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1、2020/8/24,第四章 传热,一、对流传热的分析 二、壁面和流体的对流传热速率,第三节 对流传热,2020/8/24,对流传热过程分析,对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热， 是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传 热速率与流动状况有密切关系。,2020/8/24,由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。,2020/8/24,一、对流传热的分析,流体沿固体 壁面的流动,滞流内层,缓冲层,湍流主体,流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。,热对流和热传导作用大致相同，在该层
2、内温度发生较缓慢的变化。,温度梯度很小，各处的温度基本相同。,2020/8/24,层流底层 温度梯度大，热传导方式对流传热的热阻主要集中在层流内层。 减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,湍流核心温度梯度小，对流方式 过渡区域热传导和对流方式,对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。,2020/8/24,二、壁面和流体间的对流传热速率,1、对流传热速率表达式,据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：,推动力：壁面和流体间的温度差 阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。 对流传热速率方程可以表示为：,牛顿冷却定律,2020/8/24,式中 t总有效膜厚度； e湍流区
3、虚拟膜厚度； 层流底层膜厚度。,下面来推导牛顿冷却定律,建立膜模型：,仿照导热 流体被冷却：,T,TW,t,tW,t,2020/8/24,(1). 牛顿冷却定律是一种推论，假设Qt。,(2). 复杂问题简单化表示。,推动力：,阻力：,2020/8/24,在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为：,2、对流传热系数 对流传热系数a定义式：,表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。,2020/8/24,3 影响对流传热系数的因素,1.引起流动的原因 自然对
4、流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。 强制对流：由于外力和压差而引起的流动。,强 自,2.流体的物性 ，cp,2020/8/24,5. 是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 无相变,4. 传热面的形状，大小和位置 形状：如管、板、管束等； 大小：如管径和管长等； 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。,3.流动形态 层流、湍流 湍 层,2020/8/24,4 对流传热系数经验关联式的建立,一、因次分析,式中 l特性尺寸； u特征流速。 基本因次：长度L，时间T，质量M，温度 变量总数：8个 由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。,f(u
5、，l，cp，gt),2020/8/24,Nusselt(努塞尔特)待定准数,Reynolds，流动型态对对流传热的影响,Prandtl(普朗特)，流体物性对对流传热 的影响,Grashof(格拉斯霍夫)，自然对流对 对流传热的影响,2020/8/24,二、实验安排及结果整理 以强制湍流为例：NuCReaPrk 1采用不同Pr的流体，固定Re lgNuklgPrlgCRea 双对数坐标系得一直线，斜率为k,2不同Pr的流体在不同的Re下 lgNu/PrkalgRelgC 双对数坐标系中得一直线 斜率为a，截距为C,2020/8/24,定性温度的取法：,三、定性温度、特性尺寸的确定,2特性尺寸 取
6、对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。,3准数关联式的适用范围。,1确定物性参数数值的温度称为定性温度。,2020/8/24,一、流体在管内的强制对流,适用范围： Re10000，0.760,5 无相变时对流传热系数的经验关联式,1圆形直管内的湍流,2020/8/24,特征尺寸为管内径di 流体被加热时，n0.4；被冷却时，n0.3。,注意事项： 定性温度取,2020/8/24,强化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响，选大的流体 ,2020/8/24,以下是对上面的公式进行修正： (1)高粘度,Re10000，0.760 定性温度取tm；特征尺寸为di,2020/8/24
7、,(2) l/d60 ,(3) 过渡流（2000Re10000) ,(4) 弯曲管内 ,2020/8/24,(5) 非圆形管强制湍流,1) 当量直径法,2) 直接实验法,套管环隙 : 水-空气系统,适用范围： 12000Re220000；d2/d1=1.6517 其中 d1为内管外径，d2为外管内径,用de代替di计算，u不同de,要用实际的流通面积计算,2020/8/24,【例】套管换热器外管内径60mm，内管规格404.0mm，用水将为2500kg/h的某液体有机物从100冷却至40，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度860kg/m3, 粘度2.810-3Pa.S，比
8、热2.26kJ/(kg)，导热系数0.452W/(m.), 水的进、出口温度分别为15和45，热损失忽略不计。试求：(1)水对管内壁的给热系数；(2)有机溶液对管外壁的给热系数；(3)若将水流量增加20%，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。,2020/8/24,解： 水的定性温度： ，查得 2=995.7kg/m3, 2=0.0008Ns/m2, 2=0.618W/(mK) Cp2=4.174kJ/(kgK) 根据热量衡算式求得水流量 kg/s 管内流速： m/s,2020/8/24,水侧给热系数： W/(m2K） 套管环隙当量直径de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm, 环隙流速 m/s (过渡流),2020/8/24,根据过渡流给热系数的计算方法，有 W/(m2K) 故得溶液侧给热系数： W/(m2K) 水流量增加后的给热系数 W/(m2K),2020/8/24,【例】一列管式换热器，由38根252.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20加热到80 ，苯的流量为8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：（1）管壁对苯的对流传热系数；（2）管子换192mm，管壁对苯的对流传热系数；（3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？,已知：苯的物性,2020/8/24,解: (1),2020/8/24,(2),2020/8/24,(3),
