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(1) 流体流动状态湍动程度个，层流内层厚度减薄，F Jo个,代价：动力消耗t O(2) 流体流动原因强制对流：外部机械作功，一般流速较大，a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，a也较小。(3) 流体的物理性质Cp：兀尸-单位体积流体的热容量kJ/m3C.Pp 匸，a 屮 / T , Re , al(4) 传热面

2、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a增大。（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，有相变时表而传热系数较人。例：水强制对流,a： 250-1000（W/m2K 蒸汽冷凝，6z： 5OOO-15OOOV/肿K对流传热系数分析方法 解析法 数学模型法 量纲分析法9(实验法3.4.2无相变化时对流传热过程的(1)量纲分析过程 优点：减少实验次数；(a)通过理论分析和实验观察，确定相关因素; 依据：物理方程各项量纲一致;无相变：a = f(u.l.pg/3M,ri.p.Cp)(b) 构造函数形式;a

3、 = Kualbr/CpeCp pg/3th(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。I % 2 g 妙 “2 或：N产 KR；P：G：(2)特征数的物理意义导热热阻对流传热热阻努赛尔郵 N =理=1“2丄a/：特征尺寸，平板流动方向的板长;管管径或当量直径;说明：反映对流传热的强弱，包含对流传热系数;雷诺数R 咖_ 丁惯性力“ 肿粘滞力说明：业遐陵A虺U 普朗特数尺=出=马v_（运动粘度）动量扩散系数，2- 丁 （导温系数）热扩散系数5P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

4、所用单位，SI制。 格拉斯霍夫数(浮升力特征数)G严业1匚叫*怒04：单位体积流体浮力变匕卩:体积膨胀系数1/C,Re,：表示自然对流的雷職说明：反映自然对流的强弱程度。Gr/R10强制对流他=/()O.1G,./1合对花 山吕 (Re G.)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=(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(ti+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

5、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，de4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:N” 二 KRY P?LL流动状态不同，则K、a、b值不同传热流动状态划分(区别丁流体流动时规律) 层流：&10000 过渡流：2300 Re 6Q 尺,1000C0.77 120 卩10000保证流体达到传热湍流;P：流体被加热，n=0.4流体被冷却，n=0.3l/d60避开传热进口段，保证稳态传热。b）粘度较大流体血=0027尺87严（“/弘严a = 0.027 （如严（）0*33 （A0J4 d “2“w

6、近似取:流体被加热（“/仏）14 =1.05流体被冷去卩=0.95适用条件：R 1000CC0.7 .60定性温度:tm=（tl+t2）/2特征尺寸：管内径山c）流体流过短管（dv50）影响：处丁传热进口段，表而传热系数较人。1R计算：采用以上各式计算a,并加以校正。/ = 1+ d）圆形弯管内的强制对歸丿特点：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CL增加；/同时，流动阻力损失增加。厶弯管内流体的流动/ = (1+1.77)e）圆形直管内过渡流时对流传热系数过渡流2300心v 10000计算：采用湍流公式，但需加以校正。/ = 1.0-冬黑-1 Re 说明：设计换热器

7、时，一般避免过渡流。f）圆形直管内强制层流特点：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。当 Gr2.5xl04Nu = 1.86(RePr-)1/3(-)014I 适用条件： R 23000.6 Pf 10定性温度：心二(心+。/2； 特征尺寸：管内径。Gr2.5xl04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I/ = 0.8(1+ 0.015Grbg）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。最好釆用专用、经验公式。 如：套管环隙ade一式中/ 0.5317T（d2 +i）0.0才丄Re0

8、-8 P品W丿d 一内管外径，m;-外管内径，加；血-套管环隙当量直径，m. 例题1：有一双管程列管换热器，由96根25mmX 2.5mm 的钢管组成。苯在管内流动，由2(TC被加热到80C,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；戎程代壳式换热器1壳体 2饪束 3拶板 4帰板管外强制对流a）流体横向流过单管流体横向流过单根圆管外时流动情况沿整个管周的平均对流传热系数:叽=CR；P罗常数c、指数见下表ReCn0.4 40.

