页数：37页文件大小：878.9 KB来源： 化工原理ppt课件
本课件对应《化工原理》第三节 对流传热，沿第三节 对流传热主线展开，系统梳理传热、给热系数等核心概念、公式推导与工程计算思路，并配合图示说明典型设备结构与操作要点，可用于课前预习、课堂对照与课后复习。
对流传热
对流分为自然对流和强制对流。
下面要介绍详细情况。
热冷对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的宏观移动进行热量传递的，故与流体的流动情况密切相关。
工业上遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面之间的热交换。
也就是流体将热量传给固体壁面，或由壁面将热量传给流体的过程称为对流传热（或对流给热，放热）。
它是对流与导热的联合作用的结果。
一、对流给热过程的分析
流动方向xwt一、对流给热过程的分析1、对流对传热的贡献流体的宏观运动加快了传热速度。
我们以流体与壁面的给热为例来说明。
设有一冷平壁，其壁面温度为tw，热流体流过平壁被冷却。
yT0tw静止Q↓
导热系数
（1）当流体静止时，u=0，流体只能以传导方式将热量传给壁面。
流体温度T在垂直于壁面方向呈直线分布。
也就是−tw=λΔTδδ∂yy=0q=−λ(∂T)=λt0说y方向上有温度梯度，满足Q=−λ(∂T)A，水平方向无热（2）当流体处于层流时，由于在与流动相垂直的方向上没有流体质点的运动，热量仍然只能靠传导传递。
为了考察流动对传热的贡献，取一流体微元做热量衡算：∂y量传递。
此时与固体导热完全一样，λ指流体的导热系数。
水进因
q水进因为是热流体，在流动过程方向上流出微元体的流体温度一定小于流入微元体流体的温度，即：q水进A进>q水出A出q直进A直<q直出A直δQ进Q出进出t流动的方向A进+q直进A直=q水出A出+q直出A直y那么
傅立叶定律
也就是说垂直方向上热流密度沿y轴负方向是增加的。
温度梯度也随之增加，沿y向减小，这时，温度分布不再呈线性分布，而是如上图形式，但流体传给壁面的q仍可以由傅立叶定律确定：(:y=0时，u=0)−Twδ∂yy=0q=−λ(∂T)≠λT0y=0∂y∂y>q=−λ(∂T)q=−λ(∂T)y=0静流即：在温差相同(T0−Tw)的情况下，流体的流动增大了壁面的温度，使壁面处q流>q静
流体流动
（3）当流体以湍动状态流过平壁时，由于湍流的特征为轴向脉动，该湍流脉动促使流体在轴向上剧烈混合，所以在湍流中心可以认为无传热阻力，即温度梯度小，主温度趋于均匀。
第一章讲过，当流体流动为湍流时，无论流体主体的湍动多大，紧邻壁面处总有一薄层称层流内层()，此薄层内在垂直于流体流动方向上的热量传递，仍是以热传导的方式进行。
热阻主要集中在层流内层，在层流内层才有明显的温度梯度。
很显然，在壁面附近的温度梯度更大，热流密度也将更大。
从前面分析可看见，不论层流或湍流，流体对壁面的热流密度都因流动而增大。
流体在外力作用下产生的宏观
2、强制对流和自然对流对流{强制对流：流体在外力作用下产生的宏观（强迫）流动。
ρ'wTabt下面对自然对流作简单介绍：设备（略）设壁面温度为Tw壁面b处流体密度为ρ'，离壁面一段距离a处的密度为ρ温度为t。
电热炉烧水自然对流自然对流：流体内温差的存在，引起密度差，密度大的往下，密度小的往上。
点形成的压强
那么流体平均温度：2mt=Tw+tρ=ρ'(1+βΔt')这里β——为流体的体积膨胀系数。Δt'=tm−tpa=ρgLpb=ρ′gLab(1+βΔt')1+βΔt'Δp=p−p=ρgL−ρgL=ρgLβΔt'T对液体β可查有关的表。a点形成的压强b点形成的压强对理想气体：β=1a,b点形成的压差
自然对流的强弱与加热面的位置
