化工原理傳熱2

4.3.2對(duì)流傳熱速率方程和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（1）牛頓冷卻定律熱流體冷流體thtcth,wtc,wΦΦ

流體通過間壁的熱交換th1th2tc1tc2說明：①實(shí)驗(yàn)定律；②對(duì)壁兩側(cè)流體(冷、熱)均適用。熱流體：冷流體：

③h是計(jì)算關(guān)鍵，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。（2）對(duì)流傳熱過程的簡化模型①真實(shí)模型流體主體→過渡層→層流內(nèi)層對(duì)流對(duì)流，導(dǎo)熱導(dǎo)熱

研究方法：計(jì)算各層的熱流量。thmtcmδL1thwδL2δ1‘δ2‘tCW②簡化模型

有效膜（虛擬膜）：集中全部溫差，以熱傳導(dǎo)方式傳熱。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)流傳熱問題→導(dǎo)熱問題代價(jià)：動(dòng)力消耗↑。4.4表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)4.4.1影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素

（2）流體流動(dòng)原因

強(qiáng)制對(duì)流：外部機(jī)械作功，一般流速較大，h也較大。

自然對(duì)流：由流體密度差造成的循環(huán)過程,

一般流速較小，h也較小。（1）流體流動(dòng)狀態(tài)（3）流體的物理性質(zhì)

定性溫度：計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的特征溫度一般，（4）傳熱面的形狀、位置和大小壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等，造成邊界層分離，增加湍動(dòng)，使h增大。（5）相變化的影響有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰，無相變傳熱：強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流，

一般地，有相變時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。例：水強(qiáng)制對(duì)流，蒸汽冷凝，4.4.2無相變化時(shí)對(duì)流傳熱過程的量綱分析（1）量綱分析過程①優(yōu)點(diǎn)：減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)；②依據(jù)：物理方程各項(xiàng)量綱一致；③步驟：（a）通過理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察，確定相關(guān)因素；（b）構(gòu)造函數(shù)形式；（c）列出量綱指數(shù)的線性方程組（M、L、T、）；（d）規(guī)定已知量（指數(shù)），確定余下指數(shù)表達(dá)式；（e）整理特征數(shù)方程形式。注意：（1）適用范圍不能超出適用范圍（2）定性溫度

（3）特征尺寸

d;de（4）計(jì)量單位統(tǒng)一單位制①努賽爾數(shù)說明：

▲反映對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱，包含表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

▲努賽爾數(shù)恒大于1。

說明：反映流動(dòng)狀態(tài)對(duì)h

的影響。l：特征尺寸，平板——流動(dòng)方向的板長；管——管徑或當(dāng)量直徑；（2）特征數(shù)的物理意義②雷諾數(shù)

③普朗特?cái)?shù)說明：▲

反映流體物性對(duì)傳熱的影響?！从碂釘U(kuò)散和動(dòng)量擴(kuò)散的相對(duì)大小?！从沉鲃?dòng)邊界層和熱邊界層的相對(duì)厚度。使用時(shí)注意：

*查取定性溫度下的物性；*計(jì)算所用單位，SI制。說明：反映自然對(duì)流的強(qiáng)弱程度。

④格拉曉夫數(shù)（浮升力特征數(shù)）強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流混合對(duì)流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1

管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流Nu/Pr0.4與Re的關(guān)系Nu/Pr0.4Re14.4.3

無相變化的對(duì)流傳熱（1）管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱一般關(guān)系式：傳熱流動(dòng)狀態(tài)劃分（區(qū)別于流體流動(dòng)時(shí)規(guī)律）①流體在圓形直管內(nèi)湍流時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a)一般流體流動(dòng)狀態(tài)不同，則c、m、n

值不同流體被加熱，n=0.4流體被冷卻，n=0.3定性溫度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管內(nèi)徑di保證流體達(dá)到傳熱湍流；適用條件：說明：避開傳熱進(jìn)口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。傳熱進(jìn)口段：傳熱正在發(fā)展，h不穩(wěn)定(隨管長增加h減小)OxNux或hxNuxhx

Nux或hx的變化趨勢(shì)tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分發(fā)展了的邊界層

層流情況下流體在管內(nèi)溫度分布進(jìn)口段溫度分布和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化傳熱進(jìn)口段長度：進(jìn)口到傳熱邊界層匯合點(diǎn)間的長度。說明：經(jīng)驗(yàn)公式，有一定誤差。b)

粘度較大流體近似取：適用條件：

定性溫度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管內(nèi)徑dic)流體流過短管（l/d<50）影響：處于傳熱進(jìn)口段，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。計(jì)算：采用以上各式計(jì)算h，并加以校正。

d)圓形直管內(nèi)過渡流時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

計(jì)算：采用湍流公式，但需加以校正。說明：設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，一般避免過渡流。107

過渡狀態(tài)的傳熱103102l/d=500.0011041051060.0020.010.1400200100

e)圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流

特點(diǎn)：1）傳熱進(jìn)口段的管長所占比例較大；

2）熱流方向不同，也會(huì)影響；

3）自然對(duì)流的影響，有時(shí)不可忽略。定性溫度：tm=(t1+t2)/2

；特征尺寸：管內(nèi)徑di。

適用條件：

f)圓形彎管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流特點(diǎn)：離心力使徑向壓力不均，產(chǎn)生二次環(huán)流；

