1、1 第五章 傳 熱 5.4 對流傳熱 2 對流傳熱是 指運動流體與固 體壁面之間的熱 量傳遞過程，對 流傳熱與流體的 流動狀況密切相 關。 對流傳熱 概述 圖5-12 對流傳熱的溫度分布情況 3 無相變 有相變 強制對流 自然對流 對流傳熱 蒸汽冷凝 液體沸騰 概述 4 第五章 傳 熱 5.4 對流傳熱 5.4.1對流傳熱機理和對流傳熱系數 5 圖5-12 對流傳熱的溫度分布情況 一、對流傳熱機理 6 一、對流傳熱機理 當湍流的流體流經固體壁面時，將形成湍流 邊界層，若流體溫度與壁面不同，則二者之間將 進行熱交換。 層流內層 緩沖層 湍流核心 湍流邊 界層 傳熱方式 熱傳導 熱傳導和渦流傳熱

2、渦流傳熱 7 層流內層 緩沖層 湍流核心 湍流邊 界層 溫度梯度 較大 居中 較小 熱阻 較大 居中 較小 對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合 現象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內層，因 此，減薄層流內層的厚度是強化對流傳熱的主要 途徑。 一、對流傳熱機理 8 二、熱邊界層及對流傳熱系數 靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義 為熱邊界層。在熱邊界層以外的區域，流體的 溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。 熱邊界層 圖 5-13 平板上的熱邊界層 9 若緊靠壁面處薄層流體內的傳熱只能是熱傳 導，因此傳熱速率可用傅立葉定律表示，即 ()w dt dQdS dy 緊靠壁面處 薄層流體的 溫度梯度

3、 二、熱邊界層及對流傳熱系數 10 根據牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳 熱速率方程為 () 1 () w w TT dQTTdS dS 換熱器任一截面 上與熱流體相接 觸一側的壁溫 換熱器任一截 面上熱流體的 平均溫度 二、熱邊界層及對流傳熱系數 11 ()() ww w dtdt TTdyt dy 因此有 對流傳熱系數的另一定義式，它表明了對流傳 熱系數與壁面溫度梯度之間的關系。 二、熱邊界層及對流傳熱系數 12 二、熱邊界層及對流傳熱系數 當流體流過圓管進行傳熱時，管內熱邊界 層的形成和發展與流動邊界層類似。 對于一定的管長，破壞邊界層的發展也能 強化對流傳熱。 對于同一種流體，強制對

4、流傳熱的對流傳 熱系數要大于自然對流的，有相變化的要大于 無相變化的。P234表54 的范圍 13 第五章 傳 熱 5.4 對流傳熱 5.4.1 對流傳熱機理和對流傳熱系數 5.4.2 對流傳熱的量綱分析 14 5.4.2 對流傳熱的量綱分析 本節將盡量揭示本節將盡量揭示 的影響因素，并介紹不同情的影響因素，并介紹不同情 況下的況下的 計算式。計算式。 的影響因素多且復雜，的影響因素多且復雜，計算計算 式多以經驗的、半經驗的形式出現，稱為式多以經驗的、半經驗的形式出現，稱為“關聯關聯 式式”。 ()() ww w dtdt TTdyt dy 15 1.流體的種類(及物態)和相變化 流體的不同物

5、態(氣、液)，種類各具不同的 值；傳熱時流體有/無相變使傳遞的熱值有顯著差 別。 如：1kg/s，100的飽和水蒸汽冷凝，釋放 2258.4W熱量；而1kg/s，100的水冷卻到20， 釋放的熱量有 4.18(100-20)=334.4W。 一、影響對流傳熱系數的因素 16 2.流體流體物性物性 物性都是溫度的函數，有些還是壓強的函數。物性都是溫度的函數，有些還是壓強的函數。 傳熱多數存在溫度變化，所以對物性的影響比較突傳熱多數存在溫度變化，所以對物性的影響比較突 出。出。 換熱器多采用湍流形式，包容了換熱器多采用湍流形式，包容了99%溫度差溫度差 的熱邊界層在流動邊界層里，滯流底層的熱邊界層

