对流传热

对流传热 田文德青岛科技大学化工原理教研室 Tel: 84022026 Email: tianwd@qust.edu.cn 化工原理

主要内容 • 牛顿冷却定律 • 影响对流传热系数的因素 • 对流传热系数的关联式化工原理

热流体 冷流体间壁 2.3 对流传热 • 对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，故对流传热与流体的流动状况密切相关。根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类： • 流体无相变的对流传热：包括强制对流（强制层流和强制湍流）、自然对流。 • 流体有相变的对流传热：包括蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。化工原理

2.3.1 牛顿冷却定律 • 对流传热是一个复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且对不同的对流传热情况又有差别，因此目前的工程计算仍按半经验法处理。对流传热速率＝对流传热推动力÷对流传热阻力＝系数×推动力化工原理

2.3.1 牛顿冷却定律 • 其中的推动力是壁面和流体间的温度差。 • 影响阻力的因素很多，但比较明确的是阻力必与壁面的表面积成反比。 • 换热器中，沿流体流动方向和换热器不同位置上，流体和壁面的温度一般是变化的，所以对流传热速率方程应用微分表示。化工原理

2.3.1 牛顿冷却定律 换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃ 换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃ 牛顿冷却定律局部对流传热速率，W 比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2•℃) 微分传热面积，m2 平均平均对流传热系数，W/(m2•℃) 流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，℃ 总传热面积，m2 化工原理

2.3.1 牛顿冷却定律 • 换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间（环隙）流动，则与之对应的对流传热速率方程式可分别表示为：化工原理

2.3.1 牛顿冷却定律 • 牛顿冷却定律实质上是将矛盾集中到对流传热系数α，因此研究各种情况下α的大小、影响因素及α的计算式，成为研究对流传热的核心。 • 对流传热系数物理意义：可见，对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2·℃)，它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。化工原理

2.3.1 牛顿冷却定律 • 对流传热系数α与导热系数λ不同，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。化工原理

2.3.1 牛顿冷却定律 • 求算对流传热系数的方法有两种：即理论方法和实验方法。 • 前者是通过对各类对流传热现象进行理论分析，建立描述对流传热现象的方程组，然后用数学分析的方法求解。由于过程的复杂性，目前对一些较为简单的对流传热现象可以用数学方法求解。后者是结合实验建立关联式，对于工程上遇到的对流传热问题仍依赖于实验方法。化工原理

影响对流传热系数的因素 • 流体的种类和相变化的情况 • 液体、气体和蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。 • 流体有无相变化，对传热有不同的影响。化工原理

影响对流传热系数的因素 • 流体的特性 • 导热系数λ 对流传热的热阻主要由边界层的导热热阻构成，因为即使流体呈湍流状态，湍流主体和缓冲层的传热热阻较小，此时对流传热主要受滞流内层热阻控制。当滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数愈大。黏度μ 由流体流动规律可知，当流体在管中流动时，若管径和流速一定，流体的黏度愈大，其雷诺数Re愈小，即湍流程度低，因此热边界层愈厚，于是对流传热系数就愈低。化工原理

影响对流传热系数的因素 • 流体的特性 • 比热容和密度ρcp 代表单位体积流体所具有的热容量，也就是说ρcp值愈大，表示流携带热量的能力愈强，因此对流传热的强度愈强。 • 体积膨胀系数β 一般来说，体积膨胀系数愈大的流体，所产生的密度差别愈大，因此有利于自然对流。由于绝大部分传热过程为非定温流动，因此即使在强制对流的情况下，也会产生附加的自然对流的影响，因此体积膨胀系数对强制对流也有一定的影响。化工原理

影响对流传热系数的因素 • 流体的温度 • 流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差Δt、流体物性随温度变化程度以及附加自然对流等方面的综合影响。因此在对流传热系数计算中必须修正温度对物性的影响。 • 此外由于流体内部温度分布不均匀，必然导致密度的差异，从而产生附加的自然对流，这种影响又与热流方向及管子安放情况等有关。化工原理

影响对流传热系数的因素 • 流体的流动状态 • 当流体呈滞流时，流体沿壁面分层流动，即流体在热流方向上没有混杂运动，传热基本上依靠分子扩散作用的热传导来进行。 • 当流体呈湍流时，湍流主体的传热为涡流作用引起的热对流，在壁面附近的滞流内层中仍为热传导。涡流致使管子中心温度分布均匀，滞流内层的温度梯度增大。由此可见，湍流时的对流传热系数远比滞流时大。化工原理

