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21 5-4 对流传热.pptx

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本课件讲解对流传热的机理与对流传热系数、无相变与有相变对流传热的准数关联式及其计算。内容按5.4 对流传热、5.4.1 对流传热机理和对流传热系数等小节展开，配合图示、公式推导与例题说明相关参数的确定方法。

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第1页：对流传热

本页为「对流传热」小节导览页，列出本节包含的内容要点。

第五章传热
5.4对流传热

第2页：是指运动流体与固体壁面之间的热量

是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，对流传热与流体的流动状况密切相关。对流传热概述图5-12 对流传热的温度分布情况

第3页：无相变有相变强制对流自然对流对流

无相变有相变强制对流自然对流对流传热蒸汽冷凝液体沸腾概述

第4页：对流传热机理和对流传热系数

本页为「对流传热机理和对流传热系数」小节导览页，列出本节包含的内容要点。

第五章传热
5.4对流传热
5.4.1对流传热机理和对流传热系数

第5页：图5-12对流传热

图5-12 对流传热的温度分布情况一、对流传热机理

第6页：对流传热机理和对流传热系数

一、对流传热机理当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将进行热交换。层流内层缓冲层湍流核心湍流边界层传热方式热传导热传导和涡流传热涡流传热

第7页：层流内层缓冲层湍流核心湍流边界层

层流内层缓冲层湍流核心湍流边界层温度梯度较大居中较小热阻较大居中较小对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。一、对流传热机理

第8页：热边界层及对流传热系数

二、热边界层及对流传热系数靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层

第9页：热边界层及对流传热系数

图5-13 平板上的热边界层二、热边界层及对流传热系数

第10页：热边界层及对流传热系数

若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即紧靠壁面处薄层流体的温度梯度二、热边界层及对流传热系数

第11页：热边界层及对流传热系数

根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温换热器任一截面上热流体的平均温度二、热边界层及对流传热系数

第12页：热边界层及对流传热系数

因此有对流传热系数的另一定义式，它表明了对流传热系数与壁面温度梯度之间的关系。二、热边界层及对流传热系数

第13页：热边界层及对流传热

二、热边界层及对流传热系数当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成和发展。对于一定的管长，破坏边界层的发展也能强化对流传热。对于同一种流体，强制对流传热的对流传热系数要大于自然对流的，有相变化的要大于无相变化的。

第14页：对流传热的量纲分析

本页为「对流传热的量纲分析」小节导览页，列出本节包含的内容要点。

第五章传热
5.4对流传热
5.4.1对流传热机理和对流传热系数
5.4.2对流传热的量纲分析

第15页：影响对流传热系数的因素

一、影响对流传热系数的因素
1.流体的种类和相变化的情况
2.流体的特性：导热系数、黏度、比热容、密度以及体积膨胀系数
3.流体的温度
4.流体的流动状态
5.流体流动的原因
6.传热面的形状、位置和大小

第16页：通过实验确定相应的经验关联式

二、对流传热过程的量纲分析
1.根据对问题的观察，找出影响对流传热过程的因素
2.通过量纲分析确定相应的量纲为一数群（准数）
3.通过实验确定相应的经验关联式公式。量纲分析步骤

第17页：量纲分析的基本依据是π定理

量纲分析的基本依据是π定理：一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含n-m个独立的量纲为一数群间的关联式，m指n个物理量中所涉及的基本量纲的数目。量纲分析的核心在于确定n和m，并用一定技巧将各个量纲为一数群的内涵确定下来。量纲分析基本依据二、对流传热过程的

第18页：流体无相变时的强制对流传热

1.流体无相变时的强制对流传热过程
（1）列出影响该过程的物理量传热设备的特征尺寸
二、对流传热过程的量纲分析

第19页：确定量纲为一数群的数目上述7个变

（2）确定量纲为一数群的数目上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量、时间和温度依据π定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3
二、对流传热过程的量纲分析

第20页：量纲分析

通过量纲分析，可确定努赛尔特数(Nusselt number)雷诺数(Reynolds number)表示对流传热系数的准数表示惯性力与黏性力之比，是表征流动状态的准数二、对流传热过程的量纲分析

第21页：普兰德数

普兰德数(Prandtl number)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。强制对流（无相变）传热时的准数关联式因此，有二、对流传热过程的量纲分析

