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3.3.1 对流传热过程分析 3.3.2 对流传热速率方程 --- 牛顿冷却定律 3.3.3 影响对流传热系数 的因素 3.3.4 对流传热系数经验关联式的建立 3.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式 3.3.6 例题 3.3.7 有相变时的对流传热系数 3.3.8 对流传热系数小结. 冷 流 体. 传 热 壁. 热 流 体. d t. T. T W. t W. t. A 1. A 2. 3.3.1 对流传热过程分析. 层流底层 温度梯度大 热传导 湍流主体 温度梯度小
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3.3.1 对流传热过程分析 3.3.2 对流传热速率方程---牛顿冷却定律 3.3.3 影响对流传热系数的因素 3.3.4 对流传热系数经验关联式的建立 3.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式 3.3.6 例题 3.3.7 有相变时的对流传热系数 3.3.8 对流传热系数小结
冷 流 体 传 热 壁 热 流 体 dt T TW tW t A1 A2 3.3.1 对流传热过程分析 层流底层 温度梯度大 热传导 湍流主体 温度梯度小 对流 过渡区 热传导和对流
T Tw tw t t 3.3.2 对流传热速率方程---牛顿冷却定律 （1）推导 建立膜模型： 式中:t──总有效膜厚度； e ──湍流区虚拟膜厚度； ──层流底层膜厚度。
在热流体被冷却的情况下： 式中:Q ── 对流传热速率，W； ── 对流传热系数，W/(m2·℃)； Tw ── 壁温，℃； T ── 热流体平均温度，℃； A ── 传热面积，m2。
（2）讨论 ①牛顿冷却定律是一种推论，假设Q ∝t。 在冷流体被加热的情况下： 推动力：阻力： ②复杂问题简单化表示
3.3.3 影响对流传热系数的因素 （1）流体的物性 ，，，cp，β 物性因流体的相态、温度、压力的变化而变化 （2）引起流动的原因 ①强制对流：由于外力的作用，使流体被迫流动而 传热的现象。比如：流体用泵或风机输送 表征参数：流速u
②自然对流：由于流体内部存在温度差，使得各部分流体的密度不同，所产生的浮升力作用而引起的流动。②自然对流：由于流体内部存在温度差，使得各部分流体的密度不同，所产生的浮升力作用而引起的流动。 若流体的体积膨胀系数为β，是指在一定的压力下，温度每升高一个单位时，流体的体积的相对膨胀量。表达式： 对于固定质量ρV = m，则有V dρ+ρdV= 0 则表达式变为：
若t2>t1，则ρ2<ρ1，对于某一质量流体关系式变为ρ1=ρ2（1+β△t）, △t=t2-t1。 • 那么在重力场中，单位体积流体由于密度不同而受到的浮升力为 （ρ1-ρ2）g= ρ2gβ△t • 表征参数：浮升力gβ△t（单位质量流体受到的浮升力） • （3）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； 强制> 自然
位置： • ①管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）； • ②管或板是垂直放置还是水平放置。 • （4）流动形态 • 层流、湍流 湍> 层 • （5）是否发生相变 • 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变> 无相变
3.3.4 对流传热系数经验关联式的建立 （1）量纲分析法 ＝f（u，l，，，cp，，gt） 式中： l —— 特性尺寸； u —— 特征流速。 基本量纲：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。
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
强制对流： 自然对流：
k Nu Pr （2）实验安排及结果整理 以强制湍流为例：Nu＝CReaPrk ①采用不同Pr 的流体，固定Re lgNu＝klgPr＋algCRe 在双对数坐标系得一直线斜率为k