当Δt'较小时，u22≈gLβΔt'∝n;unΔpρ为自然对流的流动速度。
un∝2βgLΔt'压强的产生，发生了自然对流（如前一节所说的环流）−t=tw+t−tΔt'=t−t=twwnm22−t=∴u∝2βgLΔt(这里Δt=t−t)22βgLtw从此式可知：流体内部只要有温差，就一定有环流，这种由温度引起的流动称为自然对流。
所以，在流体中传导过程必伴有自然对流。
自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。
（P243页）因此通常暖气片装在房间下部，空调置于上部。
二、对流给热过程的数学描述
对流给热（如图）是一个复杂的过程，影响其传热的速率的因素很多。
因此，对流给热的纯理论计算相当困难。
目前，工程计算仍按下面的半经验方法处理。
二、对流给热过程的数学描述1、牛顿冷却定律和给热系数热流体tWtTWT传热壁冷流体根据传递过程的普遍关系，壁面对流体加热或冷却的对流给热速率可表达成
流体传热
对流给热的阻力对流给热速率=对流给热的推动力=系数×推动力dQ==αdAΔTαdAΔT1即：或dAq==αΔTdθ当流体被加热时q=α(tw−t)w当流体被冷却时q=α(T−T)壁传热→流体（6−28）流体传热→壁（6−29）
给热系数
成正比，实际上在不少情况下由于不为常数而与ΔT有关，因此q并不与ΔT成正比。该公式虽然形式简单，但并未改变问题的复杂性，只是将所有复杂的因素都转移到中，所以如何确定在各种情况下的计算公式是对流给热的中心问题。α——给热系数(或传热膜系数)SIW/m2⋅oC;工程kcal/m2⋅h⋅oCT——壁温oC(严格来讲两式中的T不一样，T和T有区别)www1w2t,T——流体的主体温度（即膜截面上的流体平均温度）因为沿着流动方向t,T为变值，所以使用时t，T，Tw,α时都要用平均值。式（6-28）及（6-29）称为牛顿冷却定律。该定律并非理论推导的结果，而是一种推论，即假设q与ΔT
个对流给热过程的热阻可以相
1α2、说明：（1）q∝写成αA(T−Tw)=αA(Tw−T)对管子来说两个A不同。（2）把导热公式q=δΔtλ流体的导与对流式q=αΔttλ热系数λ相比较发现：α∝δ或α=δΔT——推动力——阻力从此看出，一个对流给热相当于一个导热过程。但该相当厚度膜所造成的导热热阻。=0，即没有传热。换句话说，一dy以上dt的导热过程的厚度δt不是真实的流体层厚度，认为在δtt内有温度梯度，在δ个对流给热过程的热阻可以相当于某一个厚度为δt的静止流体湍流时，δt小，α大，传热速率快。
三、对流给热的因次分析
1、影响过程的因素实验表明，影响过程的主要因素有：pα=f(u,l,μ,λ,ρ,cp,βgΔt)（6-30）2βgLΔt可知，gβΔT流体物性：μ,ρ,λ,C设备定性尺寸：l强制对流的流速：u自然对流的特征速度，由un∝表征，于是
传热系数
2、因次分析π定理=物理变量数−基本因次=8−4=4在传热范围内，基本因次数只有四个，L，T，M，θ在SI单位中，式（6-32）中各物理量的因此数如下：α——对流传热系数pu——流速l——特性尺寸μ——粘度λ——导热系数ρ——密度c——定压比热βgΔt——单位质量流体的浮力MT−3θ−1LT−1LML−3θ−1MLT−3θ−1ML−3L−2T−2θ−1LT−2
把各因次带入上式
albucλdρα=AuρcR(βgΔt)gp把各因次带入上式，并根据物理方程式等号两边的因次相等的原则，可得：1=c+d+e0=a+b−c+d−3e+2k+g−3=−a−c−3d−2k−2g−1=−d−k对M对L对T对θ7个未知数，4个方程，设a,k,g已知
代入并整理得
∮e=a+2gc=−a+k−2kd=1−k求出b=a+3g−1代入并整理得)()lgka)(λ)(cpμLuρμβgΔtl3ρ2λμ2α=A(gka))()(cpμλLuρμαlλβgΔtl3ρ2μ2=A(或
