第5章传热课件3.ppt
对流传热：对流传热：t）t）（t（tA A）T T（T（TA A Q QWW2 22 2WW1 11 15.4.1 对流传热系数（对流传热系数（）的影响因素）的影响因素（1）引起流动的原因：）引起流动的原因：自然对流自然对流和和强制对流强制对流 自然对流自然对流：流体内：流体内温度不同，导致密度差异温度不同，导致密度差异，热流体上，热流体上升，冷流体下降，由于流体升，冷流体下降，由于流体温度不同而使流体流动的传热过温度不同而使流体流动的传热过程程，称为自然对流传热。，称为自然对流传热。强制对流强制对流：由外力作用（输送机械）使流体流动而传热：由外力作用（输送机械）使流体流动而传热，称为强制对流传热。，称为强制对流传热。强制对流强制对流 自然对流自然对流5.4 5.4 对流传热与对流传热系数对流传热与对流传热系数（2）流体流动形态）流体流动形态 流体流体传热热阻主要集中在层流底层中传热热阻主要集中在层流底层中。对层流。对层流而言，整个流体均处于层流状态；而湍流流体中只而言，整个流体均处于层流状态；而湍流流体中只有层流底层处于层流状态；所以有层流底层处于层流状态；所以湍流情况下传热效湍流情况下传热效果大于层流状态，且湍动程度越大，层流底层越薄果大于层流状态，且湍动程度越大，层流底层越薄，对流传热系数越大。，对流传热系数越大。湍流湍流 层流层流5.4 5.4 对流传热与对流传热系数对流传热与对流传热系数（3）流体的性质）流体的性质 影响对流传热过程的性质影响对流传热过程的性质主要有：主要有：比热、导热比热、导热系数、粘度、密度系数、粘度、密度等。等。如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效果差；导热系数大，层流底层中热阻小。一般比热果差；导热系数大，层流底层中热阻小。一般比热大、导热系数大、大、导热系数大、密度大密度大、粘度小粘度小对传热有利。对传热有利。（4）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变发生相变等等 流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、单管、管束、板、弯管）单管、管束、板、弯管）管子排列方式（三角形、正方形）管子排列方式（三角形、正方形）位置（水平、垂直）位置（水平、垂直）大小（短管、长管）大小（短管、长管）相变（相变（无相变、沸腾、冷凝无相变、沸腾、冷凝）补充：自然对流环流流速补充：自然对流环流流速 adLbc流动的推动力为密度不同引起的静压差，则流动的推动力为密度不同引起的静压差，则TLTTLggLTgLgppgpgu 112ad2TgLu 液体的密度随温度变化的关系式如：液体的密度随温度变化的关系式如：T 1紧靠壁面处密度（温度高时）紧靠壁面处密度（温度高时）T=T-T体积膨胀系数体积膨胀系数自然对流的强弱与自然对流的强弱与加热面的位置加热面的位置密切相关。密切相关。水平加热面水平加热面的上部有利于产生较大的自然对流的上部有利于产生较大的自然对流(如图如图a a所示所示)，故房间采暖，故房间采暖用的加热器应尽量放在下部；用的加热器应尽量放在下部；水平冷却面的下部有利于产生水平冷却面的下部有利于产生较大的自然对流较大的自然对流(如图如图b b所示所示)，故剧场的冷气装置应放在剧场，故剧场的冷气装置应放在剧场上部。上部。热平板热平板图图a 水平加热面的对流情况水平加热面的对流情况冷平板冷平板图图b 水平冷却面的对流情况水平冷却面的对流情况5.4.2 因次（量纲）分析在对流传热中的应用因次（量纲）分析在对流传热中的应用（1 1）获得）获得对流传热系数对流传热系数（）的方法的方法 分析法分析法 数值法数值法 实验法实验法：通过实验来获得不同情况下的：通过实验来获得不同情况下的对流传热计算对流传热计算式式（常为（常为关联式或经验式关联式或经验式）。为减少）。为减少实验工作量，提高实验实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行；即对某一类；即对某一类对流传热问题，对流传热问题，将影响对流传热系数的因素用量纲分析归纳将影响对流传热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系些特征数之间的具体关系。（2 2）因次）因次分析在对流传热中的应用分析在对流传热中的应用 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素有（有（无相变无相变）：）：（1 1）流体物性流体物性：、cp （2）流动状态流动状态：u （3 3）传热面特征尺寸传热面特征尺寸：l （4 4）自然对流自然对流：Tg （视为一个变量，相（视为一个变量，相当单位质量流体由于温度不同所产生的浮力）当单位质量流体由于温度不同所产生的浮力）所以对流传热系数是以上七个变量的函数：所以对流传热系数是以上七个变量的函数：Tglucfp ,gfepdcbaTguclK 令令 对对SISI制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，包括长度包括长度L L、质量、质量M M、时间、时间T、温度、温度；所以关联式中各变量的；所以关联式中各变量的因次分别为：因次分别为：13MT 11LM T 3ML 13MLT L l122pTL c 1LT u 2TL Tg（W m-2 -1）（Pa s）（kg m-3）（W m-1 -1）（m）（J kg-1 -1）（m s-1）（m s-2）W=J/S=N*m/s=(kg*m/s2)*m/s=kg*m2/s3 把以上因次代入关联式把以上因次代入关联式 gfedcbaK211221331113LTLTTLLMLTMLLMTMT ecgedcbafgecafcbaK 2322313LTMMT根据根据因次一致性原则因次一致性原则：1 cba3223 gecaf023 gedcbaf1 ec解得：解得：，gfea2 ，gfb2 ，ec 