对流传热系数的经验关联式

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1、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 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 , ， 层 流 内 层 厚 度 减 薄 ，湍 动 程 度代 价 ： 动 力 消 耗 。 （ 2） 流 体 流 动 原 因 强 制

2、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 , ： , eR： ./ 3 CmkJCC PP ，单 位 体 积 流 体 的 热 容 量： ，PC ，： eR（ 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 。 （ 5） 相

3、 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 。KmW 2/10000250 ： KmW 2/150005000 ：例 ： 水 强 制 对 流 ， 蒸 汽 冷 凝 ， 3.4.2 无 相 变 化 时 对 流 传 热 过 程 的 量 纲 分 析 （ 1） 量 纲 分 析 过 程 优 点 ： 减 少 实 验 次 数 ； 依 据 ： 物 理 方 程 各 项 量 纲 一 致 ； 步 骤 ： ：（ a） 通 过 理 论 分 析 和 实 验

4、 观 察 ， 确 定 相 关 因 素 ；),( pCtgluf 无 相 变 ： 对 流 传 热 系 数 分 析 方 法 解 析 法 数 学 模 型 法 量 纲 分 析 法 实 验 法 （ b） 构 造 函 数 形 式 ； hfpedcba tgclKu )( cbPa tglcluKl )()()( 223 （ 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 。 crbraeu GPKRN 或 ： 努 赛 尔 数lNu 1l 对

5、 流 传 热 热 阻导 热 热 阻说 明 ： 反 映 对 流 传 热 的 强 弱 ， 包 含 对 流 传 热 系 数 ；粘 滞 力惯 性 力 duuduRe 2 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 普 朗 特 数 pPr CCP / 热 扩 散 系 数导 温 系 数 动 量 扩 散 系 数运 动 粘 度 )( )( av说 明 ： 反 映 流 体 物 性 对 传 热 的 影 响 使 用 时 注 意 ： * 查 取 定 性

6、温 度 下 的 物 性 ； * 计 算 所 用 单 位 ， SI制 。 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 ）2 23 tlgGr ,化： 单 位 体 积 流 体 浮 力 变tg ),( reu PRfN 1.0/ 2 er RG ),( rru PGfN 10/ 2 er RG ),( , rreu PGRfN 10/1.0 2 er RG 22 Re)( bblu ,/1 C： 体 积 膨 胀 系 数 ， .Re 数： 表 示 自 然 对 流 的 雷 诺b 强 制 对 流自 然 对 流混 合 对 流 应 用 准 数

7、 关 系 式 应 注 意 的 问 题（ 1） 定 性 温 度n 定 性 温 度 ： 决 定 准 数 中 各 物 性 的 温 度 。n 流 体 的 平 均 温 度 t=(t1+t2)/2为 定 性 温 度 ；n 壁 面 的 平 均 温 度 tw为 定 性 温 度 ；n 流 体 和 壁 面 的 平 均 温 度 （ 称 为 膜 温 ） tm=(t+tw)/2为 定 性 温 度 。n 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 n 特 性 尺 寸 ： 量 纲 为 1的 数 群 Nu， Re等 中 所 包 含 的 传 热 面

8、尺 寸 。n 圆 管 内 ： 特 性 尺 寸 取 管 内 径 ；n 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 。 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 ： bau KN PrRe传 热 流 动 状 态 划 分 （ 区 别 于 流 体 流 动 时 规 律 ） 2300eR层 流 ： 10000eR湍 流 ：100002300 eR过 渡 流 ：流 动 状 态 不 同 ， 则 K、 a、 b 值 不 同 流 体 在 圆 形

9、 直 管 内 强 制 湍 流 的 对 流 传 热 系 数nreu PRN 8.0023.0 npcudd 8.0023.0或 ：a) 低 粘 度 流 体 流 体 被 加 热 ， n= 0.4流 体 被 冷 却 ， n= 0.310000eR 0217.0 rP60/ dl sPa 3102定 性 温 度 ： tm=(t1+t2)/2 特 征 尺 寸 ： 管 内 径 d010000eRnrP 保 证 流 体 达 到 传 热 湍 流 ；适 用 条 件 ：说 明 ： 60/ dl 避 开 传 热 进 口 段 ， 保 证 稳 态 传 热 。 b) 粘 度 较 大 流 体 14.033.08.0 )/(

10、027.0 wreu PRN 近 似 取 ： 05.1)( 14.0 w流 体 被 加 热 ： 95.0)( 14.0 w流 体 被 冷 却 ： 14.033.08.0 )()()(027.0 wpcdud 10000eR 001677.0 rP 60/ dl定 性 温 度 ： tm=(t1+t2)/2 特 征 尺 寸 ： 管 内 径 d0适 用 条 件 ： 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 。11 7.0 ldf R 弯 管 内 流 体

11、 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 增 加 ； 同 时 ， 流 动 阻 力 损 失 增 加 。)77.11( Rdf e) 圆 形 直 管 内 过 渡 流 时 对 流 传 热 系 数 100002300 eR过 渡 流 ：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 。 1Re1060.1 8.0 5 f f) 圆 形 直 管 内 强 制 层 流

12、 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 。 2300eR定 性 温 度 ： tm=(t1+t2)/2 ； 特 征 尺 寸 ： 管 内 径 d。 67006.0 rP 10/ ldPR re 适 用 条 件 ： 14.03/1 )()Pr(Re86.1 wldNu 4105.2 Gr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 )015.01(8.0 31Grf 4105.

