如何計算對流傳熱系數(shù)

關于如何計算對流傳熱系數(shù)2§4-15影響對流傳熱系數(shù)的因素一、引起流動的原因(ρ1-

ρ2)g=ρ2

gβ△t

1強制對流：通過外力對流體作功迫使流體流動2自然對流：由于流體內(nèi)部存在溫度差而引起的流動

設ρ1、ρ2

分別代表溫度為t1、t2兩點流體的密度，β為其平均體積膨脹系數(shù)；

如果t1<t2,則

ρ1=ρ2

（1+β△t）

單位體積流體所產(chǎn)生的升力為火α與流動的類型有關第2頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3二、流體的流動型態(tài)：層流和湍流層流：流體在熱流方向上基本沒有混合流動α↓湍流：有混合流動，Re↑層流內(nèi)層厚度δ↓α↑三、流體的性質(zhì)

對α影響較大的物性主要有

cp

、λ、μ和ρ四、傳熱面的型狀、大α小和位置

影響α值的有：傳熱管、板、管束等不同，傳熱面的形狀，管子的排列方式，水平或垂直放置；管徑、管長或板的高度等影響α的因數(shù)很多第3頁,共42頁，2024年2月25日，星期天4化工上常見的對流傳熱流體無相變化時流體有相變化時強制對流傳熱自然對流傳熱蒸汽冷凝傳熱液體沸騰傳熱第4頁,共42頁，2024年2月25日，星期天5§4-16因次分析在對流傳熱中的應用實驗測定α值因數(shù)多因次分析方法無因次數(shù)群再實驗確定關系一、無相變化時強制湍流下的α

七個物理量四個基本因次（質(zhì)量M、長度L、時間θ、溫度T）3個無因次數(shù)群π定理第5頁,共42頁，2024年2月25日，星期天6對流系數(shù)的準數(shù)流體的流動狀態(tài)和湍動程度對對流傳熱的影響流體物性對對流傳熱的影響二、無相變化時自然對流下的α

Nu

pr

自然對流對對流傳熱的影響準數(shù)關聯(lián)式是一種經(jīng)驗公式第6頁,共42頁，2024年2月25日，星期天7準數(shù)名稱符號準數(shù)式意義努塞爾特準數(shù)NusseltNu

L/

表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾準數(shù)ReynoldsReLu

/

確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)PrandtlPrcp

/

表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)GrashofGr

g△tL3

2/

2表示自然對流影響的準數(shù)準數(shù)的符號與意義L—傳熱面的特征尺寸m第7頁,共42頁，2024年2月25日，星期天8經(jīng)驗公式的應用應注意以下四點：1、應用范圍2、定性尺寸（特性尺寸）

各準數(shù)Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一個尺寸，應遵照所選用的關聯(lián)式中規(guī)定尺寸3、定性溫度

確定準數(shù)中流體的物性參數(shù)cp、μ、ρ等所依據(jù)的溫度即為定性溫度。主要取決于建立關聯(lián)式時采用什么方法而定

有的用膜溫（即流體進、出口溫度的算術平均值與壁面溫度平均值，再取兩者的算術平均值）有的用流體進、出口溫度的算術平均值第8頁,共42頁，2024年2月25日，星期天9§4-17流體做強制對流時的

對流傳熱系數(shù)一、流體在圓形直管內(nèi)強制對流傳熱經(jīng)驗關聯(lián)式為：或使用范圍：管長與管徑之比定性尺寸：L取管內(nèi)徑di定性溫度取流體進、出口溫度的算術平均值流體被加熱時n=0.4；冷卻時n=0.3從分發(fā)展段以后：第9頁,共42頁，2024年2月25日，星期天10若使用條件不滿足上述條件時，需修正：當時乘以1.02~1.07的系數(shù)加以修正（1）對于短管（2）壁溫與主體溫度相差較大考慮壁溫對粘度的影響在壁溫未知的情況下當液體被加熱時當液體被冷卻時近似計算尚未從分發(fā)展，滯流內(nèi)層較薄，熱阻小（3）管內(nèi)層流層流導熱自然對流對流傳熱→要求強化→避免層流α↓p226式5-65和式5-66第10頁,共42頁，2024年2月25日，星期天11（4）過渡流(Re=2000~10000)

因湍流不充分，滯流內(nèi)層較厚，故熱阻大而值減小，此時算得的值須乘以小于1的校正系數(shù)f（5）圓形彎管離心力作用擾動加劇α↑乘以校正系數(shù)