a Nu/Prk C Re ②不同Pr 的流体在不同的Re下 lgNu/Prk＝algRe＋lgC 在双对数坐标系中得一直线，斜率为a，截距为C
（3）定性温度、特性尺寸的确定 ①确定物性参数数值的温度称为定性温度。 定性温度的取法： ②特性尺寸 取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。
3.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式 3.3.5.1 流体在管内的强制对流 （1）圆形直管内的强制湍流 ①适用范围 Re>10000，0.7<Pr<160， <2mPa·s，l /d>60
②注意事项 定性温度取 特征尺寸为管内径 di 流体被加热时，k＝0.4； 流体被冷却时，k＝0.3。
冷流体 tw t k取不同的值的主要原因是考虑温度对近管壁的层流内层中流体粘度和导热系数的影响。 a）对于冷流体被加热，靠近管壁处层流 内层的温度高于流体主体温度。 a1）对于液体，T↑,μ↓,δ↓,λ↓ （变化不大）,α↑（加热>冷却）， Pr > 1，即Pr 0.4 > Pr 0.3 。 因此，液体被加热时，k取0.4； 液体被冷却时，k取0.3。
热流体 T Tw a2）对于气体，T↑,μ↑,δ↑,λ↑（变化不 大），α↓（加热<冷却），Pr < 1， 即Pr 0.4 < Pr 0.3。 因此，气体被加热时，k取0.4；冷却时，k取0.3。 b）热流体被冷却时情况正好相反。
③强化措施 u , u0.8 d , d -0.2 流体物性的影响，比如选大的流体
④公式修正 a)高粘度 Re > 10000，0.7 < Pr < 160，l /d > 60 定性温度取tm；特征尺寸为di。
b)l /d<60 ′=f c)过渡流（2000<Re<10000) ′=f d)弯曲管内 ′=f
⑤ 非圆形管强制湍流 a)当量直径法:用de代替di计算 b)直接实验法: 套管环隙: 水-空气系统 适用范围： 12000<Re<220000；d2/d1=1.65-17 其中d1为内管外径，d2为外管内径
（2）圆形管内强制层流 适用范围： 当： 定性温度：
3.3.5.2管外强制对流的对流传热系数 （1）流体在单管外垂直流过
单排管子： C, n,ε由实验确定 适用范围： 特性尺寸：管的外径do； 流速u 取流动方向上最窄通道处 定性温度： 整个管束：
（3）流体在换热器壳程的流动（流体横向流过管束）（3）流体在换热器壳程的流动（流体横向流过管束） ①挡板形式 圆形、圆缺形
a） b） ②提高壳程对流传热系数的措施 c）加强湍动程度， 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 。
3.3.5.3大空间的自然对流传热 壁面放置在很大的空间内，由于壁面温度与周围 流体的温度不同而引起自然对流，并周围没有阻碍自 然对流的物体。 注意：c，n与传热面的形状（管或板）、放置位 置（垂直、水平）有关。见P150的表3-5。 定性温度：膜温 特征尺寸：垂直的管或板为高度 水平管为管外径
3.3.6 例题 例1、常压下，空气以15m/s的流速在长为4m， φ60×3.5mm的钢管中流动，温度由150℃上升 到250℃。 试求：管壁对空气的对流传热系数
例2、物性对管内给热系数的影响 水在一定流量下通过某套管换热器的内管，温度可以从20℃升到80℃，并测得给热系数为 1000W/m·K，试求同样体积流量的苯通过该换热器内管的给热系数为多少？已知在两种情况下流动型态皆为湍流，苯进口与出口的平均温度为60℃。
例3、流速对管内给热系数的影响 水在一定流量下通过某套管换热器的内管， 温度可以从20℃升到80℃，并测给热系数为 1000W/m·K，试求当体积流量增加一倍时，忽略管 路出口温度的变化而带来对物性的影响。求此时 的给热系数为多少？已知在两种情况下流动型态 为湍流。
例4、管径对管内给热系数的影响 一套管换热器，由φ48×3mm和φ25×2.5mm 钢管制成，两种流体在内管和环隙流过，分别测得 给热系数α2和α1,若两种流体的流量保持不变并忽 略出口温度变化对物性所产生的影响，试求将内管 改用φ32×2.5mm后两侧的给热系数有何变化 （假设流动状态为湍流）。
