表面传热系数的经验关联大连理工大学化工原理及实验

代价：动力消耗↑。4.4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

（2）流体流动原因

强制对流：外部机械作功，一般流速较大，h也较大。

自然对流：由流体密度差造成的循环过程,一般流速较小，h也较小。（1）流体流动状态（3）流体的物理性质

定性温度：计算表面传热系数的特征温度一般，（4）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）相变化的影响有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，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：水强制对流，蒸汽冷凝，4.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析过程①优点：减少实验次数；②依据：物理方程各项量纲一致；③步骤：：（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；（b）构造函数形式；（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、）；（d）规定已知量（指数），确定余下指数表达式；（e）整理特征数方程形式。①努赛尔数说明：

▲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。说明：反映流动状态对h的影响。l：特征尺寸，平板——流动方向的板长；管——管径或当量直径；（2）特征数的物理意义②雷诺数

③普朗特数说明：▲

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：反映自然对流的强弱程度。

④格拉晓夫数（浮升力特征数）强制对流自然对流混合对流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（1）管内强制对流传热一般关系式：传热流动状态划分（区别于流体流动时规律）①流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数a)一般流体流动状态不同，则c、m、n值不同流体被被加热热，n=0.4流体被被冷却却，n=0.3定性温温度：：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：：管内径di保证流体达达到传热湍湍流；适用条件：说明：避开传热进进口段，保保证稳态传传热。传热进口段段：传热正在在发展，h不稳定(随管长长增加h减小)OxNux或hxNuxhx

