1、2019/7/25,上次课内容复习,1、传热的三种基本方式：,热传导、对流传热、热辐射。,2、冷热两流体热交换的三种方式：,直接接触式换热、蓄热式换热、间壁式换热。,3、传热速率（热流量）与传热速度（热通量）的关系为：,4、稳态传热时，同一热流方向上的传热速率Q为常数 （Q1=Q2=Q3=Qn）。,2019/7/25,上次课内容复习,5、传热速率方程式：,6、傅立叶定律：,7、单层平壁的稳定热传导速率方程：,8、多层平壁的稳定热传导速率方程：,2019/7/25,上次课内容复习,9、单层圆筒壁的稳定热传导速率方程：,10、单位圆筒壁长度稳定热传导热流密度方程：,2019/7/25,2、多层圆筒
2、壁的热传导,与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,单层圆筒壁导热速率公式：,多层圆筒壁导热速率公式：,2019/7/25,多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：,2019/7/25,第四章 传热,一、对流传热的分析 二、壁面和流体的对流传热速率 三、对流传热系数的影响因素 四、对流传热过程的特征数关系式 五、流体无相变时的对流传热系数 六、流体有相变时的对流传热系数,第三节 对流传热,2019/7/25,一、流体对流传热的分析,流体沿固体 壁面的流动,层流内层,过渡层,湍流主体,流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该
3、层中温度差较大，即温度梯度较大。,热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。,温度梯度很小，各处的温度基本相同。,2019/7/25,对流传热是集流体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层流内层。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,2019/7/25,二、壁面和流体间的对流传热方程,1、对流传热速率表达式,据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：,推动力：壁面和流体间的温度差 阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。 根据有效膜模型，对流传热速率方程可以表示为：,牛顿冷却公式,2019/7/25,对流传热系数或称为膜系数，单位 W/
4、(m2k) 或W/(m2) t对流传热温差，对热流体t=T-Tw，对冷流体t=tw-t,2、对流传热系数 对流传热系数定义式：,表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。,P129 例4-5,2019/7/25,三、对流传热系数的影响因素,1、流体的物性 1）导热系数 层流内层的温度梯度一定时，流体的热导率 ，对流传热系数 。 2）黏度 流体的黏度 ，流动阻力越大，对流传热系数 。 3）比热容 CP和密度 （ CP 单位 J/kgK）cp：单位体积流体所具有的热容量。cp值 ，流体携带热量的能力愈强，对流传热 。,2019/7/25,2、流体
5、流动的原因,强制对流：,自然对流：,由于外力的作用引起的对流。工业上常见。,由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移。单位体积的流体所受的浮力为：,2019/7/25,3、流体主体的流动状态 湍流的对流传热系数层流的对流传热系数。 4、流体的种类和相变化的情况 液体的 气体的对于同一液体，rCP （r比汽化热，J/kg）相变时的无相变时的 5、传热面的性状、大小和位置 传热面的位置：水平、垂直；形状：圆管、平板；特征尺寸：对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。,2019/7/25,四、对流传热的特征数关系式,1、无因次分析在流体无相变对流传热中的应用 列出影响该过程的
6、物理量，并用一般函数关系表示：,确定n的数目：,根据定理：,2019/7/25,2、列出各物理量的量纲,各物理量的量纲,物理量,量纲,确定m的数目：,确定N的数目：,特征数之间的关系式： （半经验式）,2019/7/25,各特征数的符号和意义,准数名称,符号,特征数,意义,努塞尔数 （Nusselt）,Nu,表示对流传热系数,雷诺数 （Reynolds）,Re,表示流体的流动状态和湍动程度对传热的影响,普朗特数 （Prandtl）,Pr,表示流体各物性对传热的影响,格拉晓夫数 （Grashof）,Gr,表示自然对流对对流传热的影响,2019/7/25,3、应用特征数关联式应注意的问题 1）应用
7、范围：关联式中Re、Pr、Nu、Gr等特征数的数值范围以及常数K、指数a、b、c，一般根据实验确定，使用时不能超出该范围。 2）特征尺寸：Nu、Re、Gr数中l应如何选定。 3）定性温度：各特征数中的各物理参数按什么温度确定。,将关联式用各特征数的符号表示：,2019/7/25,五、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,（一）流体在管内作强制对流传热 1、流体在圆形直管内作强制湍流时的值 1)低黏度（2mPas）流体,当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。,cPJ/kgK,2019/7/25,管长与管径比,应用范围：,2) 高黏度（2mPas）的液体,为考虑热流体方向的校正项。
8、,2019/7/25,W壁温下的液体黏度，单位Pas；流体被加热时：取 =1.05流体被冷却时，取 =0.95,应用范围：,2019/7/25,3) 对于短管（l/d60）可采用前面的两个公式计算值再乘以管入口效应校正系数：,4) 对于弯管可采用前面的两个公式计算值再乘以弯管效应校正系数：,P133 例4-6,2019/7/25,2、 流体在圆形直管内作强制层流时的值当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，流速比较低，Gr2.5104时，自然对流对强制层流的传热的影响可以忽略。,应用范围：,2019/7/25,自然对流的影响不能忽略，按上式计算出后，再乘以一校正系数：,3、流体在圆形直管内呈过渡
