1、熱流體冷流體thtcth,wtc,w 流體通過間壁的熱交換流體與固體壁面之間傳熱：流體與固體壁面之間傳熱;流體中質點發生相對位移而引起熱交換。4.3 對流傳熱對流傳熱說明：說明：流體的運動對傳熱發生重要影響。 （1）機理）機理 流體質點碰撞、混合，傳遞熱量， 包括對流傳熱和熱傳導 對流傳熱與流體流動狀況密切相關對流傳熱與流體流動狀況密切相關 湍動程度越高，對流的傳熱速率越大。工程上，對流傳熱指流體和固體壁面間的傳熱過程工程上，對流傳熱指流體和固體壁面間的傳熱過程（2）分類）分類 自然對流：自然對流：溫差引起密度差，造成流體流動。 強制對流強制對流：流體靠外加動力流動，造成對流。4.3.1 熱邊

2、界層的概念熱邊界層的概念 （1）熱邊界層）熱邊界層 近壁處，流體溫度顯著變化的區域。 tttt-t(t-tW)/ (t-t)=0.99t-ttW 流體被平壁冷卻溫度邊界層u0tytttt(tW-t)/ (tW-t)=0.99tW t 流體被平壁加熱溫度邊界層0tytu熱邊界層的形成過程（2）熱邊界層的厚度）熱邊界層的厚度)(99. 0ttttww（3）熱邊界層的特點）熱邊界層的特點 層內（近壁處）：層內（近壁處）：集中全部的溫差和熱阻 層外（流體主體）：層外（流體主體）：等溫區，無溫差和熱阻 （4）熱邊界層發展過程）熱邊界層發展過程dt21max,圓管內（5）熱邊界層與流動邊界層關系）熱邊界層

3、與流動邊界層關系 ttt(tW-t)/ (tW-t)=0.99tW t 流體被平壁加熱溫度邊界層0tytudu/dydu/dyuuuu/u=0.99uuuuu/u=0.99層流內層湍流邊界層層流邊界層平板上的流動邊界層區別區別：本質不同，厚度不一定相等。聯系聯系：研究問題方法相似，兩者密切相關。流動邊界層對熱邊界層的影響流動邊界層對熱邊界層的影響：湍流區：湍流區：質點相互混合交換熱量， 溫差小。緩沖層：緩沖層：質點混合、分子運動共同作用，溫度變化平緩。層流內層：層流內層：導熱為主，熱阻大、溫差大。 說明：說明：流動邊界層對傳熱邊界層影響顯著， 改善流動狀況，特別是減薄層流內層厚度， 可使傳熱速

4、率大大提高。4.3.2 對流傳熱速率方程和表面傳熱系數對流傳熱速率方程和表面傳熱系數（1）牛頓冷卻定律）牛頓冷卻定律thAhAt1thq或：KmWh2/：表面傳熱系數，：流體與壁溫之差t熱流體冷流體thtcth,wtc,w 流體通過間壁的熱交換th1th2tc1tc2說明說明： 實驗定律； 對壁兩側流體(冷、熱)均適用。牛頓冷卻定律熱流體：熱流體： 冷流體冷流體： )(,whhhhttAh)(,cwcccttAhAhttccwc1, h h是計算關鍵，一般由實驗測定。是計算關鍵，一般由實驗測定。Ahtthwhh1,（2）對流傳熱過程的簡化模型）對流傳熱過程的簡化模型 真實模型真實模型 流體主體

5、過渡層 層流內層 對流 對流,導熱 導熱 研究方法研究方法：計算各層的熱流量。ThmTcmL1ThwL212TCW簡化模型簡化模型 有效膜（虛擬膜）：有效膜（虛擬膜）：集中全部溫差，以熱傳導方式傳熱。)/(11,Attwhh由傅立葉定律：（有利于傳熱），則，一定時，hRte優點：優點：對流傳熱問題 導熱問題,h，層流內層厚度減薄，湍動程度代價代價：動力消耗。4.4 表面傳熱系數的經驗關聯表面傳熱系數的經驗關聯4.4.1 影響表面傳熱系數的因素影響表面傳熱系數的因素 （2）流體流動原因）流體流動原因 強制對流強制對流：外部機械作功， 一般流速較大， h也較大。 自然對流自然對流：由流體密度差造成

