1、第三节 对流传热,对流传热是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况相关。在对流传热的同时伴有流体间的导热现象，通常对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程。,自然对流：温差引起密度差，造成流体流动。强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。,一 、对流传热方程与对流传热系数,假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为1的有效膜内，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述。,流动的流体与外界的传热,静止流体与外界的传热,强制对流,自然对流,(1) 流体的物理性质: 、 C
2、p 、 、 、 (2)流体对流起因：强制对流、自然对流(3) 流体流动状态:强制对流速度大，大。(4)流体相态变化(5)传热面的形状、相对位置及尺寸,二、影响对流传热系数的因素,的获得主要有三种方法：,用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。,把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。,建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。,影响的因素主要有：1.引起流动的原因：自然对流和强制对流2.流动型态：层流或湍流3.流体的性质：、cp、等4.传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、
3、管内与管外等5.有相变与无相变： cp或汽化潜热r,因次分析法：,-格拉斯霍夫准数Gr是雷诺数的一种变形，表征自然对流时的“雷诺数”,无因次数群：,-努塞尔准数，表示导热热阻与对流热阻之比,-普朗特准数，反映物性的影响。 一般，气体的Pr1,三、对流传热的特征关系式,故,（式4-18）,四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式,注意cp的单位是？,（4-19）,（2）高粘度流体,（4-20）,Why？,式（4-19），（4-20）是两个基本方程， 若使用条件不满足上述条件时，需修正：,（3）对于短管，L/d60,乘上一个大于1的校正系数：,乘上一个大于1的校正系数：,（4）对于弯管：,2.圆形
4、直管内过渡流的对流传热系数,（4-21）,、（二）流体在管外强制对流传热,（4-24）,五、流体有相变时的对流传热,（一）、蒸汽冷凝时的对流传热当饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时, 蒸汽凝结为液体,放出汽化潜热。在饱和蒸汽冷凝过程中，汽液两相共存。在冷凝传热过程中，蒸汽凝结面产生的冷凝液形成液膜并覆盖在壁面上。因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液表面上发生，冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。可见，冷凝传热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝传热过程的一个主要特点。,蒸汽冷凝方式：膜状冷凝 、滴状冷凝,（1）膜状冷凝,当冷凝液能润湿壁面时，则在壁面上形成一层完整的液膜。垂直平壁面
5、和水平圆管外液膜的流动情况如图所示：,（2）滴状冷凝,当冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。如图所示 滴状冷凝时，冷凝液在壁面上 不能形成完整的液膜将蒸汽分开， 大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中， 可供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。 实验结果表明，滴状冷凝的给热 系数比膜状冷凝的给热系数大510倍。,但是，到目前为止，在工业冷凝器中即使采用了促进滴状冷凝的措施，也不能持久。所以，工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。,2.蒸汽在水平管外膜状冷凝时的对流传热系数,（4-27）,水平管外冷凝,3.蒸汽在垂直管外膜状冷凝时的对流传热系数,液膜沿垂直壁面的流动情况在前
