对流传热
气-汽对流传热综合实验
三、设备主要技术数据：
1. 传热管参数:
由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。
由流量公式[1]计算
1
1200t t P
A c V ρ∆⨯⨯
⨯=………………………………………………………………[1] 其中，c 0-孔板流量计孔流系数，c 0=0.65 A 0-孔的面积 m2
d 0-孔板孔径 ， d 0 =0.017 m
1
t V - 空气入口温度（及流量计处温度）下的体积流量，m3/h ；
P ∆-孔板两端压差，Kpa
1
t
ρ-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，Kg/m3。
在实验条件下传热管内的空气流量V (m3/h)则需按[2]式计算:
图1 螺旋线圈内部结构
1
2732731t at
V V t ++⨯
= (2)
其中，V —实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h ； at —管内平均温度，℃；
t 1—传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。
3.温度测量
(1) 空气入传热管测量段前的温度t 1 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。
(2) 空气出传热管测量段时的温度t 2 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。
(3) 管外壁面平均温度T w ( ℃ )由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E(mv,热电偶是由铜─康铜组成),再由 E 根据公式:T w (℃)=8.5＋21.26×E(mv)计算得到。
4.电加热釜
是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),•内装有一支2.5kw 的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用200伏电压加热,约25分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。
5. 气源(鼓风机)
又称旋涡气泵, XGB ─2型,由无锡市仪表二厂生产,电机功率约0.75 KW(使用三相电源),在本实验装置上,产生的最大和最小空气流量基本满足要求,使用过程中,•输出空气的温度呈上升趋势。
6. 稳定时间
是指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)•排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度t 2 ( ℃ )可基本稳定。
四、实验装置
实验装置如图2所示，主要结构参数如表1所示。
说明：1、蒸汽发生器为电加热釜，使用容积为5升，内装有一支2.5kw的螺电热器，与一储水釜相连（实验过程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一，防止加热器干烧）；2、空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示。
壁温采用热电偶温度计测量；3、旋涡气泵型号为XGB─2，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75 KW（使用三相电源），在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势。
图2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1-液位管;；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀；
6-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-强化套管换热器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；12-强化套管空气进口阀；13-孔板流量
计；
14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵
1、光滑套管换热器传热系数的测定
数据记录与整理表
传热管内径d i =0.020 m 有效长度L i =1.00 m 冷流体：空气（管内）热流体：蒸汽（管外）
2、强化套管换热器传热系数及强化比的测定
数据记录与整理表
传热管内径d i =0.020 m 有效长度L i =1.00 m 冷流体：空气（管内）热流体：蒸汽（管外）
3、线性回归确定准数关联式
由Nu=A Re m Pr0.4可得
Nu
Pr0.4
=A Re m
lg(Nu
Pr0.4
)=m lg (Re)+lg A。
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
对流传热概述(共用)
湍流主体：
管中心附近的流体
速度边界层（包括层流边界层及湍流边界层）内在垂直于流动方向上存在速度梯度，之外的区 域流速均一，不存在速度梯度。故，流动阻力主要集中在速度边界层内，之外的流体区域没有流动阻 力损失。 以上是对平板上的流动来说的。对流体在管内流动来说，边界层厚度为管半径，故不存在速度边 界层之外的流体区域。
略
圆管内湍流边界层的形成与发展
临界距离：层流边界层内开始出现湍流
稳定段
r
u∞ u∞
0
u