影响对流传热系数的因素 • 流体流动的原因 • 自然对流是由于两流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。设ρ1和ρ2分别代表温度为t1和t2两点流体密度，流体的体积膨胀系数为β，并以Δt代表温度差（t2－t1），则每单位体积的流体所产生的升力为 • 强制对流是由于外力的作用，例如泵、搅拌器等迫使流体流动。通常，强制对流传热系数要比自然对流传热系数大几倍至几十倍。化工原理

影响对流传热系数的因素 • 传热面的形状、位置和大小 • 传热面的形状（如管、板、环隙、翅片等）、传热面方位和布置（水平或垂直旋转，管束的排列方式）、及管道尺寸（如管径、管长、板高和进口效应）等都直接影响对流传热系数。这些影响因素比较复杂，但都将反映在α的计算公式中。化工原理

对流传热过程的量纲分析 • 所谓量纲分析方法，即根据对问题的分析，找出影响对流传热的因素，然后通过因次分析的方法确定相应的无因次数群（准数），继而通过实验确定求算对流传热系数的经验公式，以供设计计算使用。化工原理

对流传热过程的量纲分析 表 2-2 准数的名称、符号和含义化工原理

应用准数关联式应注意的问题 • 定性温度各准数中的流体物性应按什么温度查取 • 流体的平均温度 t=(t1+t2)/2 • 壁面的平均温度tw • 流体和壁面的平均温度（膜温）tm=(tw+t)/2 • 经验公式中必须说明定性温度的取法，使用时必须按照规定的定性温度进行计算。 • 工程上大多以流体的平均温度为定性温度化工原理

应用准数关联式应注意的问题 • 特征尺寸Nu、Re等准数中的l应如何确定 • 应用范围关联式中Re、Pr等准数的数值范围等化工原理

对流传热系数 湍流圆形直管层流过渡流管内弯管非圆形管强制对流横向流过管束管外无相变管间流动在垂直管或板外冷凝自然对流对流传热系数膜状冷凝在水平管外冷凝蒸气冷凝滴状冷凝有相变液体沸腾化工原理

2.3.2 流体无相变时的对流传热系数 • 流体在管内作强制对流 • 流体在圆形管内作强制湍流低粘度流体可应用迪特斯（Dittus）—贝尔特（Boelter）关联式：或注意：（1）当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。（2）应用范围：Re>10000，0.7<Pr<120，L/di>60（长管）。（3）短管校正系数：1+(di/L)0.7。（4）特征尺寸：管内径di。（5）定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。化工原理

2.3.2 流体无相变时的对流传热系数 2.3.2.1 流体在管内作强制对流 • 流体在圆形管内作强制湍流高粘度流体可应用西德尔（Sieder）—泰特（Tate）关联式：注意：（1）应用范围：Re>10000，0.7<Pr<16700，L/di>60（长管）。（2）特征尺寸：管内径di。（3）定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。（4）流体流动中，Re>4000为湍流，2000<Re<4000为过渡流；在对流传热中，Re>10000为湍流，2300<Re<10000为过渡流。化工原理

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也较小且流体的μ/ρ值较大时，可忽略自然对流对强制层流传热的影响，此时可应用西德尔（Sieder）—泰特（Tate）关联式：注意：（1）应用范围：Re<2300，0.6<Pr<6700，(Re.Pr.di/L)>100。（2）特征尺寸：管内径di。（3）定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。化工原理

流体在圆形直管内作过渡流 • 当Re=2300-10000时，对流传热系数可先用湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正系数Φ，即得到过渡流下的对流传热系数: 化工原理

流体在弯管内作强制对流 • 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计算对流传热系数：管子的弯曲半径，m。化工原理

【例2-4】1绝对大气压的干空气，以4m/s的流速通过内径为60 mm的长管子后被预热。干空气入口温度为45℃，出口温度为55℃，试求： (1)管壁对空气的对流传热系数； (2)若空气的流速增大一倍，而其他条件不变，求此时的对流传热系数。解：定性温度 ℃。查附录知，在1 绝对大气压下， 50 ℃时干空气的物性常数为 kg/m3 KJ/(Kg.K) W/(m.K) Pa.s 已知 m (1) 当时 >104 （湍流）因此，可计算对流传热系数如下：化工原理

