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文档简介

对流传热系数的经验关联式详解演示文稿当前第1页\共有38页\编于星期三\3点优选对流传热系数的经验关联式当前第2页\共有38页\编于星期三\3点代价:动力消耗↑。

(2)流体流动原因

强制对流:外部机械作功,一般流速较大,α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,α也较小。(1)流体流动状态当前第3页\共有38页\编于星期三\3点(3)流体的物理性质

(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α增大。当前第4页\共有38页\编于星期三\3点(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,当前第5页\共有38页\编于星期三\3点3.4.2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;对流传热系数分析方法①解析法②数学模型法③量纲分析法④实验法当前第6页\共有38页\编于星期三\3点(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。当前第7页\共有38页\编于星期三\3点①努赛尔数说明:

▲反映对流传热的强弱,包含对流传热系数;说明:反映流动状态对α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雷诺数当前第8页\共有38页\编于星期三\3点

③普朗特数说明:▲反映流体物性对传热的影响

使用时注意:*查取定性温度下的物性;*计算所用单位,SI制。当前第9页\共有38页\编于星期三\3点说明:反映自然对流的强弱程度。

④格拉斯霍夫数(浮升力特征数)强制对流自然对流混合对流当前第10页\共有38页\编于星期三\3点应用准数关系式应注意的问题(1)定性温度定性温度:决定准数中各物性的温度。流体的平均温度t=(t1+t2)/2为定性温度;壁面的平均温度tw为定性温度;流体和壁面的平均温度(称为膜温)tm=(t+tw)/2为定性温度。工程上大多以流体的平均温度t=(t1+t2)/2为定性温度。(2)特性尺寸特性尺寸:量纲为1的数群Nu,Re等中所包含的传热面尺寸。圆管内:特性尺寸取管内径;非圆管内:特性尺寸取当量直径,de’=4流动截面积/传热周边(3)注意公式的应用条件。当前第11页\共有38页\编于星期三\3点

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)流动状态不同,则K、a、b值不同当前第12页\共有38页\编于星期三\3点①流体在圆形直管内强制湍流的对流传热系数a)低粘度流体当前第13页\共有38页\编于星期三\3点流体被加热,n=0.4流体被冷却,n=0.3定性温度:tm=(t1+t2)/2特征尺寸:管内径d0保证流体达到传热湍流;适用条件:说明:避开传热进口段,保证稳态传热。

当前第14页\共有38页\编于星期三\3点b)粘度较大流体近似取:定性温度:tm=(t1+t2)/2

特征尺寸:管内径d0适用条件:

当前第15页\共有38页\编于星期三\3点c)流体流过短管(l/d<50)影响:处于传热进口段,表面传热系数较大。计算:采用以上各式计算α,并加以校正。R弯管内流体的流动d

d)圆形弯管内的强制对流特点:离心力使径向压力不均,产生二次环流;

结果:流体湍动程度增加,使α增加;

同时,流动阻力损失增加。当前第16页\共有38页\编于星期三\3点

e)圆形直管内过渡流时对流传热系数

计算:采用湍流公式,但需加以校正。说明:设计换热器时,一般避免过渡流。

f)圆形直管内强制层流

特点:1)传热进口段的管长所占比例较大;2)热流方向不同,也会影响;3)自然对流的影响,有时不可忽略。当前第17页\共有38页\编于星期三\3点定性温度:tm=(t1+t2)/2;特征尺寸:管内径d。适用条件:当自然对流的影响不能忽略,先由上式进行计算,然后乘以校正系数当前第18页\共有38页\编于星期三\3点

g)非圆形管内强制对流

采用圆形管内相应的公式计算,

但特征尺寸采用当量直径。

最好采用专用、经验公式。如:套管环隙式中:当前第19页\共有38页\编于星期三\3点例题1:有一双管程列管换热器,由96根Φ25mm×2.5mm的钢管组成。苯在管内流动,由20℃被加热到80℃,苯的流量为9.5kg/s,壳程中通入水蒸气进行加热。试求:①管壁对苯的对流传热系数;②若苯的流率增加一倍,其他条件不变,此时的对流传热系数为多少;③若管径降为原来1/2,其他条件与①相同,此时对流传热系数为多少;当前第20页\共有38页\编于星期三\3点