Nux或hx的变化趋势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度分布和局局部表面传传热系数的的变化传热进口段段长度：进口到传热热边界层汇汇合点间的的长度。说明：经验验公式，有有一定误差差。b)粘度较大流体近似取：适用条件：：定性温度：：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：：管内径dic)流体体流过短管（l/d<50）影响：处于传热进进口段，表表面传热系系数较大。。计算：采用以上各各式计算h，并加加以校正。。d)圆圆形直管内内过渡流时表面传热系系数计算：采用湍流流公式，但但需加以校校正。说明：设计换热热器时，一一般避免过过渡流。107过渡状态的传热103102l/d=500.0011041051060.0020.010.1400200100e)圆形直管内内强制层流特点：1）传热热进口段的的管长所占占比例较大大；2）热流方方向不同，，也会影响响；3）自然对对流的影响响，有时不不可忽略。。定性温度：：tm=(t1+t2)/2；特征尺寸：：管内径di。适用条件：：f)圆圆形弯管内的强制对流流特点：离心力使使径向压力力不均，产产生二次环流；；结果：流体湍动程程度增加，，使h增加；同时，流动动阻力损失失增加。g)非圆形管内内强制对流★采用圆形管管内相应的的公式计算算，但特征尺寸寸采用当量直径。。★最好采用专专用、经验验公式。如：套管环环隙R弯管内流体的流动d式中：②管外强制对流a)流体体横向流过过单管A流体横向流过单根圆管外时流动情况表面传热系系数分布1）低雷诺诺数（70800~101300）φ=0-80°°，层流边界界层厚度增增大使h↓↓，φ>80°°，边界层分分离，使h↑，有一个最低低点。2）高雷诺诺数（140000~219000）有两个最低低点：N01：φφ=70-80°°，层流边界界层→湍湍流边界层层；N02：φφ=140°（分离点点），发生边界分分离。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化Reф=21900018600014000010130070800170000常数C、指数n见下表沿整个管周周的平均表表面传热系系数：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：：管外径◆管束的排列列方式直列（正方方形）、错错列（（正三角形形）b)流体体横向流过管束的表面传热热系数x2x1d直列管束中中管子的排排列和流体体在管束中中运动特性性的示意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第一排管直接冲刷；；第二排管不直接冲刷刷；扰动减减弱第二排管以以后基本恒恒定。错列第一排管错列和直列列基本相同同；第二排管错列和直列列相差较大大，阻挡减弱，，冲刷增增强；第三排管以以后基本恒恒定。x2x1dx1x2d◆各排排管管h的变变化化规规律律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ错列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气）可以看看出，，错列列传热热效果果比直直列好好。◆传传热系系数的的计算算方法法任一排排管子子：C、ε、n取决于于管排排列方方式和和管排排数。。特征尺尺寸：：管外径径适用范范围：：c)流流体在在列管管换热热器管管壳间间的传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挡板：壳程流流体的的流动动方向向不断断改变变，较小Re（（Re=100），，即可可达到到湍流流。缺点：流动动阻力力↑，壳程程压降降↑的重重要因因素。作用：●提高湍湍动程程度，，↑h，强化传传热；；●加固、、支撑撑壳体体。圆缺折流板示意图管板10102103104101021管壳式换热器表面传热系数计算曲线ReRePr有折流流挡板板时壳壳程流流体表面传传热系系数：：挡板切切割度度：25%D。。特征尺尺寸：：流道道的的当当量量直直径径。。正方方形形排排列列d0t也可可采采用用关联联式：：正三三角角形形排排列列流速速的的确确定定：按按最最大大流流通通截截面面(最最小小流流速速)计计算算。。DS1S2B说明明：：无无折折流流板板时时，，流体体平平行行流流过过管管束束，，按管管内内公公式式计计算算，，特特征征尺尺寸寸为为当量量直直径径。。d0t(3)自自然然对对流流传传热热温度度差差引引起起流流体体密密度度不不均均，，导导致致流流体体流流动动。。分类类：：大空空间间自自然然对对流流传传热热：边界界层层发发展展不不受受限限制制和和干干扰扰。。有限限空空间间自自然然对对流流传传热热：：边界界层层发发展展受受到到限限制制和和干干扰扰。。大空空间间自自然然对对流流传传热热：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然对流的流动和换热特征大空空间间内内流流体体沿沿垂垂直直壁壁面面进进行行自自然然对对流流：：表面面传传热热系系数数的的求求取取：：①查查图图求求解解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流体沿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流体沿水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)大空空间间内内流流体体沿沿垂垂直直或或水水平平壁壁面面进进行行自自然然对对流流传传热热时时：：定性性温温度度：：膜温温定型型尺尺寸寸：：竖板板，，竖竖管管，，L；；水平平管管，，外外径径do影响响因因素素：：物性性，，传传热热面面积积、、形形状状、、放放置置方方式式；；系数数C和指指数数n的取取值值见见下下表表：：②经经验验关关联联doL传热面的形状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板及圆柱面10-1~104104~109109~1013查图4.1.15(a)0.590.1查图4.1.15(a)1/41/3高度L水平圆柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4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2×104~8×1068×106~10110.540.151/41/3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105~10110.581/5有相相变变对对流流传传热热的的特特点点①相相变变过过程程中中产产生生大大量量相相变变热热（（潜潜热热））；；例：水水4.4.4有有相相变变化化的的对对流流传传热热②相相变变过过程程有有其其特特殊殊传传热热规规律律，，传传热热更更为为复复杂杂；；③分为蒸汽汽冷凝与液体体沸腾两种情情况。(1)蒸汽汽冷凝机理优点：饱和蒸汽具具有恒定的温温度，操作时时易于控制蒸汽冷凝的表表面传热系数数较大。冷凝方式：①膜状冷凝凝凝液呈液膜状状（附着力大大于表面张力力），热量：蒸汽相相→液膜表面→固体壁面。②滴状冷凝凝凝液结为小液液滴（附着力力小于表面张张力），有裸露壁面，，直接传递相相变热。比较两种冷凝凝方式的表面面传热系数h滴状冷凝＞h膜状冷凝，相差几倍到到几十倍，但工业操作上，多为膜状状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝(2)膜状状冷凝表面传传热系数①努塞尔方方程的理论推推导研究：垂直管外或壁壁面的膜状冷凝；方法：真实模型→简化模型→数学模型求解解。◆膜状冷凝凝的真实过程程hx◆简化的的物理模型①液膜很薄，层流流动，传热方方式为导热，温度分布为为线性；②蒸汽静止，汽汽-液界面无无粘性应力；；③汽、液相物性性为常数，壁壁面温度恒定定，膜表面温温度tδ=ts；④冷凝液为饱和和液体。yx努塞尔特膜状冷凝简化模型◆建立数数学模型求解解按假设，推导膜厚δ：做受力分析、、质量衡算、、热量衡算，，得：特征尺寸：L（竖壁或圆管管壁高度）倾斜壁面：

