第四章传热—3(对流传热分析和计算)讲解

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由于弯管处受离心力的作用，存在二次环 流，湍动加剧，增大。
图4-11 弯管内流体的流动
d．非圆形直管内强制对流 套管环隙：
d2 0.53 0.02 R P ( ) de d1
0.8 e 1/ 3 r

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式中： d1`、d2——分别为套管内管外径或外管内径。 适用范围：d2/d1=1.65～17，Re=1.2×104～2.2×105
Q A(tw2 t )
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4-21
Q A(T tW 1 )
4.3.3 影响对流传热系数的因素
对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备 中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的 热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。 1.引起流动的原因： 自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成 的浮升力，造成流体内部质点的上升和 下降运动，一般u较小，也较小。
du a l k gtl g C( ) ( ) ( ) 2
3 2
cp
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二、定性温度、特性尺寸的确定 1、定性温度 由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在 处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以 确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值 的温度称为定性温度。 定性温度的取法： 1）流体进出口温度的平均值：
层流流动时，由于流体质点只在流动方向 上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此 时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由 于流体内部存在温差还会有少量的自然对流， 此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍 流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热 情况。 流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别 为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。 层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运 动，在传热方向上无质点的混合， 温度变化大，传热主要以热传导的 方式进行。 导热为主，热阻大，温差大。

分析： QKAtm
Q ' m s 1 c p 1 ( T 1 T 2 ) m s 2 c p 2 ( t2 t1 )
原工况下 T1 T2 t1 t2 Δtm α1 α2 K? A?
ms1cp1? ms2cp2?
Q = Q’
新工况下 ms2↑ m’s2=2ms2 α’1=α1 α’2 =20.8α2 K?
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
u 0.8
d 0.2
12
【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自 -5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与 流体间的对流传热系数。
新工况下 α’2 =20.8α2
K ' 1
1
4.3 9W/2(K m )
1120.1 8 2 5 1 020.8 12000
23
t'mlt1n tt1 2t2
120t'2 T'215 ln120t'2 T'215
T T’2 ← 120 t 15 → t’2 △t T’2-15 120-t’2
T'215
120t'2 1.057
(5)
T'215
联立(3)和(5)，得：
t‘2=61.9℃， T '2=69.9℃
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§4-17 流体作自然对流时的对流传热系数
大容积自然
Nu=f(Pr,Gr)
两种方法：

从公式可知，要计算热流量，温度及面积比较容易得到，
主要是如何求得对流换热系数α，这是研究对流换热的主要任
务之一。
确定α；
➢对流换热的任务 揭示α与其影响因素的内在关系；
增强换热的措施。
➢研究对流换热的方法 ➢ 分析法 ➢ 实验法
➢ 比拟法 ➢ 数值法
➢ 分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定 解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。
➢关于速度边界层的几个要点
(1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， << L
(2) 边界层内存在较大的速度梯度
(3) 边界层流态分层流与紊流；紊流边界层紧靠壁 面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）
(4) 流场可以划分为边界层区与主流区，主流区 的流体当作理想流体处理
热边界层
➢定义
当流体流过平板而平板的 温度tw与来流流体的温度t∞不相 等时，在壁面上方也能形成温 度发生显著变化的薄层，常称 0 为热边界层。
：流动边界层厚度 u 0.99u
t∞ u
δt δ
tw
x
l 如，空气外掠平
板u=10m/s：
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
➢速度边界层的形成及发展过程
紊流核心
临界距边离界xc层：从层流开始向紊流过渡的距离。其大小取决
于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
4、流体的物理性质
流体内部和流体与壁面间导热热阻小 c 单位体积流体能携带更多能量
有碍流体流动，不利于热对流
自然对流换热增强
体胀系数：
1
(

10
（三）傅立叶定律
t dQ dA n
式中 dQ ── 热传导速率，W或J/s；
dA ── 导热面积，m2；
t/n ── 温度梯度，℃/m或K/m；
── 导热系数，W/(m· ℃)或W/(m· K)。
负号表示传热方向与温度梯度方向相反
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二、热导率
dQ / dA q t / n t / n
2l (t1 t n 1 ) t1 t n 1 t1 t n 1 n ＝ n n层圆筒壁： Q＝ n 1 ri 1 bi ln Ri ri i 1 i i 1 i Ami i 1
多层圆筒壁改变每一层的位置，对传热有没有影响？（如何确 定层位置）
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三、两流体通过间壁换热过程 （一）间壁式换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
夹套式换热器
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（二）传热速率与热流密度 传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的
整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。
热流密度q （热通量） ：单位时间内通过单位传
热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。
Q q A
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（三）稳态与非稳态传热 非稳态传热 Q , q, t f x , y , z , 稳态传热
Q , q, t f x , y , z
t 0
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（四）两流体通过间壁的传热过程
T1 t2
(1)热 流 体 管 壁 内 侧
L u

反映流体的流动状态 对对流传热的影响