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1、第第5章第章第3节节 对流对流第1页，本讲稿共26页对流传热概述 流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热。根据传热过程中的流体状态，对流传热可分为两类：根据传热过程中的流体状态，对流传热可分为两类：1.流体无相变的对流传热流体无相变的对流传热 （1）强制对流传热）强制对流传热 （2）自然对流传热）自然对流传热 2.流体有相变的对流传热流体有相变的对流传热 （l）蒸气冷凝）蒸气冷凝 （2）液体沸腾）液体沸腾 第2页，本讲稿共26页 复杂的对流传热过程，复杂的对流传热过程，理论计算很困难，理论计算很困难，工程上按半经验方法处理。工程上按半经验方法处理。1.
2、牛顿冷却定律 根据传递过程速率的普遍关系，壁面与流体根据传递过程速率的普遍关系，壁面与流体间（或反之）的对流传热速率，也应该等于推动间（或反之）的对流传热速率，也应该等于推动力和阻力之比，即力和阻力之比，即一、对流传热速率方程第3页，本讲稿共26页 热流体和壁面间的对流传热热流体和壁面间的对流传热，对流，对流传热速率方程可以表示为传热速率方程可以表示为 此方程式称牛顿冷却定律。式中：式中：dQ局部对流传热速率，局部对流传热速率，W；dS微分换热面积，微分换热面积，m2；T换热器任一截面上热流体的平均温度，换热器任一截面上热流体的平均温度，；Tw换热器的任一截面上与热流体接触一面的温度，换热器的
3、任一截面上与热流体接触一面的温度，；比例系数，又称局部对流传热系数，比例系数，又称局部对流传热系数，W/(m2.）第4页，本讲稿共26页注意：注意：换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。侧或管外侧表面积。若热流体在换热器的管内流动，冷流若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间（环隙）流动，则对流传热速率方程式可分别表示体在管间（环隙）流动，则对流传热速率方程式可分别表示为为2.牛顿冷却定律的实际应用 在换热器中，局部对流传热系数在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，随管长而变化，在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛
4、顿冷在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为却定律可以表示为对流传热系数和对流传热系数和传热面积传热面积以及以及温度差温度差相对应相对应。第5页，本讲稿共26页牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即 对流传热系数在对流传热系数在数值上等于单位温度差下单位数值上等于单位温度差下单位传热面积的对流传热速率传热面积的对流传热速率,其单位为其单位为w/(m2oC）。）。注意：对流传热系数不是流体的物理性质，注意：对流传热系数不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小
5、。热阻的大小。二、对流传热系数第6页，本讲稿共26页表表4-5列出了几种对流传热情况下的数值范围列出了几种对流传热情况下的数值范围。第7页，本讲稿共26页三、三、影响对流传热的因素影响对流传热的因素 总体而言，这些影响因素可以分为五个方总体而言，这些影响因素可以分为五个方面：面：1.流体的相态变化 在对流传热过程中，流体作单相流动的对在对流传热过程中，流体作单相流动的对流传热是依靠流体的显热变化实现的，而在有流传热是依靠流体的显热变化实现的，而在有相变的对流传热过程中（如沸腾和冷凝）时，相变的对流传热过程中（如沸腾和冷凝）时，流体的相变潜热起到了主要作用，这两种情况流体的相变潜热起到了主要作用
6、，这两种情况的传热机理是完全不同。的传热机理是完全不同。第8页，本讲稿共26页2.引起流动的原因由于引起流动的原因不同，对流传热可由于引起流动的原因不同，对流传热可分为强制对流传热和自然对流传热两大类。分为强制对流传热和自然对流传热两大类。这两类对流传热的流动成因不同，其传热所这两类对流传热的流动成因不同，其传热所遵从的规律也不同。有时需要既考虑强制对遵从的规律也不同。有时需要既考虑强制对流也考虑自然对流，这种情况则称为混合对流也考虑自然对流，这种情况则称为混合对流传热。流传热。第9页，本讲稿共26页3.流体的流动型态粘性流体存在层流和湍流两种流动型态。作层粘性流体存在层流和湍流两种流动型态。
7、作层流且自然对流的影响可以忽略时，层流膜的厚度是流且自然对流的影响可以忽略时，层流膜的厚度是影响对流传热速率的主要因素。而当流体进入湍流影响对流传热速率的主要因素。而当流体进入湍流状态后，靠近固体壁面附近的层流底层构成了主要状态后，靠近固体壁面附近的层流底层构成了主要的传热热阻。随着雷诺数增大，层流底层的厚度减的传热热阻。随着雷诺数增大，层流底层的厚度减薄，流体微团混合运动加剧，使得对流传热强度增薄，流体微团混合运动加剧，使得对流传热强度增加，因而湍流时的对流传热系数要比层流时大得多。加，因而湍流时的对流传热系数要比层流时大得多。第10页，本讲稿共26页4.流体的物理性质流体的热物理性质对于对