9、9890.3304400.9110.3854040000.6830.4664000400000.1930.618400004000000.02660.805特征尺寸：管外径b）流体横向流过管束的表面传热系数 管束的排列方式直列（正方形）、 错列（正三角形）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。+耳以査出，错列传热效果比直列好。 传热系数的计算方法任一排管子：Nu = C&R：P严C、f、取决于管排列方式和管排数。特征尺寸：管外径适用范围:Re =5000-

10、70000xx!d = 1.2-5 x2/d = 1.2-5整个管束平均：oc =工少4 /工(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址。I大空间自然对流传热：1计算方法 查表法 经验关联大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时:Nu=C（GrPry影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式；定型尺寸：竖板，竖管，L；尸订水平管，外径4nD）L、/c定性温度：膜温/=（7 +几）/2系数C和指数的取值见下表:1化执面的形1状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板 及圆柱面1010

11、4104 109109 1013查图0.590. 1查图1/41/3咼度L水平圆柱而0 10-510704104 109109 1011P P畸o0查图1/41/3外径*水平板热而 朝上或水平 板冷面朝下2X1048X1068X106IO】0. 540. 151/41/3矩形取两边平均值圆盘0.9d狭长条取短边水平板热而 朝下或水平 板冷而朝上105 10110. 581/53.4.4有相变化的对流传热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10CPC时，汽化潜热* = 22584RgO-1OCPC,比热Cp=4.&7kJ/kgC一般：融*笙无舲 分为蒸汽冷

12、凝与液体沸腾两种情况。3442蒸汽冷凝对流传热(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。曲和蒸汽/ / /中间层V热蒸汽何2凝方式：膜状冷凝凝液呈液膜状（附着力大于表面张力），热量：烝汽相_液膜表面T固体壁面。滴状冷凝AAA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a滴状冷凝。膜状冷凝，相差儿倍到儿十倍,但工业操作上，多为膜状冷凝。AAA滴状冷凝If膜状冷凝的真实过程蒸汽在垂直壁面上的冷凝高尊化号裁学密礙疾aa =CRa = 1.13(b)液膜湍流% 2000a = 0-0077Re踣(3)膜

13、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)液膜层流耳1800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1/4垂直管外(或板上)膜 状冷凝时Re的表达式：厂4aLA?% =r/Li注意：壁温未知时，计算应采用试差法。水平单管冷凝表面传热系数11论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0J80。）od一圆管外径，m定性温度：膜温2今,用膜 温查冷凝液的物性Q、2和“；潜 热厂用饱和温度心查；此时认为主水平圆管外膜状冷凝体无热阻，热阻集中在液膜中。 说明：此式计算值和实验结果基本一致。水平管外膜状冷凝高等化学教学资源库高等伽出版社(4)影响冷凝传热的因素O冷凝液膜两

14、侧的温度差：At = t -t4 T als w流体物性的影响：p、“、2、厂均影响a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，a增大； 流速较大时，且与液膜反向，a减小。3443液体沸腾传热沸腾：沸腾时，液体内部有气泡产生,气泡产生和运动情况，对a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TV心气泡进入液体主体后冷凝。饱和沸腾:

15、叫,液体主体液体主体S o液体主体气泡进A液体圭体后不鸟凝a）汽泡能够存在的条件:2岔（P， Pj） = 2rcr2（7P.-Pi=气泡的力平衡oopo o0009 0?s 0 0 9气泡的生成过程然刘流液体tv切寸：无气泡产生，热圜专递：加热面沸腾过程:rn。时：气泡首先在汽化核C?上产生，长大后凭浮力进入液体。 过热度t,汽化核心数t,气泡产生和长大的速度t,I使沸腾加剧，沸腾传热膜系数t O|说明：由于气泡产生，使液体扰动fj因此：|沸腾 。自然对流)(2)大容积饱和沸腾曲线实验获得:实验条件：大容积、饱和沸 腾。实验，并以V-a作图(少=几-勺 即过热度)气泡的产生过程“自然对流；核状

16、沸腾；膜状沸腾4Ml:；不稳定 - /趣状:5 / I!:区:().11.01()1Q210$高等化学教学资源库高等教育出版社沸腾曲线意义:AB段：无相变自然对流，无汽泡产生，a缓慢增加 BC段：核状沸腾一方面，随azT,汽泡数T,使&TT；另一方面，汽膜覆盖t ,又使a!； 当两者作用相抵消，出现转折点一临界点（C点）。临界值：人q、QCD段：核状、膜状共存，膜覆盖为主，口，aj； DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，灯，aj； 而后辐射作用加强，口，afo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：T压力：a 丁温度差：不同阶段，歎向不同加热壁面的影响：O粗糙壁面，a ,光滑的壁面,a ；被油脂污染的壁面,a ,清洁表面,a t ；水平管束沸腾传热，上排管 引。