6、面已经提到。液膜厚度沿壁高的变化必然导致热阻及给热系数沿高度有一个不均匀的分布。,对于垂直管或壁 层流时（Re1800 ）,（4-29）,（4-28）,液膜雷诺准数Re的计算,(4-30),(4-31),(4-32),4、影响冷凝传热的因素 （1）不凝性气体的影响实际上，工业用蒸汽不可能绝对纯净，其中总会有微量的不凝性气体冷凝器连续工作过程中，蒸汽不断地冷凝，不凝性气体将不断地在冷凝空间积聚。 不凝性气体的积聚，使冷凝给热系数较大幅度地降低。这是因为在汽液界面上，可凝性蒸汽不断凝结，不凝性气体则被阻留形成一层不凝性气体层，这相当于附加一额外热阻，使蒸汽冷凝给热系数大为降低。由此，蒸汽冷凝器中必
7、须设有不凝性气体排放口，定期排放，以减少不凝性气体的不良影响。,（2）蒸汽的流速和流向的影响 两向相同时，蒸汽将加速冷凝液的流动，使膜厚减小，结果增大。反之，膜厚增厚，减小。但当蒸汽流速大到能够冲散液膜使部分壁面直接暴露于蒸汽中，增大。通常，蒸汽入口设在换热器的上部，以避免蒸汽和冷凝液逆向流动。,（3）蒸汽过热的影响当液膜为层流流动，如温度差越大，冷凝过程的传热推动力加大，则冷凝蒸汽的速率增加，液膜加厚， 减小。 （4）传热面的形状与布置 若沿冷凝液流动方向的液体增多，液膜加厚， 减小。应正确安放冷凝壁面。如错开。表面的状况，如粗糙度， 减小。,冷凝给热过程的强化,冷凝给热过程的热阻集中于液膜
8、，因此，设法减小液膜厚度是强化冷凝给热的有效措施。 对于垂直壁面， 可在其上方开若干纵向沟槽使冷凝液沿沟槽流下，可减薄其余壁面上的液膜厚度，使 增大。 除开沟槽外，可沿垂直壁装若干条金属丝的措施使 ，且更为显著。这是因为冷凝液在表面强力的作用下，向金属丝附近集中并沿丝流下，从而使金属丝之间壁面上液膜大为减薄，给热系数成倍增加。 此外，采取适当措施，从冷凝变为滴状冷凝，从而提高。,例1.水以2m/s的流速通过552.5mm，长2m的钢管去冷却套管换热器中环隙中的苯，已知水温由25升高到55，试计算(1）水对管壁的,(2) 若将水流量提高30%，在其它条件相同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？
9、 解：（1）水的定性温度t定=（25+55）/2=40 从附录中查水的物性常数 =992.2kg/m3 =0.6338w/m.k =0.656010-3N.S/m2 Pr=4.32 判断管子内水的流动类型 :Re=du/=0.052992.2/0.656010-3=1.519104,(2)在其它条件相同的情况下，水流量提高30%,例2有一套管换热器，内管为382.5mm，外管为573mm的钢管，苯在内管中流动，流量为4500kg/h，进口温度为30，出口温度为50，甲苯在环隙中流动，进口温度为72，出口温度为38，试求管壁对甲苯的对流传热系数。甲苯的密度为830kg/m3。 解：据热量衡算式求
10、甲苯流量 Q=qm1Cp1(T1-T2) = qm2Cp2(t2-t1) 内管（冷流体） 苯 定性温度=（30+50）/2=40 查得Cp2=1.80kJ/kg 环隙(热流体) 甲苯 定性温度=（72+38）/2=55 查得Cp1=1.84kJ/kg =830kg/m3 =0.13w/m.k =0.4310-3N.S/m2 qm1=45001.8(50-30)/1.84(72-38)=2590kg/h,qv1=2590/(3600830)=0.00087m3/s 流通截面积A=0.785(0.0512-0.0382)=0.00091m2 u=qv1/A=0.956m/s de=D内-d外=0.
11、051-0.038=0.013m,例3.有一列管式换热器，由60根252.5mm的钢管组成，水在钢管内的流速为1m/s，冷水进口温度为20，出口温度为46，管长2m,试求(1)水的,(2)管内壁面的平均温度；(3)若将总管数改为50根，管长为2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此时的。 解：（1）水的定性温度tm=（20+46）/2=33 从附录中查水的物性常数,=994kg/m3 =0.622w/m.k =0.75210-3N.S/m2 Cp=4.174KJ/Kg.K 判断管子内水的流动类型 :Re=du/=0.021994/0.75210-3=2.64104 Pr=Cp/=4.17410000.75210-3/0.622=5.05,(3)由于冷却水量不变，因此管数减少后水的流速由u变为u=(60/50)u=1.2u,(2),