8、流传热的流体的热物理性质对于对流传热的影响很大。不同种类的流体（如牛顿流影响很大。不同种类的流体（如牛顿流体和非牛顿流体）作对流传热时其传热体和非牛顿流体）作对流传热时其传热规律不同。影响对流传热的主要热物理规律不同。影响对流传热的主要热物理性质包括流体的比热、导热系数、密度性质包括流体的比热、导热系数、密度和粘度等。对于每一种流体，这些热物和粘度等。对于每一种流体，这些热物理性质又是压力或温度的函数，因此流理性质又是压力或温度的函数，因此流体的热物理性质对于对流传热的影响很体的热物理性质对于对流传热的影响很复杂。复杂。第11页，本讲稿共26页5.传热面的几何因素传热表面的形状、大小、流体与传
9、热传热表面的形状、大小、流体与传热面作相对运动的位置和方向以及传热面的面作相对运动的位置和方向以及传热面的表面状况也是影响对流传热的重要因素。表面状况也是影响对流传热的重要因素。例如，对于强制对流，可根据流体流动与例如，对于强制对流，可根据流体流动与传热面位置关系，将流体的流动分为内部流传热面位置关系，将流体的流动分为内部流动（如圆管内、套管环隙的的强制对流）和动（如圆管内、套管环隙的的强制对流）和外部流动（如外掠圆管或管束间的强制对流）外部流动（如外掠圆管或管束间的强制对流）两类。其对流传热速率就与传热面的几何因两类。其对流传热速率就与传热面的几何因素有关。素有关。第12页，本讲稿共26页1
10、.对流传热过程分析对流传热过程分析 对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关因此对流传热与流体流动状况密切相关。对流传热是集热对流对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径化对流传热的主要途径。四、对流传热机理第13页，本讲稿共26页2.热边界层 平板上热边界层的形成和发展如下图所示。平板上热边界层的形成和发展如下图所示。流体温度在靠近板面的薄流体
11、层中有显著的变化，流体温度在靠近板面的薄流体层中有显著的变化，即在此薄层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界即在此薄层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层。通常规定层。通常规定tw-t=0.99tw 处为热边界层的界限处为热边界层的界限。热热边界层是进行对流传热的主要区域。边界层是进行对流传热的主要区域。第14页，本讲稿共26页3.过程描述方法 通过热边界层的传热通过热边界层的传热 速率可用描述热传导速速率可用描述热传导速率的傅立叶定律表示，即率的傅立叶定律表示，即与牛顿冷却定律公式联立，得与牛顿冷却定律公式联立，得上式对流传热系数上式对流传热系数的另一定义式，是的另一定义式，是理论理论上分
12、析和计算上分析和计算的基础。的基础。第15页，本讲稿共26页 材料生产中的物料输送等管路外常需要材料生产中的物料输送等管路外常需要保温，以减少热量（或冷量）的损失。保温，以减少热量（或冷量）的损失。通常，通常，热损失随保温层厚度的增加而减少。但是在小热损失随保温层厚度的增加而减少。但是在小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随保温直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随保温层厚度增加，可能反而使热损失增大。层厚度增加，可能反而使热损失增大。四、保温层的临界直径第16页，本讲稿共26页 如图如图4-15所示，假设保温层内表面温度为所示，假设保温层内表面温度为t1，环境温度为，环境温度为 tf，保温层内
13、、外半径分别为，保温层内、外半径分别为ri和和r0。此时传热过程包括保温层的热传导和保温层外此时传热过程包括保温层的热传导和保温层外壁与环境空气的对流传热。对流传热热阻为壁与环境空气的对流传热。对流传热热阻为1/S,此处此处 S为传热面积（等于为传热面积（等于 2 ro L）,为对为对流传热系数。流传热系数。第17页，本讲稿共26页因此热损失可表示为因此热损失可表示为 从上式可看出，当保温层厚度增加（即从上式可看出，当保温层厚度增加（即ri不不变、变、ro增大）时，热阻增大）时，热阻R1虽然增大，但是热阻虽然增大，但是热阻R2反反而下降，因此有可能使总热阻（而下降，因此有可能使总热阻（R1 R
