精选化工原理第四章对流传热资料
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有相变 无相变
6/29/2019Leabharlann Baidu
四、对流传热系数经验关联式的建立
1、基本方法 由于影响对流传热系数的因素非常多，因此确定其
数值的大小是一个极为复杂的问题。目前还不能对对 流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过 实验得到其经验公式。 【经验公式的建立方法】 （1）通过因次分析，建立特征数（准数）关系式； （2）通过实验，测定各准数的待定系数。
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw
)
bt’
6/29/2019
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q bt A(tw t)
流体被加热： Q A(tw t)
流体被冷却： Q' ' A(T Tw )
【说明】以上两式称为牛顿冷却定律，用于计算对 流传热速率。
6/29/2019
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
6/29/2019
（3） ——对流传热系数、给热系数、膜系数。表
征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性 常数（如λ ）。 （4）复杂问题简单化的表示──牛顿冷却定律虽然 给出了计算对流传热速率简单的数学表达式，但由 于对流传热一个非常复杂的物理过程，并未简化问 题本身（有效膜厚度难以测定），只是把诸多影响
6/29/2019
虚拟层 有效膜
【有效膜模型说明】 （1）厚度为：
bt＝δb＋δf （2）膜内温度的变化为 线性关系，即为传导传 热； （3）膜外无传热。
有效膜模型示意图
3、有效膜模型的数学描述
（1）有效膜的厚度：bt （2）有效膜的导热系数：λ
（3）使用傅立叶定律计算在有效膜内的传热速率。
当流体被加热时：
6/29/2019
6/29/2019
法向
20℃
22℃ 100℃
传热边界层——流 体温度发生显著变 化的区域。
传热边界层示意图
2、对流传热过程流体流动的分析
湍流主体 湍流主体
6/29/2019
（1）层流内（底）层的特点 层流内层内，由于流体质点只在流动方向上作一
维运动，在传热方向上无质点运动。其特点是：
6/29/2019
2、准数关系式（通过因次分析获得） 经分析可知：
＝f(u，l，，，Cp，，gt)
式中 l———特性尺寸； u———特征流速； β——体积膨胀系数 。
因次分析结果如下：
Nu KRe aPrbGr c
6/29/2019
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
。即：
Re ,bt
因此 湍流 层流
【结论】（1）为增大α，应增大Re； （2）但随着Re的增大，动力消耗大。
6/29/2019
4、传热面的形状、尺寸和位置 不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会造成边界
层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
（1）形状 比如管、板、管束等； （2）尺寸 比如管径和管长等； （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）；管或板是垂直放置还是水平放 置。
6/29/2019
5、是否发生相变 【现象】主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。 【特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温 度变化的显热（r远大于Cp）。 【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较 大，即：
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
6/29/2019
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
①主要依靠热传导方式来进行 热量传递； ②由于流体内部存在温差还会 有少量的自然对流。 ③传热温差大。
6/29/2019
（2）湍流核心（主体）的特点
①远离壁面； ②流体质点充分混合，温 度趋于一致（热阻小）； ③传热主要以对流方式进 行。
6/29/2019
（3）过渡区的特点
①存在质点混合、分子 运动的共同作用，温度 变化不像湍流主体那么 平缓均匀，也不像层流 底层变化明显。 ②传热以热传导和对流 两种方式共同进行。
过程的因素都归结到了当中。
6/29/2019
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
强制对流 自然对流
6/29/2019
2、流体的物性 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，
第四章
传热
第三节 对流传热
一、对流传热过程分析 二、对流传热速率方程 三、影响对流传热系数的因素 四、对流传热的特征数关联式 五、流体无相变时对流传热系 数的经验关联式
6/29/2019
一、对流传热过程分析 1、传热边界层
【现象】流体在平壁上流过时，如果流体和壁面间 将进行换热，将引起壁面法向方向上温度分布的变 化，形成一定的温度梯度。 【定义】靠近壁面处，流体温度发生显著变化的区 域，称为传热边界层或温度边界层。
6/29/2019
5、几点说明
（1）牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，是根 据有效膜模型建立起来的数学方程。 （这种处理问 题的方法，在工程中称之为数学模型法）
（2）Q A(T Tw) A(tw t)＝At
式中：Δt——传热壁与湍流主体之间的温度差； A——传热壁与流体的接触面积。
6/29/2019
