制藥化工原理第四章第五節(jié) 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

第四章

傳熱一、對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素二、對(duì)流傳熱過程的因次分析三、流體無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)四、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)第五節(jié)

對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

2023/11/2一、對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素

1、流體的種類和相變化的情況

2、流體的物性1）導(dǎo)熱系數(shù)滯流內(nèi)層的溫度梯度一定時(shí)，流體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，對(duì)流傳熱系數(shù)也愈大。2）粘度流體的粘度愈大，對(duì)流傳熱系數(shù)愈低。3）比熱和密度2023/11/2ρcp：單位體積流體所具有的熱容量。ρcp值愈大，流體攜帶熱量的能力愈強(qiáng)，對(duì)流傳熱的強(qiáng)度愈強(qiáng)。（4）體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)β值愈大，密度差愈大，有利于自然對(duì)流。對(duì)強(qiáng)制對(duì)流也有一定的影響。3、流體的溫度4、流體流動(dòng)狀態(tài)

湍流的對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比滯流時(shí)的大。2023/11/25、流體流動(dòng)的原因

強(qiáng)制對(duì)流：自然對(duì)流：由于外力的作用

由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的位移單位體積的流體所受的浮力為：6、傳熱面的性狀、大小和位置

2023/11/2二、因次分析法在對(duì)流傳熱中的應(yīng)用1、流體無相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過程列出影響該過程的物理量，并用一般函數(shù)關(guān)系表示：

確定無因次準(zhǔn)數(shù)π的數(shù)目2023/11/2確定準(zhǔn)數(shù)的形式(1)列出物理量的因次物理量因次物理量因次(2)選擇m個(gè)物理量作為i個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)的共同物理量不能包括待求的物理量不能同時(shí)選用因次相同的物理量選擇的共同物理量中應(yīng)包括該過程中所有的基本因次。2023/11/2選擇l、λ、μ、u作為三個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)的共同物理量(3)因次分析將共同物理量與余下的物理量分別組成無因次準(zhǔn)數(shù)對(duì)π1而言，實(shí)際因次為：2023/11/2——流體無相變時(shí)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式2023/11/22、自然對(duì)流傳熱過程包括7個(gè)變量，涉及4個(gè)基本因次，——自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式2023/11/2準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)和意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（Nusselt）Nu表示對(duì)流傳熱的系數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynolds）Re確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（Prandtl）Pr表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（Grashof）Gr表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)2023/11/23、應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題1）定性溫度：各準(zhǔn)數(shù)中的物理性質(zhì)按什么溫度確定2）定性尺寸：Nu，Re數(shù)中L應(yīng)如何選定。3）應(yīng)用范圍：關(guān)聯(lián)式中Re,Pr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍。2023/11/2三、流體無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流1）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流a)低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體

當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4，流體被冷卻時(shí)，n=0.3。2023/11/2管長與管徑比

將計(jì)算所得的α乘以應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的l取為管內(nèi)徑di。定性溫度：

取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。b)高粘度的液體

為考慮熱流體方向的校正項(xiàng)。

2023/11/2

應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

取為管內(nèi)徑di。定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

2)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流

當(dāng)管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對(duì)流對(duì)強(qiáng)制滯流的傳熱的影響可以忽略時(shí)2023/11/2應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

管內(nèi)徑di。

定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

按上式計(jì)算出α后，再乘以一校正因子2023/11/23）流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流對(duì)于Re=2300~10000時(shí)的過渡流范圍，先按湍流的公式計(jì)算α，然后再乘以校正系數(shù)f。

4）流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流

2023/11/25）流體在非圓形管中作強(qiáng)制對(duì)流對(duì)于非圓形管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算，前面有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)式都適用，只是要將圓管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑de。

套管環(huán)隙中的對(duì)流傳熱，用水和空氣做實(shí)驗(yàn)，所得的關(guān)聯(lián)式為：

應(yīng)用范圍：Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17

定性尺寸：

當(dāng)量直徑de定性溫度：

流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。

2023/11/22、流體在管外強(qiáng)制對(duì)流2023/11/22023/11/21）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)2023/11/22023/11/22023/11/2流體在錯(cuò)列管束外流過時(shí)，平均對(duì)流傳熱系數(shù)流體在直列管束外流過時(shí)，平均對(duì)流傳熱系數(shù)應(yīng)用范圍：特征尺寸：管外徑do，流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。其中錯(cuò)列管距最狹窄處的距離應(yīng)在（x1-do）和2（t-do）兩者中取小者。注意：管束排數(shù)應(yīng)為10，若不是10時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)校正。2023/11/22）流體在換熱器的管間流動(dòng)

當(dāng)管外裝有割去25%直徑的圓缺形折流板時(shí)，殼方的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：a)多諾呼(Donohue)法2023/11/22023/11/22023/11/2應(yīng)用范圍：Re=3～2×104定性尺寸：管外徑do，流速取換熱器中心附近管排中最窄通道處的速度定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

b)

