4.3 对流传热.ppt

化化 工工 基基 础础An Introduction to Chemical Industry An Introduction to Chemical Industry and Engineeringand Engineering1§4§4.3 .3 对流传热对流传热( (convection of heat)convection of heat)教学目的：教学目的：课课 型：型：重点难点：重点难点：了解对流传热的机理了解对流传热的机理掌握对流传热的基本方程以及各种情况下给掌握对流传热的基本方程以及各种情况下给热系数的准数关联式热系数的准数关联式对流传热的机理和对流传热的基本方程对流传热的机理和对流传热的基本方程新新理论知识理论知识了解沸腾和冷凝时传热膜系数了解沸腾和冷凝时传热膜系数2§4§4.3 .3 对流传热对流传热( (convection of heat)convection of heat)◆◆机理机理: :由于流体质点变动位置并相互碰撞，热量由能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而使热量传播◆◆ 因流体质点位置变动而形成的对流有两种形式对流有两种形式：自然对流自然对流( (natural convection)natural convection)：因流体本身各点温度不同，引起密度差异而形成的流体质点移动，称为自然对流。

强制对流强制对流( (forced convection)forced convection)：借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流NOTENOTE：：强制对流比自然对流有较好的传热效果强制对流比自然对流有较好的传热效果◆◆什么情况下会发生对流传热？流动流体中流动流体中3对流传热过程对流传热过程流流体体主主体体t1滞滞流流内内层层固固体体壁壁面面t2过渡层过渡层靠近壁面存在滞流层，该层的传热主要依靠流体分子传导传热流体的导热系数一般都比较小，因而在这层中有较大的温度梯度流体主体中的传热主要依靠流体质点的位移和混合，基本不存在温度梯度过渡层中的传热既有传导传热，也有流体质点位移而碰撞的传热，该层中存在较小的温度梯度对流传热包括以下几部分：对流传热包括以下几部分：在对流传热中将有明显温度梯度的区域（滞流内层和过渡层）称为传热边界层传热边界层Q Q（给热（给热））4thtcδL1thwδL2δ1‘δ2‘tCW对流传热问题对流传热问题 → → 传导传热问题传导传热问题1/h=/1对流传热虚拟膜模型优点：对流传热虚拟膜模型优点：5对流传热的速率对流传热的速率——Newton’s equation of heat Newton’s equation of heat transfertransferNewton’s equation of heat transfer:Newton’s equation of heat transfer:对微元而言:h——表面传热系数表面传热系数(对流传热系数，给热系数，传热膜系数，对流传热系数，给热系数，传热膜系数，convective heat-transfer coefficient)，，W.m-2.K-1。

牛顿冷却定律牛顿冷却定律6热流体热流体: h h是计算关键是计算关键热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ 流体通过间壁的热交换冷流体冷流体:h hh hh hc cA A7对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素①①流体的流动形态流体的流动形态( (滞流或湍流滞流或湍流) )和对流情况和对流情况( (自然对流或强制对自然对流或强制对流流):):湍流程度越大，滞流内层厚度越小，h h的值越大②②流体的导热系数、比热容、密度、膨胀系数、粘度等物理性流体的导热系数、比热容、密度、膨胀系数、粘度等物理性质：质：膨胀系数越大，稍有温差就会形成明显的自然对流③③传热的温度：传热的温度：温度对流体的物理性质有显著的影响，对传热膜系数有间接的、明显的作用④④流体传热时的相变化：流体传热时的相变化：传热过程伴随有相变化，则有很高的h h⑤⑤壁面的形状、排列方式和尺寸：壁面的形状、排列方式和尺寸：设备的结构越能使流体形成湍流，h h越大，但输送的动力消耗也有所增加8对流传热中的特征数对流传热中的特征数特征数特征数特征数形式特征数形式特征数的物理意义特征数的物理意义努塞尔数(Nu)表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导热系数与换热器壁几何尺寸的作用。