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
6/29/2019
6/29/2019Leabharlann Baidu
四、对流传热系数经验关联式的建立
1、基本方法 由于影响对流传热系数的因素非常多，因此确定其
数值的大小是一个极为复杂的问题。目前还不能对对 流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过 实验得到其经验公式。 【经验公式的建立方法】 （1）通过因次分析，建立特征数（准数）关系式； （2）通过实验，测定各准数的待定系数。
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw
)
bt’
6/29/2019
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q bt A(tw t)
流体被加热： Q A(tw t)
流体被冷却： Q' ' A(T Tw )
【说明】以上两式称为牛顿冷却定律，用于计算对 流传热速率。
6/29/2019
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
6/29/2019
（3） ——对流传热系数、给热系数、膜系数。表
征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性 常数（如λ ）。 （4）复杂问题简单化的表示──牛顿冷却定律虽然 给出了计算对流传热速率简单的数学表达式，但由 于对流传热一个非常复杂的物理过程，并未简化问 题本身（有效膜厚度难以测定），只是把诸多影响
6/29/2019
虚拟层 有效膜
【有效膜模型说明】 （1）厚度为：
bt＝δb＋δf （2）膜内温度的变化为 线性关系，即为传导传 热； （3）膜外无传热。
有效膜模型示意图
3、有效膜模型的数学描述
（1）有效膜的厚度：bt （2）有效膜的导热系数：λ
（3）使用傅立叶定律计算在有效膜内的传热速率。
当流体被加热时：
6/29/2019
6/29/2019
法向
20℃
22℃ 100℃
传热边界层——流 体温度发生显著变 化的区域。
传热边界层示意图
2、对流传热过程流体流动的分析
湍流主体 湍流主体
6/29/2019
（1）层流内（底）层的特点 层流内层内，由于流体质点只在流动方向上作一
维运动，在传热方向上无质点运动。其特点是：
6/29/2019
2、准数关系式（通过因次分析获得） 经分析可知：
＝f(u，l，，，Cp，，gt)
式中 l———特性尺寸； u———特征流速； β——体积膨胀系数 。
因次分析结果如下：
Nu KRe aPrbGr c
6/29/2019
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
。即：
Re ,bt
因此 湍流 层流
【结论】（1）为增大α，应增大Re； （2）但随着Re的增大，动力消耗大。
6/29/2019
4、传热面的形状、尺寸和位置 不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会造成边界
层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
（1）形状 比如管、板、管束等； （2）尺寸 比如管径和管长等； （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）；管或板是垂直放置还是水平放 置。
6/29/2019
5、是否发生相变 【现象】主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。 【特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温 度变化的显热（r远大于Cp）。 【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较 大，即：
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
6/29/2019
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
①主要依靠热传导方式来进行 热量传递； ②由于流体内部存在温差还会 有少量的自然对流。 ③传热温差大。
6/29/2019
（2）湍流核心（主体）的特点
①远离壁面； ②流体质点充分混合，温 度趋于一致（热阻小）； ③传热主要以对流方式进 行。
6/29/2019
（3）过渡区的特点
①存在质点混合、分子 运动的共同作用，温度 变化不像湍流主体那么 平缓均匀，也不像层流 底层变化明显。 ②传热以热传导和对流 两种方式共同进行。
过程的因素都归结到了当中。
6/29/2019
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
强制对流 自然对流
6/29/2019
2、流体的物性 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，
第四章
传热
第三节 对流传热
一、对流传热过程分析 二、对流传热速率方程 三、影响对流传热系数的因素 四、对流传热的特征数关联式 五、流体无相变时对流传热系 数的经验关联式
6/29/2019
一、对流传热过程分析 1、传热边界层
【现象】流体在平壁上流过时，如果流体和壁面间 将进行换热，将引起壁面法向方向上温度分布的变 化，形成一定的温度梯度。 【定义】靠近壁面处，流体温度发生显著变化的区 域，称为传热边界层或温度边界层。
6/29/2019
5、几点说明
（1）牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，是根 据有效膜模型建立起来的数学方程。 （这种处理问 题的方法，在工程中称之为数学模型法）
（2）Q A(T Tw) A(tw t)＝At
式中：Δt——传热壁与湍流主体之间的温度差； A——传热壁与流体的接触面积。
6/29/2019
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
6/29/2019