第四章传热—3(对流传热分析和计算)

第五节对流传热系数关联式对流传热影响因素无相变时的对流传热系数管内强制对流管外强制对流自然对流有相变时的对流传热系数蒸汽冷凝液体沸腾1、流体的种类和相变化：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；2、流体的物理性质：影响较大的物性如密度р、比热cp、导热系数λ、粘度μ等。一、影响对流传热系数的主要因素3、流体的运动状况：传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层厚度减薄，对流表面传热系数也就随之增大。4、流体对流的状况：自然对流，强制对流。5、传热表面的形状、位置及大小：如圆管、翅片管等不同传热表面形状；管板、管束、管径；管长；管子排列方式；垂直放置或水平放置等。),,,,,,(tgclufpgkpatlgcluCl)()()(223gkaGrCNuPrRe无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度L，时间T，温度θ。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即二、对流传热中的因次分析准数符号及意义准数名称符号意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu=αl/λ表示对流传热系数的准数雷诺准数（Reynolds）Re=luρ/μ确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr=cpμ/λ表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr=βgΔtl3ρ2/μ2表示自然对流影响的准数准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点：1、应用范围2、特性尺寸无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。3、定性温度流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。npiicudd)()(023.08.0Nu=0.023Re0.8Prn当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。特性尺寸：取管内径，长径之比大于60定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。二、流体无相变时对流传热系数的关联式1、流体在圆形直管内作强制对流（1）低粘度流体应用范围：Re＞100000.7＜Pr＜120Nu=0.023Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14特性尺寸：取管内径定性温度：除μw取壁温下的粘度外，均为流体进、出口温度的算术平均值。（2）高粘度流体14.03/18.0)()()(023.0wpcdud范围：同低粘度流体例：常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，φ60×3.5mm的钢管中流动，温度由150℃升到250℃。试求管壁对空气的对流传热系数。解：此题为空气在圆形直管内作强制对流定性温度t=（150+250）/2=200℃查200℃时空气的物性数据（附录）如下Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03928W/m.℃μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3Pr=0.68特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.560Re=duρ/μ=(0.053×15×0.746)/(0.6×10-5)=2.28×104104(湍流)Pr=cpμ/λ=(1.026×103×26.0×10-5)/0.03928=0.68CmWNud2/8.444.60053.003928.0本题中空气被加热,n=0.4代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4=60.4流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（μ/μw）0.14特性尺寸：取管内径di定性温度：除μw取壁温下的值外，均为流体进、出口温度的算术平均值。2、流体在圆形直管内作强制层流应用范围：Re＜23000.6＜Pr＜6700Gr＜25000当自然对流的影响不能忽略时,对水平管，按下式计算应用范围：Re2300；l/d50；特性尺寸：取管内径di定性温度：壁温tw与流体进、出口平均温度的平均值tmNu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2应用范围：Re＜23000.6＜Pr＜6700Gr＞250008.15Re1061（3）流体在圆形直管内作过渡流对流表面传热系数可先用湍流时计算，然后乘以校正系数Φ)77.01('Rd流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。式中α΄—弯管中的对流传热系数，w/（m2•℃）α—直管中的对流传热系数，w/（m2•℃）R—弯管轴的弯曲半径，m（4）流体在弯管内作强制对流例：一套管换热器，套管为φ89×3.5mm钢管，内管为φ25×2.5mm钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。解：此题为水在圆形直管内流动定性温度t=（15+35）/2=25℃查25℃时水的物性数据（见附录）如下：Cp=4.179×103J/kg·℃λ=0.608W/m·℃μ=90.27×10-3N·s/m2ρ=997kg/m3Re=duρ/μ=(0.02×0.4×997)/(90.27×10-5）=8836Re在2300~10000之间，为过渡流区Pr=cpμ/λ=(4.179×103×90.27×10-5)/60.8×10-2=6.2a可按式Nu=0.023Re0.8Prn进行计算,水被加热,k=0.4。9524.088361061Re10618.158.1519789524.0)2.6()8836(02.0608.0023.0)()(023.04.08.04.08.0fcuddpii校正系数采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径de即可。