第四节对流传热

特点：传热阻力小，给热系数α大。
热流方向
热流方向
滴 膜
工业上遇到的大多数是膜状冷凝 故冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理
蒸汽 ts
蒸汽 ts
2.蒸汽冷凝的对流传热系数经验关联式
(1)蒸汽在水平管外的膜状冷凝时的对流传热系数
单管： 管束：
1
0.725
3 2 r d0 t
cp 2.13kJ kg oC; 0.138W m1 oC1 体积膨胀系数 6910-5 oC-1; 0 oC时的密度0 =889kg m-3 粘度和温度T(K)的关联可用 4.7510-6 exp(5550 / K )表示;
管内流速u 0.32m s-1;
求：给热系数及所需要换热器的长度
当壁温难以确定时 μ / μ壁 可按以下处理：
气体（加热、冷却） 液体被加热 液体被冷却
μ / μ壁 = 1.0 μ / μ壁 = 1.05 μ / μ壁 = 0.95
（3）短管中强制湍流时对流传热系数
当l/d < 60时，根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公式 计算α。 最后乘以管入口效应校正系数
分析：
A Q
Q
Q ms1cp1(T1 T2 )
ms1
4
d
2u
L
(T TW )
A
T
T T1 T2
2
α
选用合适的公式
Re
注意：所有物性参数与特性温度有关系
具体解题过程见P167页例5-15
六、管外强制对流的对流传热系数
1. 流体在管束外垂直流过
管外流动由于结构件因素，易产生边界层分离现象， 从而使局部传热系数在不同位置相差较大。
分析： （1）确定流动型态-----自然对流
Q At
Q
α
自然对流
Nu
Nu C(Gr Pr)n
Gr
Gr l3 2gt
2
定性温度（膜温）
Pr
问题： 怎么求？
复 习：对流给热系数的计算：
一、无相变对流给热系数的计算
无相变
管内
层流 湍流
外壁
水平圆管外 管束外
自然对流
公式不要求记住，但是要会查，知道公式的每一项物理 意义。
解决方法：研究各种对流传热情况下α的大小、影响因素及计算 式。
研究对流传热问题的核心
二、对流传热系数α
对流传热系数的定义式 意义:
Q W / m2 C At
1.α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。
2.α反映了对流传热的快慢,α愈大表示对流传热愈快。
3.α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。
定性温度：流体进、出口算术平均温度
tm
t1
t2 2
特征尺寸：管内径
☺思考：与u、d有何比例关系？
0.023
d
( du )0.8 (cp )n
0.023
u d
0.8 0.2
0.8cp n 1n 0.8
u0.8
d 0.2 i
提高管内对流传热系数的措施：
• u,u0.8 • d, 1/d0.2
原则: 按相应情况下湍流（高、低粘度）公式计算，乘以校正 因子f2即可。
f2
1
6 105 Re1.8
应用条件: Re = 2300 ~ 10000 其余同上
（6）圆直管内强制层流流时的对流传热系数
1
0.14
Nu
1.86
Re
Pr
d l
3
壁
应用范围： Re < 2300 ， 0.6 < Pr < 6700 ， Gr < 25000，d/l > 50
管外流动时的传热系数还与流体横过管束时，管子的 错列、直列排列方式有关
在换热器内单排管： Nu C1C2 Ren Pr0.4
C1,C2, n的值，查171页，表5-11
整个管束： i Ai Ai
αi和Ai分别表示第i排的给热系数和传热面积
定性温度： tm (t1 t2 ) / 2
牛顿冷却定律存在的问题： Q At At t
1A
1.牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题，但它并非理论推导 的结果，而是一种推论，即假设单位面积的传热速率与温差成 正比。
2.该公式形式虽然简单，但它并未揭示对流传热过程的本质，并 未减少计算困难，只不过将所有复杂的因素都转移到对流传热 系数中，实质上是将矛盾集中到对流传热系数α。
cp
)n
注意： C,n与传热面的形状（管或板）、放 置位置（垂直、水平）有关。表5-12
定性温度：膜温
特征尺寸：垂直的管或板为高度 水平管为管外径