6、的循環過程, 一般流速較小，h也較小。（1）流體流動狀態）流體流動狀態, h：,hRe：./3CmkJCCPP，單位體積流體的熱容量：hCP，hRe，：（3）流體的物理性質）流體的物理性質 定性溫度：定性溫度：計算表面傳熱系數的特征溫度 一般，)(2121tttm（4）傳熱面的形狀、位置和大小）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，使h增大。（5）相變化的影響）相變化的影響 有相變傳熱有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰， 無相變傳熱：無相變傳熱：強制對流、自然對流， 一般地，有相變時表面傳熱系數較大。 例例：水 強制對流， 蒸汽冷凝，KmWh2

7、/10000250：KmWh2/150005000：4.4.2 無相變化時對流傳熱過程的量綱分析無相變化時對流傳熱過程的量綱分析 （1）量綱分析過程）量綱分析過程優點：優點：減少實驗次數；依據：依據：物理方程各項量綱一致；步驟：步驟：（a）通過理論分析和實驗觀察，確定相關因素；）通過理論分析和實驗觀察，確定相關因素；（b）構造函數形式；）構造函數形式；hfpedcbatgclKuh)(ifPatglcluKhl)()()(223),(pCtglufh無相變：（c）列出量綱指數的線性方程組（）列出量綱指數的線性方程組（M、L、T、 ）；）；（d）規定已知量（指數），）規定已知量（指數）， 確定余

8、下指數表達式；確定余下指數表達式；（e）整理特征數方程形式。）整理特征數方程形式。)(rreuGPRfN，無相變對流傳熱：努賽爾數努賽爾數hlNultdydty0)(平均溫度梯度壁面處溫度梯度無量綱溫度梯度說明：說明： 反映對流傳熱的強弱，包含表面傳熱系數； 努賽爾數恒大于1。粘滯力慣性力duuduRe2 說明：說明： 反映流動狀態對 h 的影響。l：特征尺寸：特征尺寸，平板 流動方向的板長； 管 管徑或當量直徑；thdydtqy0)(（2）特征數的物理意義）特征數的物理意義雷諾數雷諾數 普朗特數普朗特數pPrCCP/熱擴散系數導溫系數動量擴散系數運動粘度)()(av說明：說明： 反映流體物性

9、對傳熱的影響 反映熱擴散和動量擴散的相對大小 反映流動邊界層和熱邊界層的相對厚度travP, 1travP, 1travP, 1使用時注意使用時注意： * 查取定性溫度下的物性； * 計算所用單位，SI制。說明：說明： 反映自然對流的強弱程度。 格拉曉夫數格拉曉夫數（浮升力特征數）浮升力特征數）223tlgGr,化：單位體積流體浮力變tg ),(reuPRfN 1 . 0/2erRG),(rruPGfN 10/2erRG),(,rreuPGRfN 10/1 . 02erRG22Re)(bblu,/ 1 C：體積膨脹系數，.Re數：表示自然對流的雷諾b強制對流強制對流自然對流自然對流混合對流混合

10、對流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管內強制對流Nu/Pr0.4與Re的關系Nu / Pr0.4Re14.4.3 無相變化的對流傳熱無相變化的對流傳熱（1）管內強制對流傳熱）管內強制對流傳熱 一般關系式： nrmeuPCRN 傳熱流動狀態劃分（傳熱流動狀態劃分（區別于流體流動時規律 ）2300eR層流：10000eR湍流：100002300eR過渡流： 流體在圓形直管內流體在圓形直管內湍流時湍流時的表面傳熱系數的表面傳熱系數nreuPRN8 . 0023. 0npiicuddh8 . 0023. 0或：a) 一般流體一般流體流動狀態不同，則

11、 c、m、n 值不同流體被加熱，n= 0.4流體被冷卻，n= 0.310000eR1606 . 0rP50/dlPa3102定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管內徑di10000eRnrP保證流體達到傳熱湍流；適用條件適用條件：說明說明：50/dl避開傳熱進口段，保證穩態傳熱。 傳熱進口段傳熱進口段：傳熱正在發展，h不穩定 (隨管長增加h減小)OxNux或hxNuxhx Nux或hx的變化趨勢tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分發展了的邊界層 層流情況下流體在管內溫度分布進口段溫度分布和局部表面傳熱系數的變化傳熱進口段長度傳熱進口段長度：進口到傳熱邊界層匯合