描述给热过程的准数关系式
λαl=Nu努塞尔准数μluρ=Re雷诺准数rλCpμ=ρ普郎特准数=GrβgΔTl3ρ2μ2格拉斯霍夫准数于是，描述给热过程的准数关系式为：Nu=A⋅Rea⋅Prk⋅Grg
流体流动
物性准数，是由流体的性质所决定，它反映了流体物性对给热过程的影响。
气体液体Pr远大于1。
λ（2）Pr=Cpμ3、各无因次准数的物理定义（1）Re=duρ=惯性力，表示流体流动的状态，反映μ粘性力了流动状态和湍动程度对对流程度的影响。
Pr<1
给热系数
增大的倍数。
∗λλαl相当于给热过程以纯导热方式进行时的给热系数。
=α⋅l=α=αα∗虽然Nu反映对流使tδα=λddλλλλ==α⋅d=α=δtdδt即：Nu为管径与有效膜厚度的比值。
(3)Nu对圆直管，特性尺寸L为管径为d，结合上式：可得：Nu
它表示自然
式中为自然对流的特征速度，显然2∝=(Ren)=Gr=nμ2u2ρ2l2βgΔtl⋅l2ρ2μ2βgΔtl3ρ2μun∝βgΔtl自然对流循环的Re2注意四个准数中的8个物理量要用SI都用SI，要用工程单位都用工程单位。
（4）格拉斯霍夫准数Gr是Re的一种变形，它表示自然对流对对流给热的影响。
准数：a、无因次。
b、一般准数都有意义。
定性温度流体
wm,T和t2=Tw+t4、定性温度流体在对流给热过程中温度是变化的。
流体的物性也随t的变化而变化。
把确定准数中流体的物性数据如：Cp、ρ、μ、λ所依据的温度称为定性温度。
常用的定性温度确定法有两种。
（1）用流体主体的平均温度。
均为壁温和主体温度的（2）用平均膜温，t平均值。
常做定性温度的为第一种，因为使用它方便。
必须注意
但要大家注意，同一套实验数据，取不同定性温度，经整理后得到的经验关联式也可能稍有不同，在使用经验公式时，必须注意实际测定和关联时所选用的定性温度。
5、特征尺寸：是指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。
对管内强制对流给热，如为圆管，特征尺寸=d，若为非圆形管通常取当量直径：ed=4×流动截面润湿周边对大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的垂直高度为特征尺寸。
四、对流给热系数
的经验方程各种传热过程都是这四类的不同组合，本节重点讨论无相变的给热过程。
自然对流化工常遇到的给热过程大致可以分类成：∮强制对流有相变的给热过程∮蒸汽冷凝给热液体沸腾给热无相变的给热过程
四、对流给热系数（续）
1、流体在圆形直管内强制湍流时的Nu值计算对于强制湍流时，自然对流的影响可以不计。
描述对流给热准数的关联式可写成Nu=AReaPrb(Nu=AReaPrkGrg)许多研究者对不同流体在光滑管内的传热作了大量的实验，发现在一定条件下，A=0.023，a=0.8，当流体被加热时，b=0.4。
当流体被冷却时，b=0.3，即：0.8Pr0.3or0.4Nu=0.023Repλdμλduρ0.8Cμ0.3or0.4α=0.023
进口段
传热系数
这是考虑到层流底层中温度对流体粘度和导热系数的影的变化幅度大，响。
对液体t↑,μ↓从而使层流底层变薄，而λ液随t的升高而降低（见P234、6-4），但变化不显著，所以总的结果是对流传热系数增大；对气体来说t↑,μ↑显然层流底层厚度t增厚，同时λ随t的升高而增大（6-5）。
但λ的变化没有所以总的效果是对流系数变小。
对液体Pr>1(t↑,μ↓)，所以Prb为增函数，即b取0.4与实际情况相等。
对气体Pr<1(t↑,μ↓)，Prb为减函数，则b应取0.4，冷却时情况相反。
传热系数（续）