W/(m2.K) (2) 当 m/s时 W/(m2K) W/(m2.K) 化工原理

【例2-5】铜氨溶液在一蛇管冷却器中由 38℃冷却至80C。蛇管由φ45×3.5mm的管子按4组并联而成，弯管的曲率半径为0.285m。已知铜氨液流量为2.7m3/h，密度为1.2×103kg/m3，黏度为2.2×10-3Pa.S，其余物性可按水的 0.9倍取。试求：铜氨液在蛇管中的对流传热系数。解：流体在弯管中流动时，由于不断改变流动方向，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管中的大。为此，应按流体在直管的情况计算，然后再乘以弯管的校正系数。又，流体在直管中作强制对流时的，应先求以判断流动型态，然后确定计算式。流体的流动截面 m2 流体的流速 m/s 所以2300<Re<104，为过渡流，需按湍流计算后乘以校正系数。定性温度 ℃，查附录水的物性，再乘以 0.9 化工原理

kJ/(kg.℃) 湍流时流体被冷却 W/(m2.K) 过渡流时 W/(m2.K) 弯管时 W/(m2.K) 化工原理

流体在非圆形管内作强制对流 • 此时，只要将管内径改为当量直径，则仍可采用上述各关联式。传热当量直接的定义式为 • 将关联式中的di改用de是近似的算法。对常用的非圆形管道，可直接通过实验求得α的关联式。如套管环隙为注意：（1）应用范围：Re=12000-220000，d1/d2=1.65-17。（2）特征尺寸：当量直径de。（3）定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。化工原理

空气和水的α值（16℃和101.3kPa） 水的α值较空气的大的多。同一种流体，流速愈大，α也愈大；管径愈大，则α愈小。化工原理

2.3.2.2 无相变时流体在管外流动的α计算 • 流体横向流过管束 • 对于错列管束 • 对于直列管束注意：（1）应用范围：Re<3000。（2）特征尺寸：管内径do，流速取流体通过每排管子中最狭窄处的速度。（3）定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。化工原理

流体在换热器的管间流动 • 对于常用的列管式换热器，由于壳体是圆筒，管束中各列的管子数目并不相同，而且大都装有折流挡板，使得流体的流向和流速不断地变化，因而在Re>100时即可达到湍流。此时对流传热系数的计算，要视具体结构选用相应的计算公式。化工原理

2.3.3 有相变对流传热系数计算 • （1）蒸汽冷凝化工原理

影响冷凝传热的因素 • 冷凝液膜两侧的温度差。液膜呈滞流流动时，温差加大，冷凝速率增加，故液膜厚度增加，α降低。 • 流体物性。液膜的密度、黏度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响α。 • 蒸汽的流速和流向。若蒸汽和液膜同向流动，则使液膜厚度减薄，传热系数增大；若逆向流动，则相反。若液膜被蒸汽吹离壁面，则对流传热系数增大。化工原理

影响冷凝传热的因素 • 蒸汽中不凝气体含量的影响。蒸汽中含有不凝性气体，冷凝过程中在壁面形成一层气膜，使α↓。措施：冷凝器上方装排气阀，及时排除不凝气。 • 冷凝壁面的影响。在设计和安装冷凝器时，应正确安放冷凝壁面。尽量减薄下面管排上液膜的厚度。化工原理

2.3.3 有相变对流传热系数计算 • （2）液体沸腾 • 所谓液体沸腾：在液体的对流传热过程中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程。 • 工业上的液体沸腾主要有两种：其一是将加热表面浸入液体的自由表面之下，液体在壁面受热沸腾，称之为池内沸腾；其二是液体在管内流动过程中于管内壁发生的沸腾，称为流动沸腾或强制对流沸腾亦称为管内沸腾。化工原理

液体沸腾曲线 化工原理

液体沸腾传热的影响因素 • 液体性质的影响通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热。 • 温度差的影响温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的对流传热系数与温度差的关系可用下式表达：壁面过热度化工原理

液体沸腾传热的影响因素 • 操作压强的影响提高沸腾操作的压强相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于气泡的生成和脱离，故在相同的下，Q/S和α都更高。 • 加热壁面的影响清洁的加热壁面α较高，而当壁面被油脂沾污后，因油脂的导热性能较差，会使α急剧下降; 壁面粗糙，气泡核心多，越有利于沸腾传热。化工原理

结束下节内容：间壁传热本节作业： P125—3，6。化工原理

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