化工原理传热2

1、4.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数对流传热速率方程和表面传热系数（1）牛顿冷却定律）牛顿冷却定律thAhAt1thq或：。：表面传热系数，KW/m2h：流体与壁温之差。t热流体冷流体thtcth,wtc,w 流体通过间壁的热交换th1th2tc1tc2说明说明： 实验定律； 对壁两侧流体(冷、热)均适用。热流体：热流体： 冷流体冷流体： )(wh,hhhttAh)(cwc,ccttAhAhttccwc,1 h h是计算关键，一般由实验测定。是计算关键，一般由实验测定。Ahtthwh,h1（2）对流传热过程的简化模型）对流传热过程的简化模型 真实模型真实模型 流体主体 过渡层 层流内层

2、对流 对流，导热 导热 研究方法研究方法：计算各层的热流量。thmtcmL1thwL212tCW简化模型简化模型 有效膜（虚拟膜）：有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。)/(11wh,hAtt由傅里叶定律：（有利于传热），则，一定时，hRet优点：优点：对流传热问题 导热问题。，层流内层厚度减薄，湍动程度h代价代价：动力消耗。4.4 表面传热系数的经验关联表面传热系数的经验关联4.4.1 影响表面传热系数的因素影响表面传热系数的因素 （2）流体流动原因）流体流动原因 强制对流强制对流：外部机械作功， 一般流速较大， h也较大。 自然对流自然对流：由流体密度差造成的循环过程, 一般

3、流速较小，h也较小。（1）流体流动状态）流体流动状态h，：hRe，：。，单位体积流体的热容量：C)kJ/(m3 ppcchcp，hRe，：（3）流体的物理性质）流体的物理性质 定性温度：定性温度：计算表面传热系数的特征温度 一般，)(2121mttt（4）传热面的形状、位置和大小）传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等， 造成边界层分离，增加湍动，使h增大。（5）相变化的影响）相变化的影响 有相变传热有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾， 无相变传热：无相变传热：强制对流、自然对流， 一般地，有相变时表面传热系数较大。 例例：水 强制对流， 蒸汽冷凝，K)W/(m100002

4、502：hK)W/(m1500050002：h4.4.2 无相变化时对流传热过程的量纲分析无相变化时对流传热过程的量纲分析 （1）量纲分析过程）量纲分析过程优点：优点：减少实验次数；依据：依据：物理方程各项量纲一致；步骤：步骤：（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；（b）构造函数形式；）构造函数形式；hfedcbatgclKuh)(pifpatglcluKhl)()()(223)(pctglufh，无相变：（c）列出量纲指数的线性方程组（）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、 ）；）；（d）规定已知量（指数），）规定已知量（指数）， 确定余下指数

5、表达式；确定余下指数表达式；（e）整理特征数方程形式。）整理特征数方程形式。注意：注意：（1）适用范围）适用范围 不能超出适用范围（2）定性温度）定性温度 2;221WmWmtttttt（3）特征尺寸）特征尺寸 d; de（4 4）计量单位）计量单位 统一单位制)(GrPrRefNu，无相变对流传热：努赛尔数努赛尔数hlNu ltyty0)dd(平均温度梯度壁面处温度梯度无量纲温度梯度说明：说明： 反映对流传热的强弱，包含表面传热系数； 努赛尔数恒大于1。粘滞力惯性力duuduRe2 说明：说明： 反映流动状态对 h 的影响。l：特征尺寸：特征尺寸，平板 流动方向的板长； 管 管径或当量直径；

6、thytq0y)dd(（2）特征数的物理意义）特征数的物理意义雷诺数雷诺数 普朗特数普朗特数ppccPr/热扩散系数导温系数动量扩散系数运动粘度)()(av说明：说明： 反映流体物性对传热的影响。 反映热扩散和动量扩散的相对大小。 反映流动边界层和热边界层的相对厚度。t1，avPrt1，avPrt1，avPr使用时注意使用时注意： * 查取定性温度下的物性； * 计算所用单位，SI制。说明：说明： 反映自然对流的强弱程度。 格拉晓夫数格拉晓夫数（浮升力特征数）浮升力特征数）223tlgGr化。：单位体积流体浮力变tg )(PrRefNu，1 . 0/2ReGr)(PrGrfNu，10/2ReG

