无相变时的对流传热系数经验关联式学习教案

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1、会计学1无相变时的对流传热系数经验无相变时的对流传热系数经验(jngyn)关联关联式式第一页，共33页。dndtqdndtAQ或傅立叶定律傅立叶定律(dngl)：阻力推动力或iiiiAbtAbtdndtAQ阻力推动力或imiiimAbtAbtdndtAQ1212lnAAAAAm平壁稳定平壁稳定(wndng)热传导热传导筒壁稳定筒壁稳定(wndng)热传导热传导对数平均面积对数平均面积第1页/共33页第二页，共33页。主要主要(zhyo)内内容容一一. . 对流传对流传(lichun)(lichun)热概述热概述二二. . 求解对流求解对流(duli)(duli)传热系数的基传热系数的基本方法本

2、方法三三. . 对流传热系数经验公式的建立方法对流传热系数经验公式的建立方法四四. . 管内强制对流传热管内强制对流传热五五. . 管外强制对流传热管外强制对流传热本讲小结本讲小结第2页/共33页第三页，共33页。一一. . 对流传对流传(lichun)(lichun)热概述热概述流体与固体壁面之间的热量传递过程称为对流流体与固体壁面之间的热量传递过程称为对流传热传热(chun r)，在传热，在传热(chun r)过程中有极过程中有极为重要的地位。为重要的地位。1. 1. 依据流体在传热过程依据流体在传热过程(guchng)(guchng)中的状态，对中的状态，对流传热分为两类共四种情况：流传

3、热分为两类共四种情况：无相变传热无相变传热有相变传热有相变传热强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾管内管内管外管外湍流、层流、过渡流、弯管、非圆管湍流、层流、过渡流、弯管、非圆管通过流体机械作用所发生的对流由于流体冷热不同部分的密度差所产生的升力引起第3页/共33页第四页，共33页。第4页/共33页第五页，共33页。2. 2. 对流传对流传(lichun)(lichun)热热机理的分析机理的分析 层流时，传热方向上无质点相混层流时，传热方向上无质点相混(xin hn)传热方式为热传导；传热方式为热传导； 对流传热影响因素多，过程复杂，难以建立对流传热

4、影响因素多，过程复杂，难以建立(jinl)简单的数学解析式。有效膜简单的数学解析式。有效膜将对流传热过程简化为有效膜内的热传导过程。将对流传热过程简化为有效膜内的热传导过程。 湍流时，层流底层为热传导，湍流主体能量交换频繁，无传热阻力，即无温差。湍流时，层流底层为热传导，湍流主体能量交换频繁，无传热阻力，即无温差。第5页/共33页第六页，共33页。)()(22ttttdAdQqWtW)()(11WTWTTTTdAdQq对热流体对热流体(lit)有：有：同样同样(tngyng)，对冷流体有：，对冷流体有：对流传热系数，对流传热系数，W/m2.KW/m2.K，反映，反映(fnyng)(fnyng)

5、对流传热的强弱程度。对流传热的强弱程度。 称为称为牛顿冷却定律。牛顿冷却定律。把复杂的对流传热过程简化为把复杂的对流传热过程简化为的求取。的求取。第6页/共33页第七页，共33页。对流对流(duli)(duli)传热系数传热系数 对流传热系数与导热系数不同，它不是物性，而对流传热系数与导热系数不同，它不是物性，而是受多种因素影响的一个参数。是受多种因素影响的一个参数。 例如：流体有无相变，流体流动的原因例如：流体有无相变，流体流动的原因(yunyn)，流体流动状况，壁面情况，流体物性等都会影响传，流体流动状况，壁面情况，流体物性等都会影响传热系数。热系数。 一般情况下，强制对流传热系数高于自然