凱恩（Kern）法2023/11/2應(yīng)用范圍：Re=2×103~106

定性尺寸：

當(dāng)量直徑de。定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

當(dāng)量直徑可根據(jù)管子排列的情況別用不同式子進(jìn)行計(jì)算：

2023/11/2管子呈正方形排列時(shí)：

管子呈三角形排列時(shí)：

管外流速可以根據(jù)流體流過的最大截面積S計(jì)算2023/11/23、自然對(duì)流對(duì)于大空間的自然對(duì)流，比如管道或傳熱設(shè)備的表面與周圍大氣層之間的對(duì)流傳熱，通過實(shí)驗(yàn)側(cè)得的c,n的值在表4-9中。定性溫度：壁溫tw和流體進(jìn)出口平均溫度的算術(shù)平均值，膜溫。2023/11/24、提高對(duì)流傳熱系數(shù)的途徑1）流體作湍流流動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于層流時(shí)的傳熱系數(shù)，并且Re↑，α↑，應(yīng)力求使流體在換熱器內(nèi)達(dá)到湍流流動(dòng)。2）湍流時(shí)，圓形直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)

2023/11/2α與流速的0.8呈正比，與管徑的0.2次方呈反比，在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管徑對(duì)提高對(duì)流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。

3）流體在換熱器管間流過時(shí)，在管外加流板的情況對(duì)流傳熱系數(shù)與流速的0.55次方成正比，而與當(dāng)量直徑的0.45次方成反比2023/11/2設(shè)置折流板提高流速和縮小管子的當(dāng)量直徑，對(duì)加大對(duì)流傳熱系數(shù)均有較顯著的作用。4)不論管內(nèi)還是管外，提高流u都能增大對(duì)流傳熱系數(shù)，但是增大u，流動(dòng)阻力一般按流速的平方增加，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最佳的流速。5）除增加流速外，可在管內(nèi)裝置如麻花鐵或選用螺紋管的方法，增加流體的湍動(dòng)程度，對(duì)流傳熱系數(shù)增大，但此時(shí)能耗增加。2023/11/2四、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1、蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1）蒸汽冷凝的方式

a)

膜狀冷凝：

若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完整的液膜b)滴狀冷凝：

若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下

2023/11/22023/11/22）膜狀冷凝的傳熱系數(shù)

a)蒸汽在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝

假設(shè)：

①

冷凝液的物性為常數(shù)，可取平均液膜溫度下的數(shù)值。②

一蒸汽冷凝成液體時(shí)所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱③

蒸汽靜止不動(dòng)，對(duì)液膜無摩擦阻力。④

冷凝液膜成層流流動(dòng)，傳熱方式僅為通過液膜進(jìn)行的熱傳導(dǎo)。

2023/11/2修正后

定性尺寸：

H取垂直管或板的高度。定性溫度：

蒸汽冷凝潛熱r取其飽和溫度t0下的值，其余物性取液膜平均溫度。應(yīng)用范圍：2023/11/2若用無因次冷凝傳熱系數(shù)來表示，可得：若膜層為湍流（Re＞1800）時(shí)滯流時(shí)，Re值增加，α減??；湍流時(shí)，Re值增加，α增大；2023/11/22023/11/2b)蒸汽在水平管外冷凝

c)蒸汽在水平管束外冷凝2023/11/23）影響冷凝傳熱的因素a）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差△t

當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若△t加大，則蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝傳熱系數(shù)降低。b）流體物性液膜的密度、粘度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸汽的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。c)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流動(dòng)，厚度減薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流動(dòng)，α減小，摩擦力超過液膜重力時(shí)，液膜被蒸汽吹離壁面，當(dāng)蒸汽流速增加，α急劇增大；2023/11/2d)蒸汽中不凝氣體含量的影響

蒸汽中含有空氣或其它不凝氣體，壁面可能為氣體層所遮蓋，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降。e)冷凝壁面的影響若沿冷凝液流動(dòng)方向積存的液體增多，液膜增厚，使傳熱系數(shù)下降。例如管束，冷凝液面從上面各排流動(dòng)下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的α要比上排的為低。冷凝面的表面情況對(duì)α影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，使膜層加厚，增加膜層阻力，α下降。2023/11/22023/11/22、液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

液體沸騰

大容積沸騰

管內(nèi)沸騰

1）沸騰曲線

當(dāng)溫度差較小時(shí)，液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對(duì)流，α較小，且隨溫度升高較慢。當(dāng)△t逐漸升高，在加熱表面的局部位置產(chǎn)生氣泡，該局部位置稱為氣化核心。氣泡產(chǎn)生的速度△t隨上升而增加，α急劇增大。稱為泡核沸騰或核狀沸騰。

2023/11/22023/11/2

當(dāng)△t再增大，加熱面的氣化核心數(shù)進(jìn)一步增多，且氣泡產(chǎn)生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接起來，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜。

當(dāng)△t在增大，由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈來愈顯著，α又隨之增大，這段稱為穩(wěn)定的膜狀沸騰。

由核狀沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C稱為臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫差、熱通量、對(duì)流傳熱系數(shù)分別稱為臨界溫差，臨界熱通量和臨界對(duì)流傳熱系數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)中，一般應(yīng)維持在核狀沸騰區(qū)域內(nèi)操作。

2023/11/22）沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算式中：——壁面過熱度?！獙?duì)比壓強(qiáng)2023/11/2應(yīng)用條件：3）影響沸騰傳熱的因素

a)液體性質(zhì)的影響一般情況下，α隨λ、ρ的增加而加大，而隨μ和σ增加而減小。

2023/11/2b