层流边界层
湍流边界层
层流底层
稳定段之后管内流体按流动类型 分为3个区域
（设充分发展后的流动为湍流。不是层流）
层流底层：
近壁面处一薄层流体
过渡层：
界于层流底层与湍流主体之间的流体 过渡层 层流 湍流主体区 底层 稳定段之后速度边界层的划分
过渡层中层流底层中过渡区与层流底层的总热阻根据串联传递过程的一般规律子过程上的推动力与其阻力成正比知故对流传热的热阻主要集中在层流底层中该子过程是传热过程速率的控制步骤设法减薄层流底层的厚度是强化对流传热速率的主要途径
第二节 （流体与壁面间的）对流传热概述
内管 外管
物理量的符号：
在以后的温度曲线图及公式中，
（王志魁，P275。 p308汽化热共线图）
r纯 = f (物质种类，压强，温度 )
对流传热 (Convection)
化工原理
化工原理
对流传热 (Convection)
1.1 对流传热分析 1.2 对流传热速率方程和对流传热系数
2
1.1 对流传热分析
有效滞流膜理论
3
1.2 对流传热速率方程和对流传热系数
一、对流传热速率方程 ——牛顿公式
速率
ห้องสมุดไป่ตู้
推动力 阻力
系数 推动力
dQ
t
t
t 1
dAt（局部）
dA dA
工程计算中采用平均值：Q At
若热流体在管内，冷流体在管外，则： dQ i (T Tw )dAi dQ 0 (tw t)dA0
4
1.2 对流传热速率方程和对流传热系数 二、对流传热系数
定义： Q [W/m2.℃]
At
单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率 不是物性，而是受多种因素影响的一个参数 常用对流传热的α值范围见表3-2
对流传热
2019/2/18
①牛顿冷却定律 —— 对流给热的工程处理方法
由于对流给热的复杂性，难以直接严格的数学推导，求 出流体中的温度分布，从而得到壁面上的温度梯度，再得
出热流密度q。同时自然对流的影响难以定量估计。
工程处理方法：将对流给热的热流密度写成如下形式：
q (Tw T ) Q A(Tw T )
Nu K Re Pr Gr
a b
c
——无相变时对流传热系数的普遍关联式。 3、应用准数关联式应注意的问题 1）适用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。 2）特征尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。 3）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
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（1）定性温度：查取所需物性数据的温度基准
选择：本质上是对物性取平均值问题。
tw t tm 2
（壁温和主体温度的算术平均值）
壁温难以测定，以流体主体的平均温度（代 tm）简单 方便（进、出口温度平均值）
t进 t出 tm 2
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（2）特征尺寸：指对给热过程产生直接影响的几何尺寸
圆管特征尺寸取管径d 管内强制 对流给热
非圆形管，取当量直径
4 流动截面 de 传热周边
大空间自然对流，取加热或冷却表面的垂直高度。
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六、对流给热系数的经验关联式
传热过程的准数关系式
Nu K Rea Prb Gr c
通过因次分析得出
强制对流给热 液体无相变化的给热过 程 自然对流给热 化工中的对流给热 发生相变化的给热过程 蒸汽冷凝给热 液体沸腾给热
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t q 1 牛顿冷却定律， q t 二者比较 t t 热传导公式， q q t t 对流给热热阻可相当于某个
对流传质系数和对流传热系数的关系式
对流传热系数是热工学中非常重要的一个参数，它描述了流体在流动状态下传热的效率。
而对流传质系数则描述了气体或液体中溶质在对流传质过程中的传递效率。
对流传热系数和对流传质系数之间存在一定的关系，本文将从理论和实验角度探讨这两者之间的关系式。
一、对流传热系数的定义在热传递过程中，传热介质与传热表面直接接触并通过对流传热方式传递热量。
对流传热系数h描述了单位时间内单位面积内的热量传递率。
它的数值大小取决于传热介质的性质、流体流动状态、传热表面的几何形状等因素。
二、对流传质系数的定义对流传质系数K描述了单位时间内单位面积内的溶质传递率。
在液体或气体中，溶质可以通过对流传质的方式在流动的介质中传递。
对流传质系数对于描述溶质在流体中的传递效率起着至关重要的作用。
三、传热和传质的相似之处在传热和传质过程中，传递的方式都是通过流体的对流运动来实现的。
无论是传热还是传质，都是通过流体流动将热量或溶质从一个地方传递到另一个地方。
传热和传质在某种程度上具有共性。
四、对流传热系数与对流传质系数的关系通过理论分析和实验研究，可以得出对流传热系数h和对流传质系数K之间存在一定的关系。
在一些情况下，对流传热和对流传质的传递过程具有相似的特性，因此它们之间的关系也具有一定的相似性。
在一些传热和传质过程中，对流传热系数h与对流传质系数K之间存在着如下的关系式：h = α·K其中，α为传热和传质的相似系数。
在一些情况下，可以通过实验测定α的值，从而通过对流传质系数K来间接推导出对流传热系数h的数值。
五、结论对流传热系数和对流传质系数是描述流体传热和传质过程中重要的参数。
通过对其进行研究，我们可以更深入地了解流体传递热量和溶质的过程，从而提高传热和传质的效率。