14、2）下降，）下降，导致热损失增大。为此，导致热损失增大。为此，可通过上式对可通过上式对ro求导，求导，解得一个解得一个Q为最大值时的为最大值时的临界半径临界半径。第18页，本讲稿共26页整理得整理得通过上式对通过上式对ro求导，解得一个求导，解得一个Q为最大值为最大值时的临界半径：时的临界半径：以临界直径表示：以临界直径表示：第19页，本讲稿共26页 dc为保温层的临界直径。若保温层的为保温层的临界直径。若保温层的外径小于外径小于dc，则增加保温层的厚度反，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在而使热损失增大。只有在 dc 2/下，增加保温层的厚度才使热损失下，增加保温层的厚度才使热损失减
15、少。由此可知，对管径较小的管减少。由此可知，对管径较小的管路包扎路包扎较大的保温材料时，需要核较大的保温材料时，需要核算算 do是否小于是否小于dc。第20页，本讲稿共26页五、总传热速率微分方程和总传热系数五、总传热速率微分方程和总传热系数1 总传热速率微分方程总传热速率微分方程 通过换热器任一通过换热器任一dS的间壁两侧流体的传热的间壁两侧流体的传热速率方程可以写作：速率方程可以写作：dQ=K(T-t)dS=KtdS其中，其中，其中，其中，KK局部传热系数，局部传热系数，局部传热系数，局部传热系数，W/(mW/(m2 2.)T T T T换热器任一截面上热流体的平均温度，换热器任一截面上热
16、流体的平均温度，换热器任一截面上热流体的平均温度，换热器任一截面上热流体的平均温度，t t t t换热器任一截面上冷流体的平均温度，换热器任一截面上冷流体的平均温度，换热器任一截面上冷流体的平均温度，换热器任一截面上冷流体的平均温度，局部传热系数必须与所选择的传热面积相对应，根局部传热系数必须与所选择的传热面积相对应，根局部传热系数必须与所选择的传热面积相对应，根局部传热系数必须与所选择的传热面积相对应，根据传热器外表面、内表面和内外表面平均值可以据传热器外表面、内表面和内外表面平均值可以据传热器外表面、内表面和内外表面平均值可以据传热器外表面、内表面和内外表面平均值可以分别得到：分别得到：分
17、别得到：分别得到：d d d dQ Q Q Q=K K K Ki i i i(T-tT-tT-tT-t)d)d)d)dS S S Si i i i=K K K Ko o o o(T-tT-tT-tT-t)d)d)d)dS S S So o o o=K K K Km m m m(T-tT-tT-tT-t)d)d)d)dS S S Sm m m m第21页，本讲稿共26页上式中，由于上式中，由于上式中，由于上式中，由于dQdQ和（和（和（和（T-tT-t）与所选择的基准面积无）与所选择的基准面积无）与所选择的基准面积无）与所选择的基准面积无关，因此，关，因此，关，因此，关，因此，K K o o/K
18、/Ki i=d=d i i/d/do o K Ko o/K/Kmm=d=dmm/d/do o二、总传热系数的计算式 传热过程可以分解为：传热过程可以分解为：热流体向壁面对流传热；器壁内的热热流体向壁面对流传热；器壁内的热传导；器壁向冷流体对流传热传导；器壁向冷流体对流传热。因此可以通过分析三步的传热。因此可以通过分析三步的传热系数来计算总传热系数。系数来计算总传热系数。对于器壁传导，对于器壁传导，dQ=d dS Sm m(T Tw wttw w)/b)/b又因为又因为第22页，本讲稿共26页因此，T-t(T-Tw)(Twtw)(twt)dQ(1/idSi+b/dSm+1/odSo)由上式可得：
19、dQ/dSo=(T-t)/(dSo/idSi)+(bdSo/dSm)+1/o因为 dSi/dSo=do/di dSo/dSm=do/dm因此可得总传热系数表达式 Kodo/(idi)+bdo/(dm)+1/o-1 dQ=Ko(T-t)dSo=KotdSo第23页，本讲稿共26页n n另外，实际传热过程中，由于流体中的物质沉积在器壁表面而增大传热阻力，成为污垢热阻。随着使用时间的延长，污垢热阻逐渐增大，因此需要定期清洗。n n计算污垢热阻后，按照内外两侧的污垢热阻分别为Rsi和Rso，则有：1/Kodo/(idi)+Rsi do/di+bdo/dm+1/o+RSOSO Rsi和Rso的单位为m2
20、./W第24页，本讲稿共26页例例 某列管换热器由某列管换热器由252.5mm钢管组成。热空钢管组成。热空气流经管程，冷空气在管间与空气呈逆流流动。气流经管程，冷空气在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧的空气的已知管内侧的空气的i50W/(m2.),管外测管外测的的o1000W/(m2.)，钢的，钢的45W/(m2.)。求管外表面积的总传热系数求管外表面积的总传热系数Ko。查得：空气侧的污垢热阻查得：空气侧的污垢热阻Rsi0.510-3(m2./W)水侧水侧R so 0.510-3(m2./W)第25页，本讲稿共26页解：1/Kodo/(idi)+Rsido/di +bdo/dm+RSOSO+1/o 0.025/(500.02)+0.0050.025/0.02 +0.00250.025/(450.0225)+0.002+1/1000 0.0269(m2./W)第26页，本讲稿共26页