第22页：自然对流传热过程

2.自然对流传热过程
（1）列出影响该过程的物理量传热设备的特征尺寸作用在单位体积流体上的浮力
二、对流传热过程的量纲分析

第23页：确定量纲为一数群的数目上述7个变

（2）确定量纲为一数群的数目上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量、时间和温度依据π定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3
二、对流传热过程的量纲分析

第24页：量纲分析

通过量纲分析，可确定努赛尔特数(Nusselt number)普兰德数(Prandtl number)二、对流传热过程的量纲分析

第25页：格拉斯霍夫数

格拉斯霍夫数(Grashof number)表示由温度差引起的浮力与黏性力之比自然对流（无相变）传热时的准数关联式因此，有二、对流传热过程的量纲分析

第26页：使用由实验数据整理

3.使用由实验数据整理得到的关联式应注意的问题
（1）应用范围关联式中Re、Pr等准数的数值范围等；
（2）特性尺寸Nu、Re等准数中的ℓ应如何确定；
（3）定性温度各准数中的流体物性应按什么温度查取。
二、对流传热过程的量纲分析

第27页：流体无相变时的对流传热系数

本页为「流体无相变时的对流传热系数」小节导览页，列出本节包含的内容要点。

第五章传热
5.4对流传热
5.4.1对流传热机理和对流传热系数
5.4.2对流传热的量纲分析
5.4.3流体无相变时的对流传热系数

第28页：流体在管内作强制对流

一、流体在管内作强制对流
1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流
（1）低黏度流体可应用迪特斯（Dittus）—贝尔特（Boelter）关联式或当流体被加热时，n=

第29页：流体在管内作强制对流

特性尺寸：管内径。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。应用范围：若，可将由上式求得的值乘以进行校正。一、流体在管内作强制对流

第30页：流体在管内作强制对流

（2）高黏度流体可应用西德尔（Sieder）—泰特（Tate）关联式或壁温下的黏度考虑热流方向的校正项
一、流体在管内作强制对流

第31页：流体在管内作强制对流

特性尺寸：管内径。定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。应用范围：一、流体在管内作强制对流

第32页：流体在管内作强制对流

2.流体在光滑圆形直管内作强制层流特性尺寸：管内径。定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。应用范围：
一、流体在管内作强制对流

第33页：流体在光滑圆形直管中呈过渡流

当时，对流传热系数可先用湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正系数。

3.流体在光滑圆形直管中呈过渡流
一、流体在管内作强制对流

第34页：流体在管内作强制对流

4.流体在弯管内作强制对流流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大管子的弯曲半径
一、流体在管内作强制对流

第35页：流体在管内作强制对流

5.流体在非圆形管内作强制对流流体在非圆形管内作强制对流时，只要将管内径改为当量直径，则仍可采用上述各关联式。传热当量直径定义：究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决定。
一、流体在管内作强制对流

第36页：练习题目与思考题

练习题目

思考题

对流传热系数的定义是什么？说明对流传热的机理及求算对流传热系数的途径。
2.量纲分析的步骤，所应用的基本定理是什么？
3.传热过程所涉及到的量纲为一准数的名称、计算式、含义是什么？

作业题：11、12、131

第37页：流体无相变时的对流传热系数

本页为「流体无相变时的对流传热系数」小节导览页，列出本节包含的内容要点。

第五章传热
5.4对流传热
5.4.1对流传热机理和对流传热系数
5.4.2对流传热的量纲分析
5.4.3流体无相变时的对流传热系数

第38页：流体无相变时的对流传热系数

二、流体在换热器的管间作强制对流换热器管间流体的流动：装有折流挡板。流体的流向和流速不断地变化。在Re>100时即可达到湍流。

第39页：流体在换热器的管间作强制对流

图5-14 换热器折流挡板二、流体在换热器的管间作强制对流

第40页：流体在换热器的管间作强制对流

图5-15 管间管束排列形式二、流体在换热器的管间作强制对流

第41页：流体在换热器的管间作强制对流

凯恩（Kern）法应用范围：。特性尺寸：传热当量直径。定性温度：除μw取壁温外，均取流体进出口温度的算术平均值。二、流体在换热器的管间作强制对流

第42页：流体无相变时的对流传热系数

三、自然对流通过实验测得的c和n值列于表5-7 中。

第43页：流体有相变时的对流传热系数

本页为「流体有相变时的对流传热系数」小节导览页，列出本节包含的内容要点。

第五章传热
5.4对流传热
5.4.1对流传热机理和对流传热系数
5.4.2对流传热的量纲分析
5.4.3流体无相变时的对流传热系数
5.4.4流体有相变时的对流传热系数

