第九章對流傳熱建筑與環境工程系學習導引本章主要介紹的是對流換熱。牛頓冷卻公式——提供了對流換熱換熱量的計算方法，通過它，定義了表面傳熱系數，從而使復雜的對流換熱問題得以簡化最終的對流換熱問題集中于表面傳熱系數的求取。關于表面傳熱系數——不同情況下的準則關聯式。基本要求本章重點是掌握牛頓冷卻公式，了解不同情況下表面傳熱系數的計算，通過學習應達到以下要求：1.理解對流換熱的基本概念，了解對流換熱的過程及分類。2.理解牛頓冷卻公式的物理意義，會應用牛頓冷卻公式計算流體與固體壁面間的對流換熱量。3.理解表面傳熱系數的定義和物理意義，了解影響表面傳熱系數的因素。4.了解主要的無因次準數的含義。5.了解常見的無相變和有相變對流換熱的換熱特征。6.了解影響凝結換熱和沸騰換熱的因素。主要內容§10.1對流換熱概述§10.2流體無相變時的對流換熱§10.3流體有相變時對流換熱§10.1對流換熱概述一、對流換熱過程分析二、牛頓冷卻公式三、對流換熱的影響因素一、對流換熱過程分析當流體在管內湍流時，在傳熱方向上截取一截面A-A，各層界面處的溫度變化為:

thth

tw1

tw2

tc

tc

湍流主體的傳熱以熱對流為主；

緩沖層的傳熱以導熱和熱對流進行;

層流底層的傳熱以導熱的方式進行。因此，對流換熱的熱阻主要集中在流體的層流底層內，減薄層流底層的厚度是強化對流換熱的主要途徑。

該層溫差很大,熱阻也大流體在管內湍流時,其流動狀況由層流內層、緩沖層和湍流主體組成二、牛頓冷卻公式1、由牛頓1702年提出，是用于對流換熱量的計算公式。

或

:熱流量，W；A:換熱面積，m2；h:表面傳熱系數，W/（m2K）；△t:對流換熱溫差，△t=tw-tf，℃;RW:對流換熱熱阻，RW

=1/hA，K/W;R:單位面積對流換熱熱阻，R

=1/h，m2K/Wtf流體平均溫度表明：對流換熱量與壁面換熱面積A及流體與壁面之間的溫度差成正比；表面傳熱系數h的大小反映了對流換熱的強弱。

表面傳熱系數h表明了當流體與壁面間的溫差為1K時，在單位時間內通過單位面積的熱流量。

表9-1表面傳熱系數h的大致范圍W/（m2K）

牛頓冷卻公式將影響對流換熱的諸多復雜因素，歸結為表面傳熱系數這一參數，對流換熱研究的核心也就歸結為表面傳熱系數的求解。

2、表面換熱系數1.流體流動的起因2.流體的流動狀態及流速的影響3.流體的物理性質4.流體有無相變5.換熱表面的幾何因素三、對流換熱的影響因素

一般來說，強制對流的流速比自然對流高，因而表面傳熱系數也高。

1、流體流動的起因影響流體的速度分布2.流體的流動狀態及流的影響同一流態，流體流速增加時，傳熱速率加快。

層流底層內以導熱傳熱外，湍流主體以熱對流傳熱為主，h大，對流換熱效果好。熱量傳遞主要為垂直于流動方向的導熱，h的大小取決于流體的熱導率。

層流湍流

3.流體的物理性質

密度

越大，流體與壁面間的熱阻就越小，換熱就越強烈；

比定壓熱容cp

熱導率

、cp越大，單位質量攜帶的熱量越多，傳熱能力越大；

動力黏度

越大，黏滯力越大，加大了層流底層的厚度，不利于對流換熱。

4.流體有無相變有相變時的表面傳熱系數要比無相變時的大。

有相變時，流體吸收或放出潛熱，對流換熱要劇烈得多。

無相變時，流體顯熱變化實現對流換熱。

沸騰換熱

凝結換熱

沸騰時液體中汽泡的產生和運動增加了液體內部的擾動，從而強化了對流換熱。

5.換熱表面的幾何因素

換熱表面的形狀、大小、狀況（光滑或粗糙程度）以及相對位置等幾何因素影響了流體的流態、流速分布和溫度分布，從而影響了對流換熱的結果。

熱面朝上氣流擾動比較激烈，換熱強度大

§9.2流體無相變時的對流換熱流體無相變時對流換熱的表面傳熱系數可表示為經分析，可得流體無相變時對流換熱的準則關系式為一、表面傳熱系數的一般關聯式將各影響因素經過分析組成若干個無因次準數

表9-2準數的符號和含義表面傳熱系數的一般關聯式其中△t流體與壁面之間溫度差，℃；l換熱器換熱表面的特征尺寸，如管內徑、外徑或平板高度等，m；V流體的體積膨脹系數，K-1，對于理想氣體：Tm理想氣體的定性溫度，K。由表面傳熱系數的一般關聯式對自然對流其指數函數形式為

上式稱為準則關聯式，其中C、m、n為常數，均由不同情況時的具體條件進行實驗測定后，再由該式計算表面傳熱系數h。對強制對流升力的影響較大，Re的影響可忽略

表面傳熱系數的一般關聯式1.應用范圍2.定性溫度在使用準則關聯式確定表面傳熱系數h時，必須注意:

