对流传热系数的经验关联式.ppt

1、a,1,第3章传热,3.4 对流传热系数的经验关联式,a,2,3.4.1 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,a,3,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， 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， 也较小。,（1）流体流动状态,a,4,（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，使增大。,a,5,（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

2、变时表面传热系数较大。,例：水强制对流， 蒸汽冷凝，,a,6,a,7,a,8,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 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,雷诺数,a,9,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。,a,10,说明： 反映自然对流的强弱程度。, 格拉斯霍夫数（浮升力特征数）,强制对流,自然对流,混合对流,a,11,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=(

3、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。,a,12,3.4.3 无相变化的对流传热,（1）管内强制对流传热 一般关系式：,a,13, 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,a,14,流体被加热，n= 0.4 流体被冷却，n= 0.3,定性

4、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。,a,15,定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径d0,适用条件：,a,16,c)流体流过短管（l/d50）,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，并加以校正。,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，使增加； 同时，流动阻力损失增加。,a,17,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

5、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。,a,18,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,a,19,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：,a,20,例题1：有一双管程列管换热器，由96根25mm2.5mm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：管壁对苯的对流传热

6、系数； 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； 若管径降为原来1/2，其他条件与相同，此时对流传热系数为多少；,a,21, 管外强制对流 a) 流体横向流过单管,a,22,常数C、指数n见下表,沿整个管周的平均对流传热系数：,特征尺寸：管外径,a,23, 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,直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性,a,24,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；

7、 第三排管以后基本恒定。,a,25,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、n 取决于管排列方式和管排数。 特征尺寸：管外径,适用范围：,a,26,(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, 查表法,a,27,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：, 经验关联,a

8、,28,a,29,3.4.4.1有相变对流传热的特点 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,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。,a,30,(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。,3.4.4.2蒸汽冷凝对流传热,液 膜,tw,ts,ts 饱和蒸汽,a,31,（2）冷凝方式： 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 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

9、 滴状冷凝膜状冷凝，相差几倍到几十倍， 但工业操作上，多为膜状冷凝。,a,32,膜状冷凝的真实过程,a,33,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 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。,a,34,说明：此式计算值和实验结果基本一致。, 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。,a,35,水平管外膜状冷凝,a,

10、36,(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，增大； 流速较大时，且与液膜反向，减小。,a,37,沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生， 气泡产生和运动情况，对影响极大。 沸腾分类： 按设备尺寸和形状不同 大容器饱和沸腾； 管内沸腾 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

11、和沸腾：tts， 气泡进入液体主体后不会冷凝。,3.4.4.3液体沸腾传热,a,38,(1) 大容积饱和沸腾传热机理 a） 汽泡能够存在的条件：,a,39, 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。,a,40,沸腾过程：,过热度，汽化核心数，气泡产生和长大的速度， 使沸腾加剧，沸腾传热膜系数。,说明：由于气泡产生，使液体扰动 因此：,a,41,实验条件: 大容积、饱和沸腾。,(2) 大容积饱和沸腾曲线,实验获得:,a,42,AB段 ：无相变自然对流，无汽泡产生， 缓慢增加 BC段 ：核状沸腾 一方面，,另一方面，汽膜覆盖，又使； 当两者作用相抵消，出现转折点临界点（C点）。 临