1、第四節(jié)第四節(jié) 對流傳熱對流傳熱工程定義：流體與固體壁面之間的傳熱稱為對流傳熱12管壁內側管壁內側熱流體熱流體對流對流)(1)1(Qt2t1T1T2對流對流對流對流 傳導傳導冷冷流流體體Q熱熱流流體體管壁外側管壁外側管壁內側管壁內側熱傳導熱傳導)(2)2(Q冷流體冷流體管壁外側管壁外側對流對流)(3)3(Q穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱：QQQQ 321一、對流傳熱過程分析一、對流傳熱過程分析3ttWTWTA2A1傳熱壁傳熱壁冷流體冷流體熱流體熱流體 T tl 湍流主體湍流主體溫度梯度小，熱對流為主溫度梯度小，熱對流為主l 層流內層層流內層溫度梯度大，熱傳導為主溫度梯度大，熱傳導為主l 過渡區(qū)域過渡區(qū)域熱傳

2、導、熱對流均起作用熱傳導、熱對流均起作用l 傳熱有效膜傳熱有效膜所有阻力集中在一虛擬膜所有阻力集中在一虛擬膜層（厚度層（厚度）中，并按熱傳）中，并按熱傳導處理導處理一、對流傳熱過程分析一、對流傳熱過程分析5層流內層緩沖層湍流核心 湍流邊界層傳熱方式熱傳導熱傳導和對流對流1. 對流傳熱分析溫度梯度 較大居中較小熱阻 較大居中較小 對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內層，因此，減薄層流內層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。6式中式中 1 、 2 熱、冷流體的對流傳熱系數(shù)，熱、冷流體的對流傳熱系數(shù)， W/(m2K)；膜系數(shù)膜系數(shù) T 、TW、t、tW 熱、冷流體的

3、熱、冷流體的平均平均溫度及溫度及 平均平均壁溫，壁溫，。 )(11WTTSQ)(22ttSQW冷流體：冷流體：熱流體：熱流體：牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律簡化假定：認為全部阻力都集中在厚度的有效膜內的有效膜內故：tSQ令：/得：tSQ二、對流傳熱速率方程式二、對流傳熱速率方程式7tSQ物理意義：表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率，W/(m2)；反映對流傳熱的快慢， 越大，對流傳熱越快；不是流體本身的物理性質，與流體的流動狀態(tài)、有無相變、流體物性、壁面情況、流體流動的原因等有關。83.3.2 對流傳熱系數(shù) KmWKmW22/10020/255：強制對流自然對流 KmWKmWKmWKmW22

4、22/250002500/150005000/150001000/1000200：水沸騰蒸汽冷凝強制對流自然對流空氣中水中無相變有相變 自然強制 gl 總之： KmWKmW22/2000500/150050：蒸汽冷凝強制對流油類中的量級三、影響對流傳熱系數(shù)三、影響對流傳熱系數(shù) 的因素的因素1.1.流體的性質流體的性質影響影響 較大的物性有：較大的物性有：1. ，Re，;2. ，Re， ;3. ， ;4. cp，cp，cp：比熱容：體積膨脹系數(shù)5. ，al ag， a相變 a非相變2.2.流體的種類和相變化情況流體的種類和相變化情況: : 蒸汽冷凝、液體沸騰3.3.流體的流動狀態(tài)流體的流動狀態(tài)a

5、湍流 a層流4.4.引起流動的原因引起流動的原因a強制對流 a自然對流5.5.流體溫度流體溫度6.6.傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小形狀：如管、板、管束等；大小：如管徑和管長等；位置：如管子的排列方式（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。10三、影響對流傳熱系數(shù)三、影響對流傳熱系數(shù) 的因素的因素四、對流傳熱的特征數(shù)關系式四、對流傳熱的特征數(shù)關系式 固體表面與不發(fā)生相變化的流體間的對流傳熱過程，影響固體表面與不發(fā)生相變化的流體間的對流傳熱過程，影響此過程的因素有：此過程的因素有： 液體的物理性質：液體的物理性質： ， ， ，cp 固體表面的特征尺寸：固

6、體表面的特征尺寸：l 強制對流的流速：強制對流的流速：u 自然對流的特征速度：自然對流的特征速度： 在對流傳熱中，獲得傳熱系數(shù)的最常用的方法是用因次在對流傳熱中，獲得傳熱系數(shù)的最常用的方法是用因次分析將影響對流傳熱的因素無因次化，通過實驗決定無因次分析將影響對流傳熱的因素無因次化，通過實驗決定無因次準數(shù)之間的關系。準數(shù)之間的關系。tg 11變量總數(shù)：變量總數(shù)：8個個基本因次基本因次4個：長度個：長度L，時間時間T，質量質量M，溫度溫度 根據(jù)根據(jù)定律，定律，無量綱特征數(shù)無量綱特征數(shù)（8-48-4）=4=4),(tgClufp無相變時無相變時定律定律對于對于u u個基本單位給出的個基本單位給出的q

