化工原理第四章對流傳熱

第三節(jié)對流傳熱一、對流傳熱過程分析二、對流傳熱速率方程三、影響對流傳熱系數(shù)的因素四、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式五、流體無相變時(shí)對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第四章傳熱2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!一、對流傳熱過程分析

1、傳熱邊界層【現(xiàn)象】流體在平壁上流過時(shí)，如果流體和壁面間將進(jìn)行換熱，將引起壁面法向方向上溫度分布的變化，形成一定的溫度梯度?！径x】靠近壁面處，流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域，稱為傳熱邊界層或溫度邊界層。

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!傳熱邊界層示意圖傳熱邊界層——流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域。法向100℃20℃22℃2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!（1）層流內(nèi)（底）層的特點(diǎn)層流內(nèi)層內(nèi)，由于流體質(zhì)點(diǎn)只在流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方向上無質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是：①主要依靠熱傳導(dǎo)方式來進(jìn)行熱量傳遞；②由于流體內(nèi)部存在溫差還會(huì)有少量的自然對流。③傳熱溫差大。2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!①存在質(zhì)點(diǎn)混合、分子運(yùn)動(dòng)的共同作用，溫度變化不像湍流主體那么平緩均勻，也不像層流底層變化明顯。

②傳熱以熱傳導(dǎo)和對流兩種方式共同進(jìn)行。（3）過渡區(qū)的特點(diǎn)2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!（1）流體與固體壁面之間存在一個(gè)厚度為bt的虛擬膜（流體層），稱之為有效膜；（2）有效膜集中了傳熱過程的全部傳熱溫差的以及全部熱阻，在有效膜之外無溫差也無熱阻存在（所有的熱量傳遞均產(chǎn)生在有效膜內(nèi)）；（3）在有效膜內(nèi)，傳熱以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。2、有效膜模型2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!3、有效膜模型的數(shù)學(xué)描述

（1）有效膜的厚度：bt（2）有效膜的導(dǎo)熱系數(shù)：λ（3）使用傅立葉定律計(jì)算在有效膜內(nèi)的傳熱速率。

當(dāng)流體被加熱時(shí)：

當(dāng)流體被冷卻時(shí)：

btbt’2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!5、幾點(diǎn)說明（1）牛頓冷卻定律并非從理論上推導(dǎo)的結(jié)果，是根據(jù)有效膜模型建立起來的數(shù)學(xué)方程。（這種處理問題的方法，在工程中稱之為數(shù)學(xué)模型法）式中：Δt——傳熱壁與湍流主體之間的溫度差；A——傳熱壁與流體的接觸面積。2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!三、影響對流傳熱系數(shù)的因素1、引起流動(dòng)的原因

【自然對流】由于流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的液體內(nèi)部環(huán)流，一般u較小，也較小?！緩?qiáng)制對流】在外力作用下引起的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，一般u較大，故較大。因此：2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

3、流動(dòng)型態(tài)

【結(jié)論】（1）為增大α，應(yīng)增大Re；（2）但隨著Re的增大，動(dòng)力消耗大。

【層流】主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大?！就牧鳌坑捎谫|(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，較大。即：

因此2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!5、是否發(fā)生相變

【現(xiàn)象】主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。【特點(diǎn)】發(fā)生相變時(shí)，汽化或冷凝的潛熱遠(yuǎn)大于溫度變化的顯熱（r遠(yuǎn)大于Cp）?！窘Y(jié)論】一般情況下，有相變化時(shí)對流傳熱系數(shù)較大，即：2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!2、準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式（通過因次分析獲得）

經(jīng)分析可知：＝f(u，l，，，Cp，，gt)式中l(wèi)———特性尺寸；

u———特征流速；

β——體積膨脹系數(shù)。

因次分析結(jié)果如下：

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!4、注意事項(xiàng)（1）適用范圍在測定準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的各項(xiàng)指數(shù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)范圍是有限的。因此，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的使用范圍也就是有限制的，使用時(shí)不能超出適用范圍。（2）定性溫度【定義】在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)要取一個(gè)有代表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，這個(gè)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!①流體進(jìn)、出口溫度的平均值②膜溫式中tw——壁面上的溫度；t1、t2——流體進(jìn)、出口溫度。T1T2t1t2（2）定性溫度的取法

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!五、無相變時(shí)對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

1、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對流

（1）圓形直管內(nèi)的湍流(低粘度流體）

——狄丟斯（Dittus）公式或：2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!（2）圓形直管內(nèi)的湍流（高粘度流體）【使用范圍】Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>60；【特征尺寸】管內(nèi)徑d；【定性溫度】除粘度W

取壁溫外，其余均取流體進(jìn)、出口的算術(shù)平均值。

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!（3）圓形直管內(nèi)的過渡流【定義】當(dāng)2300<Re<10000時(shí)，為過渡流?！痉椒ā肯劝赐牧饔?jì)算湍流，然后乘以校正系數(shù)：

【說明】過渡區(qū)內(nèi)流體比劇烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的Re小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層流底層變厚，減小。

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!二次環(huán)流【定義】垂直于流動(dòng)方向的流動(dòng)稱為二次環(huán)流；【原因】流動(dòng)的流體在彎曲處受到了離心力的作用；【結(jié)果】加強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，帶來換熱的增強(qiáng)。彎管處的二次環(huán)流2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!對于套管的環(huán)隙，用空氣和水做實(shí)驗(yàn)，可得如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中

d1、d2——分別為套管外管內(nèi)徑和內(nèi)管外徑。適用范圍：d1/d2=1.65～17，Re＝1.2×104～2.2×105

【非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對流的經(jīng)驗(yàn)公式】2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!（2）Gr>25000時(shí)，自然對流的影響不能忽略時(shí)

