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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。,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,适用条件：,c)流
4、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，然后乘以校正系数
5、,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）,b)流体横
6、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,查表法,大空间内
7、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,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。,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
8、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；潜热r用饱和温度ts查；此时认为主体无热
9、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t ts，气泡进入液体主体后冷凝。饱和沸
10、腾：tts，气泡进入液体主体后不会冷凝。,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。,