（6）非圓形管道兩個途徑：ⅰ、當量直徑ⅱ、直接根據(jù)有關經(jīng)驗公式計算p227式5-70第11頁,共42頁，2024年2月25日，星期天12分析式中各項物理參數(shù)對對流傳熱系數(shù)α帶來的影響：①其他參數(shù)一定，α與u的0.8次方成正比，說明增大流速有利于α的提高，但隨u↑，阻力∑hf

↑，故應適當增大動力。②其它參數(shù)一定，u一定，α與d的0.2次方成反比，改變管徑對α的影響不大。③其它參數(shù)一定，V一定，α與d的1.8次方成反比，改變管徑，縮小管徑將使α↑。第12頁,共42頁，2024年2月25日，星期天13【補例】列管換熱器的列管內(nèi)徑為15mm，長度為2.0m。管內(nèi)有冷凍鹽水（25%CaCl2）流過，其流速為0.4m/s，溫度自-5℃升至15℃。假定管壁的平均溫度為20℃，試計算管壁與流體間的對流傳熱系數(shù)。解：定性溫度=(-5+15)/2=5℃有關手冊查得5℃時25%CaCl2的物性為20℃時，則（層流）第13頁,共42頁，2024年2月25日，星期天14

在本題條件下，管徑較小，管壁和流體間的溫度差也較小，粘度較大，因此自然對流的影響可以忽略，故α可用式(5-65)計算，即

而第14頁,共42頁，2024年2月25日，星期天15【例5-16】已知Q’=4×105kJ/h，兩個單程換熱器：D=270mm，n=48，φ25×2.5mm，l=3m問：（1）兩個換熱器能否滿足要求？（2）是并還是串？液體溫度℃質(zhì)量流量kg/h比熱kJ/kg·K密度kg/m3導熱系數(shù)W/m·K粘度pa·s入口出口有機液63T2300002.2619500.1721×10-3水28t2200004.18710000.6210.742×10-3分析：滿足工藝要求?K?αi?αo?Ri?Ro?A=nπdlΔtm?T1t1T2?t2?ε-NTU第15頁,共42頁，2024年2月25日，星期天16t1=28℃t2T1=63℃T12t1T1=63℃t2t3T’212mh1=30000kg/hmh2=20000kg/hm’h1=15000kg/hmh1=15000kg/hmh2=20000kg/h單獨進行計算??第16頁,共42頁，2024年2月25日，星期天17二、管外強制對流（a）流動情況（b）對流傳熱系數(shù)變化情況（圖中αp表示局部對流傳熱系數(shù)，α表示平均對流傳熱系數(shù)）流體垂直流過單根圓管的流動情況1、流體繞單根圓管的流動情況第17頁,共42頁，2024年2月25日，星期天182、流體在管束外橫向流過的對流傳熱式中常數(shù)C1C2和指數(shù)n見表5-5錯列的α比直列時大適用范圍平均α第18頁,共42頁，2024年2月25日，星期天193、列管式換熱器第19頁,共42頁，2024年2月25日，星期天20圖5-30α或使用范圍：特征尺寸：當量直徑de，根據(jù)管子排列形式分別計算；三角形：正方形：流速，可由流體走短路4、無折流板，平流流動，α可用管內(nèi)強制對流。第20頁,共42頁，2024年2月25日，星期天21三、提高對流傳熱系數(shù)的途徑力求使流體在換熱器中達到湍流α↑管內(nèi)管外u↑α↑∑hf↑動力↑也可裝置添加物最佳流速第21頁,共42頁，2024年2月25日，星期天22【補例】某車間有一臺運轉中的單程列管式換熱器，熱空氣走管程，由120℃降至80℃，其對流傳熱系數(shù)α1=50W/m2·℃。殼程的水被加熱，水進口溫度為15℃，出口升至90℃，其對流傳熱系數(shù)α2=2000W/m2·℃。管壁熱阻及污垢熱阻皆可不計，換熱器系逆流操作。試計算水量增加增加一倍時，水和空氣的出口溫度t2’和T2’為若干。分析：原工況下T1t1T2t2Q=Q’α1α2ΔtmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工況下ms2↑m’s2=2ms2α’1=α1α’2=20.8α2Q

和Q’均要變Q=Q’K?A不變對新舊工況進行比較來進行計算第22頁,共42頁，2024年2月25日，星期天23解：①舊工況下T1=120℃，T2=80℃，t1=15℃，t2=90℃