6、对流，一般情况下，强制对流传热系数高于自然对流，有相变对流传热系数高于无相变。有相变对流传热系数高于无相变。 TAQ改善改善(gishn)流动状况，使层流底层厚度减小流动状况，使层流底层厚度减小，是强化对流传热的主要途径之一。，是强化对流传热的主要途径之一。热边界层越薄，温度梯度越大，对流传热系数越热边界层越薄，温度梯度越大，对流传热系数越大。大。第7页/共33页第八页，共33页。边界层内温度为边界层内温度为99主体温度处距管壁的距离为边界层厚主体温度处距管壁的距离为边界层厚度，其中的传热主要为热传导，因此可以度，其中的传热主要为热传导，因此可以(ky)采用傅立采用傅立叶定律来表达：叶定律来表

7、达：wdydtntq第8页/共33页第九页，共33页。改善流动状况，使层流底层厚度减小，是强改善流动状况，使层流底层厚度减小，是强化对流传热的主要化对流传热的主要(zhyo)途径之一。途径之一。热边界层越薄，温度梯度越大，对流热边界层越薄，温度梯度越大，对流(duli)传热系数越大。传热系数越大。将上式与牛顿冷却定律将上式与牛顿冷却定律(dngl)比较，比较，有：有：wdydtT第9页/共33页第十页，共33页。二二. . 求解求解(qi ji)(qi ji)对流传热系数的对流传热系数的基本方法基本方法1. 1. 理论理论(lln)(lln)方方法：法：对流传热的物理现象模型对流传热的物理现象

8、模型边界层微分方程组边界层微分方程组数学分析方法求解数学分析方法求解2. 2. 实验实验(shyn)(shyn)方法方法因次分析法因次分析法第10页/共33页第十一页，共33页。三三 影响影响(yngxing)(yngxing)对流传热系数对流传热系数的因素的因素1.1.引起流动的原因引起流动的原因自然对流：由于流体内部自然对流：由于流体内部(nib)(nib)密度差而引起流体密度差而引起流体的流动。一般流速较小，的流动。一般流速较小， 也较小。也较小。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。一般流强制对流：由于外力和压差而引起的流动。一般流速较大，速较大， 也较大。也较大。 强 自 2.2.流

9、体的物性流体的物性-导热系数导热系数(xsh)(xsh)、比热、密度和、比热、密度和粘度粘度 ，cp cp 3.3.流动形态流动状态取决于雷诺数的大小。流动形态流动状态取决于雷诺数的大小。湍 层 层流流体与壁面的传热靠导热；湍流导热和对流同时存在，传热强度主要取决于层流底层的热阻。第11页/共33页第十二页，共33页。4. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置-特征尺寸特征尺寸形状：如管、板、管束等；形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列位置：如管子的排列(pili)方式（管束有正四方形和三角形方式（管束有正四方形和三角形排列排列(p

10、ili)）；管或板是垂直放置还是水平放置。）；管或板是垂直放置还是水平放置。第12页/共33页第十三页，共33页。 的 量 级的 量 级 了 解了 解(lioji) KmWKmW22/30030/255强强制制对对流流：自自然然对对流流： KmWKmWKmWKmW2222/300001500/150005000/80001000/1000200水沸腾：水沸腾：蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：空气空气(kngq)中中水中水中无无相相变变有有相相变变 自自然然强强制制 气气液液 总之：总之： KmWKmW22/3000500/1500500蒸蒸汽汽冷冷凝凝：强强制制对对

11、流流：油类中油类中第13页/共33页第十四页，共33页。2. 2. 因次分析方法在对流传因次分析方法在对流传(lichun)(lichun)热中的应用热中的应用 对于一定类型的传热面，在考虑自然对流的影对于一定类型的传热面，在考虑自然对流的影响响(yngxing)时，强制对流传热系数时，强制对流传热系数是流速是流速u、换、换热面尺寸热面尺寸L、液体的粘度、液体的粘度 、导热系数、导热系数 、密度、密度 、比热比热Cp、浮升力、浮升力 gT的函数。的函数。),(TgCLuphfpedcbaTgCLuK)(1) 1) 影响因素影响因素(yn s)(yn s)分析分析V0V0 V 第14页/共33页