12、點間的長度。說明：經驗公式，有一定誤差。說明：經驗公式，有一定誤差。reentPRx05. 0層流：dxent50湍流：b)粘度較大粘度較大流體流體14. 033. 08 . 0)/(027. 0wreuPRN近似取：05. 1)(14. 0w流體被加熱：95. 0)(14. 0w流體被冷卻：適用條件：適用條件： 10000eR1677 . 0rP60/ dl定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管內徑dic)流體流過流體流過短管短管（l/d80，邊界層分離，使h，有一個最低點。 2 2）高雷諾數）高雷諾數（140000219000）有兩個最低點： N01： =70

13、-80，層流邊界 層湍流邊界層； N02： =140（分離點）， 發生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oNu不同Re下流體橫向流過圓管時局部努塞爾數的變化Re=219000186000140000101300708001700003/1rneuPCRN常數C、指數n見下表沿整個管周的平均表面傳熱系數：沿整個管周的平均表面傳熱系數：ReCn0.44440404000400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：特征尺寸：管外徑 管束的排

14、列方式管束的排列方式 直列（正方形）、 錯列（正三角形） b) 流體流體橫向橫向流過流過管束管束的表面傳熱系數的表面傳熱系數x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意x1x2d錯列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意直列直列第一排管第一排管 直接沖刷 ；第二排管第二排管 不直接沖刷；擾動減弱第二排管以后基本恒定。第二排管以后基本恒定。錯列錯列第一排管第一排管 錯列和直列基本相同； 第二排管第二排管 錯列和直列相差較大， 阻擋減弱，沖刷 增強； 第三排管以后基本恒定。第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d各排管各排管h的變化規律的變化規律0.80.60.40.21.0

15、1.61.41.2120o90o30o0o60oNu2.01.8150o180o0o90o180o直列管束中，不同排數的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣）1237Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60o2.01.8150o180o0o90o180o錯列管束中，不同排數的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣） 可以看出，錯列傳熱效果比直列好。可以看出，錯列傳熱效果比直列好。傳熱系數的計算方法傳熱系數的計算方法 任一排管子任一排管子：4 .0rneuPRCNC、n 取決于管排列方式和管排數。特征尺寸：特征尺寸：管外徑7000

16、05000eR52 . 1/1dx52 . 1/2dx適用范圍：適用范圍：iiiAAhh/整個管束平均：3/16 . 033. 0reuPRN 大致估算： c) 流體在列管換熱器管殼間的傳熱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折流擋板 ： 殼程流體的流動方向不斷改變， 較小Re（Re=100），即可達到湍流。 缺點缺點：流動阻力，殼程壓降的重要因素。作用作用： 提高湍動程度，h，強化傳熱； 加固、支撐殼體。 圓缺折流板示意圖管板1010210310410102114. 031W管殼式換熱器表面傳熱系數計算曲線ReRePr有折流擋板時殼程流體有折流擋板時

17、殼程流體表面傳熱系數：表面傳熱系數：14. 03/155. 0)/(36. 0wreuPRN14. 03/155. 0)/(36. 0wreePRdh或：6102000eR適用條件：擋板切割度：25%D。2/ )(21tttm定性溫度：特征尺寸：特征尺寸：流道的當量直徑。0202)4(4ddtde正方形排列正方形排列d0t也可采用關聯式：0202)423(4ddtde正三角形排列正三角形排列 流速的確定流速的確定：按最大流通截面 (最小流速) 計算。 12SS 一般地，)1 (0tdBDSDS1S2B 說明：說明： 無折流板時，無折流板時，流體平行流過管束， 按管內公式計算，特征尺寸為當量直徑