α1=50W/（m2·K），α2=2000W/（m2·K），T80←120t15→90△t6530(1)新工況下α’2=20.8α2第23頁,共42頁，2024年2月25日，星期天24TT’2←120t15→t’2△tT’2-15120-t’2(2)(1)/(2)得：(3)(4)第24頁,共42頁，2024年2月25日，星期天25(3)代入(4)，得：(5)聯(lián)立(3)和(5)，得：t‘2=61.9℃，T'2=69.9℃第25頁,共42頁，2024年2月25日，星期天26§4-17流體作自然對流時的對流傳熱系數(shù)大容積自然Nu=f(Pr,Gr)

①由圖5-33和圖5-34→α②式子系數(shù)C與指數(shù)n可由表5-6選取。兩種方法：定性溫度用平均溫度（膜溫）定性尺寸見表5-6第26頁,共42頁，2024年2月25日，星期天27§4-18蒸汽冷凝時的對流傳熱系數(shù)1、膜狀冷凝一、蒸汽冷凝的方式冷凝潛熱化工生產(chǎn)中一般是膜狀冷凝2、滴狀冷凝液膜是傳熱的主要熱阻α比膜狀冷凝時大幾倍至十幾倍第27頁,共42頁，2024年2月25日，星期天28二、膜狀冷凝的對流傳熱系數(shù)1、蒸汽在垂直管外（或板外）冷凝冷凝液為滯流流動時：冷凝液為湍流流動時：H第28頁,共42頁，2024年2月25日，星期天292、水平圓管外的α拉大管間距①單根蒸汽冷凝器一般采用臥式的更為有利與垂直放置比較②管束第29頁,共42頁，2024年2月25日，星期天303、影響冷凝傳熱的因素液膜呈滯流：△t↑→冷凝速率↑→δ↑→α↓⑴液膜兩側溫差⑵凝液物性見公式⑶蒸氣的流向與速度⑷蒸氣中不凝性氣體含量的影響p↑→不凝性氣體含量↑→冷凝時形成“氣膜”→α↓↓⑸蒸氣過熱⑹冷凝壁面的影響第30頁,共42頁，2024年2月25日，星期天31【補例】一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝給熱系數(shù)α1=1000W/m2·℃，冷卻水給熱系數(shù)α2=100W/m2℃，已測得冷卻水進、出口溫度分別為t1=30℃，t2=35℃。如將冷卻水的流量增加一倍，蒸汽冷凝量增加多少？（已知該蒸汽在飽和溫度100℃下冷凝，且忽略熱損失）分析：原工況下T1t1T2t2Q=Q’α1α2ΔtmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工況下ms2↑m’s2=2ms2α’1=α1α’2=20.8α2Q

和Q’均要變Q=Q’K?A不變對新舊工況進行比較來進行計算第31頁,共42頁，2024年2月25日，星期天32解：據(jù)題意可知本題中新工況下?lián)Q熱任務有變化，故可由T100←100t30→35△t7065式中，原工況時：第32頁,共42頁，2024年2月25日，星期天33新工況時α’2=20.8α2T100←100t30→t’2△t70100-t’2∴

第33頁,共42頁，2024年2月25日，星期天34由上式解得：t’2=34.1℃

則蒸汽冷凝量之比為：即新工況下蒸汽冷凝量為原工況時的1.64倍討論：Δt’m的變化幅度很小，而K’值的變化卻較大，即冷凝量的增加主要是由于傳熱系數(shù)K’值的提高而所引起的。第34頁,共42頁，2024年2月25日，星期天35§4-19沸騰時的對流傳熱系數(shù)

在液體的對流傳熱過程中，在液相內(nèi)部有液體不斷汽化的過程，稱為沸騰傳熱過程。沸騰方法：①大容積沸騰；②管內(nèi)沸騰1、沸騰曲線汽化中心“粗糙壁面”具有的氣化核心對沸騰很重要第35頁,共42頁，2024年2月25日，星期天36

自然對流：△t較小≤5℃，α與q都比較低；泡核沸騰或核狀沸騰：△t>>5~25℃，α與q都急劇增大；△t>25℃，不穩(wěn)定，α與q急劇下降膜狀沸騰：臨界點自然對流泡狀沸騰膜狀沸騰第36頁,共42頁，2024年2月25日，星期天37工業(yè)上的沸騰裝置多維持在核狀沸騰狀態(tài)

2、沸騰對流傳熱系數(shù)的計算大容積飽和核狀沸騰(1)各參數(shù)見p244。(2)3、影響沸騰傳熱的因素(1)