而对流传热系数和对流传质系数之间存在一定的关系，通过研究和实验可以得出它们之间的关系式，从而更好地应用于工程实践中。
对流传热系数和对流传质系数的研究具有重要的理论和实际意义，希望未来可以进一步深入研究这一领域，在工程实践中更好地应用这些参数。
对流传热
对流传热第一题：知识点总结（一）对流传热概述1、对流传热：流体流过固体壁时的热量传递。
传热机理：热对流和热传导的联合作用热流量用牛顿冷却公式表示：Φ=hA△t其中对流传热面积A，温差△t，对流传热系数h2、影响对流传热系数的因素（1）流动的起因：>由于流动起因的不同，对流换热分为强迫对流传热与自然对流传热两大类。
（2）流动速度：>根据粘性流体流动存在着层流和湍流两种状态，对流传热分为层流对流传热与湍流对流传热两大类。
（3）流体有无相变：同种流体发生相变的换热强度比无相变时大得多。
（4）壁面的几何形状、大小和位置：对流体在壁面上的运动状态、速度分布和温度分布有很大影响。
（5）流体的热物理性质：影响对流传热系数有热导率λ，密度，比定压热容，流体粘度，体积膨胀系数。
综上所述，影响对流传热系数h的主要因素，可定性地用函数形式表示为h=f（v，l，λ，，，或，，）（二）流动边界层和热边界层1、流动边界层特性：（1）流体雷诺数较大时，流动边界层厚度与物体的几何尺寸相比很小；（2）流体流速变化几乎完全在流动边界层内，而边界层外的主流区流速几乎不变化；（3）在边界层内，粘性力和惯性力具有相同的量级，他们均不可忽略；（4）在垂直于壁面方向上，流体压力实际上可视为不变，即=0；（5）当雷诺数大到一定数值时，边界层内的流动状态可分为层流和湍流。
2、热边界层定义：当流体流过物体，而平物体表面的温度与来流流体的温度不相等时，在壁面上方形成的温度发生显著变化的薄层，称为热边界层。
热边界层厚度：当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即=0.99，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热边界层的厚度记为。
与δ一般不相等。
3、普朗特数流动边界层厚度δ反应流体分子动量扩散能力，与运动粘度有关；而热边界层厚度反应流体分子热量扩散的能力，与热扩散率a有关。
==它的大小表征流体动量扩散率与热量扩散率之比（三）边界层对流传热微分方程组1、连续性方程+=02、动量微分方程根据动量定理可导出流体边界层动量微分方程流体纵掠平壁时3、能量微分方程热扩散率a=边界层能量微分方程式：+=4、对流传热微分方程-------x处的对流传热温差------流体的热导率-------x处壁面上流体的温度变化率（四）、管内强迫对流传热1、全管长平均温度可取管的进、出口断面平均温度的算术平均值作为全管长温度的平均，即=（）2、层流和湍流的判别由雷诺数Re大小来判别针对管内流动，当Re<2200时为层流；Re>1×时为湍流；2200<Re<1×时则为不稳定的过渡段（1）管内流动：（2）板内流动：湍流强迫对流传热管内强迫对流平均对流传热系数特征数关联式为：=0.023R P:考虑边界层内温度分布对对流传热系数影响的温度修正系数；:考虑短管管长对对流传热系数影响的短管修正系数；:考虑管道弯曲对对流传热系数影响的弯管修正系数。
对流传热
表示自然对流影 响的准数
4、流体无相变时的对流传热系数 对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其 粘度小于2倍常温水的粘度的流体，可用 下式求取给热系数。
0.8 n Nu=0.023Re Pr
0.023d Re
0.8
Pr
n
式中 n值随热流方向而异，当流体被加热 时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。 应用范围：Re>10000， 0.7 < Pr < 120， L/di ≥60 。 若L/di <60，需将上式算得的α乘以 [1+(di/L)0.7]加以修正。
沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生，
气泡产生和运动情况，对α 影响极大。 沸腾分类： ① 按设备尺寸和形状不同 池式沸腾（大容积饱和沸腾）； 强制对流沸腾（有复杂的两相流）。 ② 按液体主体温度不同
液体主体
t
液体主体
t < ts
过冷沸腾：液体主体温度t < ts，
气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾：t≥ts动，沿壁面法向没 有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热 方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此 热阻较大，温度梯度大。 2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，热 传导和对流传热同时起作用，热阻较小。 3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度 基本均匀，无温度梯度。 因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层， 减薄其厚度是强化传热过程的关键。
2) 大容积饱和沸腾曲线 曲线获得：
实验，并以 t 作图
（t tw ts，即过热度）
实验条件: 大容积、饱和沸腾。
自然对流
h
核状沸腾
C
膜状沸腾
不稳 定膜 状
稳 定 区
对流传热
4.3对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。
