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1、2019/11/10,第三节 对流传热 一、对流传热过程分析 二、对流传热速率方程 三、影响对流传热系数的因素 四、对流传热的特征数关联式 五、流体无相变时对流传热系数的经验关联式,第四章 传 热,2019/11/10,一、对流传热过程分析,1、传热边界层,【现象】流体在平壁上流过时，如果流体和壁面间将进行换热，将引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度。 【定义】靠近壁面处，流体温度发生显著变化的区域，称为传热边界层或温度边界层。,2019/11/10,传热边界层示意图,传热边界层流体温度发生显著变化的区域。,法向,100,20,22,2019/11/10,2、对流传热过程流体流
2、动的分析,2019/11/10,（1）层流内（底）层的特点,层流内层内，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动。其特点是：,主要依靠热传导方式来进行热量传递； 由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流。 传热温差大。,2019/11/10,远离壁面； 流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小）； 传热主要以对流方式进行。,（2）湍流核心（主体）的特点,2019/11/10,存在质点混合、分子运动的共同作用，温度变化不像湍流主体那么平缓均匀，也不像层流底层变化明显。 传热以热传导和对流两种方式共同进行。,（3）过渡区的特点,2019/11/10,1、什么是模型法,【定义】把复
3、杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。,二、对流传热速率方程,2019/11/10,（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。,2、有效膜模型,2019/11/10,有效膜模型示意图,【有效膜模型说明
4、】 （1）厚度为： btbf （2）膜内温度的变化为线性关系，即为传导传热； （3）膜外无传热。,2019/11/10,3、有效膜模型的数学描述,（1）有效膜的厚度：bt （2）有效膜的导热系数： （3）使用傅立叶定律计算在有效膜内的传热速率。 当流体被加热时：,当流体被冷却时：,2019/11/10,4、牛顿冷却定律,【说明】以上两式称为牛顿冷却定律，用于计算对流传热速率。,2019/11/10,5、几点说明,（1）牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，是根据有效膜模型建立起来的数学方程。 （这种处理问题的方法，在工程中称之为数学模型法）,式中：t传热壁与湍流主体之间的温度差； A传热壁与流体
5、的接触面积。,2019/11/10,（4）复杂问题简单化的表示牛顿冷却定律虽然给出了计算对流传热速率简单的数学表达式，但由于对流传热一个非常复杂的物理过程，并未简化问题本身（有效膜厚度难以测定），只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中。,（3） 对流传热系数、给热系数、膜系数。表征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性常数（如 ）。,2019/11/10,三、影响对流传热系数的因素,1、引起流动的原因,【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形成的液体内部环流，一般u较小，也较小。 【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。因此：,2019/11/10,2、流体的物性,
6、流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，影响 较大的物性常数有：， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ； （3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，则较大； （4）的影响 Re 。,2019/11/10,3、流动型态,【结论】（1）为增大，应增大Re； （2）但随着Re的增大，动力消耗大。,2019/11/10,4、传热面的形状、尺寸和位置,不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。 （1）形状 比如管、板、管束等； （2）尺寸 比如管径和管长等； （3）位置 比如管子的排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是
7、水平放置。,2019/11/10,5、是否发生相变,【现象】主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。 【特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于Cp）。 【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，即：,2019/11/10,四、对流传热系数经验关联式的建立,由于影响对流传热系数的因素非常多，因此确定其数值的大小是一个极为复杂的问题。目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验公式。,【经验公式的建立方法】 （1）通过因次分析，建立特征数（准数）关系式； （2）通过实验，测定各准数的待定系数。,1、基本方法,2019/11/10,2、准数关系式（通过因