7、 q 個物理量，它們之間的關系個物理量，它們之間的關系可以通過可以通過 q qu u 個無量綱單位組合數(shù)組成一個函數(shù)式來個無量綱單位組合數(shù)組成一個函數(shù)式來進行表達。進行表達。四、對流傳熱的特征數(shù)關系式四、對流傳熱的特征數(shù)關系式12cbaGrKNuPrRe lNu luRepcPr223tlgGrcbpatlgcluCl)()()(223雷諾數(shù)，流動型態(tài)對對流傳熱的影響格拉曉夫數(shù)，自然對流對對流傳熱的影響努賽爾數(shù)，對流傳熱系數(shù)的特征數(shù)普朗特數(shù)，流體物性對對流傳熱的影響1314四個特征數(shù)及其意義四個特征數(shù)及其意義 1. 1. 雷諾數(shù)雷諾數(shù)ReRe：表征流體運動狀態(tài)的影響。：表征流體運動狀態(tài)的影響。

8、 2. 2.努塞爾數(shù)努塞爾數(shù)NuNu：/llNu相當于給熱過程以純導熱方式進行時的傳熱系數(shù)，相當于給熱過程以純導熱方式進行時的傳熱系數(shù)，Nu反映對流使傳熱系數(shù)增大的倍數(shù)。反映對流使傳熱系數(shù)增大的倍數(shù)。PcPr反映物性對給熱過程的影響。反映物性對給熱過程的影響。氣體的氣體的Pr值大都小于值大都小于1，液體，液體Pr值常大于值常大于1。3. 普朗特數(shù)普朗特數(shù)Pr：154.4.格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)GrGr222223lTlgTlgGrTlgun22222)(RennulGr自然對流的特征速度自然對流的特征速度顯然，顯然，Gr是雷諾數(shù)的一個變形，它表征著自然對流的是雷諾數(shù)的一個變形，它表征著自然對流的

9、影響。影響。四個特征數(shù)及其意義四個特征數(shù)及其意義一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)簡化：強制對流簡化：強制對流 Nu=f (Re, Pr)使用準數(shù)關聯(lián)式時注意：使用準數(shù)關聯(lián)式時注意：定性溫度的取法：2特性尺寸取對流動與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。管內強制對流傳熱，如為 圓管，特征尺寸取管徑d；如非圓形管，通常取當量直徑dede=4(流動截面)/潤濕周邊2) 1 (21tttm3準數(shù)關聯(lián)式的適用范圍。1確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。四、對流傳熱的特征數(shù)關系式四、對流傳熱的特征數(shù)關系式1617五五. .無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式20

10、80.du dNu pcPr 思考： 與u、d有何比例關系？（4-70）1）流體在圓形管內作強制湍流18 特征尺寸為管內徑di 流體被加熱時，n0.4；被冷卻時，n0.3。221tttm注意事項： 定性溫度取強化措施：強化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流體物性的影響，選大的流體 8 . 018 . 02 . 08 . 08 . 0023. 0)()(023. 0nnpnpcducdud19200.80.023nNuRePr 情況流體被加熱被冷卻液體氣體被冷卻情況怎樣？思考：為什么加熱時n取0.4，冷卻時取0.3？層流底層溫度高于平均溫度, 減小,層流底層變薄, 變大。Pr1; Pr

11、0.4Pr0.3層流底層溫度高于平均溫度, 更大,層流底層更厚, 更小。Pr1; Pr0.410000，0.7Pr60定性溫度取tm：除 取壁溫外特征尺寸為di：管內徑高粘度高粘度 w21l/d60 過渡流過渡流（2300Re10m/s ） 同向時， ；反向時， ； u （4）不凝氣體 ： 不凝氣體存在，導致 ，定期排放。（5）冷凝壁面的影響： 沿冷凝液流動方向上液膜增厚， 29 3.膜狀冷凝傳熱的強化減薄冷凝液液膜厚度；l 選擇正確的蒸汽流動方向；l在傳熱面上垂直方向上刻槽或安裝若干條金屬絲等。30七、液體沸騰時的對流傳熱（自學）七、液體沸騰時的對流傳熱（自學）沸騰沸騰管內沸騰管內沸騰大容器內沸騰大容器內沸騰沸騰必要條件沸騰必要條件： 過熱度過熱度 t =（tts）0 存在汽化核心存在汽化核心1 1、大容器飽和沸騰現(xiàn)象、大容器飽和沸騰現(xiàn)象 推動力推動力 （twts） 沸騰三個階段：沸騰三個階段： 自然對流、核狀沸騰、自然對流、核狀沸騰、 膜狀沸騰膜狀沸騰水沸騰曲線水沸騰曲線ABCD31水沸騰曲線水沸騰曲線ABCD Ct 5液體輕微過熱液體輕微過熱自然對流自然對流無氣泡無氣泡 很小很小AB段段 自然對流自然對流 Ct 255 局部產(chǎn)生氣泡局部產(chǎn)生氣泡氣泡上升氣泡上升 液體擾動液體擾動 BC段段 核狀沸騰核狀沸騰 氣泡增多氣泡增多 氣泡產(chǎn)生速度氣泡產(chǎn)生速度脫離表面的速度脫離表面的速