传热2(多).

第五节对流传热系数关联式一、对流传热的分类•强制对流•无相变•自然对流对流传热•冷凝•有相变•沸腾二、影响对流传热的因素1.流体的种类•牛顿型流体•非牛顿型流体2.流体的相变状况•无相变•有相变3.流体的物性•密度•动力粘度•导热系数•定压比热cp•体积膨胀系数4.流体的进出口温度•冷流体温度t1，t2•热流体温度T1，T25.流体的流动类型•层流•过渡流•湍流6.流体流动的原因•自然对流•强制对流7.传热壁面的几何因素•形状•大小•位置•光滑度三、对流传热过程的量纲分析无相变时，由实验知式中——平均对流传热系数，W/(m2K)；•u——流体的特征流速，m/s；•l——传热面的特征长度，m；•——过余温度，即壁温与流体主流温度之差，K；•——单位质量流体所受净升力，m/s2。),,,,,,(tgclufptttwtg单位质量流体所受净升力为gVgVgVVFFmFgb)(wttdtddtddtmdmdtdVV111)(12)(ttwtgttggw)(上式8个物理量的单位和量纲分别为13322222dim][MTKskgKmssmmkgKmsmNKmsJKmW1dim][LTusmuLlmldim][13dim][LMTKmW11222dim][MTLmskgmssmkgmsNsPaMLmkg33dim][122222dim][TLcKsmKkgsmmkgKkgmNKkgJcpp设由量纲相等，得由指数相等，得gfpedcbatgclCu)(fcgfdcaedcgfedcbaggfffeedddccccbaaTMLTLTLMLTMLTMLLTLMT223232223313132231023fcgfdcaedcgfedcba22)dim(][LTtgsmtg解之，得回代，得gaegfadfcgab22113ltlgcluCtgclCugfpagfpgagfafgaa22322113)(所以令——努塞尔特数(NusseltNumber)，表示对流传热；——雷诺数(ReynoldsNumber)，表示强制对流；gfpatlgcluCl223lNuluRe——普朗特数(PrandtlNumber)，表示物性；——格拉晓夫数(GrashofNumber),表示自然对流。则pcPr223tlgGrgfaGrCNuPrRe则•通过实验确定常数，可得一系列不同情况下的对流传热关联式。•选用对流传热关联式的注意事项：(1)特征流速(2)特征长度应按该关联式规定的方式选取。(3)定性温度(4)关联式应在其适用范围内使用。knmGrCNuPrReknmC,,,四、无相变时的对流传热系数关联式1.强制对流由忽略自然对流，得(1)管内强制对流a.圆形直管(a)湍流a)低粘度knmGrCNuPrRenmCNuPrRe)(ttSQqwDittus-Boelter关联式：或式中特征流速：管内流体平均流速ui；nNuPrRe023.08.0npiiiicudd8.0023.0被冷却被加热,3.0,4.0n特征长度：管内径di；定性温度：流体平均温度；式中——分别为进出口流体的截面平均温度，K，C。适用范围：式中L——管长，m。2121tttm21,tt60/,120Pr7.0,10000ReidLb)高粘度Sieder-Tate关联式：或其中14.03/18.0PrRe027.0wNu14.0318.0027.0wpiiiicudd液体被冷却液体被加热,95.0,05.114.0w特征流速：管内流体平均流速ui；特征长度：管内径di；定性温度：流体平均温度,但w由tw确定适用范围：2121tttm60/,16700Pr7.0,10000ReidL(b)层流Sieder-Tate关联式：其中特征流速：管内流体平均流速ui；特征长度：管内径di；14.031PrRe86.1wiLdNu液体被冷却液体被加热气体,95.0,05.1,114.0w定性温度：流体平均温度,但w由tw确定适用范围：(c)过渡流式中——湍流时的。适用范围：Re=2300~10000。2121tttmii8.15Re1061ii100PrRe,6700Pr6.0,2300ReLdib.进口段的影响进口段由于热边界层（或流动边界层）较薄而具有比充分发展段较高的对流传热系数，所以当时，应对上述公式进行修正：60/idLiiiLd7.01c.圆形弯管由于离心力产生二次流，使对流传热系数提高，所以应对上述公式进行修正：式中——直管中的；r’——弯管轴的弯曲半径。d.