7、r)(PrGrRefNu，10/1 . 02ReGr22)(bbRelu。：体积膨胀系数，C/ 1数。：表示自然对流的雷诺bRe强制对流强制对流自然对流自然对流混合对流混合对流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管内强制对流Nu/Pr0.4与Re的关系Nu / Pr0.4Re14.4.3 无相变化的对流传热无相变化的对流传热（1）管内强制对流传热）管内强制对流传热 一般关系式： nmPrCReNu 传热流动状态划分（传热流动状态划分（区别于流体流动时规律 ）2300Re层流：10000Re湍流：100002300 Re过渡流： 流体在圆形直管内

8、流体在圆形直管内湍流时湍流时的表面传热系数的表面传热系数nPrReNu8 . 0023. 0npcuddh8 . 0ii023. 0或：a) 一般流体一般流体流动状态不同，则 c、m、n 值不同流体被加热，n= 0.4流体被冷却，n= 0.310000Re1606 . 0 Pr50/dlsPa1023定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管内径di10000RenrP保证流体达到传热湍流；适用条件适用条件：说明说明：50/dl避开传热进口段，保证稳态传热。 传热进口段传热进口段：传热正在发展，h不稳定 (随管长增加h减小)OxNux或hxNuxhx Nux或hx的变

9、化趋势tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分发展了的边界层 层流情况下流体在管内温度分布进口段温度分布和局部表面传热系数的变化传热进口段长度传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度。说明：经验公式，有一定误差。说明：经验公式，有一定误差。dx50ent湍流：b)粘度较大粘度较大流体流体14. 0w33. 08 . 0)/(027. 0PrReNu 近似取：05. 1)(14. 0w流体被加热：95. 0)(14. 0w流体被冷却：RePrdx05. 0ent层流：适用条件：适用条件： 10000Re1677 . 0Pr60/ dl定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：

10、特征尺寸：管内径dic)流体流过流体流过短管短管（l/d80，边界层分离，使h，有一个最低点。 2 2）高雷诺数）高雷诺数（140000219000）有两个最低点： N01： =7080，层流边界 层湍流边界层； N02： =140（分离点）， 发生边界分离。400300200100500800700600160o120o40o0o80oNu不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化Re=219000186000140000101300708001700003/1PrCReNun常数C、指数n见下表沿整个管周的平均表面传热系数：沿整个管周的平均表面传热系数：ReCn0.4444040400

11、0400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：特征尺寸：管外径 管束的排列方式管束的排列方式 直列（正方形）、 错列（正三角形） b) 流体流体横向横向流过流过管束管束的表面传热系数的表面传热系数x2x1d直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意x1x2d错列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意直列直列第一排管第一排管 直接冲刷 ；第二排管第二排管 不直接冲刷，扰动减弱；第二排管以后基本恒定。第二排管以后基本恒定。错列错列第一排管第一排管 错列和直列基本相同； 第二排管第

12、二排管 错列和直列相差较大， 阻挡减弱，冲刷增强； 第三排管以后基本恒定。第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d各排管各排管h的变化规律的变化规律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oNu2.01.8150o180o0o90o180o直列管束中，不同排数的圆管上局部h沿周向的变化（Re=1.4104，空气）1237Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60o2.01.8150o180o0o90o180o错列管束中，不同排数的圆管上局部h沿周向的变化（Re=1.4104，空气） 可以看出，错列传热效果比直列好。可以

13、看出，错列传热效果比直列好。传热系数的计算方法传热系数的计算方法 任一排管子任一排管子：4 .0PrReCNunC、n 取决于管排列方式和管排数。特征尺寸：特征尺寸：管外径700005000Re52 . 1/1dx52 . 1/2dx适用范围：适用范围：iiiAAhh/整个管束平均：3/16 . 033. 0PrReNu 大致估算： c) 流体在列管换热器管壳间的传热流体在列管换热器管壳间的传热装有圆缺折流板的列管换热器 圆缺折流板管板折流挡板折流挡板 ： 壳程流体的流动方向不断改变， 较小Re（Re = 100），即可达到湍流。 缺点缺点：流动阻力，壳程压降的重要因素。作用作用： 提高湍动程

