對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

1、第第3章傳熱章傳熱3.4 對流傳熱系數(shù)的對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式 3.4.1 影響對流傳熱系數(shù)的因素影響對流傳熱系數(shù)的因素3.4.2 無相變化時對流傳熱過程的量綱無相變化時對流傳熱過程的量綱分析分析 3.4.3 無相變化的對流傳熱無相變化的對流傳熱 3.4.4 有相變化的對流傳熱有相變化的對流傳熱3.4.1 影響對流傳熱系數(shù)的因素影響對流傳熱系數(shù)的因素 流動形態(tài)流動形態(tài) 流體流動原因流體流動原因 流體物理性質(zhì)流體物理性質(zhì) 傳熱面形狀、位置和大小傳熱面形狀、位置和大小 相變化相變化,，層流內(nèi)層厚度減薄，湍動程度代價代價：動力消耗。 （2）流體流動原因）流體流動原因 強制對流強制對流：外

2、部機械作功， 一般流速較大， 也較大。 自然對流自然對流：由流體密度差造成的循環(huán)過程, 一般流速較小， 也較小。（1）流體流動狀態(tài)）流體流動狀態(tài),：,eR：./3CmkJCCPP，單位體積流體的熱容量：，PC，：eR（3）流體的物理性質(zhì)）流體的物理性質(zhì) （4）傳熱面的形狀、位置和大?。﹤鳠崦娴男螤?、位置和大小 壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等， 造成邊界層分離，增加湍動，使增大。（5）相變化的影響）相變化的影響 有相變傳熱有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰， 無相變傳熱：無相變傳熱：強制對流、自然對流， 一般地，有相變時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。KmW2/10000250 ：KmW2/15000500

3、0 ：例例：水強制對流， 蒸汽冷凝，3.4.2 無相變化時對流傳熱過程的量綱分析無相變化時對流傳熱過程的量綱分析 （1）量綱分析過程）量綱分析過程優(yōu)點：優(yōu)點：減少實驗次數(shù)；依據(jù)：依據(jù)：物理方程各項量綱一致；步驟：步驟：（a）通過理論分析和實驗觀察，確定相關(guān)因素；）通過理論分析和實驗觀察，確定相關(guān)因素；),(pCtgluf無相變： 對流傳熱系數(shù)分析方法對流傳熱系數(shù)分析方法解析法解析法數(shù)學模型法數(shù)學模型法量綱分析法量綱分析法 實驗法實驗法（b）構(gòu)造函數(shù)形式；）構(gòu)造函數(shù)形式；hfpedcbatgclKu)(cbPatglcluKl)()()(223（c）列出量綱指數(shù)的線性方程組（）列出量綱指數(shù)的線性

4、方程組（M、L、T、 ）；）；（d）規(guī)定已知量（指數(shù)），）規(guī)定已知量（指數(shù)）， 確定余下指數(shù)表達式；確定余下指數(shù)表達式；（e）整理特征數(shù)方程形式。）整理特征數(shù)方程形式。crbraeuGPKRN 或：努賽爾數(shù)努賽爾數(shù)lNu1l對流傳熱熱阻導熱熱阻說明：說明： 反映對流傳熱的強弱，包含對流傳熱系數(shù)；粘滯力慣性力duuduRe2 說明：說明： 反映流動狀態(tài)對 的影響。l：特征尺寸：特征尺寸，平板 流動方向的板長； 管 管徑或當量直徑；（2）特征數(shù)的物理意義）特征數(shù)的物理意義雷諾數(shù)雷諾數(shù) 普朗特數(shù)普朗特數(shù)pPrCCP/熱擴散系數(shù)導溫系數(shù)動量擴散系數(shù)運動粘度)()(av說明：說明： 反映流體物性對傳熱的