113 gfdgepfgfepgfegfgfelTgclulKTguclK 23213122gepflTgcluKl 232 令：令：lNu 努塞尔特准数努塞尔特准数，l 反映对流与纯导热时传热反映对流与纯导热时传热能力的比值能力的比值；du Re雷诺准数雷诺准数，惯性力与粘性力的比值惯性力与粘性力的比值，表征，表征流体流动型态对对流传热的影响；流体流动型态对对流传热的影响；强制对强制对流时影响显著，自然对流时影响微小流时影响显著，自然对流时影响微小；5.4.2 因次分析在对流传热中的应用因次分析在对流传热中的应用 pPrc 普朗特准数普朗特准数，反映流体，反映流体物性对对流传热的影响物性对对流传热的影响；液体液体Pr1，气体，气体Pr1接近接近1232Gr lTg 格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数，2222 lu自自反映反映自然自然对流对对对流对对流传热的影响流传热的影响。根据以上定义可以得到最终的关联式：根据以上定义可以得到最终的关联式：gefGrKNuPrRe 5.4.2 因次分析在对流传热中的应用因次分析在对流传热中的应用讨论：讨论：根据不同的对流传热过程，由实验确定系数根据不同的对流传热过程，由实验确定系数K及及指数指数f、e、g值值；如强制对流、自然对流、沸腾对流传热、冷凝；如强制对流、自然对流、沸腾对流传热、冷凝对流传热等；对流传热等；强制对流强制对流时，时，Gr一般可忽略，即一般可忽略，即Nu=f(Re,Pr)自然对流自然对流时，时，Re一般可忽略，即一般可忽略，即Nu=f(Pr,Gr)由实验条件所限，得到由实验条件所限，得到Nu=f(Re,Pr,Gr)关联式应注意关联式应注意应用范围；应用范围；5.4.2 因次分析在对流传热中的应用因次分析在对流传热中的应用 由于流体在传热过程中存在传热边界层，所以冷流由于流体在传热过程中存在传热边界层，所以冷流体从体从t上升到上升到tW，热流体从，热流体从TW降为降为T；故对冷、热流体的物；故对冷、热流体的物性应分别取性应分别取(t+tW)/2、(T+TW)/2查取或计算查取或计算 Nu=f(Re,Pr,Gr)适用于无相变的对流传热适用于无相变的对流传热。5.4.2 因次分析在对流传热中的应用因次分析在对流传热中的应用 总之，总之，对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动。任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数的原因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来讨论对流传热系数的关联式，有影响。下面分四种情况来讨论对流传热系数的关联式，即：即：强制对流时的对流传热系数；强制对流时的对流传热系数；自然对流时的对流传热系数；自然对流时的对流传热系数；蒸汽冷凝时的对流传热系数；蒸汽冷凝时的对流传热系数；液体沸腾时的对流传热系数；液体沸腾时的对流传热系数；5.4.3 强制对流时的对流传热系数强制对流时的对流传热系数 强制对流情况下，强制对流情况下，Gr对对的影响较小，一般可以忽略，的影响较小，一般可以忽略，所以：所以：nmCNuPrRe 其中其中C、m、n由实验测定。由实验测定。5.4.3.1 流体在管内作强制对流的流体在管内作强制对流的（1）流体在）流体在圆形直管内作强制湍流圆形直管内作强制湍流时的时的 低粘度（粘度低粘度（粘度104，流动是充分湍流；，流动是充分湍流；b、Pr=0.6160，一般流体皆可满足；，一般流体皆可满足；c、50，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的。若充分发展的。若l/d 1，被加热：被加热：t，u,b,，n=0.4;被冷却：被冷却：t，u,b,，n=0.3;气体气体Pr104；b、Pr=0.6160；c、特征尺寸、特征尺寸l 取取d内内；d、流体物性参数按定性温度、流体物性参数按定性温度tm=(t1+t2)/2取；取；e、用用tWm=(tW1+tW2)/2 求求W；f、不适用于液态金属不适用于液态金属。一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但在工程计算中，也可取以下近似值：在工程计算中，也可取以下近似值：5.4.3 强制对流时的对流传热系数强制对流时的对流传热系数05.114.0W 液体被加热液体被加热液体被冷却液体被冷却95.014.0W 工程中黏度比取近似值：工程中黏度比取近似值：气体被冷却或者加热：气体被冷却或者加热：1 1 0 0.1 14 4WW（2）流体在圆形）流体在圆形直管内作强制层流直管内作强制层流时的时的 Gr25000，自然对流的影响可以忽略自然对流的影响可以忽略14.0W31PrRe86.1 ldNu此式适用范围及条件：此式适用范围及条件：Re2300，Gr25000，0.6Pr100（不适用于管长很长的情况不适用于管长很长的情况），特征尺寸取），特征尺寸取d内内；定性温度取；定性温度取tm=(t1+t2)/2（2）流体在圆形）流体在圆形直管内作强制层流直管内作强制层流时的时的 当当Gr25000时，自然对流对强制层流时，自然对流对强制层流的影响不能忽略，应的影响不能忽略，应乘以校正系数乘以校正系数：31015.018.0Grf 注意：注意：层流时层流时很小，从而很小，从而K也很小，因此在换热器设计也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热中尽量避免在层流条件下传热。5.4.3 强制对流时的对流传热系数强制对流时的对流传热系数（3）圆形）圆形直管内强制过渡状况直管内强制过渡状况时的时的 当当Re=200010000的过渡状态时，因湍动不充分，层流的过渡状态时，因湍动不充分，层流底层较厚，热阻大，底层较厚，热阻大，比湍流时小，作为粗略估计，可用比湍流时小，作为粗略估计，可用Re104（湍流）的公式算出（湍流）