蒸气在斜壁上的冷凝②努塞尔尔方程的无量量纲化液膜流动雷诺诺数S为流通面积；；b为周边长度；；qm/S=G质量流速。冷凝负荷:M=qm/b单位润湿周边边上凝液的质质量流率，kg/m·s；由热量衡算得得，说明：若为垂直管外外冷凝，亦可可采用上述努努塞尔特方程程，只是Re中的润润湿周边b需用πd0代替，d0为竖管外径。。将上式代入努塞尔方程，，则有：——量纲为为一努塞尔方程。。实验结果：实测值高于于理论值（约约20%）原因：液膜的波动动、假设的不不确切性(3)膜膜状冷凝传热热膜系数的经经验关联①垂直管外外或壁面上的的冷凝（a）液膜层层流（b）液膜湍湍流注意：壁温未未知时，计算算应采用试差差法。完全由实验获获得水平圆管外膜状冷凝说明：此式计算值和和实验结果基基本一致。②水平管冷冷凝表面传热热系数（a）水平单管外冷冷凝理论计算：按按倾斜壁对方方位角做积分分（0-1800）。层流时，水平管外膜状状冷凝（b）水平管管束外冷凝水平管束的排排列通常有直直排和错排两两种：12342123第一排管子：：冷凝情况与单单根水平管相相同。其他各排管子子：冷凝情况必受受到其上排管管流下冷凝液液的影响，表面传传热系数依次次下降。水平管束的排排列及其对冷冷凝液膜厚度度的影响管排数不同时时，▲采用平均管排排数：▲近似取壳体直直径上的管根根数NTc（c）水平管管内冷凝特点：考虑蒸汽流流速对h的影响（1）蒸汽流速不大大时，凝液可可顺利排出，，可采用管外冷冷凝公式计算算。（2）当蒸汽速度较较大时，可能能形成两相流流动，应参考有关公公式。蒸汽凝液不凝气(4)影影响冷凝传传热的因素

冷凝液膜两侧侧的温度差：：

流体物性的影影响：

不凝性气体的的影响：形成气膜，，表面传热系系数大幅度下下降。

蒸气过热的影影响：过热蒸汽，，若壁温高于于饱和温度，，传热过程与与无相变对流流传热相同；；若壁温低于于饱和温度，，按饱和蒸汽汽冷凝处理。。

蒸气流速的影影响：流速不大时时，影响可忽忽略；流速较大时，，且与液膜同同向，h增大；流速较大时，，且与液膜反反向，h减小。沸腾:沸腾时，液体体内部有气泡泡产生，气泡产生和运运动情况，对对h影响极大。沸腾分类：①按设备尺尺寸和形状不不同池式沸腾（大容积饱和和沸腾）；强制对流沸腾腾（有复杂的两两相流）。②按液体主主体温度不同同过冷沸腾：液体主体温度度t<ts，气泡进入液体体主体后冷凝凝。饱和沸腾：t≥ts，气泡进入液体体主体后不会会冷凝。（5）液体沸沸腾传热液体主体

t液体主体

t≥ts

液体主体

t<ts1)大容积积饱和沸腾传传热机理a）汽泡能能够存在的条条件：abcd气泡的生成过程气泡的力平衡plpvrσσ

必须有汽化核核心b）汽泡产产生的条件

液体必须过热热提供必须的汽汽化热量说明：●因此无汽化核核心，气泡不不会产生；●液体过热度增增大，汽化核核心数增多。。汽化核心：体积很小的的孔穴或固体体颗粒，气泡能附着在在其周围生长长。气泡的产生过过程沸腾过程：过热度↑，汽化核心数数↑，气泡产生生和长大的速速度↑，使沸腾加剧，，沸腾传热膜系系数↑。说明：由于气泡产生生，使液体扰扰动↑因此：0.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区不稳定膜状沸腾温度差和表面传热系数关系Δt=(tw-ts)/℃实验条件:大容积、饱和和沸腾。2)大容积积饱和沸腾曲曲线曲线获得：AB段：无相变自然对对流，无汽泡泡产生，h缓缓慢增加BC段：核状沸腾一方面，另一方面，汽汽膜覆盖↑，，又使h↓；当两者作用相相抵消，出