12、第十五页，共33页。2 2）因次分析）因次分析(fnx)(fnx) 物理量 u L 单位 Wm-2K-1 m/s m kgm-1s-1 因次 MT-1-3 L-1 L ML-1-1 指数 1 a b c 物理量 Cp gT 单位 Wm-1T-1 kg/m3 Jkg-1K-1 N/m3 因次 MLT-1-3 ML-3 L2T-1-2 ML-2-2 指数 d e f h 第15页/共33页第十六页，共33页。依据依据(yj)因次一致性原则，因次一致性原则，有：有：对于对于M：对于对于L：对于对于：c+d+e+h=1a+b-c+d-3e+2f-2h=0a+c+3d+2f+2h=3对于对于T：d+f=

13、1选择选择a、f、h作为独立作为独立(dl)变量，解方程得：变量，解方程得：b= a+3h-1c=f-a-2hd=1-fe=a+h第16页/共33页第十七页，共33页。将以上将以上(yshng)系数代入方程，有：系数代入方程，有：hfpTgLcuLKLa223hfGrKNuaPrRe查取定性温度(wnd)下的物性；计算所用单位，SI制第17页/共33页第十八页，共33页。3). 3). 实验实验(shyn)(shyn)数据处理和待定系数的确定数据处理和待定系数的确定将式两边将式两边(lingbin)取对数，有：取对数，有：GrhfaKNulgPrlgRelglglg使用公式时应注意：使用公式时

14、应注意： 1.适用范围：各准数实验时的范围。适用范围：各准数实验时的范围。 2.定性温度定性温度(wnd)：流体平均温度：流体平均温度(wnd)tf（t1+t2）/2；壁面平均温度；壁面平均温度(wnd)；膜温；膜温tm（tW+tf）/2。 3.特性尺寸：对流体的流动和传热影响最大特性尺寸：对流体的流动和传热影响最大的尺寸，如内径、外径、当量直径等。的尺寸，如内径、外径、当量直径等。通过实验可以确定待定系数的值。通过实验可以确定待定系数的值。第18页/共33页第十九页，共33页。PrlgRelglglgfaKNu此时可忽略自然对流此时可忽略自然对流(duli)的影响。公式改写为：的影响。公式改

15、写为：四四. . 管内管内(un ni)(un ni)强制对强制对流传热流传热第19页/共33页第二十页，共33页。管内湍流强制对流传管内湍流强制对流传(lichun)热热的实验结果的实验结果第20页/共33页第二十一页，共33页。ndNuPrRe023.08 .0整理实验整理实验(shyn)结果，有：结果，有：当流体当流体(lit)被加热时，被加热时，n=0.4； 流体流体(lit)被冷却时，被冷却时， n=0.3。上式的应用条件上式的应用条件(tiojin)：气体和低粘度液体，：气体和低粘度液体，410Re120Pr7 . 050/ dLndPrRe023. 08 . 0 物性参数的物性参

16、数的定性温度定性温度为流体为流体进出口的平均温度进出口的平均温度，特性尺寸取，特性尺寸取管内径管内径。第21页/共33页第二十二页，共33页。对高粘性流体对高粘性流体14. 033. 08 . 0)(027. 0WreuPRN若对短管若对短管 L/D30L/D304040，校以，校以 f f1.021.021.071.07 8 . 151061eRf层流层流(cn li)14. 0313131)()(86. 1WreldPRdGr 2500025000)015. 01 (8 . 031rGfGr 2500025000过渡流过渡流 2000 ReRe10104 4，第22页/共33页第二十三页，

17、共33页。增大管内强制对流增大管内强制对流(duli)传热系数的传热系数的途径：途径：ndPrRe023.08.01.在管路条件在管路条件(tiojin)不变的情况下，增大流速，不变的情况下，增大流速，增大。增大。2.在流量不变的情况下，减小管径或采用蛇管。在流量不变的情况下，减小管径或采用蛇管。弯管弯管 校以校以 f（11.77d/R） 其中其中(qzhng)，d为管内径，为管内径，R为弯管曲率半径。为弯管曲率半径。非圆形管非圆形管 引入当量直径。引入当量直径。第23页/共33页第二十四页，共33页。例题：列管式换热器，例题：列管式换热器，n=60，252.5mm，苯走管内，苯走管内(un

