对流传热系数的经验关联式课件

第3章传热3.4对流传热系数的经验关联式

3.4.1影响对流传热系数的因素3.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析3.4.3

无相变化的对流传热3.4.4

有相变化的对流传热第3章传热3.4对流传热系数的经验关联式13.4.1影响对流传热系数的因素

流动形态

流体流动原因

流体物理性质

传热面形状、位置和大小

相变化3.4.1影响对流传热系数的因素流动形态2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）流体流动状态代价：动力消耗↑。（2）流体流动原因（1）流体流动状态3（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。（3）流体的物理性质（4）传热面的形状、位置和大小4（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，（5）相变化的影响例：水强制对流，53.4.2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3.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析（a）通过理论6（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。（b）构造函数形式；（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、7①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①努赛尔数说明：▲反映对流传热的强弱，包含对流传热系数8

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。③普朗特数说明：▲反映流体物性对传热的影响使用时注意：9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说明：反映自然对流的强弱程度。④格拉斯霍夫数（浮升力特10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。应用准数关系式应注意的问题113.4.3

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）流动状态不同，则K、a、b值不同3.4.3无相变化的对流传热（1）管内强制对流传热传热流12①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13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。

流体被加热，n=0.4定性温度：tm=(t1+t2)/214b)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：

b)粘度较大流体近似取：定性温度：tm=(t1+t2)/215c)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。c)流体流过短管（l/d<50）影响：处于传热进口段，表面16

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。e)圆形直管内过渡流时对流传热系数17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，然后乘以校正系数定性温度：tm=(t1+t2)/2；适用条件：当自18

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：g)非圆形管内强制对流式中：19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；例题1：有一双管程列管换热器，由96根Φ25mm×2.5mm20

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②管外强制对流A流体横向流过单根圆管外时流动情况21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：管外径常数C、指数n见下表沿整个管周的平均对流传热系数：ReCn022

◆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◆管束的排列方式b)流体横向流过管束的表面23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直列第一排管错列第一排管x2x1dx1x2d24

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：可以看出，错列传热效果比直列好。C、ε、n取决于管排25(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(3)自然对流传热大空间自然对流传热：计算方法①查表法26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27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传热面的形状及位置垂直的平板及圆柱面10-1~104查图查图283.4.4.1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。3.4.4.1有相变对流传热的特点3.4.4有相变化的对29(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(1)蒸汽冷凝机理液中twtstvtv3.4.4.2蒸汽冷30（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（2）冷凝方式：膜状冷凝滴状冷凝31αx膜状冷凝的真实过程αx膜状冷凝的真实过程32

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：实验结果：实测值高于理论值（约2033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。水平圆管外膜状冷凝说明：此式计算值和实验结果34水平管外膜状冷凝水平管外膜状冷凝35(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。(4)影响冷凝传热的因素

冷凝液膜两侧的温36

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<ts，气泡进入液体主体后冷凝。

饱和沸腾：t≥ts，

气泡进入液体主体后不会冷凝。3.4.4.3液体沸腾传热液体主体

t液体主体

t≥ts

液体主体

t<ts沸腾:沸腾时，液体内部有气泡产生，3.4.4.337(1)大容积饱和沸腾传热机理a）汽泡能够存在的条件：

abcd气泡的生成过程气泡的力平衡plpvrσσ(1)大容积饱和沸腾传热机理abcd气泡的生成过程38

必须有汽化核心b）汽泡产生的条件

液体必须过热提供必须的汽化热量过热度说明：●因此无汽化核心，气泡不会产生；●液体过热度增大，汽化核心数增多。汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，气泡能附着在其周围生长。

必须有汽化核心b