9、流态时的值对于Re=2300104时的过渡区范围， 先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。,2019/7/25,4、流体在非圆形管中作强制对流对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。,（二）流体在管外作强制对流传热,2019/7/25,1、流体在管束外强制垂直流动,第一排管子的流动情况相同，错列直列 。,直列,错列,2019/7/25,流体在管外垂直流过时的对流传热系数关联式：,C、n由实验确定。,管束的平均对流传热系数计算公式：,2019/7/25,1）流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数,2）流体在直列管束外流过时，平均对流传热系
10、数,注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。,2019/7/25,（三）大空间自然对流传热,定性温度 ：,壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。,大空间自然对流：指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，而引起的自然对流，并且周围没有阻碍自然对流的物体。,2019/7/25,六、流体有相变时的对流传热系数,（一）蒸气冷凝时的对流传热系数 1、蒸气冷凝的方式 1) 膜状冷凝：,若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜。,2)滴状冷凝：,若冷凝液体不能润湿壁面，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。,2019/7/25,2
11、、饱和蒸气膜状冷凝的传热系数,n水平管束在垂直裂伤的管子数；,d0管外径；,t饱和蒸气温度 ts 与壁温 tw 之差；,特征尺寸 ：,l 取管外径d0 。,2019/7/25,液膜为层流时：,定性尺寸：,l 取垂直管或板的高度。,定性温度：,蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度ts下的值，其余物性取膜温（ ts与 tw 的算术平均值）。,应用范围：,滞流时，Re值增加，减小；,2019/7/25,若膜层为湍流（Re1800）时,湍流时，Re值增加，增大；,饱和蒸气冷凝时值的计算需采用试差法：,假设流型,计算值,验算Re,与流型范围比对,2019/7/25, Re表达式,设冷凝液液膜的流动截面积为S，壁面
12、湿润周边长度为,则,冷凝液的质量流量为：,蒸气冷凝时向避免传递的热量：,得：,2019/7/25,3、影响冷凝传热的因素 1）冷凝液膜两侧的温度差t当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。 2）流体物性液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数（、r ， ； ， ）。 3) 蒸汽的流速和流向 蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大； 蒸汽和液膜逆向流动， 减小； 当u10m/s时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加， 急剧增大；,2019/7/25,4) 蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增
13、加了一层附加热阻，使急剧下降。 5)冷凝壁面的影响若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。,2019/7/25,（二）液体沸腾时的对流传热系数,液体沸腾,大容器内沸腾把加热面浸入大容器的液体中，液体被壁面加热而引起无强制对流的沸腾现象。,管内沸腾,1、沸腾曲线,当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速
14、度t随上升而增加， 急剧增大。称为饱和沸腾或核状沸腾。,2019/7/25,A-B：自然对流区,B-C：核状沸腾区,C-D：膜状沸腾区,C点：临界点，又称烧毁点,工业操作： ttc,2019/7/25,当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。当t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操
15、作 。,2019/7/25,2、影响沸腾传热的因素 1)液体性质的影响一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。,2）温度差t的影响,核状沸腾区：,2019/7/25,3) 操作压强的影响提高沸腾压强，液体的饱和温度上升，液体的表面张力和黏度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同t的下，传热系数增加。4) 加热表面的影响 新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后，气化核心减少，会使急剧下降。壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。,核状沸腾区：,2019/7/25,七、选用对流传热系数关联式的注意事项,1、针对要解决的传热问题类型，选择适当的关联式；,2、要注意关联式的使用条件；,3、注意正确使用各物理量的单位；,4、应学会分析各关联式中各物理量对 的影响；,5、强制对流时液体 空气 ，水的有机液体，同一液体，有相变无相变。,2019/7/25,作 业,P182 4-4、4-6,