18、ni)，t1=20 ，t2=80 ，ms1=13kg/s，求管内，求管内(un ni)的对流传热系数。若苯的流量提高的对流传热系数。若苯的流量提高80%，仍维持原来的出口温度，试求对流传热系数。，仍维持原来的出口温度，试求对流传热系数。解：解：苯的平均温度：苯的平均温度：C50)8020(21)(2121ttT查得苯的物性查得苯的物性(w xn)数据为：数据为：3/860mkg)/(80. 1CkgkJCp sPa31045. 0)/(14. 0CmW 第24页/共33页第二十五页，共33页。管内管内(un ni)苯的流速为：苯的流速为：smdnmus/8 . 010)25 . 225(860

19、60134462214331006. 31045. 08608 . 010)25 . 225(Reud79. 514. 01045. 01080. 1Pr33pC第25页/共33页第二十六页，共33页。 Re和和Pr的值均在经验的值均在经验(jngyn)公式的取值范围内，有：公式的取值范围内，有：4 . 08 . 044 . 08 . 079. 5)1006. 3(02. 014. 0023. 0PrRe023. 0iid)/(12602CmW 若流量若流量(liling)增加增加80，则：，则：6 . 18 . 18 . 08 . 0uuii)/(201612606 . 16 . 12CmW

20、ii 第26页/共33页第二十七页，共33页。五五. . 管外强制管外强制(qingzh)(qingzh)对流传热对流传热平行于管：传热规律和准数关联式与管内相同平行于管：传热规律和准数关联式与管内相同(xin tn)，只是定性尺寸改为当量直径。，只是定性尺寸改为当量直径。垂直于管（横向垂直于管（横向(hn xin)流动）流动）垂直与平行交替：列管式换热器壳程流体垂直与平行交替：列管式换热器壳程流体和管壁间的传热多属于此种情况。和管壁间的传热多属于此种情况。流体横向流过单管的情况流体横向流过单管的情况第27页/共33页第二十八页，共33页。流体横向流过直列管束流体横向流过直列管束(gunsh)

21、的情况的情况流体横向流过错列管束流体横向流过错列管束(gunsh)的情况的情况x2x1dx1x2d4 . 0PrRe nCNu计算计算(j sun)对流传热系数的准数关联式：对流传热系数的准数关联式：有关参数可查阅相关文献。有关参数可查阅相关文献。第28页/共33页第二十九页，共33页。六六. . 自然自然(zrn)(zrn)对流传热对流传热nGrCNuPr)(n1/81/3定性温度：膜温；定性温度：膜温；特性尺寸特性尺寸(ch cun)：水平管：水平管外径；外径； 垂直管、板垂直管、板长度长度t=tw-t Gr PrCN110-35 1021.181/851022 1070.5421071

22、10130.1351/3第29页/共33页第三十页，共33页。本讲小结本讲小结(xioji)1.与流体流动中求解摩擦因子的方法与流体流动中求解摩擦因子的方法(fngf)类似，采用了因次分析的方法类似，采用了因次分析的方法(fngf)，讲述了无相变对流传热情况下的对流传热系数的求解方法，讲述了无相变对流传热情况下的对流传热系数的求解方法(fngf)。2.热边界层概念对于理解对流传热过程，寻求强化传热过程有着十分重要的作用。热边界层概念对于理解对流传热过程，寻求强化传热过程有着十分重要的作用。3.准数的应用是化学工程中经常采用的一种处理问题的方法准数的应用是化学工程中经常采用的一种处理问题的方法(fngf)，要记住，要记住Prandtl number和和Nusselt number。4.本讲只要求记住管内强制湍流传热的公式：本讲只要求记住管内强制湍流传热的公式： ndNuPrRe023.08.0其他经验公式不要求记忆其他经验公式不要求记忆(jy)，但要注意应用条件。，但要注意应用条件。 第30页/共33页第三十一页，共33页。第31页/共33页第三十二页，共33页。n为了使多层圆筒壁的绝热效果更好，在绝热层厚度不变的条件下，应将导热系数_的材料放在内层，使总热阻增大，热损失_。第32页/共33页第三十三页，共33页。