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1、无相变时的对流传热系数无相变时的对流传热系数傅立叶定律：傅立叶定律：平壁稳定热传导平壁稳定热传导筒壁稳定热传导筒壁稳定热传导对数平均面积对数平均面积主要内容主要内容一一. . 对流传热概述对流传热概述二二. . 求解对流传热系数的基本方法求解对流传热系数的基本方法三三. . 对流传热系数经验公式的建立方法对流传热系数经验公式的建立方法四四. . 管内强制对流传热管内强制对流传热五五. . 管外强制对流传热管外强制对流传热本讲小结本讲小结一一. . 对流传热概述对流传热概述流体与固体壁面之间的热量传递过程称为对流流体与固体壁面之间的热量传递过程称为对流传热，在传热，在传热过程传热过程中有极为重要
2、的地位。中有极为重要的地位。1. 1. 依据流体在传热过程中的状态，对流传热依据流体在传热过程中的状态，对流传热分为两类共四种情况：分为两类共四种情况：无相变传热无相变传热有相变传热有相变传热强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾管内管内管外管外湍流、层流、过渡流、湍流、层流、过渡流、弯管、非圆管弯管、非圆管通过流体机械作用所发生的对流 由于流体冷热不同部分的密度差所产生的升力引起 2. 2. 对流传热机理的对流传热机理的分析分析 层流时，传热方向上无质点相混层流时，传热方向上无质点相混传热方式为热传导；传热方式为热传导； 对流传热影响因素多，过程复杂
3、，难以建立简单的数学解析式。对流传热影响因素多，过程复杂，难以建立简单的数学解析式。有效膜有效膜将对流传热过程简化为有效膜内的热传导过程。将对流传热过程简化为有效膜内的热传导过程。 湍流时，层流底层为热传导，湍流主体能量交换频繁，湍流时，层流底层为热传导，湍流主体能量交换频繁，无传热阻力，即无温差。无传热阻力，即无温差。对热流体有：对热流体有：同样，对冷流体有：同样，对冷流体有：对流传热系数，对流传热系数，W/mW/m2 2.K.K，反映对流传热的强弱程度。，反映对流传热的强弱程度。 称为称为牛顿冷却定律。牛顿冷却定律。把复杂的对流传热过程简化为把复杂的对流传热过程简化为的求取。的求取。对流传
4、热系数对流传热系数 对流传热系数与导热系数不同，它不是物性，对流传热系数与导热系数不同，它不是物性，而是受多种因素影响的一个参数。而是受多种因素影响的一个参数。 例如：流体有无相变，流体流动的原因，流例如：流体有无相变，流体流动的原因，流体流动状况，壁面情况，流体物性等都会影响传体流动状况，壁面情况，流体物性等都会影响传热系数。热系数。 一般情况下，一般情况下，强制对流传热系数高于自然对强制对流传热系数高于自然对流，有相变对流传热系数高于无相变流，有相变对流传热系数高于无相变。 改善流动状况，使改善流动状况，使层流底层厚度减小层流底层厚度减小，是，是强化强化对流传热对流传热的主要途径之一。的主
5、要途径之一。热边界层越薄，温度梯度越大，对流传热系热边界层越薄，温度梯度越大，对流传热系数越大。数越大。边界层边界层内温度为内温度为99主体温度处距管壁的距离为边界层主体温度处距管壁的距离为边界层厚度，其中的传热主要为厚度，其中的传热主要为热传导热传导，因此可以采用傅立叶，因此可以采用傅立叶定律来表达：定律来表达：改善流动状况，使改善流动状况，使层流底层厚度减小层流底层厚度减小，是，是强化对流传热强化对流传热的主要途径之一。的主要途径之一。热边界层越薄，温度梯度越大，对流传热热边界层越薄，温度梯度越大，对流传热系数越大。系数越大。将上式与牛顿冷却定律比较，有：将上式与牛顿冷却定律比较，有：二二
6、. . 求解对流传热系数的基本方法求解对流传热系数的基本方法1. 1. 理论方法：理论方法：对流传热的物对流传热的物理现象模型理现象模型边界层微边界层微分方程组分方程组数学分析数学分析方法求解方法求解2. 2. 实验方法实验方法因次分析法因次分析法三三 影响对流传热系数影响对流传热系数 的因素的因素1.1.引起流动的原因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。一般流速较小， 也较小。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。一般流速较大， 也较大。 强 自 2.2.流体的物性流体的物性-导热系数、比热、密度和粘度导热系数、比热、密度和粘度 ，cp 3.3.流动形态流动状态取决于
7、雷诺数的大小。流动形态流动状态取决于雷诺数的大小。湍 层 层流流体与壁面的传热靠导热； 湍流导热和对流同时存在，传热强度主要取决于层流底层的热阻。 4. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置-特征尺寸特征尺寸形状：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。 的量级的量级了解了解空气中空气中水中水中总之：总之：油类中油类中2. 2. 因次分析方法在对流传热中的应用因次分析方法在对流传热中的应用 对于一定类型的传热面，在考虑自然对流的影对于一定类型的传热面，在考虑自然对流的影响时，强制对流传热系数响时，强
