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对流传感. 湖北工业大学化学与环境工程学院 胡 兵副教授 中职国培化学工艺专业. t h. Φ. 热流体. Φ. 冷流体. t h,w. t c,w. t c. 流体通过间壁的热交换. 6.3 对流传热. 流体与固体壁面之间传热： ◇ 流体与固体壁面之间传热 ; ◇ 流体中质点发生相对位移而引起热交换。. 说明： 流体的运动对传热发生重要影响。. （ 1 ）机理 流体质点碰撞、混合，传递热量， 包括对流传热和热传导 对流传热与流体流动状况密切相关
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对流传感 湖北工业大学化学与环境工程学院 胡 兵副教授 中职国培化学工艺专业
th Φ 热流体 Φ 冷流体 th,w tc,w tc 流体通过间壁的热交换 6.3 对流传热 流体与固体壁面之间传热： ◇ 流体与固体壁面之间传热; ◇ 流体中质点发生相对位移而引起热交换。 说明：流体的运动对传热发生重要影响。 • （1）机理 • 流体质点碰撞、混合，传递热量， • 包括对流传热和热传导 • 对流传热与流体流动状况密切相关 • 湍动程度越高，对流的传热速率越大。 工程上，对流传热指流体和固体壁面间的传热过程
u y t∞ t∞-t t∞-t t∞ t 0 t'∞ (t-tW)/ (t∞-t)=0.99 Φ δt tW 流体被平壁冷却温度边界层 • （2）分类 • 自然对流：温差引起密度差，造成流体流动。 • 强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。 • 6.3.1 热边界层的概念 • （1）热边界层 近壁处，流体温度显著变化的区域。
y u t∞ t∞ t∞ t∞ t 0 (tW-t)/ (tW-t∞)=0.99 δt tW Φ 流体被平壁加热温度边界层
（2）热边界层的厚度 • （3）热边界层的特点 • 层内（近壁处）：集中全部的温差和热阻 层外（流体主体）：等温区，无温差和热阻 （4）热边界层发展过程 圆管内
y u t∞ t∞ t∞ t∞ t 0 (tW-t)/ (tW-t∞)=0.99 δt tW Φ 流体被平壁加热温度边界层 （5）热边界层与流动边界层关系
u∞ u∞ u∞ u/u∞=0.99 du/dy u∞ u∞ u∞ u∞ u/u∞=0.99 湍流边界层 du/dy 层流边界层 层流内层 平板上的流动边界层
区别：本质不同，厚度不一定相等。 联系：研究问题方法相似，两者密切相关。 流动边界层对热边界层的影响： 湍流区：质点相互混合交换热量， 温差小。 缓冲层：质点混合、分子运动共同作用，温度变化平缓。 层流内层：导热为主，热阻大、温差大。 说明：流动边界层对传热边界层影响显著， 改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度， 可使传热速率大大提高。
6.3.2 对流传热速率方程和对流传热系数 • （1）牛顿冷却定律 th tc2 th1 Φ Φ 热流体 冷流体 th,w tc,w th2 tc1 tc 流体通过间壁的热交换 说明： ① 实验定律； ② 对壁两侧流体(冷、热)均适用。
热流体： 冷流体： ③ α是计算关键，一般由实验测定。 • （2）对流传热过程的简化模型 • ① 真实模型 • 流体主体→过渡层 →层流内层 • 对流 对流,导热 导热 • 研究方法：计算各层的热流量。
Thm Thw TCW Tcm δL1 δL2 δ2‘ δ1‘ • ② 简化模型 • 有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。 优点：对流传热问题 → 导热问题
6.3.3 对流传热系数的经验关联 (1)影响表面传热系数的因素 ①流体流动状态 • 代价：动力消耗↑。 ②流体流动原因 强制对流：外部机械作功， 一般流速较大， α也较大。 自然对流：由流体密度差造成的循环过程, 一般流速较小，α也较小。
③流体的物理性质 定性温度：计算表面传热系数的特征温度 一般，
④传热面的形状、位置和大小 • 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等， • 造成边界层分离，增加湍动，使h增大。
⑤相变化的影响 • 有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾， • 无相变传热：强制对流、自然对流， • 一般地，有相变时表面传热系数较大。 • 例：水 强制对流， • 蒸汽冷凝， • （2） 无相变化时对流传热过程的量纲分析 • 量纲分析过程 • ① 优点：减少实验次数； • ② 依据：物理方程各项量纲一致； • ③ 步骤：：
（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、 ）； （d）规定已知量（指数）， 确定余下指数表达式； （e）整理特征数方程形式。 （a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素； （b）构造函数形式；
特征数的物理意义 ① 努塞尔数 • l：特征尺寸，平板—— 流动方向的板长； • 管 —— 管径或当量直径； • 说明：▲ 反映对流传热的强弱，包含表面传热系数； • ▲ 努赛尔数恒大于1。 ② 雷诺数 说明： 反映流动状态对 α 的影响。
③ 普朗特数 • 说明：▲反映流体物性对传热的影响 • ▲ 反映热扩散和动量扩散的相对大小 • ▲ 反映流动边界层和热边界层的相对厚度 使用时注意： * 查取定性温度下的物性； * 计算所用单位，SI制。
④ 格拉斯霍夫数（浮升力特征数） • 说明： 反映自然对流的强弱程度。 自然对流 强制对流 混合对流
N u / Pr0.4 200 100 10 104 103 10 102 Gr/Pr=1 1 102 103 104 105 2300 Re 管内强制对流Nu/Pr0.4与Re的关系 • 6.3.4无相变化的对流传热 （1）管内强制对流传热 一般关系式：
流动状态不同，则 c、m、n值不同 传热流动状态划分（区别于流体流动时规律 ） • ① 流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数 a) 一般流体
适用条件： 定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径di 说明： 保证流体达到传热湍流； 流体被加热，n= 0.4 流体被冷却，n= 0.3 避开传热进口段，保证稳态传热。
tc,W tc,W t(r,x) xent 充分发展了的边界层 层流情况下流体在管内温度分布 Nux或hx Nux αx O x Nu 或α的变化趋势 传热进口段：传热正在发展，α不稳定 (随管长增加h减小)
