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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,蒸汽冷凝,,努赛尔
2、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=(t+tw)/2为定性温度。工程上大多以流
3、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=(t1+t2)/2 特征尺寸:管内径d0,适用条
4、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。,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
5、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)
6、,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
7、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。,3.4.4.2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
8、),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;
9、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
10、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。,