5、影響反映流體物性對傳熱的影響 使用時注意：使用時注意： * 查取定性溫度下的物性；查取定性溫度下的物性； * 計算所用單位，計算所用單位，SI制。制。說明：說明： 反映自然對流的強弱程度。 格拉斯霍夫數(shù)格拉斯霍夫數(shù)（浮升力特征數(shù)）浮升力特征數(shù)）223tlgGr,化：單位體積流體浮力變tg ),(reuPRfN 1 . 0/2erRG),(rruPGfN 10/2erRG),(,rreuPGRfN 10/1 . 02erRG22Re)(bblu,/ 1 C：體積膨脹系數(shù)，.Re數(shù)：表示自然對流的雷諾b強制對流強制對流自然對流自然對流混合對流混合對流應(yīng)用準數(shù)關(guān)系式應(yīng)注意的問題應(yīng)用準數(shù)關(guān)系式應(yīng)注意的

6、問題（1 1）定性溫度）定性溫度n定性溫度：決定準數(shù)中各物性的溫度。定性溫度：決定準數(shù)中各物性的溫度。n流體的平均溫度流體的平均溫度t=(t1+t2)/2為定性溫度；為定性溫度；n壁面的平均溫度壁面的平均溫度twtw為定性溫度；為定性溫度；n流體和壁面的平均溫度（稱為膜溫）流體和壁面的平均溫度（稱為膜溫）tm=(t+tw)/2為定性溫度。為定性溫度。n工程上大多以流體的平均溫度工程上大多以流體的平均溫度t=(tt=(t1 1+t+t2 2)/2)/2為定性溫度。為定性溫度。（2 2）特性尺寸）特性尺寸n特性尺寸：量綱為特性尺寸：量綱為1 1的數(shù)群的數(shù)群Nu，Re等中所包含的傳熱面尺寸。等中所包

7、含的傳熱面尺寸。n圓管內(nèi)：特性尺寸取管內(nèi)徑；圓管內(nèi)：特性尺寸取管內(nèi)徑；n非圓管內(nèi)：特性尺寸取當量直徑，非圓管內(nèi)：特性尺寸取當量直徑，de=4流動截面積流動截面積/ /傳熱周邊傳熱周邊（3 3）注意公式的應(yīng)用條件。）注意公式的應(yīng)用條件。3.4.3 無相變化的對流傳熱無相變化的對流傳熱（1）管內(nèi)強制對流傳熱）管內(nèi)強制對流傳熱 一般關(guān)系式： bauKNPrRe傳熱流動狀態(tài)劃分（傳熱流動狀態(tài)劃分（區(qū)別于流體流動時規(guī)律 ）2300eR層流：10000eR湍流：100002300eR過渡流：流動狀態(tài)不同，則 K、a、b 值不同 流體在圓形直管內(nèi)流體在圓形直管內(nèi)強制湍流強制湍流的對流傳熱系數(shù)的對流傳熱系數(shù)n

8、reuPRN8 . 0023. 0npcudd8 . 0023. 0或：a) 低粘度流體低粘度流體流體被加熱，流體被加熱，n= 0.4流體被冷卻，流體被冷卻，n= 0.310000eR0217 . 0rP60/dlsPa3102定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管內(nèi)徑d010000eRnrP保證流體達到傳熱湍流保證流體達到傳熱湍流；適用條件適用條件：說明說明：60/dl避開傳熱進口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。避開傳熱進口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。 b)粘度較大粘度較大流體流體14. 033. 08 . 0)/(027. 0wreuPRN近似?。?5. 1)(14. 0w流體被加熱

9、：95. 0)(14. 0w流體被冷卻：14. 033. 08 . 0)()()(027. 0wpcdud10000eR001677 . 0rP60/ dl定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管內(nèi)徑d0適用條件：適用條件： c)流體流過流體流過短管短管（l/d50）影響：影響：處于傳熱進口段，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。計算：計算：采用以上各式計算，并加以校正。117 . 0ldfR 彎管內(nèi)流體的流動d d) 圓形圓形彎管內(nèi)彎管內(nèi)的強制對流的強制對流 特點特點：離心力使徑向壓力不均，產(chǎn)生二次環(huán)流；二次環(huán)流； 結(jié)果：結(jié)果：流體湍動程度增加，使增加； 同時，流動阻力損失增加。)