6、在流動邊界層里，滯流底層(導熱導熱)是主是主 要的溫度梯度集中域，要的溫度梯度集中域， . 一、影響對流傳熱系數的因素 17 cp和和 cp單位體積流體的熱容量。單位體積流體的熱容量。 cp 流體攜帶的熱量流體攜帶的熱量對流傳熱強度對流傳熱強度 。 體積膨脹系數體積膨脹系數（ ,1/） 同同 t下的下的 利于自然對流。利于自然對流。 同同u下，下，液 液t 氣氣t w dy dt 一、影響對流傳熱系數的因素 18 3.流體的流體的溫度溫度 除影響物參大小，還影響流體與壁面間的除影響物參大小，還影響流體與壁面間的 t 以以 及由此產生的及由此產生的附加自然對流傳熱附加自然對流傳熱的大小。為此，在

7、的大小。為此，在 計算中十分重視流體溫度對物性參數的影響。計算中十分重視流體溫度對物性參數的影響。 4.流體流體流動狀態流動狀態 湍 湍 滯滯 5.流體流體流動原因流動原因 流動原因不同，流動和傳熱的規律就不同。流動原因不同，流動和傳熱的規律就不同。 通常，通常， 強 強 自自 幾 幾十幾倍。十幾倍。 一、影響對流傳熱系數的因素 19 6.6.傳熱面傳熱面的形狀、位置及大、小的形狀、位置及大、小 平平 波紋波紋 管狀管狀 板板 帶翅片帶翅片 傳熱面傳熱面 的形狀的形狀 直直 折折 錯錯 彎曲彎曲(螺旋螺旋) 流道流道 管徑管徑 管長管長(進口段影響進口段影響) 板高板高 環隙環隙de 流道尺寸

8、流道尺寸 布置布置 換熱器水平放置換熱器水平放置 垂直放置垂直放置 傾斜放置傾斜放置 列管排列列管排列( ) 一、影響對流傳熱系數的因素 20 二、對流傳熱過程的量綱分析 1.根據對問題的觀察，找出影響對流傳熱過程 的因素 2.通過量綱分析確定相應的量綱為一數群（準 數） 3.通過實驗確定相應的經驗關聯式公式。 量綱分析步驟 21 量綱分析的基本依據是定理：一個表示n個 物理量間關系的量綱一致的方程式，一定可以轉 換成包含n-m個獨立的量綱為一數群間的關聯式， m指n個物理量中所涉及的基本量綱的數目。量綱 分析的核心在于確定n和m，并用一定技巧將各個 量綱為一數群的內涵確定下來。 量綱分析基本

9、依據 二、對流傳熱過程的量綱分析 22 1.流體無相變時的強制對流傳熱過程 （1）列出影響該過程的物理量 ( , , ) p f lcu 傳熱設備的 特征尺寸 二、對流傳熱過程的量綱分析 23 （2）確定量綱為一數群的數目 上述7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱： 長度、質量、時間和溫度 依據定理，量綱為一數群的數目等于7-4=3 123 (,) 二、對流傳熱過程的量綱分析 24 通過量綱分析，可確定 1 l Nu 2 Re lu 努賽爾特數 (Nusselt number) 雷諾數 (Reynolds number) 表示對流傳熱系數的準數 表示慣性力與黏性力之比，是表征流動狀態的 準數

10、二、對流傳熱過程的量綱分析 25 3 Pr p c 普蘭德數 (Prandtl number) 表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個參數， 反映與傳熱有關的流體物性。 (Re,Pr)Nu 強制對流（無相變） 傳熱時的準數關聯式 因此，有 二、對流傳熱過程的量綱分析 26 2.自然對流傳熱過程自然對流傳熱過程 （1）列出影響該過程的物理量 傳熱設備的 特征尺寸 ( ,) p f lcgt 作用在單位 體積流體上 的浮力 ggt 二、對流傳熱過程的量綱分析 27 （2）確定量綱為一數群的數目 上述7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱： 長度、質量、時間和溫度 依據定理，量綱為一數群的數目等于7-