可按前述方法處理，然后乘以校正系數(shù)

f：【注意】在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在層流條件下進(jìn)行傳熱，因?yàn)榇藭r(shí)對流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!【解】在確定各物理量時(shí)，先確定定性溫度。一般情況下，用進(jìn)出設(shè)備流體的溫度的平均值（算術(shù)平均值），即：

查數(shù)據(jù)手冊，30℃時(shí)水的物性數(shù)據(jù)為：

Cp=4183J/(K.kg)ρ=996kg/m3

μ=8.01×10－4Pa.sλ=0.618W/(m.K)已知

d=0.021mu=0.5m/s2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!2、對流傳熱過程流體流動(dòng)的分析湍流主體湍流主體2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!①遠(yuǎn)離壁面；②流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度趨于一致（熱阻?。?；③傳熱主要以對流方式進(jìn)行。（2）湍流核心（主體）的特點(diǎn)2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!1、什么是模型法【定義】把復(fù)雜問題簡單化、摒棄次要的條件，抓住主要的因素，對實(shí)際問題進(jìn)行理想化處理，構(gòu)建理想化的物理模型，獲得某一過程的有關(guān)規(guī)律。具體方法為：（1）對過程進(jìn)行合理的簡化；（2）獲得物理模型（構(gòu)象）；（3）對物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，獲得有關(guān)規(guī)律。二、對流傳熱速率方程

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!有效膜模型示意圖【有效膜模型說明】（1）厚度為：

bt＝δb＋δf（2）膜內(nèi)溫度的變化為線性關(guān)系，即為傳導(dǎo)傳熱；（3）膜外無傳熱。虛擬層有效膜2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!4、牛頓冷卻定律

【說明】以上兩式稱為牛頓冷卻定律，用于計(jì)算對流傳熱速率。令：流體被加熱：

流體被冷卻：

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!（4）復(fù)雜問題簡單化的表示──牛頓冷卻定律雖然給出了計(jì)算對流傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但由于對流傳熱一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，并未簡化問題本身（有效膜厚度難以測定），只是把諸多影響過程的因素都?xì)w結(jié)到了當(dāng)中。

（3）

——對流傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)。表征對流傳熱過程的參數(shù)，影響因數(shù)眾多，不是物性常數(shù)（如λ）。2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!2、流體的物性

流體的物性不同，對流傳熱系數(shù)的大小也不同，影響較大的物性常數(shù)有：，，Cp，。（1）的影響

；（2）的影響

Re；（3）Cp的影響

Cp則單位體積流體的熱容量大，則較大；（4）的影響

Re。

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!4、傳熱面的形狀、尺寸和位置

不同的壁面形狀、尺寸會(huì)影響流型；會(huì)造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使增大。（1）形狀

比如管、板、管束等；（2）尺寸

比如管徑和管長等；（3）位置

比如管子的排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!四、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立

由于影響對流傳熱系數(shù)的因素非常多，因此確定其數(shù)值的大小是一個(gè)極為復(fù)雜的問題。目前還不能對對流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計(jì)算式，只能通過實(shí)驗(yàn)得到其經(jīng)驗(yàn)公式?！窘?jīng)驗(yàn)公式的建立方法】（1）通過因次分析，建立特征數(shù)（準(zhǔn)數(shù)）關(guān)系式；（2）通過實(shí)驗(yàn)，測定各準(zhǔn)數(shù)的待定系數(shù)。1、基本方法2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!準(zhǔn)數(shù)名稱符號準(zhǔn)數(shù)式含義努賽爾特?cái)?shù)(Nusseltnumber)Nu表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Re表示慣性力與粘性力之比，是表征流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭德數(shù)(Prandtlnumber)Pr表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個(gè)參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性格拉斯霍夫數(shù)(Grashofnumber)Gr表示由溫度差引起的浮力與粘性力之比3、特征數(shù)（準(zhǔn)數(shù)）的符號及意義2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!【定性溫度的有關(guān)說明】（1）什么是定性溫度

【定義】確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。

T2T1t1t22023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!（3）特征（性）尺寸（l）【定義】代表換熱面幾何特征的長度量（如長、寬、高及直徑等），是指對流體流動(dòng)和傳熱有決定性影響的設(shè)備某一幾何尺寸。工業(yè)上各種設(shè)備的特征尺寸都有規(guī)定，例如：①圓形管內(nèi)的對流傳熱，特性尺寸用管內(nèi)徑d；②非圓形管的對流傳熱，特性尺寸取當(dāng)量直徑de

。③大空間內(nèi)自然對流，取加熱（或冷卻）表面的垂直高度為特性尺寸。2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!【使用范圍】

Re>10000，0.7<Pr<120，<2×10-3Pa.s，l/d>60

【注意事項(xiàng)】

（1）定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值tm；（2）特征尺寸為管內(nèi)徑d；（3）流體被加熱時(shí)，n＝0.4；流體被冷卻時(shí)，n＝0.3。（4）若l/d＜60，進(jìn)行校正：2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!【近似計(jì)算】W

為壁溫下的粘度，在實(shí)際中，由于壁溫難以測得，工程上近似處理為：對于液體，加熱時(shí)：

冷卻時(shí)：

2023/3/4化工原理第四章對流傳熱共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!（4）流體在彎管中的對流傳熱系數(shù)【方法】先按直管計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)f：式中d

──管徑；

R

──彎管的曲率半徑。【說明