10、77.11(Rdf e) 圓形直管內(nèi)圓形直管內(nèi)過渡流時過渡流時對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù) 100002300eR過渡流：計算計算：采用湍流公式，但需加以校正。說明說明：設(shè)計換熱器時，一般避免過渡流。1Re1060 . 18 . 05f f) 圓形直管內(nèi)圓形直管內(nèi)強制層流強制層流 特點特點：1）傳熱進口段的管長所占比例較大； 2）熱流方向不同，也會影響； 3）自然對流的影響，有時不可忽略。2300eR定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：特征尺寸：管內(nèi)徑d。67006 . 0rP10/ ldPRre 適用條件：適用條件：14. 03/1)()Pr(Re86. 1wldNu41

11、05 .2Gr當當自然對流的影響不能忽略，先由上式進行計算，然后乘以校自然對流的影響不能忽略，先由上式進行計算，然后乘以校正系數(shù)正系數(shù))015. 01 (8 . 031Grf4105 .2Gr g ) 非圓形管內(nèi)非圓形管內(nèi)強制對流強制對流 采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計算， 但特征尺寸采用當量直徑。當量直徑。 最好采用專用、經(jīng)驗公式。 如：套管環(huán)隙318 . 053. 012PrRe02. 0ddde12122122)(44ddddddde.;21mdmdmde套管環(huán)隙當量直徑，外管內(nèi)徑，內(nèi)管外徑，式中：例題例題1：有一雙管程列管換熱器，由：有一雙管程列管換熱器，由96根根25mm25mm2.5mm

12、的鋼管組成。苯在管內(nèi)流動，由的鋼管組成。苯在管內(nèi)流動，由20被加熱到被加熱到80，苯的，苯的流量為流量為9.5kg/s，殼程中通入水蒸氣進行加熱。，殼程中通入水蒸氣進行加熱。試求：試求：管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；管壁對苯的對流傳熱系數(shù)； 若苯的流率增加一倍，其他條件不變，此時的對若苯的流率增加一倍，其他條件不變，此時的對流傳熱系數(shù)為多少；流傳熱系數(shù)為多少； 若管徑降為原來若管徑降為原來1/2，其他條件與，其他條件與相同，此時對相同，此時對流傳熱系數(shù)為多少；流傳熱系數(shù)為多少； 管外管外強制對流強制對流 a) 流體橫向流過單管流體橫向流過單管A 流體橫向流過單根圓管外時流動情況3/1rneuPCRN

13、常數(shù)C、指數(shù)n見下表沿整個管周的平均對流傳熱系數(shù)：沿整個管周的平均對流傳熱系數(shù)：ReCn0.44440404000400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：特征尺寸：管外徑 管束的排列方式管束的排列方式 直列（正方形）、 錯列（正三角形） b) 流體流體橫向橫向流過流過管束管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性x1x2d錯列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性直列直列第一排管第一排管 直接沖刷 ；第二排管第二排管 不直接沖刷；擾動減弱第二

14、排管以后基本恒定。第二排管以后基本恒定。錯列錯列第一排管第一排管 錯列和直列基本相同； 第二排管第二排管 錯列和直列相差較大， 阻擋減弱，沖刷 增強； 第三排管以后基本恒定。第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d 可以看出，錯列傳熱效果比直列好。可以看出，錯列傳熱效果比直列好。傳熱系數(shù)的計算方法傳熱系數(shù)的計算方法 任一排管子任一排管子：4 .0rneuPRCNC、n 取決于管排列方式和管排數(shù)。特征尺寸：特征尺寸：管外徑700005000eR52 . 1/1dx52 . 1/2dx適用范圍：適用范圍：iiiAA /整個管束平均：(3) 自然對流傳熱自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導致流

15、體流動。 分類：分類：大空間自然對流傳熱大空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。 有限空間自然對流傳熱：有限空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。大空間自然對流傳熱大空間自然對流傳熱：計算方法計算方法 查表法查表法nrruPGCN)(大空間內(nèi)流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時：定性溫度：定性溫度：膜溫 2/ )2(21wmtttt定型尺寸：定型尺寸：豎板，豎管，L； 水平管，外徑 do影響因素：影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；系數(shù)系數(shù)C和指數(shù)和指數(shù)n的取值見下表：的取值見下表： 經(jīng)驗關(guān)聯(lián)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)doL傳熱面的形狀及位置GrPrCn特征長度垂直的平板及圓柱面10-110