第44页：蒸汽冷凝传热

一、蒸汽冷凝传热
1.蒸汽冷凝方式图5-16 蒸汽冷凝方式滴状冷凝膜状冷凝

第45页：膜状冷凝时的对流传热系数

2.膜状冷凝时的对流传热系数
（1）层流膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数关系式推导中作了以下假设：
①冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜的热传导。
②蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。
一、蒸汽冷凝传热

第46页：蒸汽冷凝传热

③蒸汽冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热，蒸汽温度和壁面温度保持不变。
④冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。
一、蒸汽冷凝传热

第47页：蒸汽冷凝传热

对蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝蒸汽的饱和温度与壁面温度之差饱和蒸汽的冷凝潜热一、蒸汽冷凝传热

第48页：蒸汽冷凝传热

麦克亚当斯(McAdams)建议在工程设计时，应将计算结果提高20%，即一、蒸汽冷凝传热

第49页：蒸汽冷凝传热

（2）湍流膜状冷凝时的对流传热系数当液膜呈现湍流流动时可应用柯克柏瑞德(Kirkbride)的经验公式计算，即
一、蒸汽冷凝传热

第50页：蒸汽冷凝传热

冷凝时Ref的计算：当量直径凝液的平均流速若以表示凝液的流通面积，表示润湿周边长度，表示凝液的质量流率，则有一、蒸汽冷凝传热

第51页：蒸汽冷凝传热

单位长度润湿周边上的凝液质量流率则从层流到湍流的临界值一般可取为1800。一、蒸汽冷凝传热

第52页：蒸汽冷凝传热

（3）水平管外膜状冷凝时的对流传热系数对于蒸气在单根水平管外的层流膜状冷凝，努赛尔特曾经获得下述关联式特征尺寸管外径
一、蒸汽冷凝传热

第53页：蒸汽冷凝传热

水平管束外冷凝垂直列上的管数若各列管子在垂直方向上的排数不相等一、蒸汽冷凝传热

第54页：蒸汽冷凝传热

比较垂直管外水平管外2式相比对于长

1.5m，外径20mm的圆管，水平放置时其层流膜状冷凝对流传热系数约为垂直放置时的2倍。
一、蒸汽冷凝传热

第55页：蒸汽冷凝传热

应予指出，若蒸气中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气体（导热系数很小）层所遮盖而增加一层附加热阻，使对流传热系数急剧下降。故在冷凝器的设计和操作中，必须考虑排除不凝气。一、蒸汽冷凝传热

第56页：液体沸腾传热

二、液体沸腾传热所谓液体沸腾: 二、液体沸腾传热所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程。

第57页：m，外径

液体沸腾的方式过冷沸腾饱和沸腾√√二、液体沸腾传热池内沸腾管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾)

第58页：液体沸腾传热

1.液体沸腾曲线图5-17 水的沸腾曲线
二、液体沸腾传热

第59页：液体沸腾传热的影响因素

2.液体沸腾传热的影响因素
（1）液体性质的影响通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热。
二、液体沸腾传热

第60页：液体沸腾传热

（2）温度差的影响温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的对流传热系数与的关系可用下式表达，即
二、液体沸腾传热

第61页：液体沸腾传热

（3）操作压力的影响提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于气泡的生成和脱离。
二、液体沸腾传热

第62页：液体沸腾传热

（4）加热壁面的影响加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影响。清洁而粗糙的加热壁面传热系数较高。加热壁面的布置情况，也对沸腾传热有明显的影响。
二、液体沸腾传热

第63页：m，外径

3.液体沸腾传热系数的计算由于沸腾传热的机理相当复杂，目前还没有适当的分析解可以描述整个沸腾传热过程，故其传热系数的计算仍主要借助于经验公式，以下是工业计算中常用的罗森奥（Rohsenow）公式，即
二、液体沸腾传热

第64页：非牛顿型流体的传热

本页为「非牛顿型流体的传热」小节导览页，列出本节包含的内容要点。

第五章传热
5.4对流传热
5.4.1对流传热机理和对流传热系数
5.4.2对流传热的量纲分析
5.4.3流体无相变时的对流传热系数
5.4.4流体有相变时的对流传热系数
5.4.5非牛顿型流体的传热（选读）

第65页：练习题目与思考题