對流傳熱系數的經驗關聯(lián)式.ppt

第3章傳熱,3.4 對流傳熱系數的經驗關聯(lián)式,3.4.1 影響對流傳熱系數的因素, 流動形態(tài) 流體流動原因 流體物理性質 傳熱面形狀、位置和大小 相變化,代價：動力消耗。,（2）流體流動原因 強制對流：外部機械作功， 一般流速較大， 也較大。 自然對流：由流體密度差造成的循環(huán)過程, 一般流速較小， 也較小。,（1）流體流動狀態(tài),（3）流體的物理性質,（4）傳熱面的形狀、位置和大小 壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等， 造成邊界層分離，增加湍動，使增大。,（5）相變化的影響 有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰， 無相變傳熱：強制對流、自然對流， 一般地，有相變時表面?zhèn)鳠嵯禂递^大。,例：水強制對流， 蒸汽冷凝，, 努賽爾數,說明： 反映對流傳熱的強弱，包含對流傳熱系數；,說明： 反映流動狀態(tài)對 的影響。,l：特征尺寸，平板 流動方向的板長； 管 管徑或當量直徑；,（2）特征數的物理意義, 雷諾數, 普朗特數,說明： 反映流體物性對傳熱的影響,使用時注意： * 查取定性溫度下的物性； * 計算所用單位，SI制。,說明： 反映自然對流的強弱程度。, 格拉斯霍夫數（浮升力特征數）,強制對流,自然對流,混合對流,應用準數關系式應注意的問題 （1）定性溫度 定性溫度：決定準數中各物性的溫度。 流體的平均溫度t=(t1+t2)/2為定性溫度； 壁面的平均溫度tw為定性溫度； 流體和壁面的平均溫度（稱為膜溫）tm=(t+tw)/2為定性溫度。 工程上大多以流體的平均溫度t=(t1+t2)/2為定性溫度。 （2）特性尺寸 特性尺寸：量綱為1的數群Nu，Re等中所包含的傳熱面尺寸。 圓管內：特性尺寸取管內徑； 非圓管內：特性尺寸取當量直徑，de=4流動截面積/傳熱周邊 （3）注意公式的應用條件。,3.4.3 無相變化的對流傳熱,（1）管內強制對流傳熱 一般關系式：, 流體在圓形直管內強制湍流的對流傳熱系數,a) 低粘度流體,流體被加熱，n= 0.4 流體被冷卻，n= 0.3,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管內徑d0,保證流體達到傳熱湍流；,適用條件：,說明：,避開傳熱進口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管內徑d0,適用條件：,c) 流體流過短管（l/d50）,影響：處于傳熱進口段，表面?zhèn)鳠嵯禂递^大。 計算：采用以上各式計算，并加以校正。,d) 圓形彎管內的強制對流 特點：離心力使徑向壓力不均，產生二次環(huán)流； 結果：流體湍動程度增加，使增加； 同時，流動阻力損失增加。,e) 圓形直管內過渡流時對流傳熱系數,計算：采用湍流公式，但需加以校正。,說明：設計換熱器時，一般避免過渡流。,f) 圓形直管內強制層流 特點：1）傳熱進口段的管長所占比例較大； 2）熱流方向不同，也會影響； 3）自然對流的影響，有時不可忽略。,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：管內徑d。,適用條件：,當,自然對流的影響不能忽略，先由上式進行計算，然后乘以校正系數,g ) 非圓形管內強制對流 采用圓形管內相應的公式計算， 但特征尺寸采用當量直徑。 最好采用專用、經驗公式。 如：套管環(huán)隙,式中：,例題1：有一雙管程列管換熱器，由96根25mm2.5mm的鋼管組成。苯在管內流動，由20被加熱到80，苯的流量為9.5kg/s，殼程中通入水蒸氣進行加熱。 試求：管壁對苯的對流傳熱系數； 若苯的流率增加一倍，其他條件不變，此時的對流傳熱系數為多少； 若管徑降為原來1/2，其他條件與相同，此時對流傳熱系數為多少；, 管外強制對流 a) 流體橫向流過單管,常數C、指數n見下表,沿整個管周的平均對流傳熱系數：,特征尺寸：管外徑, 管束的排列方式 直列（正方形）、 錯列（正三角形）,b) 流體橫向流過管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性,直列,第一排管 直接沖刷 ； 第二排管 不直接沖刷；擾動減弱 第二排管以后基本恒定。,錯列,第一排管 錯列和直列基本相同； 第二排管 錯列和直列相差較大， 阻擋減弱，沖刷 增強； 第三排管以后基本恒定。,可以看出，錯列傳熱效果比直列好。 傳熱系數的計算方法 任一排管子：,C、n 取決于管排列方式和管排數。 特征尺寸：管外徑,適用范圍：,(3) 自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導致流體流動。 分類：大空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。 