11、4=3 123 (,) 二、對流傳熱過程的量綱分析 28 通過量綱分析，可確定 1 l Nu 2 Pr p c 努賽爾特數 (Nusselt number) 普蘭德數 (Prandtl number) 二、對流傳熱過程的量綱分析 29 格拉斯霍夫數 (Grashof number) 32 3 2 lgt Gr 表示由溫度差引起的浮力與黏性力之比 (,Pr)NuGr 自然對流（無相變） 傳熱時的準數關聯式 因此，有 二、對流傳熱過程的量綱分析 對于流體強制、自然流動對于流體強制、自然流動，共有，共有4個準個準 數數，切記它們的物理意義。，切記它們的物理意義。 31 3.使用由實驗數據整理得到的關

12、聯式應注意的 問題 （1）應用范圍 關聯式中Re、Pr等準數的數值 范圍等； （2）特性尺寸 Nu、Re等準數中的應如何確定； （3）定性溫度 各準數中的流體物性應按什么 溫度查取。 二、對流傳熱過程的量綱分析 32 第五章 傳 熱 5.4 對流傳熱 5.4.1 對流傳熱機理和對流傳熱系數 5.4.2 對流傳熱的量綱分析 5.4.3 流體無相變時的對流傳熱系數 33 一、流體在管內作強制對流 1.流體在光滑圓形直管內作強制湍流 （1）低黏度流體(2(2 水水) )可應用迪特斯 （Dittus）貝爾特（Boelter）關聯式 0.8 0.023RePr n Nu 0.8 0.023()() pn

13、 i i C d u d 或或 當流體被加熱時，n=0.4；當流體被冷卻時，n=0.3。 34 特性尺寸：管內徑。 定性溫度：流體進、出口溫度的算術平均值。 應用范圍： 4 Re100.7Pr120 /60 i L d /60 i L d 若，可將由上式求得的值乘以 0.7 1 (/ ) i dL 進行校正。 一、流體在管內作強制對流 35 （2）高黏度流體可應用西德爾（Sieder）泰 特（Tate）關聯式 0.81 3 0.027RePrNu 0.81 30.14 0.027()() () p i iw C d u d 或或 壁溫下 的黏度 0.14 () w 考慮熱流方向的校正項 一、流

14、體在管內作強制對流 36 特性尺寸：管內徑。 定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進、出 口溫度的算術平均值。 應用范圍： 4 Re100.7Pr1700 /60 i L d 一、流體在管內作強制對流 37 1 30.14 1.86(RePr) () i W d Nu L 2.流體在光滑圓形直管內作強制層流 特性尺寸：管內徑。 定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進、 出口溫度的算術平均值。 應用范圍： Re23000.7Pr6700 RePr/100 i dL 一、流體在管內作強制對流 38 51.8 1 6 10 Re Re2300 10000 當 時，對流傳熱系數可先用 湍流時的公式計算，然后把

15、算得的結果乘以校正 系數。 3. 流體在光滑圓形直管中呈過渡流 一、流體在管內作強制對流 39 (1 1.77) i d R 4. 流體在彎管內作強制對流 流體在彎管內流動時，由于受離心力的作 用，增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數 較直管內的大 管子的彎 曲半徑 一、流體在管內作強制對流 40 22 22 12 12 22 4() 4 4 = e dd dd d dd 流動截面積 傳熱周邊 5. 流體在非圓形管內作強制對流 流體在非圓形管內作強制對流時，只要將管 內徑改為當量直徑，則仍可采用上述各關聯式。 傳熱當量直徑定義： 究竟采用哪個當量直徑，由具體的關聯式決定。 一、流體在管內作強制對流 41 二、流體在換熱器的管間作強制對流 換熱器管間流體的流動： 裝有折流擋板。 流體的流向和流速不斷地變化。 在Re100時即可達到湍流。 42 圖5-14 換熱器折流擋板 二、流體在換熱器的管間作強制對流 43 圖5-15 管間管束排列形式 二、流體在換熱器的管間作強制對流 44 0.551 3 0.36RePrNu 凱恩（Kern）法(圓缺形擋板） 應用范圍： 。 特性尺寸：傳熱當量直徑。 定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進出口溫 度的算術平均值。 36 Re2 10 1 10 二、流體在換熱器的管間作強制對流 45 三