例5-17 有一垂直蒸汽管，外径100mm，长3.5m，管外壁 温度为110℃。若周围空气温度为30 ℃，试计算单位时间 内由于自然对流散失于周围空气中的热流量。
每一个公式要知道适用范围，特性尺寸以及定性温度。
九、 流体有相变时的对流传热 一）蒸汽冷凝传热系数
相变 无相变
1.蒸汽冷凝时的状况
产生原因：冷凝壁有润湿作用，形成冷凝液膜 膜状
特点：传热阻力集中于膜中，导热系数小，
冷凝方式
热阻大，故给热系数α小。
滴状 过程比较:
滴冷 膜冷 5 ~ 10
产生原因：壁面无润湿作用（光滑）。
特性尺寸：管的外径do
适用范围： 5000 Re 70000
x1 1.2 5 d
x2 1.2 5 d
2．流体在换热器壳程的流动
挡板形式：圆形、圆缺形
由于折流挡板的存在，流体流过时湍动程度 很大，当Re>100即达到湍流
壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：
Nuቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0.36 Pr1/3 Re 0.55
4) 传热面的形状，位置和大小 传热面形状：圆管,平板,环隙，翅片形式等 传热面大小：流道尺寸（管径，管长，板高和进口效应） 传热面位置：(水平,垂直), 管束排列方式
5) 传热有、无流体相变情况 有流体相变：如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液体在热壁面上的沸腾
流体有无相变化，对传热有不同的影响 有相变 无相变
对平壁: 一般取厚度或高度 (长度) c.物性的定性温度
因物性随温度变化，在传热过程中，流体在不同位置温度不
同，物性随之变化。
一般取法：进、出口流体的算术平均值
tm
t1
t2 2
也可取壁温
tw
或膜温
tm tw 2
作定性温度。
五、流体无相变时对流传热系数的经验关联式 1. 流体在管内作强制对流传热 (1). 圆直管内强制湍流(低粘度液体及气体)
l
K
lu
a
Cp
b
l3 2gt 2
c
Nu K Rea PrbGrc
无相变，强制对流： c 0, Nu K Rea Prb
则有
无相变，自然对流： a 0, Nu K PrbGrc
2）各特征数（准数）的特点及意义
表 5-9 特征数的名称、符号和含义
准数名称 努赛尔特数 (Nusselt number)
表示流体物性对对流传热 的影响
表示自然对流对对流传热 的影响
3.讨论—经验关联式应用的几点注意事项: a.适用范围
由于关联公式是在不同实验条件下得到的,故应用时应根据 实际情况选用相应的公式,且准数范围不能超出规定。
b.特征(定性)尺寸: 常以对传热发生重要影响的设备尺寸定量
如对管道: 一般取d,或de (非圆管道)
1） u ; 但u 流动阻力 u2 , hf 2） de
3）加强湍动，
注意：换热器无折流挡板时，壳体流体平行 流过管束，对流给热系数按管内强制对流计 算，但管子的内径换为当量直径。
七、大空间的自然对流传热
Nu f (Gr, Pr) Nu C(Gr Pr)n
C
l
2 gtl3 ( 2
1. 的获得主要有三种方法：
1)理论分析法：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。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。
——传热学及传递过程的研究内容
2)类比方法：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。
3)实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。
f1
1
d内 l
0.7
（4）弯形圆管中强制湍流时对流传热系数
先求出Re ，再根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公
式计算α。 最后乘以弯管效应校正系数 '
' 11.77 d内
R弯曲
R弯 —— 管道的弯曲半径
适应条件： Re = 12000 ~ 220000 其余同上：
（5）过渡流时圆直管中对流传热系数
总之： l g 有 相 变 无 相 变 强 制 自 然 湍流 层流
3. 各种情况下对流传热系数求算的特征数关系式
1）特征数关系式通式——因次分析法
由实验可知流体无相变时：
f u、l、、、、Cp、 gt l—特征尺寸