18、。當量直徑。d0t(3) 自然對流傳熱自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導致流體流動。 分類：分類：大空間自然對流傳熱大空間自然對流傳熱：邊界層發展不受限制和干擾。 有限空間自然對流傳熱：有限空間自然對流傳熱：邊界層發展受到限制和干擾。大空間自然對流傳熱大空間自然對流傳熱：豎直壁面上表面傳熱系數的分布近壁處溫度與流速的分布 沿豎壁自然對流的流動和換熱特征ut,hW,htht1htuyxxh大空間內流體沿垂直壁面進行自然對流：大空間內流體沿垂直壁面進行自然對流：表面傳熱系數的求取：表面傳熱系數的求取：查圖求解查圖求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080

19、流體沿垂直壁面垂直壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關系曲線lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流體沿水平壁面水平壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關系曲線lg(GrPr)lg(Nu)nrruPGCN)(大空間內流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時：定性溫度：定性溫度：膜溫 2/ )2(21wmtttt定型尺寸：定型尺寸：豎板，豎管，L； 水平管，外徑 do影響因素：影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；系數系數C和指數和指數n的取值見下表：的取值見下表： 經驗關聯經驗關聯doL傳熱面的形狀

20、及位置GrPrCn特征長度垂直的平板及圓柱面10-1104104 109109 1013查圖4.1.15(a) 0.59 0.1查圖4.1.15(a)1/41/3高度L水平圓柱面 010-510-510410410910910110.4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21048106 810610110.540.151/41/3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10510110.581/5有相變對流傳熱的特點有相變對流傳熱的特點相變過程中產生大量相變熱（潛熱）；相變過程中產生大量

21、相變熱（潛熱）；例例：水 4.4.4 有相變化的對流傳熱有相變化的對流傳熱kgkJrC/4 .22581000時，汽化潛熱CkgkJCpC00/187. 41000，比熱無相變相變一般：hh相變過程有其特殊傳熱規律，傳熱更為復雜；相變過程有其特殊傳熱規律，傳熱更為復雜；分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1) 蒸汽冷凝機理蒸汽冷凝機理 優點優點：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制 蒸汽冷凝的表面傳熱系數較大。 冷凝方式：冷凝方式： 膜狀冷凝膜狀冷凝 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。 滴狀冷凝滴狀冷凝 凝液結為小液滴（附著力小于

22、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傳熱系數比較兩種冷凝方式的表面傳熱系數 h滴狀冷凝滴狀冷凝h h膜狀冷凝膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍， 但工業操作工業操作上，多為膜狀冷凝。膜狀冷凝滴狀冷凝(2) 膜狀冷凝表面傳熱系數膜狀冷凝表面傳熱系數 努塞爾方程的理論推導努塞爾方程的理論推導 研究：研究：垂直管外或壁面的膜狀膜狀冷凝；方法：方法：真實模型簡化模型數學模型求解。 膜狀冷凝的真實過程膜狀冷凝的真實過程 hx 簡化的物理模型簡化的物理模型 液膜很薄，層流層流流動，傳熱方式為導熱導熱，溫度分布為線性； 蒸汽靜止，汽-液界面無粘性應力 ；汽、液相物性為常數，壁面溫度恒定，

23、膜表面溫度t=ts；冷凝液為飽和液體。0|yxyuxbyuxdddxbygd)(bstsh,tWh,tyth,x,yuyxxd0yuxyx努塞爾特膜狀冷凝簡化模型 建立數學模型求解建立數學模型求解 按假設， xh推導膜厚推導膜厚： 412)4(grtxhx.壁溫膜表面溫度其中，wsttt4132)4(txgrhx則：lxdxhLhL01，則平均值：若豎壁高為bdxy)( 取微元體做受力分析、質量衡算、熱量衡算，得：4132)(943. 0tLgrh努塞爾方程：2/ )(wsmttt定性溫度：膜溫 特征尺寸：L（豎壁或圓管壁高度）4132)sin(943. 0tLgrhwsttt傾斜壁面：傾斜壁

