1、第五章 传热 第3节 对流传热,学习的主要内容：1 牛顿冷却定律与对流传热系数2 影响对流传热的因素3 对流传热机理1） 机理分析2） 热边界层分析4 保温层的临界直径5 总传热速率微分方程和总传热系数 学习重点：牛顿冷却定律；保温层临界直径及其计算,对流传热概述流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热。根据传热过程中的流体状态，对流传热可分为两类：1. 流体无相变的对流传热（1）强制对流传热 （2）自然对流传热 2.流体有相变的对流传热（l）蒸气冷凝 （2）液体沸腾,复杂的对流传热过程， 理论计算很困难，工程上按半经验方法处理。 1.牛顿冷却定律 根据传递过程速率的普遍关系，壁面与流体间（或
2、反之）的对流传热速率，也应该等于推动力和阻力之比，即,一、对流传热速率方程,热流体和壁面间的对流传热 ，对流传热速率方程可以表示为此方程式称牛顿冷却定律。,式中：dQ局部对流传热速率，W；dS微分换热面积，m2；T换热器任一截面上热流体的平均温度，；Tw换热器的任一截面上与热流体接触一面的温度，；比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2. ）,注意：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。 若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间（环隙）流动，则对流传热速率方程式可分别表示为,2.牛顿冷却定律的实际应用在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化， 在工程计算中，常使用平均
3、对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为,对流传热系数和传热面积以及温度差相对应。,牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即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/(m2oC）。注意：对流传热系数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。,二、 对流传热系数,表4-5列出了几种对流传热情况下的数值范围 。,三、 影响对流传热的因素总体而言，这些影响因素可以分为五个方面： 1.流体的相态变化 在对流传热过程中，流体作单相流动的对流传热是依靠流体的显热变化实现的，而在有相变的对流传热过程中（如沸腾和冷凝）时，流体的相变潜热起到了主
4、要作用，这两种情况的传热机理是完全不同。,2.引起流动的原因 由于引起流动的原因不同，对流传热可分为强制对流传热和自然对流传热两大类。这两类对流传热的流动成因不同，其传热所遵从的规律也不同。有时需要既考虑强制对流也考虑自然对流，这种情况则称为混合对流传热。,3.流体的流动型态 粘性流体存在层流和湍流两种流动型态。作层流且自然对流的影响可以忽略时，层流膜的厚度是影响对流传热速率的主要因素。而当流体进入湍流状态后，靠近固体壁面附近的层流底层构成了主要的传热热阻。随着雷诺数增大，层流底层的厚度减薄，流体微团混合运动加剧，使得对流传热强度增加，因而湍流时的对流传热系数要比层流时大得多。,4. 流体的物
5、理性质 流体的热物理性质对于对流传热的影响很大。不同种类的流体（如牛顿流体和非牛顿流体）作对流传热时其传热规律不同。影响对流传热的主要热物理性质包括流体的比热、导热系数、密度和粘度等。对于每一种流体，这些热物理性质又是压力或温度的函数，因此流体的热物理性质对于对流传热的影响很复杂。,5.传热面的几何因素 传热表面的形状、大小、流体与传热面作相对运动的位置和方向以及传热面的表面状况也是影响对流传热的重要因素。例如，对于强制对流，可根据流体流动与传热面位置关系，将流体的流动分为内部流动（如圆管内、套管环隙的的强制对流）和外部流动（如外掠圆管或管束间的强制对流）两类。其对流传热速率就与传热面的几何因
6、素有关。,1. 对流传热过程分析对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。,对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,四、对流传热机理,2.热边界层平板上热边界层的形成和发展如下图所示。流体温度在靠近板面的薄流体层中有显著的变化，即在此薄层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层。通常规定tw-t=0.99tw 处为热边界层的界限 。 热边界层是进行对流传热的主要区域。,3.过程描述方法通过热边界层的传热 速率可用描述热传导速率的傅立叶定律表示，即,与牛顿冷却定律公式联立，
7、得,上式对流传热系数的另一定义式，是理论上分析和计算的基础。,材料生产中的物料输送等管路外常需要保温，以减少热量（或冷量）的损失。 通常，热损失随保温层厚度的增加而减少。但是在小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随保温层厚度增加，可能反而使热损失增大。,四、保温层的临界直径,如图4-15所示，假设保温层内表面温度为t1 ，环境温度为 tf ，保温层内、外半径分别为ri和r0。此时传热过程包括保温层的热传导和保温层外壁与环境空气的对流传热。对流传热热阻为1/ S,此处 S为传热面积（等于 2 ro L）, 为对流传热系数。,因此热损失可表示为从上式可看出，当保温层厚度增加（即ri不变、ro增大）
8、时，热阻R1虽然增大，但是热阻R2反而下降，因此有可能使总热阻（R1 R2）下降，导致热损失增大。为此， 可通过上式对ro求导，解得一个Q为最大值时的临界半径。,整理得,通过上式对ro求导，解得一个Q为最大值时的临界半径：,以临界直径表示：,dc为保温层的临界直径。若保温层的外径小于dc，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在 dc 2 /下，增加保温层的厚度才使热损失减少。由此可知，对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，需要核算 do是否小于dc。,五、总传热速率微分方程和总传热系数,1 总传热速率微分方程通过换热器任一dS的间壁两侧流体的传热速率方程可以写作：dQ=K(T-t)dS=K
9、tdS 其中，K局部传热系数，W/(m2.)T换热器任一截面上热流体的平均温度，t换热器任一截面上冷流体的平均温度，局部传热系数必须与所选择的传热面积相对应，根据传热器外表面、内表面和内外表面平均值可以分别得到：dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm,上式中，由于dQ和（T-t）与所选择的基准面积无关，因此，K o/Ki=d i/do Ko/Km=dm/do,二、总传热系数的计算式传热过程可以分解为：热流体向壁面对流传热；器壁内的热传导；器壁向冷流体对流传热。因此可以通过分析三步的传热系数来计算总传热系数。 对于器壁传导，dQ=dSm(Twtw)/b 又因为,因
10、此， T-t(T-Tw)(Twtw)(twt)dQ(1/idSi + b/dSm + 1/odSo) 由上式可得： dQ/dSo=(T-t)/(dSo/ idSi ) + (bdSo/ dSm )+ 1/o 因为 dSi/dSo=do/di dSo /dSm=do/dm 因此可得总传热系数表达式Kodo/(idi )+ bdo/(dm) + 1/ o -1dQ=Ko(T-t)dSo=KotdSo,另外，实际传热过程中，由于流体中的物质沉积在器壁表面而增大传热阻力，成为污垢热阻。随着使用时间的延长，污垢热阻逐渐增大，因此需要定期清洗。 计算污垢热阻后，按照内外两侧的污垢热阻分别为Rsi和Rso，
11、则有：1/Kodo/(idi) + Rsi do/di + bdo/dm+1/o+RSORsi和Rso的单位为m2./W,例 某列管换热器由252.5mm钢管组成。热空气流经管程，冷空气在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧的空气的i50W/(m2.),管外测的o1000W/(m2.)，钢的45W/(m2.)。求管外表面积的总传热系数Ko。 查得：空气侧的污垢热阻Rsi0.510-3(m2./W)水侧R so 0.510-3(m2./W),解： 1/Kodo/(idi)+Rsido/di +bdo/dm+RSO+1/o0.025/(500.02)+ 0.0050.025/0.02+ 0.00250.025/(450.0225)+ 0.002+ 1/10000.0269 (m2./W),