8、次分析获得）,经分析可知： f(u，l，Cp，gt),式中 l特性尺寸； u特征流速； 体积膨胀系数 。,因次分析结果如下：,2019/11/10,3、特征数（准数）的符号及意义,2019/11/10,4、注意事项,（1）适用范围 在测定准数关联式的各项指数时，实验范围是有限的。因此，准数关联式的使用范围也就是有限制的，使用时不能超出适用范围。 （2）定性温度 【定义】在处理实验数据时要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。,2019/11/10,【定性温度的有关说明】,（1）什么是定性温度,【定义】确定物性参数数值的温度称为定性温度。,2019/1
9、1/10,流体进、出口温度的平均值,膜温,式中 tw壁面上的温度； t1、t2流体进、出口温度。,（2）定性温度的取法,2019/11/10,（3）特征（性）尺寸（l）,【定义】代表换热面几何特征的长度量（如长、宽、高及直径等），是指对流体流动和传热有决定性影响的设备某一几何尺寸。工业上各种设备的特征尺寸都有规定，例如： 圆形管内的对流传热，特性尺寸用管内径d； 非圆形管的对流传热，特性尺寸取当量直径de 。 大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的垂直高度为特性尺寸。,2019/11/10,五、无相变时对流传热系数的经验关联式,1、流体在管内的强制对流,（1）圆形直管内的湍流(低粘度流体）,
10、狄丢斯（Dittus）公式,或：,2019/11/10,【使用范围】 Re10000，0.760,【注意事项】,（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm； （2）特征尺寸为管内径d； （3）流体被加热时，n0.4； 流体被冷却时，n0.3。 （4）若l/d60 ，进行校正：,2019/11/10,（2）圆形直管内的湍流（高粘度流体）,【使用范围】Re10000，0.760； 【特征尺寸】管内径d； 【定性温度】除粘度W 取壁温外，其余均取流体进、出口的算术平均值。,2019/11/10,【近似计算】W 为壁温下的粘度，在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：,对于液体，加热时：,冷却
11、时：,2019/11/10,（3）圆形直管内的过渡流,【定义】当 2300Re10000时，为过渡流。 【方法】先按湍流计算湍流，然后乘以校正系数：,【说明】过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的Re小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，减小。,2019/11/10,（4）流体在弯管中的对流传热系数,【方法】先按直管计算，然后乘以校正系数 f：,式中 d 管径； R 弯管的曲率半径。,【说明】由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，增大。,2019/11/10,二次环流,【定义】垂直于流动方向的流动称为二次环流； 【原因】流动的流体在弯曲处受到了离心力的作用； 【结果】加强了流体的
12、扰动，带来换热的增强。,弯管处的二次环流,2019/11/10,（5）非圆形直管内强制对流,【处理方法】采用圆形管相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。,如狄丢斯公式：,【说明】（1）方法比较简便，但计算结果的准确性欠佳； （2）采用经验公式和专用式更为准确。,2019/11/10,对于套管的环隙，用空气和水做实验，可得如下经验公式：,式中 d1、d2分别为套管外管内径和内管外径。适用范围：d1/d2=1.6517，Re1.21042.2105,【非圆形直管内强制对流的经验公式】,2019/11/10,（1）Gr25000时，自然对流影响小可忽略,【适用范围】Re60,【说明】 （1）定性温度
13、、特征尺寸的取法与湍流相同； （2）w按壁温确定。,2、圆形直管内的层流,2019/11/10,（2）Gr25000时，自然对流的影响不能忽略时,可按前述方法处理，然后乘以校正系数 f：,【注意】在换热器设计中，应尽量避免在层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。,2019/11/10,【例】列管冷凝器中，用水冷却有机物蒸气，水以0.5m/s的速度在252的管内流动，进水温度为20 ，出水温度为40 。试求水对管壁的对流传热系数。,2019/11/10,【解】在确定各物理量时，先确定定性温度。 一般情况下，用进出设备流体的温度的平均值（算术平均值），即：,查数据手册，30时水的物性数据为：,Cp=4183J/(K.kg) =996kg/m3 =8.01104Pa.s =0.618W/(m.K),已知 d=0.021m u=0.5m/s,2019/11/10,求得：,表明对流传热在湍流条件下进行，并求得：,因为水在管内被加热，故n=0.4，采用狄丢斯（Dittus）公式：,