24、面： 蒸氣在斜壁上的冷凝sing 努塞爾方程的無量綱化努塞爾方程的無量綱化 液膜流動雷諾數)/)(/4(SqbSudRmeeMbqm4)/( 4S 為流通面積 ；b 為周邊長度 ；qm/S=G 質量流速。冷凝負荷冷凝負荷: M= qm /b 單位潤濕周邊上凝液的質量流率，kg/ms；由熱量衡算得，rqthAm有相變：tLMrtbLrqtAhm則：4132)(943. 0Mhgh3131232)(47. 1eRgh于是有：31322)(ghh 令：說明：說明：若為垂直管外冷凝，亦可采用上述努塞爾特方程，只 是Re中的潤濕周邊b需用d0代替，d0為豎管外徑。 ,系數：無量綱冷凝表面傳熱hMhtLr

25、即：將上式代入努塞爾方程，則有：3147. 1eRh 量綱為一努塞爾方程。 實驗結果實驗結果：實測值高于理論值（約20%） 原因原因：液膜的波動、假設的不確切性(3) 膜狀冷凝傳熱膜系數的經驗關聯膜狀冷凝傳熱膜系數的經驗關聯 垂直管外或壁面上的冷凝垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜層流）液膜層流 1800eR4132)(13. 1tLgrh3188. 1eRh實測：（b）液膜湍流）液膜湍流 4 . 0232)4()(0077. 031rtLhgh或：4 . 00077. 0eRh 注意：壁溫未知時，計算應采用試差法。注意：壁溫未知時，計算應采用試差法。neCRh 2000eR完全由實驗獲得 水

26、平圓管外膜狀冷凝說明：說明：此式計算值和實驗結果基本一致。 水平管冷凝表面傳熱系數水平管冷凝表面傳熱系數 （a）水平單管外冷凝水平單管外冷凝 理論計算：按傾斜壁對方位角做積分（0-1800）。41032)(725.0tdgrh或：3151. 1eRh)44Re(Mbqm其中， 層流時層流時， 水平管外膜狀冷凝水平管外膜狀冷凝 （b）水平管束外冷凝）水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和錯排兩種 ：12342123第一排管子：第一排管子：冷凝情況與單根水平管相同。其他各排管子：其他各排管子：冷凝情況必受到其上排管流下冷凝液的 影響，表面傳熱系數依次下降。 水平管束的排列及其對冷凝液膜厚度的影響

27、41032)(725. 0tndgrh理論計算平均值：管排數不同時，管排數不同時， 采用平均管排數：475. 0375. 0275. 01321).(nnnnnnnzav475. 0)(iinn4103/232)(725. 0tdngrh實驗值： 近似取殼體直徑上的管根數NTc5 . 01 . 1TTcNN正三角形排列：5 . 019. 1TTcNN正方形排列：（c）水平管內冷凝）水平管內冷凝 特點特點：考慮蒸汽流速對h的影響 （1）蒸汽流速不大時，凝液可順利排出， 可采用管外冷凝公式計算。（2）當蒸汽速度較大時，可能形成兩相流動， 應參考有關公式。蒸汽蒸汽凝液凝液不凝氣不凝氣(4) 影響冷凝

28、傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 冷凝液膜兩側的溫度差：冷凝液膜兩側的溫度差： 流體物性的影響：流體物性的影響： 不凝性氣體的影響不凝性氣體的影響：形成氣膜，表面傳熱系數大幅度下降。 蒸氣過熱的影響蒸氣過熱的影響：過熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱過程與無相變對流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽和蒸汽冷凝處理。 蒸氣流速的影響蒸氣流速的影響：流速不大時，影響可忽略； 流速較大時，且與液膜同向，h增大； 流速較大時，且與液膜反向，h減小。httttwshr均影響、 沸騰沸騰: 沸騰時，液體內部有氣泡產生， 氣泡產生和運動情況，對h影響極大。 沸騰分類沸騰分類： 按設備尺寸和形狀不同 池式沸騰池式沸騰（大容積飽和沸騰）； 強制對流沸騰強制對流沸騰（有復雜的兩相流）。 按液體主體溫度不同 過冷沸騰：過冷沸騰：液體主體溫度t ts， 氣泡進入液體主體后冷凝。 飽和沸騰：飽和沸騰：tts， 氣泡進入液體主體后不會冷凝。（5）液體沸騰傳熱）液體沸騰傳熱液體主體 t液體主體液體主體 tts 液體主體液體主體 t ts 1) 大容積飽和沸騰