化工原理第四章对流传热

T2
t1
tc
t1、t2——流体进、出口温度流。体通过间壁的热交换
2020/5/28
（3）特征（性）尺寸（l） 【定义】代表换热面几何特征的长度量（如长、宽 、高及直径等），是指对流体流动和传热有决定性 影响的设备某一几何尺寸。工业上各种设备的特征 尺寸都有规定，例如： ①圆形管内的对流传热，特性尺寸用管内径d； ②非圆形管的对流传热，特性尺寸取当量直径de 。 ③大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的垂 直高度为特性尺寸。
2020/5/28
【解】在确定各物理量时，先确定定性温度。
一般情况下，用进出设备流体的温度的平均值
（算术平均值），即：
t t进＋t出 ＝20＋40＝30℃
2
2
查数据手册，30℃时水的物性数据为：
Cp=4183J/(K.kg) ρ=996kg/m3 μ=8.01×10－4Pa.s λ=0.618W/(m.K)
弯管处的二次环流
2020/5/28
二次环流
（5）非圆形直管内强制对流 【处理方法】采用圆形管相应的公式计算，特征尺 寸采用当量直径。
如狄丢斯公式： 0.023 ( deu )0.8 (c p )n
de
【说明】（1）方法比较简便，但计算结果的准确性 欠佳； （2）采用经验公式和专用式更为准确。
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：
有相变 无相变
2020/5/28
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
2020/5/28
五、无相变时对流传热系数的经验关联式
1、流体在管内的强制对流 （1）圆形直管内的湍流(低粘度流体）
Nu 0.023Re 0.8 Pr n
Nu l
或：
0.023 ( du )0.8 (c p )n
d
——狄丢斯（Dittus）公式
2020/5/28
【使用范围】
Re>10000，0.7<Pr<120，<2×10-3Pa.s，l/d>60
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。
2020/5/28
（3） ——对流传热系数、给热系数、膜系数。表
2020/5/28
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。
2020/5/28
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
2020/5/28
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，
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
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
2020/5/28
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。
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
2020/5/28
3、特征数（准数）的符号及意义
准数名称
努赛尔特数 (Nusຫໍສະໝຸດ Baiduelt number)
雷诺数 (Reynolds number)
普兰德数 (Prandtl number)
2020/5/28
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：
【注意事项】
（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm； （2）特征尺寸为管内径d；
（3）流体被加热时，n＝0.4；
流体被冷却时，n＝0.3。
（4）若l/d＜60 ，进行校正：
'
1
d
0.7
l
2020/5/28
（2）圆形直管内的湍流（高粘度流体）
0.027 ( du )0.8 ( c p )0.33 ( )0.14
2020/5/28
2020/5/28
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
2020/5/28
（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：
减小。
2020/5/28
（4）流体在弯管中的对流传热系数
【方法】先按直管计算，然后乘以校正系数 f：
f 直管
f (11.77 d ) R
式中 d ──管径；
R ──弯管的曲率半径。
【说明】由于弯管处受离心力的作用，存在二次环
流，湍动加剧，增大。
2020/5/28
【定义】垂直于流动 方向的流动称为二次 环流； 【原因】流动的流体 在弯曲处受到了离心 力的作用； 【结果】加强了流体 的扰动，带来换热的 增强。
（1）什么是定性温度 【定义】确定物性参数 数值的温度称为定性温 度。
Re du
T1
t2
Pr c p
T2
t1
2020/5/28
（2）定性温度的取法 ①流体进、出口温度的平均值
②膜温
tm
t1
t2 2
t tm tw 2
th T1
热Φ 流 体
th,w
t2
Φ
冷 流 tc,w 体
式中 tw——壁面上的温度；
2020/5/28
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。
2020/5/28
（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 。
2020/5/28
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
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。
格拉斯霍夫数 (Grashof number)
符号 准数式
l Nu
含义
表示对流传热系数的准数
Re
lu 表示惯性力与粘性力之比，
是表征流动状态的准数
Pr
cp
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
Gr gtl3 2 表示由温度差引起的浮力与
2
粘性力之比
2020/5/28
2020/5/28
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。
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
过程的因素都归结到了当中。
2020/5/28
三、影响对流传热系数的因素
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw )
bt’
2020/5/28
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q
bt
A(t w
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。
2020/5/28
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。
2020/5/28
（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。
2020/5/28
（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。
d
w
【使用范围】Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>60； 【特征尺寸】管内径d；
【定性温度】除粘度W 取壁温外，其余均取流体进
、出口的算术平均值。
2020/5/28
【近似计算】W 为壁温下的粘度，在实际中，由于
壁温难以测得，工程上近似处理为：
对于液体，加热时： ( )0.14 1.05 w
已知 d=0.021m u=0.5m/s
2020/5/28
求得：
Re
du
0.021 0.5 996 8.0110－4
＝13056
表明对流传热在湍流条件下进行，并求得：
Pr C p 4183 8.0110－4 ＝5.42
冷却时：
( )0.14 0.95 w
2020/5/28
（3）圆形直管内的过渡流
【定义】当 2300<Re<10000时，为过渡流。
【方法】先按湍流计算湍流，然后乘以校正系数：
f 湍流
f
1.0
6 105 Re 1.8
【说明】过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的
Re小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，
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。
2020/5/28
2、准数关系式（通过因次分析获得） 经分析可知：
＝f(u，l，，，Cp，，gt)
2020/5/28
【非圆形直管内强制对流的经验公式】 对于套管的环隙，用空气和水做实验，可得如下
经验公式：
0.02
de
Re0.8
Pr1/
3
d2 d1
2
式中 d1、d2——分别为套管外管内径和内管外径。 适用范围：d1/d2=1.65～17，Re＝1.2×104～2.2×105
2020/5/28
2、圆形直管内的层流 （1）Gr<25000时，自然对流影响小可忽略
Nu 1.86(Re Pr d )1/ 3 ( )0.14
l
w
【适用范围】Re<2300，(Re Pr d ) 10 ，l/d>60
l
【说明】 （1）定性温度、特征尺寸的取法与湍流相
同；
（2）w按壁温确定。
2020/5/28
（2）Gr>25000时，自然对流的影响不能忽略时 可按前述方法处理，然后乘以校正系数 f：
4、注意事项 （1）适用范围
在测定准数关联式的各项指数时，实验范围是有 限的。因此，准数关联式的使用范围也就是有限制 的，使用时不能超出适用范围。 （2）定性温度 【定义】在处理实验数据时要取一个有代表性的温 度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值 的温度称为定性温度。
2020/5/28
【定性温度的有关说明】
f 0.8(1 0.015Gr1/ 3)
【注意】在换热器设计中，应尽量避免在层流条件 下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总 传热系数也很小。
2020/5/28
【例】列管冷凝器中，用水冷却有机物蒸气， 水以0.5m/s的速度在Ф25×2的管内流动，进水 温度为20 ℃，出水温度为40 ℃。试求水对管 壁的对流传热系数。