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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, 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,代价：动力消耗。,（2）流体流动原因 强制对流：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,（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。,例：水强制对流，
2、 蒸汽冷凝，,努赛尔数,说明： 反映对流传热的强弱，包含对流传热系数；,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,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）,强制对流,自然对流,混合对流,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=(
3、t+tw)/2为定性温度。工程上大多以流体的平均温度t=(t1+t2)/2为定性温度。（2）特性尺寸特性尺寸：量纲为1的数群Nu，Re等中所包含的传热面尺寸。圆管内：特性尺寸取管内径；非圆管内：特性尺寸取当量直径，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：, 流体在圆形直管内强制湍流的对流传热系数,a) 低粘度流体,流体被加热，n= 0.4流体被冷却，n= 0.3,定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径d0,保证流体达到传热湍流；,适用条件：,说明：,避开传热进口段，保证稳态传热。,定性温度：tm=
4、(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。,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。,e) 圆形直管内过渡流时对流传热系数,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。,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。,定性温度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：管内径d
5、。,适用条件：,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,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,式中：,例题1：有一双管程列管换热器，由96根25mm2.5mm的钢管组成。苯在管内流动，由20被加热到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,常数C、指数n见下表,沿整个管周的平
6、均对流传热系数：,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,直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性,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。,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：,C、n 取决于管排列方式和管排数。特征尺寸：管外径,适用范围：,(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
7、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,大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时：,定性温度：膜温,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,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,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。,3.4.4
8、.2蒸汽冷凝对流传热,液膜,tw,ts,ts饱和蒸汽,（2）冷凝方式： 膜状冷凝 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。,膜状冷凝的真实过程,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,(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,（b）液膜湍流,注意：壁温未知时，计算应采用试差法。,说明：此式计算值和实验结果基本一致。, 水平单
9、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）。,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。,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：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。,沸腾: 沸腾时，液体
10、内部有气泡产生， 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 ts， 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,(1) 大容积饱和沸腾传热机理 a） 汽泡能够存在的条件：, 必须有汽化核心,b） 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。,沸腾过程：,过热度，汽化核心数，气泡产生和长大的速
11、度，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数。,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,实验获得:,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， 。,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,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 。,
