰具有α大，tw低的優(yōu)點，故工業(yè)上的加熱器都盡量設(shè)法保持在核狀沸騰下操作。

臨界點(C點)由核狀沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)變點。

臨界溫度差△tC

處于臨界點處的過熱度，即△tC=tW-tS。自然對流核狀沸騰膜狀沸騰ABCD△t/Kα2.沸騰曲線4.4.2液體的沸騰傳熱3.影響沸騰傳熱的因素

（1）液體物性在一般情況下，液體的導(dǎo)熱系數(shù)和密

研究不同液體，發(fā)現(xiàn)核狀沸騰階段的α～△t近似為直線。

（3）操作壓力P的影響提高P，即是提高液體的飽和溫度，從而使其表面張力及粘度均下降，有利于汽泡的生成和脫離，強化了傳熱，在同樣△t下，可增大α。自然對流核狀沸騰膜狀沸騰ABCD△t/Kα4.4.2液體的沸騰傳熱度增加，粘度和表面張力減小，都能增大沸騰傳熱速率。

（2）過熱度（溫度差）的影響

（4）加熱面的影響

①粗糙表面能使汽化核心增加，沸騰傳熱加強，因此可采用機械加工或腐蝕的方法將金屬表面粗糙化，如將細小的金屬顆粒(如銅)通過鉛焊或燒結(jié)在金屬板或管上，制成多孔金屬表面可使α提高十幾倍。即粗糙度↑，α↑；

②一般使用清潔的加熱面時，α較高，當(dāng)壁面被油脂等玷污后，會使α嚴重下降。如加熱面為新的鉻板時q=370kW/m2,而舊鉻板的q=140kW/m2。故設(shè)計時必須考慮到操作后期情況。除了上述因素外，還有設(shè)備結(jié)構(gòu)、加熱面形狀和材料性質(zhì)以及液體深度等都會對沸騰傳熱有影響。4.4.2液體的沸騰傳熱3.影響沸騰傳熱的因素

對流傳熱系數(shù)總結(jié)：

（1）使用各種情況下對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式時需要注意以下幾點：

①

按公式應(yīng)用范圍正確選用具體計算式；有相變：冷凝無相變：強制對流沸騰自然對流準數(shù)Re，Pr的范圍；冷卻，加熱；傳熱面形狀：管，板。

②正確計算有關(guān)物理量：定性溫度：注意何時用tm，何時考慮tw。定性尺寸：內(nèi)徑，外徑，板高(長)等。流體流速：指哪一個截面的u。公式中單位必須統(tǒng)一。

③對經(jīng)驗公式的說明：準確性；多樣性；通用性。對流傳熱系數(shù)總結(jié)：

（2）對流傳熱系數(shù)一般數(shù)值范圍：第四章傳熱第三節(jié)傳熱計算計算類型：設(shè)計型計算：已知th1，th2，tc1

，qmc，qmh，K

求傳熱面積A；操作型計算：

已知th1

，tc1，qmc，qmh，K，A

求th2

、tc2、Q。換熱器錯流折流錯流并流流體流動方向冷流體tc2熱流體th1Tc1冷流體th2熱流體熱流體冷流體thtcth,wtc,wQQ

計算基礎(chǔ)：熱量衡算方程和傳熱速率方程。

4.6.1熱流量衡算方程

穩(wěn)態(tài)傳熱，忽略熱損失時，冷流體吸收熱量=熱流體放出熱量

(1)無相變傳熱4.6

傳熱過程的計算tc2

th1tc1th2

(2)有相變傳熱①飽和狀態(tài)下說明：①換熱過程中各流股熱流量間關(guān)系；

②各流股間相互制約，熱量守恒。②非飽和狀態(tài)下例：過熱蒸氣→冷凝→過冷液體又如：過冷液體→沸騰→過熱蒸氣過熱蒸汽冷流體熱流體過冷液體4.6.2總傳熱速率方程

間壁傳熱過程：各部分傳熱速率方程：管內(nèi)側(cè)流體：

管壁導(dǎo)熱：

管外側(cè)流體：熱流體冷流體thtcth,wtc,wΦΦ熱流體冷流體thtcth,wtc,wΦΦ對穩(wěn)態(tài)傳熱:

式中，K—總傳熱系數(shù)，W/m2·K。

注意：K

與

A

對應(yīng)，選Ai、Am或

A0

故穩(wěn)態(tài)傳熱時，4.6.3 傳熱系數(shù)和傳熱面積K—傳熱系數(shù)，表示換熱設(shè)備性能的重要參數(shù)。(1)K的計算在實際生產(chǎn)中以外表面積A0作為傳熱面積。K的來源：實驗測定；取生產(chǎn)實際的經(jīng)驗數(shù)據(jù)；計算求得。實際計算熱阻應(yīng)包括壁兩側(cè)污垢熱阻：圓管中：

平壁：(2)污垢熱阻Rdi和Rdo污垢熱阻影響：使a↓，熱流量↓。污垢熱阻取值：經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

注意：傳熱系數(shù)、污垢熱阻的單位。

列管式換熱器的壁厚b=1mm，管徑為50mm。已知α1=50W/m2℃，α2=1000W/m2℃，λ=0.1W/m℃。①求總傳熱系數(shù)K=？②α1不變，α2=2000、10000W/m2℃時，K=？③α2不變，α1=100、300W/m2℃時，K=？結(jié)論：

①當(dāng)α1與α2接近時，改變兩者均可達到提高K的目的；

②當(dāng)α1<<α2時，K≈α1；當(dāng)α1>>α2時，K≈α2；由此說明：提高總傳熱系數(shù)K的關(guān)鍵在于提高較小的α。此外當(dāng)污垢熱阻影響較大時，減小污垢熱阻對提高K也是比較關(guān)鍵，通常采取定期清洗換熱器等措施。α1

α2

K

α2

α1

K

50

1000

47.42000

5048.52000