基本因次：长度L，时间 ，质量 M，温度T 变量总数：8个 由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。
• 流体物性的影响，选大的流体 •强化措施：增大流速，减小管径
（2）圆直管中强制湍流（高粘度流体）
0.027
di
diu
0.8
Cp
1
3
壁
0.14
Re > 104; 0.6 < Pr <160; l/d >50
应用范围： 特性尺寸：管内径。 定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口 温度的算术平均值。
式中 h—两块折流挡板间距离，m；
D——换热器壳径，m；
do——管子的外径，m； t——相邻两管中心距，m。
提高壳程对流传热系数的措施：
由
Nu
0.36 Pr1/3
Re 0.55
W
0.14
de
0.36(
cp
)1/
3
(
d
eu
)0.55
W
0.14
可得：
u 0.55 d 0.45
e
所以：提高壳程对流传热系数的措施：
实验表明：α与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何 状况等诸多因素有关。
2. 影响对流传热系数的因素:
1) 流动状态：层流和湍流的传热机理有本质的区别
层流: 传热基本上依靠分子扩散作用的导热方式,质点无混杂运动。
湍流: 湍流主体的传热为涡流作用引起的热对流，质点呈混杂运 动，传热充分。但在壁面附近的层流内层中仍为热传导。
湍流 层流
2) 对流情况：自然对流，强制对流 (流动和传热规律不同)
自然对流：流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同， 引起流体质点的相对位移。
强制对流: 外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体流动。u影响 大。
强制对流 （几 几十）自然对流
3) 流体的性质(Cp ,λ, ρ,μ，β) 均与相态，温度 t 和压力 p有关
2) 直接实验法
套管环隙 : 水-空气系统
0.02
(
d2
)0.5
Re
0.8
Pr
1 3
de d1
适用范围：
12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1为内管外径，d2为外管内径
例5-15 润滑油在内径d=12mm的换热管内，由95℃冷却到65 ℃；壁温tw=20 ℃。在本题涉及的温度下，油的物性可取：
表5-8 α值的范围
换热方式 空 气 自 气 体 强 水 自 然 水强制对 水 蒸 汽 有机蒸汽 水沸腾
然对流 制对流 对流 流
冷凝
冷凝
W/(m2.℃) 5～25 20～100 20～ 1000
1000～ 5000～ 15000 15000
500～ 2500～25000 2000
三. 对流传热系数的确定
W
0.14
定性温度：除μw取壁温外，均取流体进
、出口温度的算术 平均值。
特征尺寸：当量直径de
当量直径de要根据管子的排列方式而定：
d0
正方形排列：
de
4(t 2
0.785d02 )
d0
正三角形排列：
t t
de
4(
3 2
t
2
0.785d 0 2
)
d0
流速u按流通截面最大处的截面计算：
S hD(1 do ) t
定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术 平均值。
特性尺寸：管内径。
当 Gr > 25000时，自然对流的影响不可忽略
1
上式按 f1 0.8(1 0.05Gr 3 ) 校正系数相乘予于修正。
(7) 非圆形管强制湍流
1) 当量直径法 用de代替di计算，u不同de,要用 实际的流通面积计算。
Nu 0.023Re 0.8 Pr n
0.023
di
diu
0.8
Cp
n
式中:
流体被加热时 n = 0.4
流体被冷却时 n = 0.3
应用条件:
Re > 104 μ ≤ 20 cP 0.6 < Pr <160 （也有 0.7 < Pr < 120） l/d >50 （也有 l/d >60）
雷诺数 (Reynolds number)
普兰特数 (Prandtl number) 格拉斯霍夫数 (Grashof number)
符号 Nu Re Pr Gr
准数式
Nu L
Re lu
Pr Cp
Gr l3 2gt 2
含义
表示对流传热系数的准数
流体的流动状态和湍动程 度对对流传热的影响