实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。
4.3.1对流传热过程分析流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，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，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。
由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的状况有关。
在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有层流和湍流。
层流流动时，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，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流，此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情况。
流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。
层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。
导热为主，热阻大，温差大。
湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。
质点相互混合交换热量，温差小。
过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。
质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。
根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。
所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。
如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。
4.3.2 对流传热速率方程对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。
如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。
温度差主要集中在层流底层中。
假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。
对流换热概念
对流换热概念
1、定义
对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。
对流换热是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。
热对流（thermal convection/heat convection）又称对流传热，指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，是传热的三种方式之一。
2、特点
对流换热：导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。
热对流：只能发生在流体(气体和液体)之中，且必然同时伴有流体本身分子运动所产生的导热作用。
3、形式
对流换热：流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流；由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流。
相应的换热过程分别称为自然对流换热和受迫对流换热。
热对流：自然对流；强迫对流和湍流，其中以湍流的热传递速率最高。
自然对流是由温度不均匀而引起流体内压强或密度不均匀，从而导致循环流动。
如煮水时水的上下循环流动。
4.3对流传热
p t s
（4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大
30
27
r’=r+cp(tv-ts)
影响较小
(5) 传热面情况 设置导流槽，减薄液膜厚度，
（二）液体沸腾时的对流传热 大容器沸腾 和 管内沸腾 1、沸腾现象 沸腾必要条件： 存在汽化核心
在粗糙加热面的细小凹缝处：
汽化核心 生成汽泡 长大 脱离壁面 新汽泡形成搅动液层 • 过热度 t=（t－ts）
（1）膜状冷凝 （2）滴状冷凝
冷凝过程的热阻——冷凝液膜 滴 > 膜
23
2、 蒸气在水平管外膜状冷凝
2 gr3 0.725 n2 / 3 d t 0
r——比汽化热
1 4
n——水平管束在垂直列上的管数
t s tW 定性温度：tSr，其它膜温 t 2
一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr)
简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流 Nu=f (Pr, Gr)
10
3、使用准数关联式时注意 （1）应用范围
（2） 特征尺寸
（3）定性温度 强制对流
无相变
自然对流
蒸汽冷凝 液体沸腾
有相变
11
四、流体无相变时对流传热系数的经验关联式
（一）流体在管内强制对流传热
L Nu
表示对流传热系数的特征数
（2）雷诺（Reynolds）数
Re
L u
反映流体的流动状态 对对流传热的影响
9
（3） 普兰特（Prandtl）数
Pr
Cp
L gt
3 2
反映流体的物性对对流传 热的影响