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1、1,工业上遇到的对流传热常指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面之间的热交换，即流体将热量传给固体壁面或者壁面将热量传给流体的过程称之为对流传热（或称对流给热、放热）。,第三节 对流传热,2,一、对流传热过程分析,3,层流底层 温度梯度大，热传导方式 湍流核心 温度梯度大，对流方式 过渡区域 热传导和对流方式,4,二、 对流传热速率方程牛顿冷却定律,式中 Q 对流传热速率，W； 对流传热系数，W/(m2)； t 对流传热温度差，； A 传热面积，m2。,5,有效膜厚度,下面来推导牛顿冷却定律,建立膜模型：,单层壁导热速率方程：,T,TW,t,tW,6,1. 牛顿冷却定律是一种推论，假设Qt。,2.
2、 复杂问题简单化表示。,推动力,阻力,7,三、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,8,5. 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,9,四、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
3、量总数：8个 由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。,f(u，l，cp，gt),10,Nusselt待定准数,Reynolds，流动型态对对流传热的影响,Prandtl，流体物性对对流传热的影响,Grashof，自然对流对对流传热的影响,11,（二）实验安排及结果整理 以强制湍流为例：NuKReaPrb 1采用不同Pr的流体，固定Re lgNublgPrlgKRea 双对数坐标系得一直线，斜率为b,2不同Pr的流体在不同的Re下 lgNu/PrbalgRelgK 双对数坐标系中得一直线 斜率为a，截距为K,12,定性温度的取法：,（三）定性温度、特性尺寸的确定,2特性尺寸 取对流动与换热
4、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cp、等数值的温度称为定性温度。,13,（一）流体在管内的强制对流,适用范围： Re10000，0.760,五、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,14,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,15,对流体而言，温度升高，减小，层流底层变薄，大多数液体的略有减小，但不显著，总的结果是使增大，反之，液体被冷却时，使变小。 液体的Pr1，Pr0.4Pr0.3 所以，加热时n0.4，冷却时n0.3。,16,强化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影
5、响，选大的流体 ,17,以下是对上面的公式进行修正： (1)高粘度,Re10000，0.760 定性温度除w取壁温外，其余均取进出口温度的平均值；特征尺寸为di,18,(2)短管： l/d60 ,管子入口处的流体扰动程度较大，热阻较小，则较大，则短管整个管长的平均要比长管的平均大。,19,(4) 弯曲管内 ,流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动增大，则值要比直管的略大一些。,20,(3) 过渡流（2300Re10000) ,21,例题2-3：,常压下，空气在管长为6m、管径为30mm2.5mm的钢管内流动，流速为8m/s，温度由5 升至15 。试求: 管壁对空气的对流传热系数。 空气流速
6、增到16m/s，其他条件不变，/=？ 管径变为19mm2mm ，其他条件不变，/=？,22,例题2-4：,一套管换热器，套管为89mm3.5mm钢管，内管为25mm2.5mm钢管，管长为2m。环隙中为p100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中流动，进口温度为15 ，出口为35 。冷却水流速为0.4m/s。试求管壁对水的对流传热系数。,23,特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的 影响，导致速度分布受热流方向影响。 2）层流的对流传热系数受自然对流影响严 重使得对流传热系数提高。 3）层流要求的进口段长度长，实际进口段 小时，对流传热系数提高。,圆形管内强制层流,24,热流方向对层流速
7、度分布的影响,25,适用范围：,当：,定性温度：,26,(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,27,六、管外强制对流的对流传热系数 1. 流体在管束外垂直流过,28,在管束外垂直流过：,29,整个管束：,定性温度：,适用范围：,特性尺寸：管的外径do,30,2流体在换热器壳程的流动,挡板形式：圆形、圆缺形,31,壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：,定性温度：,正方形排列：,正三角形排列
8、：,特征尺寸：当量直径de,32,流速u按流通截面最大处的截面计算：,式中 h两块折流挡板间距离，m； D换热器壳径，m； do管子的外径，m； t相邻两管中心距，m。,33,注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径 。,提高壳程对流传热系数的措施：,3）加强湍动，,2）,1）,34,七、大空间的自然对流传热,注意： c,n与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。 定性温度：膜温，即 特征尺寸：垂直的管或板为高度 水平管为管外径,35,（一）、蒸汽冷凝,1. 冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝,八、有相变时的对流传热系数,膜状
9、冷凝： 若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。,附着力表面张力,36,滴状冷凝： 若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。,附着力表面张力,37,2. 冷凝过程的热阻：液膜的厚度,3. 蒸汽冷凝的,1）水平管束外,式中 n水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（ts下），kJ/kg。,特性尺寸：管外径do,定性温度：膜温,38,湍流,2）竖壁或竖管上的冷凝,层流,适用条件：Re1800,适用条件：Re1800,特性尺寸l：管或板高H,定性温度：膜温,39,Re的表达式：,40,4冷凝传热的影响因素和强化措施 1) 流体物性
10、冷凝液、 、 r 、 2) 温差 液膜层流流动时，t=tstw 3) 不凝气体 不凝气体存在，导致 ，定期排放。 4）蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时， ； 反向时， ； u ,41,4) 蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。 液膜表面仍维持饱和温度ts，只有远离液膜的地方维持过热温度，故温度差仍为ts-tw。 但是计算汽化潜热r时，应改用 其中cp 过热蒸汽的比热容 tv 过热蒸汽温度,42,5) 冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽 水平管束：可采用错列,43,容器内液体温度高于饱和温度时，液体汽化而形成气泡的过程，称为沸腾。 沸腾种类： 1）大容积
11、沸腾（或池内沸腾） 把加热面浸入大容器的液体中，液体被壁面加热而引起无强制对流的沸腾现像。 2）管内沸腾 液体在管内流动过程中加热沸腾。,九、液体沸腾,44,液体加热沸腾的主要特征：液体内部的加热壁面上不断有气泡生成、长大、脱离和浮升到液体表面 汽泡存在、成长和形成的条件： 过热度：t=t1ts （最大为：twts） 汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处,45,汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面 新汽泡形成 搅动液层,46,2. 沸腾曲线 1）自然对流阶段 t t5K 3）不稳定膜状沸腾 250K t25K,工业上：核状沸腾,4）稳定膜状沸腾 t250K,优点：大，tW小,47,3、沸腾传热的影响因素及强化措施 1）液体的性质,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,2）温差 在核状沸腾阶段温差提高， 3）操作压强,48,4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大 强化措施：将表面粗糙化,49,选用公式的注意事项： 1.针对不同的题目，选择合适的公式； 2.注意公式的应用范围、特征尺寸的选择和定性温度的选择； 3.注意单位，对于纯经验公式，一定要使用公式要求的单位； 4.学会通过公式分析影响的因素,50,