当量直径按下式计算润湿周边流体流动截面积4ed传热周边流体流动截面积4ed或（5）流体在非圆形管内强制对流管束错列Nu=0.33Re0.6Pr0.33管束直列Nu=0.26Re0.6Pr0.33应用范围：Re3000定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性尺寸：管外径。管束取10排，不是10排的查表进行修正。2、流体在管外强制对流（1）流体在管束外强制垂直流动换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%的壳体内截面积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：（a）多诺呼法Nu=0.23Re0.6Pr1/3（μ/μw）0.14应用范围:Re=(2~3)×104特性尺寸:取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度:除μw取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。（2）流体在换热器的管间流动Nu=0.36Re0.55Pr1/3（μ/μw）0.14应用范围:Re=2000~1×1000000特性尺寸:取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。定性温度:除μw取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。（b）凯恩法Nu=c（GrPr）n定性温度：取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算术平均值。特性尺寸：对水平管取外径，对垂直管或板取垂直高度L。c值和n值查表。3、自然对流传热蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。三、流体有相变时的对流传热系数1、蒸汽冷凝时的对流传热系数4132)(943.0tlgr4132)(725.0tdngr（a）在垂直管或垂直板上作膜状冷凝（b）水平管壁上作膜状冷凝（1）膜状冷凝时对流传热系数不凝性气体的影响在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。蒸汽流速和流向的影响蒸汽的过热流体物性:粘度、密度、导热系数、汽化热液膜两侧温差(2)影响冷凝传热的因素：表面粗糙度一般换热设备中的冷凝可按膜状冷凝考虑。冷凝的传热系数一般都很大，如水蒸汽作膜状冷凝时的传热系数α通常为5000~15000W/(m2·℃)。因而传热壁的另一侧热阻相对地大，是传热过程的主要矛盾。当蒸汽中不凝性气体的含量为1%时，可降低α60%左右。因此冷凝器应装有放气阀，以便及时排除不凝性气体。工业上沸腾的方法有两种：（a）管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。（b）大容积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。2、液体沸腾时的对流传热系数（1）沸腾传热的特点由于液体沸腾的对流传热是一个复杂的过程，影响液体沸腾的因素很多，最重要的是传热壁与液体的温度差Δt。现以常压下水沸腾的情况为例，说明对流传热的情况。（a）自然对流阶段当温度差Δt较小时(AB段)，在加热表面上有少量的汽化核心，加热面附近的液层受到的扰动不大，传热主要以自然对流方式进行。α随Δt的增大而略有增大。此阶段称为自然对流区。（b）核状沸腾阶段当Δt逐渐升高时（BC段），在加热面上产生的汽化核心数目增加，由于这些蒸气泡的产生、脱离和上升使液体受到剧烈的扰动，使α随Δt的增大而迅速增大，在C点处达到最大值。此阶段称为核状沸腾。C点的温度差称为临界温度差。（c）膜状沸腾阶段当Δt继续增大时（CD段），气泡形成的过快，加热面逐渐被气泡覆盖，形成气膜，使得传热过程中的热阻变大，α开始减小，到达D点时为最小值。此阶段称为膜状沸腾。若在继续增加Δt（DE段），加热面完全被蒸气泡层所覆盖，通过该蒸气泡层的热量传递是以导热和热辐射方式进行。α再度随Δt的增大而增大。一般的传热设备通常总是控制在核状沸腾下操作。对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。2、选定相应的对流传热系数计算式。3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再进行验证。4、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数小结1、热辐射物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程称为热辐射。—10-10—1010—110210410610-410-210-6γ射线无线电波微波X射线紫外热射线红外能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。2、电磁波的波长范围及热射线第六节热辐射一、基本慨念3、吸收率A，反射率R和透过率D（Absorption,ReflectionandDiaphaneity)DRAQQQQ1QQQQQQDRA1DRA根据能量守恒定律：物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长。4、黑体、白体和透体黑体A=1白体R=1透热体D=15、灰体和黑度灰体：能吸收所有波长范围的辐射能，且对不同波长辐射能的吸收率相等的物体称灰体。6、辐射传热物体向外发射辐射能，同时也自周围吸收辐射能。辐射传热：物体间相互发射和吸收辐射能的传热过程。物体的辐射能力是指物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，记作E，单位是W/m2。单色辐射能力是指物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内发射某一波长的辐射能。记作EΛ，单位是W/m2。二、物体的辐射能力1、黑体辐射能力黑体辐射能力与其表面热力学温度的四次方成正比。C0称为黑体的辐射常数，其值为5.67W/m2·K4。40)100(TCEb四次方定律--斯蒂