几种修正的情况（1）高粘度物体0.14)Re0.8Pr0.33(dμμwλα=0.027（6-42）wμμ——考虑壁温对粘度的影响μ,μw——分别为液体在主体平均温度和壁温下的粘度。要知到μw，须先知tw使问题复杂化，工程上wμ◆液体被加热时(μ)0.14=1.05(1)Re>104(2)Pr=0.5~100(3)适合高粘度，但不适合液态金属（6-42）式使用条件：wμ◆液体被冷却时(μ)0.14=0.95
层流内层
(2)l/d<30~40的短管不定态程度大,热阻小,大,则需乘以1.02~1.07的系数.(3)Re=2000~10000之间的过渡流因湍流部充分,层流内层较厚,热阻大,较小,则：×1.02~1.07pλdμλρdu0.8Cμbα=0.023Re1.86×105f=1−α过=fα湍f<1
给热系数
直R弯α=α1+1.77d(4)流体在弯曲管道内流动的给热系数流体在弯管中流动，流体阻力增加，但扰动加剧，使给热系数增加。d——管内径，mR——弯管的曲率半径，m。(5)流体在非圆形管中强制湍流的给热系数方法有两种：方法一：将定性尺寸用当量直径de代替,其它与圆管相同。（方便，但准确性差）
根据实验找到具体情况
de=d2-d1Re=1.2×104~2.2×105d2/d1=1.65~1.700.5321Re0.8Pr0.33dddeλ方法二：根据实验找到具体情况下的α计算式。如套管：α=0.02de——套管的当量直径d2——外管内径d1——内管外径上式条件
但效果比改变直管好
但效果比改变直管好。
由此可知:当流体种类和管径一定时,当其它条件不变时,0.40.2pu0.8dμpλρ0.8C0.4λ0.6μCμ0.4λduρ0.8α=0.023d=0.0231d0.2α∝α∝μ0.8改变u可改变最后把(6-41)改为:
传热系数
10.143122wddlμNu=1.86Re⋅Pr⋅lμwRe<2300Re⋅Pr⋅t+t定>10不适应管子很长的情况；t→定型温度，但μ按壁温确定。
2、流体在圆形直管内强制层流时的条件：流体在圆形直管内作强制层流时应考虑自然对流及热流方向对对流给热的影响。
由于此传热过程较为复杂，所以对流传热系数的误差较大。
可用下式计算
给热系数
流体在管外垂直流动两种垂直流过管束x2x1直列x2x1错列{通过单管3、流体在管外强制对流的给热系数由于工业所用换热器中多为流体垂直流过管束，比如列管换热器。
管束的排列又分为直列和错列两种。
传热系数
3、流速u取垂直于流动方向最窄通道的流速；4、由于各排的对流给热系数不等，故取对流传热系数的平均值。
Nu=cεRenPr0.4式中，c、ε和n均由实验测定，其值见P250表6-2。
使用条件：（1）、Re=5000~7000（2）、x1/d=1.2~5（3）、x2/d=1.2~5说明:（1）、特性尺寸取管子外径d外；2（2）、t=t1+t2定流体在管束外垂直流过时的对流传热系数可用下式计算
给热系数
mα∑AA+A+A+⋅⋅⋅123i+α2A2+α3A3+⋅⋅⋅=∑αiAi=α1A1αi—各排的给热系数，Ai—各排的传热面积。
4、大容器自然对流的给热系数自然对流是由于流体各部分温度不同而引起密度不同产生的对流，不存在强制流动，所以有：Nu=A⋅Prb⋅Grc用不同形状的加热面对不同介质进行了大量实验研究，将结果按上式进行整理，的即P252图6-17所示的曲线可近似的分为三段直线，每段皆可表示为
本节完
Cl⋅pλμbα=Aμ2λβgΔtl3ρ2Nu=A(Gr⋅Pr)b对水平管取管外径定性尺寸对垂直管和板取垂直高度{本节完上式中条件A、b可从曲线分段求出，列入表6-3种。
Δt=Tw−t(壁温−流体主体温度）t定为膜温
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}