即建立準則關聯式時的實驗范圍，一般指Re、Pr、Gr的數值范圍，使用時不能超出該范圍。

確定準數中流體物性所依據的溫度就是定性溫度。其確定方法不盡相同。

3.特征尺寸

對對流換熱有顯著影響的幾何尺寸，在建立準則關聯式時就定為特征尺寸。

如管內徑、當量直徑等§9.3流體有相變時對流換熱

膜狀凝結1.蒸汽凝結的兩種方式珠狀凝結

一、凝結換熱

高強度換熱

蒸汽和低于相應壓力下飽和溫度的冷壁面相接觸時，就會放出汽化潛熱，凝結成液體附著在壁面上。此現象即為凝結換熱。

如果凝結液能夠很好地潤濕壁面，就會在壁面上形成連續的液體膜，這種凝結形式稱為膜狀凝結。

膜狀凝結的表面傳熱系數主要取決于凝結液的性質和液膜的厚度。

膜狀凝結液膜越厚，其熱阻越大，表面傳熱系數也越小

蒸汽凝結潛熱以導熱的方式通過液膜到達壁面，液膜幾乎集中了凝結換熱的全部熱阻。

工業冷凝器的設計均以膜狀凝結換熱為計算依據。冷壁

珠狀凝結

如果凝結液不能很好地潤濕壁面，則因表面張力的作用將凝結液在壁面上集聚為許多小液珠，并隨機地沿壁面落下，這種凝結稱為珠狀凝結。

其表面傳熱系數遠比膜狀凝結時的大，有時大到幾倍甚至幾十倍

。

珠狀凝結時蒸汽不必通過液膜的附加熱阻，而直接在傳熱面上凝結

（1）蒸汽的流速和流向

3.影響蒸汽凝結換熱的因素

蒸汽流速較大（介于10～25m/s）時，若蒸汽與液膜流動方向一致，液膜將加速變薄，表面傳熱系數增大；當流動方向相反時，液膜將減速增厚，表面傳熱系數減小。以水蒸氣膜狀凝結為例，一般認為:

蒸汽流速小于10m/s時，流速對傳熱影響很小，可忽略不計。蒸汽流速很大（大于25m/s）時，將會把液膜吹離表面，不論流向如何，都會使表面傳熱系數增大。（2）蒸汽中含有不凝性氣體

如空氣、氮氣等，即使含量極微，也會對凝結換熱產生十分有害的影響

。排除不凝結氣體是保證制冷系統冷凝器正常運行的關鍵。

（3）過熱蒸汽

影響蒸汽凝結換熱的因素如水蒸氣中含有1％的空氣能使凝結表面傳熱系數降低60％實驗研究表明，水蒸氣的過熱度對凝結傳熱影響不大。

一般冷凝器中蒸汽的過熱度都不大，傳熱計算中可按飽和蒸汽處理。

（4）表面情況的影響

冷凝器凝結壁面光滑、清潔、無油垢，有利于提高表面傳熱系數

。

（5）凝結壁面的形狀及位置

影響蒸汽凝結換熱的因素

對一根管子而言，在其它條件相同的情況下，水平放置時的換熱遠比豎直放置時的換熱效果好。

在豎直管冷凝器上設置有疏液裝置

。

對于水平管束，為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般要減少豎直列上的管子數目，或者將管子的排列旋轉一定的角度，使得凝結液沿下一根管子的切線方向流過。

影響蒸汽凝結換熱的因素二、沸騰換熱

大容器沸騰

1.液體沸騰的分類

指加熱面被浸在沒有強制對流的液體中所發生的沸騰現象。

指液體受熱沸騰過程中與固體壁面間的換熱現象。

（1）大容器沸騰和管內沸騰

此時液體內一方面存在著由溫度差引起的自然對流，另一方面又存在著因汽泡運動所導致的液體運動。

是液體在一定壓差作用下，以一定的流速流經加熱管時所發生的沸騰現象，又稱為強制對流沸騰。

此時，液體的流速對沸騰過程產生影響，而且在加熱面上所產生的汽泡不是自由上浮的，而是被迫與液體一起流動的，出現了復雜的氣液兩相流動。

沸騰換熱

管內沸騰

沸騰換熱（2）過冷沸騰和飽和沸騰

當液體主體溫度低于相應壓力下的飽和溫度，而加熱面溫度又高于飽和溫度時，將產生過冷沸騰。

過冷沸騰

此時，在加熱面上產生的汽泡將在液體主體重新凝結，熱量的傳遞是通過這種汽化凝結的過程實現的。

飽和沸騰

當液體主體的溫度達到其相應壓力下的飽和溫度時，離開加熱面的汽泡不再重新凝結，這種沸騰稱為飽和沸騰。2.大容器沸騰換熱沸騰溫差t:①對流沸騰

（1）大容器飽和沸騰曲線

以常壓下水在金屬表面上沸騰的實驗為例:

AB段，常壓下t＜5℃，q、h隨t緩慢增加。壁面溫度tw與液體飽和溫度ts之差。沸騰溫差的量變會引起沸騰換熱機理的質變

q較低，即使壁面上產生了汽泡也不能脫離上浮。其換熱過程符合無相變的對流換熱規律。

②泡態沸騰

③膜態沸騰

BC段，t5～25℃，有大量汽泡在壁面上迅速生長和激烈運動，強烈擾動周圍液體，使h和q都顯著增大，且h達到峰值；

BC段的沸騰換熱主要取決于汽泡的生成和運動。

C點以后，t＞25℃，

不穩定膜態沸騰

大容器沸騰換熱穩定膜態沸騰

DE段

，壁面全部被一層穩定的汽膜所覆蓋，這時汽化只能在膜的汽液交界上進行，以后