13、2 Gr 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 318.053.012 PrRe02.0 ddde 1212 2122 )(44 dddd ddde .;21 md md md e 套 管 环 隙 当 量 直 径 ，外 管 内 径 ，内 管 外 径 ，式 中 ： 例 题 1： 有 一 双 管 程 列 管 换 热 器 ， 由 96根 25mm 2.5mm的 钢 管 组 成 。 苯 在 管 内 流 动 ， 由 20 被

14、 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 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 ； 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 3/1rneu PCRN 常 数 C、 指 数 n见 下 表沿 整

15、个 管 周 的 平 均 对 流 传 热 系 数 ：Re C n0.4444040400040004000040000400000 0.9890.9110.6830.1930.0266 0.3300.3850.4660.6180.805特 征 尺 寸 ： 管 外 径 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x2 x 1d直 列 管 束 中 管 子 的 排 列 和 流 体在 管 束 中 运 动 特 性 x 1x2 d错 列 管 束 中 管 子 的 排 列 和 流 体 在 管 束中 运

16、 动 特 性 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 。x2 x1d x 1x2 d 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 ： 4.0rneu PRCN C、 、 n 取 决 于 管 排 列 方 式 和 管 排 数 。特

17、征 尺 寸 ： 管 外 径 700005000eR 52.1/1 dx 52.1/2 dx适 用 范 围 ： iii AA /整 个 管 束 平 均 ： (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 nrru PGCN )(大 空 间 内 流 体 沿 垂 直 或 水 平 壁

18、 面 进 行 自 然 对 流 传 热 时 ：定 性 温 度 ： 膜 温 2/)2( 21 wm tttt 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do L 传 热 面 的 形状 及 位 置 GrPr C n 特 征 长 度垂 直 的 平 板及 圆 柱 面 10-1104104 109109 1013 查 图 0.59 0.1 查 图1/41/3 高 度 L水 平 圆 柱 面 010-510-510410410

19、910 91011 0.4查 图0.530.13 0查 图1/41/3 外 径 d0水 平 板 热 面朝 上 或 水 平板 冷 面 朝 下 2 1048 106 8 1061011 0.540.15 1/41/3 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 1051011 0.58 1/5 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 kgkJrC /4.22581000 时 ， 汽

20、 化 潜 热 CkgkJCpC 00 /187.41000 ， 比 热 无 相 变相 变一 般 ： 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 。 (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t w ts tv tv过 热 蒸 汽 3.4.4.2蒸 汽 冷 凝 对 流 传 热液膜t w ts ts饱 和 蒸 汽 （ 2） 冷 凝 方 式 ： 膜 状 冷 凝

21、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 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 。 膜 状 冷 凝滴 状 冷 凝 x膜 状 冷 凝 的 真 实 过 程 实 验 结 果 ： 实 测 值 高 于 理 论 值 （ 约 20%

22、） 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 1800eR（ b） 液 膜 湍 流 注 意 ： 壁 温 未 知 时 ， 计 算 应 采 用 试 差 法 。 neCR2000eR 4/13213.1 tLgr 4.0M3/12 32 Re0077.0 g 垂 直 管 外 （ 或 板 上 ） 膜状 冷 凝 时 Re的 表 达 式 ：r tLRe 4M 水 平 圆 管 外 膜 状 冷 凝说 明 ： 此 式 计 算 值 和 实 验 结 果 基 本 一

23、 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） 。4/132725.0 tdgr 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 。2 wttt s 水 平 管 外 膜 状 冷 凝 (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 ：

24、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 。 tttt ws 均 影 响、 r 沸 腾 : 沸 腾 时 ， 液 体 内 部 有 气

25、 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 t s， 气 泡 进 入 液 体 主 体 后 冷 凝 。 饱 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 液 体 主 体 t 液 体 主 体 t ts 液 体 主 体 t ts (1) 大 容 积 饱 和 沸 腾 传 热 机 理 a） 汽 泡 能 够

26、 存 在 的 条 件 ： rppr lv 2)(2 rpp lv 2 a b c d气 泡 的 生 成 过 程 气 泡 的 力 平 衡plpv r 必 须 有 汽 化 核 心 lv ppr 时 ， 要 求当 0b） 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 。sl ttt 沸 腾 过 程 ：

27、液 体传 递 ： 加 热 面时 ： 无 气 泡 产 生 ， 热 量 自 然 对 流 stt 力 进 入 液 体 。心 上 产 生 ， 长 大 后 凭 浮时 ： 气 泡 首 先 在 汽 化 核stt 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 。 自 然 对 流沸 腾 说 明 ： 由 于 气 泡 产 生 ， 使 液 体 扰 动 因 此 ： 实 验 条 件 : 大容 积 、 饱 和 沸腾 。 (2) 大 容 积 饱 和 沸 腾 曲 线 作 图实 验 ， 并 以 t ， 即 过 热 度 ）（ sw ttt 实

28、验 获 得 : 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 界 值 ： t、 q、 Q CD段 ： 核 状 、 膜 状 共 存 ， 膜 覆 盖 为 主 ， t， ； DEF段 ： 稳 定 膜 状 沸 腾 ， 全 部 膜 覆 盖 ， t， ； 而 后 辐 射 作 用 加 强 ， t， 。 ；， 使， 汽 泡 数随 t沸 腾 曲 线 意 义 :说 明 ： 工 业 上 ， 应 严 格 控 制 在 核 状 沸 腾 区 内 操 作 。 (3) 影 响 的 因 素 ,物 性 ： , ,P压 力 ： 加 热 壁 面 的 影 响 ： 粗 糙 壁 面 , ， 光 滑 的 壁 面 , ； 被 油 脂 污 染 的 壁 面 , ， 清 洁 表 面 , ； 水 平 管 束 沸 腾 传 热 ， 上 排 管 。 响 不 同温 度 差 ： 不 同 阶 段 ， 影