对流传热系数的经验关联式

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3.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析3.4.3无相变化的对流传热3.4.4有相变化的对流传热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,,'，层流内层厚度减薄，湍动程度代价：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，α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，α也较小。（1）流体流动状态,,：,,,eR：./3CmkJCCPP，单位体积流体的热容量：，PC，，：eR（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α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。KmW2/10000250：KmW2/150005000：例：水强制对流，蒸汽冷凝，3.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析过程①优点：减少实验次数；②依据：物理方程各项量纲一致；③步骤：：（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；),,,,,,(pCtgluf无相变：对流传热系数分析方法①解析法②数学模型法③量纲分析法④实验法（b）构造函数形式；hfpedcbatgclKu)(cbPatglcluKl)()()(223（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、）；（d）规定已知量（指数），确定余下指数表达式；（e）整理特征数方程形式。crbraeuGPKRN或：①努赛尔数lNu1l对流传热热阻导热热阻说明：▲反映对流传热的强弱，包含对流传热系数；粘滞力惯性力duuduRe2说明：反映流动状态对α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②雷诺数③普朗特数pPrCCP/热扩散系数导温系数动量扩散系数运动粘度)()(av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。④格拉斯霍夫数（浮升力特征数）223tlgGr,化：单位体积流体浮力变tg),(reuPRfN1.0/2erRG),(rruPGfN10/2erRG),(,rreuPGRfN10/1.02erRG22Re)(bblu,/1C：体积膨胀系数，.Re数：表示自然对流的雷诺b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：bauKNPrRe传热流动状态划分（区别于流体流动时规律）2300eR层流：10000eR湍流：100002300eR过渡流：流动状态不同，则K、a、b值不同①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=0.310000eR0217.0rP60/dlsPa3102定性温度：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：管内径d010000eRnrP保证流体达到传热湍流；适用条件：说明：60/dl避开传热进口段，保证稳态传热。b)粘度较大流体14.033.08.0)/(027.0wreuPRN近似取：05.1)(14.0w流体被加热：95.0)(14.0w流体被冷却：14.033.08.0)()()(027.0wpcdud10000eR001677.0rP60/dl定性温度：tm=(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α，并加以校正。117.0ldfR弯管内流体的流动dd)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α增加；同时，流动阻力损失增加。)77.11(Rdfe)圆形直管内过渡流时对流传热系数100002300eR过渡流：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。1Re1060.18.05ff)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。2300eR定性温度：tm=(t1+t2)/2；特征尺寸：管内径d。67006.0rP10/ldPRre适用条件：14.03/1)()Pr(Re86.1wldNu4105.2Gr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)015.01(8.031Grf4105.2Grg)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318.053.012PrRe02.0ddde12122122)(44ddddddde.;;21mdmdmde套管环隙当量直径，外管内径，内管外径，式中：例题1：有一双管程列管换热器，由96根Φ25mm×2.5mm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：①管壁对苯的对流传热系数；②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；③若管径降为原来1/2，其他条件与①相同，此时对流传热系数为多少；②管外强制对流a)流体横向流过单管A流体横向流过单根圆管外时流动情况3/1rneuPCRN常数C、指数n见下表沿整个管周的平均对流传热系数：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805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x2x1d直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性x1x2d错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。x2x1dx1x2d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：4.0rneuPRCNC、ε、n取决于管排列方式和管排数。特征尺寸：管外径70000~5000eR52.1/1dx52.1/2dx适用范围：iiiAA/整个管束平均：(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①查表法nrruPGCN)(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2/)2(21wmtttt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：②经验关联doL传热面的形状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板及圆柱面10-1~104104~109109~1013查图0.590.1查图1/41/3高度L水平圆柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4查图0.530.130查图1/41/3外径d0水平板热面朝上或水平板冷面朝下2×104~8×1068×106~10110.540.151/41/3矩形取两边平均值圆盘0.9d狭长条取短边水平板热面朝下或水平板冷面朝上105~10110.581/53.4.4.1有相变对流传热的特点①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kgkJrC/4.22581000时，汽化潜热CkgkJCpC00/187.41000，比热②相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；③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。液膜中间层twtstvtv过热蒸汽3.4.4.2蒸汽冷凝对流传热液膜twtsts饱和蒸汽（2）冷凝方式：①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。②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α滴状冷凝＞α膜状冷凝，相差几倍到几十倍，但工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝αx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①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。neCR4/13213.1tLgr4.0M3/1232Re0077.0g垂直管外（或板上）膜状冷凝时Re的表达式：rtLRe4M水平圆管外膜状冷凝说明：此式计算值和实验结果基本一致。②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）。4/132725.0tdgr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。2wttts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，α增大；流速较大时，且与液膜反向，α减小。ttttws均影响、、、r沸腾:沸腾时，液体内部有气泡产生，气泡产生和运动情况，对α影响极大。沸腾分类：①按设备尺寸和形状不同大容器饱和沸腾；管内沸腾②按液体主体温度不同过冷沸腾：液体主体温度tts，气泡进入液体主体后冷凝。饱和沸腾：t≥ts，气泡进入液体主体后不会冷凝。3.4.4.3液体沸腾传热液体主体t液体主体t≥ts液体主体tts(1)大容积饱和沸腾传热机理a）汽泡能够存在的条件：rpprlv2)(2rpplv2abcd气泡的生成过程气泡的力平衡plpvrσσ◇必须有汽化核心lvppr时，要求当0b）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。slttt沸腾过程：液体传递：加热面时：无气泡产生，热量自然对流stt力进入液体。心上产生，长大后凭浮时：气泡首先在汽化核stt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↑。自然对流沸腾说明