14、度，h，强化传热； 加固、支撑壳体。 圆缺折流板示意图管板1010210310410102114. 0w31管壳式换热器表面传热系数计算曲线ReNuPr有折流挡板时壳程流体有折流挡板时壳程流体表面传热系数：表面传热系数：14. 0w3/155. 0)/(36. 0PrReNu 14. 0w3/155. 0e)/(36. 0PrRedh 或：6102000 Re适用条件：挡板切割度：25%D。2/ )(21mttt定性温度：特征尺寸：特征尺寸：流道的当量直径。o2o2e)4(4ddtd正方形排列正方形排列dot也可采用关联式：o2o2e)423(4ddtd正三角形排列正三角形排列 流速的确定流速

15、的确定：按最大流通截面 (最小流速) 计算。 12SS 一般地，)1 (otdBDSDS1S2B 说明：说明： 无折流板时，无折流板时，流体平行流过管束， 按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。当量直径。dot(3) 自然对流传热自然对流传热 温度差引起流体密度不均，导致流体流动。 分类：分类：大空间自然对流传热大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰。 有限空间自然对流传热：有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰。大空间自然对流传热大空间自然对流传热：大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：竖直壁面上表面传热系数的分布近壁处温度与流速的分布 沿竖壁自

16、然对流的流动和换热特征ut,hw,htht1htuyxxh00表面传热系数的求取：表面传热系数的求取：查图求解查图求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流体沿垂直壁面垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流体沿水平壁面水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)nGrPrCNu)(大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时：定性温度：定性温度：膜温 2/ )2(w21mtttt定

17、型尺寸：定型尺寸：竖板，竖管，L； 水平管，外径 do影响因素：影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式；系数系数C和指数和指数n的取值见下表：的取值见下表： 经验关联经验关联doL传热面的形状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板及圆柱面10-1104104 109109 1013查图4.1.15(a) 0.59 0.1查图4.1.15(a)1/41/3高度L水平圆柱面 010-510-510410410910910110.4查图4.1.15(b)0.530.130查图4.1.15(b)1/41/3外径d0水平板热面朝上或水平板冷面朝下21048106 810610110.540.151/41

18、/3矩形取两边平均值圆盘0.9d狭长条取短边水平板热面朝下或水平板冷面朝上10510110.581/5有相变对流传热的特点有相变对流传热的特点相变过程中产生大量相变热（潜热）；相变过程中产生大量相变热（潜热）；例例：水 4.4.4 有相变化的对流传热有相变化的对流传热kJ/kg4 .2258 C100r时，汽化潜热C)kg/(187. 4C1000 kJcp，比热无相变相变一般：hh相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。(1) 蒸汽冷凝机理蒸汽冷凝机理 优点优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作

19、时易于控制 蒸汽冷凝的表面传热系数较大。 冷凝方式：冷凝方式： 膜状冷凝膜状冷凝 凝液呈液膜状（附着力大于表面张力）， 热量：蒸汽相液膜表面固体壁面。 滴状冷凝滴状冷凝 凝液结为小液滴（附着力小于表面张力）， 有裸露壁面，直接传递相变热。比较两种冷凝方式的表面传热系数比较两种冷凝方式的表面传热系数 h滴状冷凝滴状冷凝h膜状冷凝膜状冷凝，相差几倍到几十倍， 但工业操作工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝(2) 膜状冷凝表面传热系数膜状冷凝表面传热系数 努塞尔方程的理论推导努塞尔方程的理论推导 研究：研究：垂直管外或壁面的膜状膜状冷凝；方法：方法：真实模型简化模型数学模型求解。 膜状冷凝的真实过程膜状冷凝的真实过程 hx汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度t=ts；冷凝液为饱和液体。 简化的物理模型简化的物理模型 液膜很薄，层流层流流动，传热方式为导热导热，温度分布为线性； 蒸汽静止，汽-液界面无粘性应力 ；0|yyuxxbyuxdddxbygd)(bstsh,tWh,tyth,x,yuyxxd0yuxyx努塞尔特膜状冷凝简化模型 建立数学模型求解建立数学模型求解 按假设， xh推导膜厚推导膜厚： 412x)4(grtxh壁温膜表面温