16、4104 109109 1013查圖 0.59 0.1查圖1/41/3高度L水平圓柱面 010-510-510410410910910110.4查圖0.530.130查圖1/41/3外徑d0水平板熱面朝上或水平板冷面朝下21048106 810610110.540.151/41/3矩形取兩邊平均值圓盤0.9d狹長條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上10510110.581/53.4.4.1有相變對流傳熱的特點有相變對流傳熱的特點相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例例：水 3.4.4 有相變化的對流傳熱有相變化的對流傳熱kgkJrC/4 .22581000時，

17、汽化潛熱CkgkJCpC00/187. 41000，比熱無相變相變一般：相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復雜；相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復雜；分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1) 蒸汽冷凝機理蒸汽冷凝機理 優(yōu)點優(yōu)點：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制 蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)較大。 液膜中間層twtstvtv過熱蒸汽3.4.4.2蒸汽冷凝對流傳熱蒸汽冷凝對流傳熱液膜twtsts飽和蒸汽（2）冷凝方式：）冷凝方式： 膜狀冷凝膜狀冷凝 凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力）， 熱量：蒸汽相液膜表面固體壁面。滴狀冷凝滴狀冷凝 凝液結(jié)為小液滴（附著力小于表面張力

18、）， 有裸露壁面，直接傳遞相變熱。比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 滴狀冷凝滴狀冷凝 膜狀冷凝膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍， 但工業(yè)操作工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。膜狀冷凝滴狀冷凝x膜狀冷凝的真實過程膜狀冷凝的真實過程 實驗結(jié)果實驗結(jié)果：實測值高于理論值（約20%） 原因原因：液膜的波動、假設(shè)的不確切性(3) 膜狀冷凝傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)膜狀冷凝傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián) 垂直管外或壁面上的冷凝垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜層流）液膜層流 1800eR（b）液膜湍流）液膜湍流 注意：壁溫未知時，計算應(yīng)采用試差法。注意：壁溫未知時，計算應(yīng)采用試差法。neCR2000eR4/

19、13213. 1tLgr4 . 0M3/1232Re0077. 0g垂直管外（或板上）膜垂直管外（或板上）膜狀冷凝時狀冷凝時Re的表達式：的表達式：rtLRe4M 水平圓管外膜狀冷凝說明：說明：此式計算值和實驗結(jié)果基本一致。 水平單管冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)水平單管冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 理論計算：按傾斜壁對方位角做積分（0-1800）。4/132725. 0tdgrd圓管外徑，m定性溫度：膜溫 ，用膜溫查冷凝液的物性、和；潛熱r用飽和溫度ts查；此時認為主體無熱阻，熱阻集中在液膜中。2wttts水平管外膜狀冷凝水平管外膜狀冷凝(4) 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 冷凝液膜兩側(cè)的溫度差：冷凝液膜兩側(cè)

20、的溫度差： 流體物性的影響：流體物性的影響： 不凝性氣體的影響不凝性氣體的影響：形成氣膜，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅度下降。 蒸蒸汽過熱的影響過熱的影響：過熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱過程與無相變對流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽和蒸汽冷凝處理。 蒸氣流速和流向的影響蒸氣流速和流向的影響：流速不大時，影響可忽略； 流速較大時，且與液膜同向，增大； 流速較大時，且與液膜反向，減小。ttttws均影響、r 沸騰沸騰: 沸騰時，液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生， 氣泡產(chǎn)生和運動情況，對影響極大。 沸騰分類沸騰分類： 按設(shè)備尺寸和形狀不同 大容器飽和沸騰； 管內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰 按液體主體溫度不同 過冷沸騰：過冷沸騰：液體主體溫度t ts， 氣泡進入液體主體后冷凝。 飽和沸騰：飽和沸騰：tts， 氣泡進入液體主體后不會冷凝。3.4.4.3液體沸騰傳熱液體沸騰傳熱液體主體 t液體主體液體主體 tts 液體主體液體主體 t ts(1) 大容積飽和沸騰傳熱機理大容積飽和沸騰傳熱機理 a） 汽泡能夠存在的條件：汽泡能夠存在的條件： rpprlv2)(2rpplv2ab