結(jié)果：流體湍動(dòng)程度增加，使h增加；

同時(shí)，流動(dòng)阻力損失增加。

g)非圓形管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流

★

采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計(jì)算，

但特征尺寸采用當(dāng)量直徑。

★

最好采用專用、經(jīng)驗(yàn)公式。如：套管環(huán)隙R

彎管內(nèi)流體的流動(dòng)d式中：

②管外強(qiáng)制對(duì)流

a)流體橫向流過單管A

流體橫向流過單根圓管外時(shí)流動(dòng)情況表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布

1）低雷諾數(shù)（70800~101300）φ=0~80°，層流邊界層厚度增大使h↓，φ>80°，邊界層分離，使h↑，有一個(gè)最低點(diǎn)。

2）高雷諾數(shù)（140000~219000）有兩個(gè)最低點(diǎn)：

N01：φ=70~80°，層流邊界層→湍流邊界層；

N02：φ=140°（分離點(diǎn)），發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流體橫向流過圓管時(shí)局部努塞爾數(shù)的變化Reф=21900018600014000010130070800170000常數(shù)C、指數(shù)n見下表沿整個(gè)管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外徑

◆

管束的排列方式

直列（正方形）、錯(cuò)列（正三角形）b)流體橫向流過管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)特性的示意x1x2d錯(cuò)列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)特性的示意直列第一排管直接沖刷；第二排管不直接沖刷，擾動(dòng)減弱；第二排管以后基本恒定。錯(cuò)列第一排管錯(cuò)列和直列基本相同；

第二排管錯(cuò)列和直列相差較大，阻擋減弱，沖刷增強(qiáng)；

第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d◆

各排管h的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ錯(cuò)列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部hφ沿周向的變化（Re=1.4×104，空氣）

可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。◆傳熱系數(shù)的計(jì)算方法

任一排管子：C、ε、n

取決于管排列方式和管排數(shù)。特征尺寸：管外徑適用范圍：

c)流體在列管換熱器管殼間的傳熱裝有圓缺折流板的列管換熱器

圓缺折流板管板折流擋板：

殼程流體的流動(dòng)方向不斷改變，較小Re（Re=100），即可達(dá)到湍流。缺點(diǎn)：流動(dòng)阻力↑，殼程壓降↑的重要因素。作用：●提高湍動(dòng)程度，↑h，強(qiáng)化傳熱；

●加固、支撐殼體。

圓缺折流板示意圖管板10102103104101021管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算曲線ReNuPr有折流擋板時(shí)殼程流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：擋板切割度：25%D。特征尺寸：流道的當(dāng)量直徑。正方形排列dot也可采用關(guān)聯(lián)式：正三角形排列流速的確定：按最大流通截面(最小流速)計(jì)算。DS1S2B

說明：無折流板時(shí)，流體平行流過管束，按管內(nèi)公式計(jì)算，特征尺寸為當(dāng)量直徑。dot(3)自然對(duì)流傳熱溫度差引起流體密度不均，導(dǎo)致流體流動(dòng)。分類：大空間自然對(duì)流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。

有限空間自然對(duì)流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。大空間自然對(duì)流傳熱：大空間內(nèi)流體沿垂直壁面進(jìn)行自然對(duì)流：豎直壁面上表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分布近壁處溫度與流速的分布

沿豎壁自然對(duì)流的流動(dòng)和換熱特征00表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取：①查圖求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流體沿垂直壁面作自然對(duì)流時(shí)lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流體沿水平壁面作自然對(duì)流時(shí)lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線lg(GrPr)lg(Nu)大空間內(nèi)流體沿垂直或水平壁面進(jìn)行自然對(duì)流傳熱時(shí)：定性溫度：膜溫定型尺寸：豎板，豎管，L；水平管，外徑do影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；系數(shù)C和指數(shù)n的取值見下表：②經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)doL傳熱面的形狀及位置GrPrCn特征長度垂直的平板及圓柱面10-1~104104~109109~1013查圖4.1.15(a)0.590.1查圖4.1.15(a)1/41/3高度L水平圓柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4查圖4.1.15(b)0.530.130查圖4.1.15(b)1/41/3外徑d0水平板熱面朝上或水平板冷面朝下2×104~8×1068×106~10110.540.151/41/3矩形取兩邊平均值圓盤0.9d

狹長條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上105~10110.581/5有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn)①相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例：水4.4.4有相變化的對(duì)流傳熱②相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；③分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1)蒸汽冷凝機(jī)理

優(yōu)點(diǎn)：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時(shí)易于控制蒸汽冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。冷凝方式：①膜狀冷凝凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力），熱量：蒸汽相→液膜表面→固體壁面。②滴狀冷凝凝液結(jié)為小液滴（附著力小于表面張力），有裸露壁面，直接傳遞相變熱。比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

h滴狀冷凝＞h膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍，但工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。膜狀冷凝滴狀冷凝(2)膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

①努塞爾方程的理論推導(dǎo)研究：垂直管外或壁面的膜狀冷凝；方法：真實(shí)模型→簡化模型→數(shù)學(xué)模型求解。◆膜狀冷凝的真實(shí)過程hx③

汽、液相物性為常數(shù)，壁面溫度恒定，膜表面溫度t