传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度。传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度。 说明：经验公式，有一定误差。 b)粘度较大流体 近似取：
适用条件： 定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径di • c) 流体流过短管（l/d<50） • 影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。 • 计算：采用以上各式计算 α，并加以校正。
d) 圆形直管内过渡流时表面传热系数 0.1 l/d = 50 100 0.01 200 0.002 400 0.001 105 106 107 102 103 104 过 渡 状 态 的 传 热 计算：采用湍流公式，但需加以校正。 说明：设计换热器时，一般避免过渡流。
e) 圆形直管内强制层流 • 特点：1）传热进口段的管长所占比例较大； • 2）热流方向不同，也会影响； • 3）自然对流的影响，有时不可忽略。 适用条件： 定性温度：tm=(t1+t2)/2； 特征尺寸：管内径di。
f ) 圆形弯管内的强制对流 • 特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流； • 结果：流体湍动程度增加，使h增加； • 同时，流动阻力损失增加。 d R 弯管内流体的流动 • g ) 非圆形管内强制对流 • ★采用圆形管内相应的公式计算， • 但特征尺寸采用当量直径。 • ★最好采用专用、经验公式。 • 如：套管环隙
A 流体横向流过单根圆管外时流动情况 ② 管外强制对流 a) 流体横向流过单管
对流传热系数分布 1）低雷诺数（70800~101300）φ=0-80°，层流边界层厚度增大使α↓， φ>80°，边界层分离，使α↑，有一个最低点。 2）高雷诺数（140000~219000） 有两个最低点： N01： φ=70-80°，层流边界 层→湍流边界层； N02： φ=140°（分离点）， 发生边界分离。 800 Nu 700 600 Reф=219000 186000 170000 140000 101300 70800 500 400 0o 40o 120o 160o 80o Φ 不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化 300 200 100
沿整个管周的平均表面传热系数： • 常数C、指数n见下表 特征尺寸：管外径
x2 d x1 b) 流体横向流过管束的表面传热系数 ◆ 管束的排列方式 直列（正方形）、 错列（正三角形） 直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意
x2 d x1 错列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意
x2 d x2 d x1 x1 直列 错列 第一排管 错列和直列基本相同； 第二排管 错列和直列相差较大， 阻挡减弱，冲刷 增强； 第三排管以后基本恒定。 第一排管 直接冲刷 ； 第二排管 不直接冲刷；扰动减弱 第二排管以后基本恒定。
Nu Nu ◆各排管α的变化规律 2.0 2.0 180o 180o 0o 0o 1.8 3~7 1.8 Φ 1.6 Φ 1.6 90o 90o 1.4 1.4 1.2 1.2 1.0 1.0 0.8 1 0.8 0.6 2 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0o 30o 90o 120o 150o 60o 180o Φ 0o 30o 60o 90o 120o 150o 180o Φ 直列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气） 错列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气）
可以看出，错列传热效果比直列好。 ◆ 传热系数的计算方法 任一排管子： • C、ε、n取决于管排列方式和管排数。 • 特征尺寸：管外径 适用范围：
圆缺折流板 管板 装有圆缺折流板的列管换热器 c) 流体在列管换热器管壳间的传热
圆缺折流板示意图 管板 折流挡板 ：壳程流体的流动方向不断改变， 较小Re（Re=100），即可达到湍流。 作用：● 提高湍动程度，↑α，强化传热； ● 加固、支撑壳体。 缺点：流动阻力↑，壳程压降↑的重要因素。
102 RePr 10 1 10 102 104 103 Re 管壳式换热器表面传热系数计算曲线 有折流挡板时壳程流体表面传热系数：
d0 t 也可采用关联式： 挡板切割度：25%D。 特征尺寸：流道的当量直径。 正方形排列
S2 D B S1 d0 t 正三角形排列 • 流速的确定：按最大流通截面 (最小流速) 计算。 • 说明： 无折流板时，流体平行流过管束， • 按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。
(3) 自然对流传热 • 温度差引起流体密度不均，导致流体流动。 • 分类：大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰。 • 有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰。 大空间自然对流传热：
竖直壁面上表面传热系数的分布 近壁处温度与流速的分布 沿竖壁自然对流的流动和换热特征 大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：
3.2 3.2 lg(Nu) 2.8 2.0 2.8 lg(Nu) 1.6 2.4 1.2 0.8 2.0 0.4 0.0 1.6 lg(GrPr) -0.4 0 -1 2 8 4 6 流体沿垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线 -3 -5 lg(GrPr) 流体沿水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线 1.2 0.8 0.4 0.0 2 4 12 -1 6 0 8 10 表面传热系数的求取： ① 查图求解
do L ② 经验关联 大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时： 影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式； 定型尺寸：竖板，竖管，L； 水平管，外径 do 定性温度：膜温 系数C和指数n的取值见下表：
