如何计算对流传热系数

DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke1第四节对流与对流传热系数的获得主要有三种方法：1．理论分析法：2．实验方法*：3．类比方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2§4-15影响对流传热系数的因素一、引起流动的原因(ρ1-ρ2)g=ρ2gβ△t1强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动2自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动设ρ1、ρ2分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均体积膨胀系数；如果t1t2,则ρ1=ρ2（1+β△t）单位体积流体所产生的升力为火α与流动的类型有关DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke3二、流体的流动型态：层流和湍流层流：流体在热流方向上基本没有混合流动α↓湍流：有混合流动，Re↑层流内层厚度δ↓α↑三、流体的性质对α影响较大的物性主要有cp、λ、μ和ρ四、传热面的型状、大α小和位置影响α值的有：传热管、板、管束等不同，传热面的形状，管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等影响α的因数很多DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4化工上常见的对流传热流体无相变化时流体有相变化时强制对流传热自然对流传热蒸汽冷凝传热液体沸腾传热DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke5§4-16因次分析在对流传热中的应用实验测定α值因数多因次分析方法无因次数群再实验确定关系一、无相变化时强制湍流下的α0,,,,,,pculf七个物理量四个基本因次（质量M、长度L、时间θ、温度T）3个无因次数群π定理0,,321DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke6rppc1eRlu2uNl3对流系数的准数流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响流体物性对对流传热的影响eruRpfN,二、无相变化时自然对流下的α223tlgGrNupr自然对流对对流传热的影响rruGpfN,准数关联式是一种经验公式DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke7准数名称符号准数式意义努塞尔特准数NusseltNuL/表示对流传热系数的准数雷诺准数ReynoldsReLu/确定流动状态的准数普兰特准数PrandtlPrcp/表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数GrashofGrg△tL32/2表示自然对流影响的准数准数的符号与意义L—传热面的特征尺寸mDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke8经验公式的应用应注意以下四点：1、应用范围2、定性尺寸（特性尺寸）各准数Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一个尺寸，应遵照所选用的关联式中规定尺寸3、定性温度确定准数中流体的物性参数cp、μ、ρ等所依据的温度即为定性温度。主要取决于建立关联式时采用什么方法而定有的用膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度平均值，再取两者的算术平均值）有的用流体进、出口温度的算术平均值DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke9§4-17流体做强制对流时的对流传热系数一、流体在圆形直管内强制对流传热经验关联式为：nreupRN8.0023.0或npcdud8.0023.0使用范围：410eR1606.0rp管长与管径之比50dl定性尺寸：L取管内径di定性温度取流体进、出口温度的算术平均值流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3从分发展段以后：DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke10若使用条件不满足上述条件时，需修正：当40~30dl时乘以1.02~1.07的系数加以修正（1）对于短管（2）壁温与主体温度相差较大考虑壁温对粘度的影响14.033.08.0027.0wreupRN在壁温未知的情况下当液体被加热时当液体被冷却时05.114.0w95.014.0w近似计算尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小（3）管内层流层流导热自然对流对流传热→要求强化→避免层流α↓p226式5-65和式5-66DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke11（4）过渡流(Re=2000~10000)因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时算得的值须乘以小于1的校正系数f5.151061eRf（5）圆形弯管离心力作用扰动加剧α↑乘以校正系数Rd77.11（6）非圆形管道两个途径：ⅰ、当量直径ⅱ、直接根据有关经验公式计算p227式5-70DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke12npcdud8.0023.0分析式中各项物理参数对对流传热系数α带来的影响：①其他参数一定，α与u的0.8次方成正比，说明增大流速有利于α的提高，但随u↑，阻力∑hf↑，故应适当增大动力。②其它参数一定，u一定，α与d的0.2次方成反比，改变管径对α的影响不大。③其它参数一定，V一定，α与d的1.8次方成反比，改变管径，缩小管径将使α↑。2080..duDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke13【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自-5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与流体间的对流传热系数。解：定性温度=(-5+15)/2=5℃有关手册查得5℃时25%CaCl2的物性为31230m/kgCkg/kJ.cop852Cm/W.o570spa310420℃时，sp.a31052则2400184510412304001503..duRe（层流）205701041085233..cpprDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke1414031861.WreldPRd.在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小，粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故α可用式(5-65)计算，即10827620150201848..ldPRre而1403331105210482760150570861......Cm/W.o20492DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke15【例5-16】已知Q’=4×105kJ/h，两个单程换热器：D=270mm，n=48，φ25×2.5mm，l=3m问：（1）两个换热器能否满足要求？（2）是并还是串？液体温度℃质量流量kg/h比热kJ/kg·K密度kg/m3导热系数W/m·K粘度pa·s入口出口有机液63T2300002.2619500.1721×10-3水28t2200004.18710000.6210.742×10-3分析：满足工艺要求?mtKAQ'QK?αi?αo?Ri?Ro?A=nπdlΔtm?T1t1T2?t2?ε-NTUpscmKANTUDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke16t1=28℃t2T1=63℃T12t1T1=63℃t2t3T’212mh1=30000kg/hmh2=20000kg/hm’h1=15000kg/hmh1=15000kg/hmh2=20000kg/h单独进行计算mtKAQ121QQ'Q?21QQ'Q?Q'QDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke17二、管外强制对流（a）流动情况（b）对流传热系数变化情况（图中αp表示局部对流传热系数，α表示平均对流传热系数）流体垂直流过单根圆管的流动情况1、流体绕单根圆管的流动情况DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke182、流体在管束外横向流过的对流传热4021.rneupRCCN式中常数C1C2和指数n见表5-5错列的α比直列时大适用范围321332211AAAAAA平均αDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke193、列管式换热器DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2014031550360.wr.eupR.N图5-30α或使用范围：6310102~Re特征尺寸：当量直径de，根据管子排列形式分别计算；020278504dd.tde02024224ddtde三角形：正方形：流速，可由tdhDS018060.~.f流体走短路4、无折流板，平流流动，α可用管内强制对流。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke21三、提高对流传热系数的途径力求使流体在换热器中达到湍流α↑管内2080..dAu管外450550.e.duBu↑α↑∑hf↑动力↑也可装置添加物最佳流速DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke22【补例】某车间有一台运转中的单程列管式换热器，热空气走管程，由120℃降至80℃，其对流传热系数α1=50W/m2·℃。壳程的水被加热，水进口温度为15℃，出口升至90℃，其对流传热系数α2=2000W/m2·℃。管壁热阻及污垢热阻皆可不计，换热器系逆流操作。试计算水量增加增加一倍时，水和空气的出口温度t2’和T2’为若干。分析：mtKAQ)()('12212211ttcmTTcmQpsps原工况下T1t1T2t2Q=Q’α1α2ΔtmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工况下ms2↑m’s2=2ms2α’1=α1α’2=20.8α2Q和Q’均要变Q=Q’K?A不变对新旧工况进行比较来进行计算DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQi