第三章

傳熱一、對流傳熱系數的影響因素二、對流傳熱過程的因次分析三、流體無相變時的對流傳熱系數四、流體有相變時的對流傳熱系數第五節

對流傳熱系數關聯式

2024/5/141一、對流傳熱系數的影響因素

1、流體的種類和相變化的情況

2、流體的物性1）導熱系數滯流內層的溫度梯度一定時，流體的導熱系數愈大，對流傳熱系數也愈大。2）粘度流體的粘度愈大，對流傳熱系數愈低。3）比熱和密度2024/5/142ρcp：單位體積流體所具有的熱容量。ρcp值愈大，流體攜帶熱量的能力愈強，對流傳熱的強度愈強。（4）體積膨脹系數體積膨脹系數β值愈大，密度差愈大，有利于自然對流。對強制對流也有一定的影響。3、流體的溫度4、流體流動狀態

湍流的對流傳熱系數遠比滯流時的大。2024/5/1435、流體流動的原因

強制對流：自然對流：由于外力的作用

由于流體內部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質點的位移單位體積的流體所受的浮力為：6、傳熱面的性狀、大小和位置

2024/5/144二、因次分析法在對流傳熱中的應用列出影響該過程的物理量，并用一般函數關系表示：

確定無因次準數π的數目2024/5/145準數的符號和意義準數名稱符號準數式意義努塞爾特準數（Nusselt）Nu表示對流傳熱的系數雷諾準數（Reynolds）Re確定流動狀態的準數普蘭特準數（Prandtl）Pr表示物性影響的準數格拉斯霍夫準數（Grashof）Gr表示自然對流影響的準數2024/5/1463、應用準數關聯式應注意的問題1）定性溫度：各準數中的物理性質按什么溫度確定2）定性尺寸：Nu，Re數中L應如何選定。3）應用范圍：關聯式中Re,Pr等準數的數值范圍。2024/5/147三、流體無相變時的對流傳熱系數1、流體在管內作強制對流1）流體在圓形直管內作強制湍流a)低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體

當流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時，n=0.3。2024/5/148管長與管徑比

將計算所得的α乘以應用范圍：

定性尺寸：

Nu、Re等準數中的l取為管內徑di。定性溫度：

取為流體進、出口溫度的算術平均值。b)高粘度的液體

為考慮熱流體方向的校正項。

2024/5/149

應用范圍：

定性尺寸：

取為管內徑di。定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。

2)流體在圓形直管內作強制滯流

當管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對流對強制滯流的傳熱的影響可以忽略時2024/5/1410應用范圍：

定性尺寸：

管內徑di。

定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。

按上式計算出α后，再乘以一校正因子2024/5/14113）流體在圓形直管內呈過渡流對于Re=2300~10000時的過渡流范圍，先按湍流的公式計算α，然后再乘以校正系數f。

4）流體在彎管內作強制對流

2024/5/14125）流體在非圓形管中作強制對流對于非圓形管內對流傳熱系數的計算，前面有關的經驗式都適用，只是要將圓管內徑改為當量直徑de。套管環隙中的對流傳熱，用水和空氣做實驗，所得的關聯式為：

應用范圍：Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17

定性尺寸：

當量直徑de定性溫度：

流體進出口溫度的算術平均值。

2024/5/14132、流體在管外強制對流2024/5/14142024/5/14151）流體在管束外強制垂直流動2024/5/14162024/5/14172024/5/1418流體在錯列管束外流過時，平均對流傳熱系數流體在直列管束外流過時，平均對流傳熱系數應用范圍：特征尺寸：管外徑do，流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。其中錯列管距最狹窄處的距離應在（x1-do）和2（t-do）兩者中取小者。注意：管束排數應為10，若不是10時，計算結果應校正。2024/5/14192）流體在換熱器的管間流動

當管外裝有割去25%直徑的圓缺形折流板時，殼方的對流傳熱系數關聯式為：a)多諾呼(Donohue)法2024/5/14202024/5/14212024/5/1422應用范圍：Re=3～2×104定性尺寸：管外徑do，流速取換熱器中心附近管排中最窄通道處的速度定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。

b)

凱恩（Kern）法2024/5/1423應用范圍：Re=2×103~106

定性尺寸：當量直徑de。定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。

當量直徑可根據管子排列的情況別用不同式子進行計算：

2024/5/1424管子呈正方形排列時：

管子呈三角形排列時：

管外流速可以根據流體流過的最大截面積S計算2024/5/14253、自然對流對于大空間的自然對流，比如管道或傳熱設備的表面與周圍大氣層之間的對流傳熱，通過實驗側得的c,n的值在表4-9中。定性溫度：壁溫tw和流體進出口平均溫度的算術平均值，膜溫。2024/5/14264、提高對流傳熱系數的途徑1）流體作湍流流動時的傳熱系數遠大于層流時的傳熱系數，并且Re↑，α↑，應力求使流體在換熱器內達到湍流流動。2）湍流時，圓形直管中的對流傳熱系數

2024/5/1427α與流速的0.8呈正比，與管徑的0.2次方呈反比，在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管徑對提高對流傳熱系數的效果更為顯著。

3）流體在換熱器管間流過時，在管外加流板的情況對流傳熱系數與流速的0.55次方成正比，而與當量直徑的0.45次方成反比2024/5/1428設置折流板提高流速和縮小管子的當量直徑，對加大對流傳熱系數均有較顯著的作用。4)不論管內還是管外，提高流u都能增大對流傳熱系數，但是增大u，流動阻力一般按流速的平方增加，應根據具體情況選擇最佳的流速。5）除增加流速外，可在管內裝置如麻花鐵或選用螺紋管的方法，增加流體的湍動程度，對流傳熱系數增大，但此時能耗增加。2024/5/1429四、流體有相變時的對流傳熱系數1、蒸汽冷凝時的對流傳熱系數1）蒸汽冷凝的方式

a)

膜狀冷凝：

若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完整的液膜b)滴狀冷凝：

若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下

2024/5/14302024/5/14312）膜狀冷凝的傳熱系數

a)蒸汽在垂直管外或垂直平板側的冷凝

假設：

①

冷凝液的物性為常數，可取平均液膜溫度下的數值。②

一蒸汽冷凝成液體時所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱③

蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力。④

冷凝液膜成層流流動，傳熱方式僅為通過液膜進行的熱傳導。

2024/5/1432修正后

定性尺寸：

H取垂直管或板的高度。定性溫度：

蒸汽冷凝潛熱r取其飽和溫度t0下的值，其余物性取液膜平均溫度。應用范圍：2024/5/1433若用無因次冷凝傳熱系數來表示，可得：若膜層為湍流（Re＞1800）時滯流時，Re值增加，α減??；湍流時，Re值增加，α增大；2024/5/14342024/5/1435b)蒸汽在水平管外冷凝

c)蒸汽在水平管束外冷凝2024/5/14363）影響冷凝傳熱的因素a）冷凝液膜兩側的溫度差△t

當液膜呈滯流流動時，若△t加大，則蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝傳熱系數降低。b）流體物性液膜的密度、粘度及導熱系數，蒸汽的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數。c)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流動，厚度減薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流動，α減小，摩擦力超過液膜重力時，液膜被蒸汽吹離壁面，當蒸汽流速增加，α急劇增大；2024/5/1437d)蒸汽中不凝氣體含量的影響

蒸汽中含有空氣或其它不凝氣體，壁面可能為氣體層所遮蓋，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降。e)冷凝壁面的影響若沿冷凝液流動方向積存的液體增多，液膜增厚，使傳熱系數下降。例如管束，冷凝液面從上面各排流動下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的α要比上排的為低。冷凝面的表面情況對α影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，使膜層加厚，增加膜層阻力，α下降。2024/5/14382024/5/14392、液體沸騰時的對流傳熱系數

液體沸騰

大容積沸騰

管內沸騰

1）沸騰曲線

當溫度差較小時，液體內部產生自然對流，α較小，且隨溫度升高較慢。當△t逐漸升高，在加熱表面的局部位置產生氣泡，該局部位置稱為氣化核心。氣泡產生的速度△t隨上升而增加，α急劇增大。稱為泡核沸騰或核狀沸騰。

2024/5/14402024/5/1441

當△t再增大，加熱面的氣化核心數進一步增多，且氣泡產生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接起來，形成一層不穩定的蒸汽膜。

當△t在增大，由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈來愈顯著，α又隨之增大，這段稱為穩定的膜狀沸騰。

由核狀沸騰向膜狀沸騰過渡的轉折點C稱為臨界點。臨界點所對應的溫差、熱通量、對流傳熱系數分別稱為臨界溫差，臨界熱通量和臨界對流傳熱系數。工業生產中，一般應維持在核狀沸騰區域內操作。

2024/5/14422）沸騰傳熱系數的計算式中：——壁面過熱度?！獙Ρ葔簭?024/5/1443應用條件：3）影響沸騰傳熱的因素

a)液體性質的影響一般情況下，α隨λ、ρ的增加而加大，而隨μ和σ增加而減小。

2024/5/1444b）溫度差△t的影響