非圆形管用de代替diiiird77.11ii或对在套管环隙中水或空气，特征流速：环隙中流体平均流速ui；特征长度：环隙流动当量直径；定性温度：流体平均温度；适用范围：。3/18.053.021PrRe02.0dddei21ddde17~65.1/,220000~12000Re21dd2121tttm(2)管外强制对流a.管束外垂直流动(a)管子排列方式•正三角形•错列•转角正方形•转角正三角形图4-27(P252)•直列•正方形(b)错列关联式(c)直列关联式33.06.0PrRe33.0Nu33.06.0PrRe26.0Nu(c)应用条件特征流速：最狭窄通道处流速uo；特征长度：管外径do；定性温度：流体平均温度；适用范围：(e)校正：当时，按表4-9(P252)的修正系数校正。2121tttm10,3000Ren10nb.换热器的管间流动(a)折流板的形式•圆缺形•盘环形图4-27(P253)•(双)弓形(b)25%圆缺形挡板关联式（Kern关联式）或其中14.03/155.0PrRe36.0wNu14.03/155.036.0wpoeeocudd液体被冷却液体被加热气体,95.0,05.1,114.0w特征流速：最大截面积A处的流速uo；特征长度：当量直径de；定性温度：流体平均温度,但w由tw确定适用范围：最大截面积A：式中h——挡板间距，m；D——外壳内径，m；2121tttm63101~102RetdhDAo1Dodtt2/t2/th)1(tdhDtDhdhDnhdhDAoootDnntD,t——两管中心距，m；do——管外径，m。当量直径de：若正方形排列，则若正三角形排列，则ooeddtd2244ooeddtd2242342.自然对流忽略强制对流，由得,式中C,n值见表4-10（P254）。特征长度：竖壁和竖管取高l，水平管取外径do；定性温度：膜温(壁温和流体主流温度的算术平均值)，；适用范围：见表4-10中的GrPr。knmGrCNuPrRenGrCNuPr)(ttSQqwotttwm21八、有相变时对流传热系数关联式1.冷凝(1)冷凝方式•膜状冷凝，润湿成膜，小，工业应用中都是。•滴状冷凝，不润湿成滴，大，难维持，实验研究。(2)层流膜状冷凝的分析解通过合理的简化假定，可导出Nusselt理论公式：a.竖壁或竖管4/132)(943.0wsottLgr)(wsottSQq•证明如下：如图所设，且假定：1.冷凝液膜作层流流动；2.物性为常数；3.蒸汽对液膜无摩擦力。则xxyzdzdxoydxdzmgdxdzdydudzgydxx)(dydugyx)(•不定积分，得•代入边界条件：•得dyygdux)(Cyygux22100xu，y时0C•平均流速：•而x处质量流量：dyyygdyuux0202111362612233032ggyygudzgdzuVwss32•x+dx处质量流量的增量：•冷凝放热量等于通过液膜的导热：dzdgdzgddws22323tdxdzttSrdwwss•所以tdxdzdzdgr22dxgrtd23•定积分：dxgrtdx0203grtx2444124grtx而牛顿冷却定律：平壁导热公式：对比得SttQwsxwsttSQ41324txgrx•平均值dxtxgrLdxLLLx04132041143413204/14132344141LtgrLxdxtgrLL41324132943.0434tLgrtLgrb.水平单管式中r——汽化潜热，J/kg。定性温度：膜温，但r由ts确定。(3)液膜雷诺数以竖壁为例，由4/132)(725.0wsoottdgr)(21wsmtttbAAde44得——底部数值式中——冷凝负荷，kg/(ms)。(4)准数关联式以竖壁为例，由得MbWAVbAudse444RebWMtSttSQowso)(tLMrtbLWrtSQo而所以整理得令则(4-85a)4132943.0tLrgo4132943.0Mgoo3/13/1322447.1Mgo31322*goo3/1*Re47.1o(5)经验关联式a.竖壁或竖管(a)层流(Re1800)时（蒸汽对液膜的摩擦）4132)(13.1wsottLgr(b)湍流(Re1800)时，（Badger关联式）b.水平管(a)水平单管(b)水平管束(Kern关联式，下管液膜加厚)式中n——水平管束在垂直列上的管数。4.03/1232Re0077.0go4/132)(725.0wsoottdgr413232725.0wsoottdngr(6)影响冷凝传热的因素a.冷凝温差t,Q,,；b.物性有