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1、* * 讲授内容 概述4.1 热传导4.2 对流传热4.3 传热计算4.4 对流传热系数关联式4.5 辐射传热4.6 换热器4.7 * 本节本节 讲授讲授 内容内容 3 流体无相变时对流传热系数 2 对流传热过程的因次分析 4 流体有相变时对流传热系数 1 对流传热系数的影响因素 4.5 对流传热系数关联式 * 一、对流传热系数的影响因素 对流传热速率方程： 理论上计算对流传热系数的基础 * 1. 流体的种类和相变化的情况 2. 流体的物性 1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对 流传热系数也愈大。 2）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度 cp：单
2、位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。 * 4）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。 对强制对流也有一定的影响。 3. 流体的温度 4. 流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。 * 5. 流体流动的原因 强制对流： 自然对流： 由于外力的作用 由于流体内部存在温度差，使得各部分 的流体密度不同，引起流体质点的位移 单位体积的流体所受的浮力为： 6. 传热面的性状、大小和位置 * 二、对流传热过程的因次分析法 1. 流体无相变时的强制对流传热过程 通过因此分析可得准数关系式： 2. 自然对流传热过程 准数关系式：
3、* 准数的符号和意义 准数名称符号准数式意义 努塞尔特准数 （Nusselt） Nu 表示对流传热的系数 雷诺准数 （Reynolds） Re 确定流动状态的准数 普朗特准数 （Prandtl） Pr 表示物性影响的准数 格拉晓夫准数 （Grashof） Gr 表示自然对流影响的准数 * 3. 应用准数关联式应注意的问题 1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定； 2）定性尺寸：Nu，Re数中l应如何选定； 3）应用范围：关联式中Re，Pr等准数的数值范围。 * 三、流体无相变时的对流传热系数 1. 流体在管内作强制对流 1）流体在圆形直管内作强制湍流 a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘
4、度）流体 当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。 * 管长与管径比 将计算所得的乘以 应用范围： 定性尺寸： Nu、Re等准数中的l取为管内径di。 定性温度： 取为流体进、出口温度的算术平均值。 b) 高粘度的液体 为考虑热流体方向的校正项。 * 应用范围： 定性尺寸： 取为管内径di。 定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。 2) 流体在圆形直管内作强制层流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流 对强制层流的传热的影响可以忽略时： * 应用范围： 定性尺寸： 管内径di。 定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均
5、值。 * 3）流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=230010000时的过渡流范围， 先按湍流的 公式计算，然后再乘以校正系数。 4）流体在弯管内作强制对流 弯管轴的弯曲半径 * 5）流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经 验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。 套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的 关联式为： 应用范围：Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性尺寸： 当量直径de 定性温度： 流体进出口温度的算术平均值。 * 2. 流体在管外强制对流 1）流体在管束外强制垂直流动 错列直列 * 流体在错列管束外流过时，
6、平均对流传热系数 流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数 应用范围： 特征尺寸：管外径do，流速取流体通过每排管子中最狭窄 通道处的速度。 注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。 * 2）流体在换热器的管间流动 当管外装有割去25%直径的圆缺形折流板时， 壳方的对 流传热系数关联式为： a)多诺呼(Donohue)法 * 应用范围： Re=32104 定性尺寸：管外径do，流速取换热器中心附近管排中最 窄通道处的速度 定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度 的算术平均值。 b) 凯恩（Kern）法 * 应用范围： Re=2103106 定性尺寸： 当量直径de。
7、定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温 度的算术平均值。 当量直径可根据管子排列的情况分别用不同式子进行计算： * 管子呈正方形排列时： 管子呈正三角形排列时： 管外流速可以根据流体流过的最大截面积A计算 t do t * 3. 自然对流 对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面 与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在 P254表4-10中。 定性温度 ： 壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。 * 4. 提高对流传热系数的途径 1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系 数，并且Re，应力求使流体在换热器内达到湍流流动 。 2）湍流时，圆形
8、直管中的对流传热系数 * 与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高 对流传热系数的效果更为显著。 3）流体在换热器管间流过时，在管外加流板的情况 对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径 的0.45次方成反比 * 设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对 流传热系数均有较显著的作用。 4) 不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热系数， 但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具 体情况选择最佳的流速。 5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管 的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此
9、时能耗增加。 * 四、流体有相变时的对流传热系数（自学） 1. 蒸汽冷凝时的对流传热系数 1）蒸汽冷凝的方式 a) 膜状冷凝： 若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一层 完整的液膜 b)滴状冷凝： 若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作 用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面 落下 * * 2）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设： 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热 传导。 * 修正后 定性尺寸： H取垂直管或板的高度。
10、定性温度： 蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物 性取液膜平均温度。 应用范围： * 若用无因次冷凝传热系数来表示，可得： 若膜层为湍流（Re1800）时 滞流时，Re值增加，减小； 湍流时，Re值增加，增大； * * b) 蒸汽在水平管外冷凝 c)蒸汽在水平管束外冷凝 * 3）影响冷凝传热的因素 a）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加， 液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。 b）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响 冷凝传热系数。 c) 蒸汽的流速和流向 蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大； 蒸汽和液膜逆向流动， 减小，摩擦
11、力超过液膜重力时， 液 膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大； * d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮 盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。 e)冷凝壁面的影响 若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传 热系数下降。 例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜 逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。 冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有 氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。 * * 2. 液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾 大容积沸腾 管内沸腾 1）沸腾曲线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随
12、温度升高较慢。 当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局 部位置称为气化核心。气泡产生的速度t随上升而增加， 急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。 * * 当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡 产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接 起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。 当t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈 来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。 由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。 临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为 临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。 工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作 。 * 2）沸腾传热系数的计算 式中： 壁面过热度。 对比压强 * 应用条件： 3）影响沸腾传热的因素 a)液体性质的影响 一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加 而减小。 * b）温度差t 的影响 c) 操作压强的影响 提高沸腾压强，液体的表面张力和粘度均下降，有利 于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同t的下， 传热系数增加。 d) 加热表面的影响 新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后 ，会使急剧下降。 壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。 加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。 * 小结 ?