3.3.7 有相变时的对流传热系数 3.3.7.1 蒸汽冷凝 当饱和蒸汽与低于其饱和温度的冷壁面接触时，将释放出潜热冷凝为液体。△t = ts- tw （1）冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝α滴>α膜 ①膜状冷凝：冷凝液能很好地润湿壁面，形成液膜， 液膜便成为主要热阻。 ②滴状冷凝：若冷凝液不能更好地润湿壁面，并凝结 成小液滴，合并长大后脱落，没有液膜 阻碍传热。
膜状冷凝：垂直壁面越高或水平管的管径越大，α↓膜状冷凝：垂直壁面越高或水平管的管径越大，α↓ 滴状冷凝：冷凝液的润湿能力取决表面张力和附着 力，若附着力小于表面张力则形成滴状， 不持久
（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l ：管外径do 定性温度：膜温
②竖壁或竖管上的冷凝 层流 适用条件：Re <1800 湍流 适用条件：Re >1800 定性温度：膜温 特性尺寸l ：管或板高H
（4）冷凝传热的影响因素和强化措施 ①流体物性 冷凝液 或 ,δ↓, ；冷凝液 , ； 潜热r ,相同的Q , ms↓, δ↓, 。 ②温差 液膜层流流动时，t=ts－tW , 。 ③不凝气体 不凝气体存在，形成一层气膜，由于导热系数很 小，导致 ，定期排放。
④蒸汽流速与流向 （u>10m/s） • 同向时， ； • 反向时， ； u 。 • 设计冷凝时，蒸汽入口在上部，保证同向。 • ⑤蒸汽过热 • a）过热蒸汽与比饱和温度高的壁面（tw>ts）接 • 触时，冷却过程。 • b）过热蒸汽与比饱和温度低的壁面（tw<ts）接 • 触时，包括冷却和冷凝两个过程。
⑥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，δ↓； 安装金属丝或翅片，δ↓； 水平管束： 沿垂直方向上管排数目越多，α↓越多； 直列改为错列，α↑； 安装能去除冷凝液的档板，α↑；
3.3.7.2 液体沸腾 液体被加热时，其内部伴有由液相变为气相产生气泡的过程。 沸腾种类： ①管内沸腾：流体在管内流动过程中受热沸腾，流速对沸腾过程有影响，流体流动复杂。 ②大容积沸腾：将加热面浸入液体中，液体被壁面加热而引起的无强制对流的沸腾现象。 沸腾特征：在浸入液体内部的加热壁面上不断有气泡 生成、长大、脱离并上升到液体表面。
（1）汽泡产生的条件 问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？ 由于表面张力的作用，气泡内的蒸汽压力大于液体的压力。而气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量，要求液体处于过热状态。 过热度：t = tW－ts 汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处 汽化核心生成汽泡长大 脱离壁面新汽泡形成搅动液层
（2）沸腾曲线 ①自然对流阶段 t < 5C ②核状沸腾阶段 5C < t <25C ③不稳定膜状沸腾 25C < t < 250C ④稳定膜状沸腾 t > 250C 工业上：核状沸腾 优点： 大，tW 小
（3）沸腾传热的α计算 核状沸腾阶段： 若考虑压力的影响： 对于水，在1×105--4×106Pa(绝压)范围内，
（4）沸腾传热的影响因素及强化措施 在液体沸腾过程中气泡离开壁面的速率越快，新气泡生成的频率就越高， ①液体的性质 润湿能力大的液体有利于传热。 ②温差 在核状沸腾阶段温差提高， ③操作压强 ④加热面: 粗糙的加热面， 大 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒
3.3.8 对流传热系数小结 3.3.8.1 流体无相变化 （1）强制对流 ①流体在管内流动 a）流体在圆形直管内流动 ●湍流：
适用范围： 定性长度：管内径d 定性温度：取流体进出口温度的算术平均值 ●过渡流： ●层流： b）流体在弯管内流动：α弯>α直，用直管的对流 传热系数乘以一个修正系数。
c）流体在非圆形直管内流动： 要用当量直径de代替流体在圆形直管内流动公式中的直径。 ②流体在管外强制对流流动 a)垂直流过管束α错列>α直列 b)横向流过管束 有档板： 无档板：相当于非圆形直管