②管外强制对流a)流体横向流过单管A流体横向流过单根圆管外时流动情况当前第21页\共有38页\编于星期三\3点常数C、指数n见下表沿整个管周的平均对流传热系数:ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸:管外径当前第22页\共有38页\编于星期三\3点

◆管束的排列方式

直列(正方形)、错列(正三角形)b)流体横向流过管束的表面传热系数x2x1d直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性x1x2d错列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性当前第23页\共有38页\编于星期三\3点直列第一排管直接冲刷;第二排管不直接冲刷;扰动减弱第二排管以后基本恒定。错列第一排管错列和直列基本相同;

第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。x2x1dx1x2d当前第24页\共有38页\编于星期三\3点

可以看出,错列传热效果比直列好。◆传热系数的计算方法

任一排管子:C、ε、n取决于管排列方式和管排数。特征尺寸:管外径适用范围:当前第25页\共有38页\编于星期三\3点(3)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: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:边界层发展受到限制和干扰。大空间自然对流传热:计算方法①查表法当前第26页\共有38页\编于星期三\3点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:膜温定型尺寸:竖板,竖管,L;水平管,外径do影响因素:物性,传热面积、形状、放置方式;系数C和指数n的取值见下表:②经验关联doL当前第27页\共有38页\编于星期三\3点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0.590.1查图1/41/3高度L水平圆柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4查图0.530.130查图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当前第28页\共有38页\编于星期三\3点3.4.4.1有相变对流传热的特点①相变过程中产生大量相变热(潜热);例:水3.4.4有相变化的对流传热②相变过程有其特殊传热规律,传热更为复杂;③分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。当前第29页\共有38页\编于星期三\3点(1)蒸汽冷凝机理

优点:饱和蒸汽具有恒定的温度,操作时易于控制蒸汽冷凝的对流传热系数较大。

液膜中间层twtstvtv过热蒸汽3.4.4.2蒸汽冷凝对流传热液膜twtsts饱和蒸汽当前第30页\共有38页\编于星期三\3点(2)冷凝方式:①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。②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

α滴状冷凝>α膜状冷凝,相差几倍到几十倍,但工业操作上,多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝当前第31页\共有38页\编于星期三\3点αx膜状冷凝的真实过程当前第32页\共有38页\编于星期三\3点

实验结果:实测值高于理论值(约20%)

原因:液膜的波动、假设的不确切性(3)膜状冷凝传热膜系数的经验关联①垂直管外或壁面上的冷凝(a)液膜层流(b)液膜湍流

注意:壁温未知时,计算应采用试差法。垂直管外(或板上)膜状冷凝时Re的表达式:当前第33页\共有38页\编于星期三\3点水平圆管外膜状冷凝说明:此式计算值和实验结果基本一致。

②水平单管冷凝表面传热系数理论计算:按倾斜壁对方位角做积分(0-1800)。d—圆管外径,m定性温度:膜温,用膜温查冷凝液的物性、和;潜热r用饱和温度ts查;此时认为主体无热阻,热阻集中在液膜中。当前第34页\共有38页\编于星期三\3点水平管外膜状冷凝当前第35页\共有38页\编于星期三\3点(4)影响冷凝传热的因素

冷凝液膜两侧的温度差:

流体物性的影响:

不凝性气体的影响:形成气膜,表面传热系数大幅度下降。

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

蒸气流速和流向的影响:流速不大时,影响可忽略;流速较大时,且与液膜同向,α增大;流速较大时,且与液膜反向,α减小。当前第36页\共有38页\编于星期三\3点

沸腾:

沸腾时,液体内部有气泡产生,气泡产生和运动情况,对α影响极大。沸腾分类:

①按设备尺寸和形状不同

大容器饱和沸腾;

管内沸腾

②按液体主体温度不同

过冷沸腾:液体主体温度t<t

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