有限空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。,大空間自然對流傳熱：,計算方法, 查表法,大空間內流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時：,定性溫度：膜溫,定型尺寸：豎板，豎管，L； 水平管，外徑 do,影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；,系數C和指數n的取值見下表：, 經驗關聯(lián),3.4.4.1有相變對流傳熱的特點 相變過程中產生大量相變熱（潛熱）； 例：水,3.4.4 有相變化的對流傳熱, 相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復雜； 分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。,(1) 蒸汽冷凝機理 優(yōu)點：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制 蒸汽冷凝的對流傳熱系數較大。,3.4.4.2蒸汽冷凝對流傳熱,液 膜,tw,ts,ts 飽和蒸汽,（2）冷凝方式： 膜狀冷凝 凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力）， 熱量：蒸汽相液膜表面固體壁面。 滴狀冷凝 凝液結為小液滴（附著力小于表面張力）， 有裸露壁面，直接傳遞相變熱。 比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?滴狀冷凝膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍， 但工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。,膜狀冷凝的真實過程,實驗結果：實測值高于理論值（約20%） 原因：液膜的波動、假設的不確切性,(3) 膜狀冷凝傳熱膜系數的經驗關聯(lián) 垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜層流,（b）液膜湍流,注意：壁溫未知時，計算應采用試差法。,說明：此式計算值和實驗結果基本一致。, 水平單管冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?理論計算：按傾斜壁對方位角做積分（0-1800）。,d圓管外徑，m 定性溫度：膜溫 ，用膜溫查冷凝液的物性、和；潛熱r用飽和溫度ts查；此時認為主體無熱阻，熱阻集中在液膜中。,水平管外膜狀冷凝,(4) 影響冷凝傳熱的因素, 冷凝液膜兩側的溫度差：, 流體物性的影響：, 不凝性氣體的影響：形成氣膜，表面?zhèn)鳠嵯禂荡蠓认陆怠? 蒸汽過熱的影響：過熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱過程與無相變對流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽和蒸汽冷凝處理。, 蒸氣流速和流向的影響：流速不大時，影響可忽略； 流速較大時，且與液膜同向，增大； 流速較大時，且與液膜反向，減小。,沸騰: 沸騰時，液體內部有氣泡產生， 氣泡產生和運動情況，對影響極大。 沸騰分類： 按設備尺寸和形狀不同 大容器飽和沸騰； 管內沸騰 按液體主體溫度不同 過冷沸騰：液體主體溫度t ts， 氣泡進入液體主體后冷凝。 飽和沸騰：tts， 氣泡進入液體主體后不會冷凝。,3.4.4.3液體沸騰傳熱,(1) 大容積飽和沸騰傳熱機理 a） 汽泡能夠存在的條件：, 必須有汽化核心,b） 汽泡產生的條件 液體必須過熱 提供必須的汽化熱量 過熱度,說明： 因此無汽化核心，氣泡不會產生； 液體過熱度增大，汽化核心數增多。,汽化核心：體積很小的孔穴或固體顆粒， 氣泡能附著在其周圍生長。,沸騰過程：,過熱度，汽化核心數，氣泡產生和長大的速度， 使沸騰加劇，沸騰傳熱膜系數。,說明：由于氣泡產生，使液體擾動 因此：,實驗條件: 大容積、飽和沸騰。,(2) 大容積飽和沸騰曲線,實驗獲得:,AB段 ：無相變自然對流，無汽泡產生， 緩慢增加 BC段 ：核狀沸騰 一方面，,另一方面，汽膜覆蓋，又使； 當兩者作用相抵消，出現轉折點臨界點（C點）。 臨界值：t、q、Q CD段 ：核狀、膜狀共存，膜覆蓋為主，t， ； DEF段：穩(wěn)定膜狀沸騰，全部膜覆蓋， t， ； 而后輻射作用加強， t， 。,沸騰曲線意義:,說明：工業(yè)上，應嚴格控制在核狀沸騰區(qū)內操作。,(3) 影響的因素,加熱壁面的影響： 粗糙壁面, ，光滑的壁面, ； 被油脂污染的壁面, ，清潔表面, ； 水平管束沸騰傳熱，上排管 。,