8、制对流传热系数是流速是流速u、换热面尺寸、换热面尺寸L、液体的粘度液体的粘度 、导热系数、导热系数 、密度、密度 、比热、比热Cp、浮、浮升力升力 gT的函数。的函数。1) 1) 影响因素分析影响因素分析V V0 0VV0 0 V V2 2）因次分析）因次分析依据因次一致性原则，有：依据因次一致性原则，有：对于对于M：对于对于L：对于对于：c+d+e+h=1a+b-c+d-3e+2f-2h=0a+c+3d+2f+2h=3对于对于T：d+f=1选择选择a、f、h作为独立变量，解方程得：作为独立变量，解方程得：b= a+3h-1c=f-a-2hd=1-fe=a+h将以上系数代入方程，有：将以上系数
9、代入方程，有：查取定性温度下的物性；计算所用单位，SI制3). 3). 实验数据处理和待定系数的确定实验数据处理和待定系数的确定将式两边取对数，有：将式两边取对数，有：使用公式时应注意：使用公式时应注意： 1.适用范围：各准数实验时的范围。适用范围：各准数实验时的范围。 2.定性温度：流体平均温度定性温度：流体平均温度tf（t1+t2）/2；壁面平均温；壁面平均温度；膜温度；膜温tm（tW+tf）/2。 3.特性尺寸：对流体的流动和传热影响最大的尺寸，如内特性尺寸：对流体的流动和传热影响最大的尺寸，如内径、外径、当量直径等。径、外径、当量直径等。通过实验可以确定待定系数的值。通过实验可以确定待
10、定系数的值。此时可忽略自然对流的影响。公式改写为：此时可忽略自然对流的影响。公式改写为：四四. . 管内强制对流传热管内强制对流传热管管内内湍湍流流强强制制对对流流传传热热的的实实验验结结果果整理实验结果，有：整理实验结果，有：当流体被加热时，当流体被加热时，n=0.4； 流体被冷却时，流体被冷却时， n=0.3。上式的应用条件：气体和低粘度液体，上式的应用条件：气体和低粘度液体， 物性参数的物性参数的定性温度定性温度为流体为流体进出口的平均温度进出口的平均温度，特性尺，特性尺寸取寸取管内径管内径。对高粘性流体对高粘性流体若对短管若对短管 L/D30L/D304040，校以，校以 f f1.0
11、21.021.071.07 层流层流Gr 2500025000Gr 2500025000过渡流过渡流 2000 ReRe10104 4，增大管内强制对流传热系数的途径：增大管内强制对流传热系数的途径：1.在管路条件不变的情况下，增大流速，在管路条件不变的情况下，增大流速，增大。增大。2.在流量不变的情况下，减小管径或采用蛇管。在流量不变的情况下，减小管径或采用蛇管。弯管弯管 校以校以 f（11.77d/R） 其中，其中，d为管内径，为管内径，R为弯管曲率半径。为弯管曲率半径。非圆形管非圆形管 引入当量直径。引入当量直径。例题：列管式换热器，例题：列管式换热器，n=60，252.5mm，苯走管内
12、，苯走管内，t1=20 ，t2=80 ，ms1=13kg/s，求管内的对流传热系数。，求管内的对流传热系数。若苯的流量提高若苯的流量提高80%，仍维持原来的出口温度，试求对流，仍维持原来的出口温度，试求对流传热系数。传热系数。解：解：苯的平均温度：苯的平均温度：查得苯的物性数据为：查得苯的物性数据为：管内苯的流速为：管内苯的流速为： Re和和Pr的值均在经验公式的取值范围内，有：的值均在经验公式的取值范围内，有：若流量增加若流量增加80，则：，则：五五. . 管外强制对流传热管外强制对流传热平行于管：传热规律和准数关联式与管内平行于管：传热规律和准数关联式与管内相同，只是定性尺寸改为当量直径。
13、相同，只是定性尺寸改为当量直径。垂直于管（横向流动）垂直于管（横向流动）垂直与平行交替：列管式换热器壳程流垂直与平行交替：列管式换热器壳程流体和管壁间的传热多属于此种情况。体和管壁间的传热多属于此种情况。流体横向流过单流体横向流过单管的情况管的情况流体横向流过直列管束的情况流体横向流过直列管束的情况流体横向流过错列管束的情况流体横向流过错列管束的情况x2x1dx1x2d计算对流传热系数的准数关联式：计算对流传热系数的准数关联式：有关参数可查阅相关文献。有关参数可查阅相关文献。六六. . 自然对流传热自然对流传热n1/81/3定性温度：膜温；定性温度：膜温；特性尺寸：水平管特性尺寸：水平管外径；
14、外径； 垂直管、板垂直管、板长度长度t=tw-t Gr PrCN110-35 1021.181/851022 1070.5421071 10130.1351/3本讲小结本讲小结1.与流体流动中求解摩擦因子的方法类似，采用了因次分与流体流动中求解摩擦因子的方法类似，采用了因次分析的方法，讲述了无相变对流传热情况下的对流传热系析的方法，讲述了无相变对流传热情况下的对流传热系数的求解方法。数的求解方法。2.热边界层概念对于理解对流传热过程，寻求强化传热过热边界层概念对于理解对流传热过程，寻求强化传热过程有着十分重要的作用。程有着十分重要的作用。3.准数的应用是化学工程中经常采用的一种处理问题的方准数
15、的应用是化学工程中经常采用的一种处理问题的方法，要记住法，要记住Prandtl number和和Nusselt number。4.本讲本讲只要求只要求记住记住管内强制湍流传热的公式：管内强制湍流传热的公式： 其他经验公式不要求记忆，但要注意应用条件。其他经验公式不要求记忆，但要注意应用条件。 v无相变强制对流来自_。vA 纯经验方法 B 纯理论方法vC 因次分析与实验结合（半理论、半经验方法）vD 数学模型法 E 因次分析法v流体在弯管内流动时的给热系数弯，比流体在直管内流动时的给热系数直 。原因是 。 v为了使多层圆筒壁的绝热效果更好，在绝热层厚度不变的条件下，应将导热系数_的材料放在内层，使总热阻增大，热损失_。