雷诺数（Re）确定传热时流体的流动形态，并表明对换热的影响普朗特数（Pr）表明流体的某些物理性质对传热的影响格拉晓数数（Gr）表明因受热引起的自然对流对传热的影响物理量h—传热膜系数；—导热系数；l—传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)；Cp—流体的比定压热容；—流体的膨胀系数9无相变无相变对流传热系数的特征关联式对流传热系数的特征关联式＆＆流体以湍流形态在圆管中的传热膜系数流体以湍流形态在圆管中的传热膜系数—狄丢斯狄丢斯(Dittus)公式公式当流体被加热加热时:当流体被冷却冷却时:NOTE:NOTE:适用于大多数气体和粘度小于适用于大多数气体和粘度小于2倍水粘度的液体倍水粘度的液体.流体的传热膜系数与热流有关流体的传热膜系数与热流有关:液体被加热，温度升高液体粘度降低，并使滞流内层减薄，而导热系数随之变化不大，其总效果使h变大气体被加热，粘度随温度升高而增大，滞流内层厚度增大，虽然导热系数随温度升高而稍有增大，但总效果使h变小大多数液体：大多数液体：Pr＞＞1大多数气体：大多数气体：Pr＜＜110＆＆流体与蛇管或器壁以自然对流传热时：流体与蛇管或器壁以自然对流传热时：Gr•Pr＜＜500(滞流滞流)Gr•Pr＞＞2× 107(湍流湍流)500＜＜Gr•Pr＜＜ 2× 107(过渡流过渡流)＆＆涡轮式搅拌器附夹套的圆筒容器涡轮式搅拌器附夹套的圆筒容器(如常见的反应釜如常见的反应釜):D——容器内径，mRe中的d为搅拌桨叶直径，mNOTE:NOTE:粘度小的流体，自然对流的传热较多地在湍流形态下进行。

定性温度取壁面与流体温度的平均值无相变无相变对流传热系数的特征关联式对流传热系数的特征关联式11沸腾沸腾(boiling)和冷凝和冷凝(condensing)时的时的传热膜系数传热膜系数※※沸腾沸腾温度差小温度差小形成气泡核心形成气泡核心泡核沸腾泡核沸腾强烈泡核沸腾强烈泡核沸腾膜状沸腾膜状沸腾h泡核沸腾泡核沸腾＞＞h膜状沸腾膜状沸腾12沸腾沸腾(boiling)和冷凝和冷凝(condensing)时时的传热膜系数的传热膜系数※※冷凝冷凝h滴状冷凝滴状冷凝＞＞ h膜状冷膜状冷凝凝膜状冷凝膜状冷凝滴状冷凝滴状冷凝√√饱和蒸气冷凝时释放出气化潜热而凝结成液体，冷凝液的 温度与蒸气温度相同√√当饱和水蒸气中含有不凝性气体（如空气）时，其h随不凝性 气体含量增大而显著下降因此用水蒸气加热的设备总附有 排气阀，随时或定期地将积累的不凝性气体排空√√过热水蒸气是以其显热传热的，h接近一般气体的值13对流传热膜系数的值对流传热膜系数的值传热情况h /W.m-2.K-1h常用值备注水蒸气滴状冷凝水蒸气膜状冷凝40000 40000 ～～ 120000 1200005000 5000 ～～ 15000 150004000010000氨的冷凝苯蒸气冷凝C3 ～ C4的冷凝93009300700 ～ 1600930 ～ 1240卧式冷凝器水的沸腾水的加热或冷却油的加热或冷却1000 1000 ～～ 30000 30000200 ～ 500050 ～ 10003000 ～ 5000400 ～ 1000200 ～ 500强制对流有较大值空气加热或冷却过热蒸气的加热和冷却5 ～ 6020 ～10020 ～ 30强制对流有较大值高压气体的加热或冷却1000 ～4000氨合成 无论沸腾或冷凝传热时发生相变这一侧的无论沸腾或冷凝传热时发生相变这一侧的h h都有较高的值都有较高的值. .14。