传热2(多)

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1、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，T2,5.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/(m2K)； u流体的特征流速，m/s； l传热面

2、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。,单位质量流体所受净升力为,上式8个物理量的单位和量纲分别为,设 由量纲相等，得 由指数相等，得,解之，得 回代，得,所以 令 努塞尔特数(Nusselt Number)，表示对流传热； 雷诺数(Reynolds Number)，表示强制对流；,普朗特数(Prandtl Number)，表示物性； 格拉晓夫数(Grashof Number),表示自然对流。 则,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

3、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。,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,Dittus-Boelter 关联式： 或 式中 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 ； 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。,b)高粘度 Sieder-Tate关联式： 或 其中,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：,(b)层流 Sied

4、er-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；,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=230010000。,b.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：,c.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 di,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 ；

5、 定性温度：流体平均温度 ； 适用范围： 。,(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,(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。,b.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,特征流速：最大截面积A处的流速uo； 特征长度：

6、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；,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,2.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。,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。 (

7、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,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,不定积分，得 代入边界条件： 得,平均流速： 而x处质量流量：,x+dx处质量流量的增量： 冷凝放热量等于通过液膜的导热：,所以,定积分：,而牛顿冷却定律： 平壁导热公式： 对比得,平均值,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,得 底部数值 式中 冷凝负荷，kg/(ms)。 (4)准数关联式 以竖壁为例，由 得,而 所以

8、整理得 令 则 (4-85a),(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）,(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。,(6)影响冷凝传热的因素 a.冷凝温差t, Q, , ； b.物性有影响，见关联式 c.蒸汽的流速和流向 同向， 一般情况， 反向 吹破液膜，,d.不凝性气体 微量的不凝性气体，可使冷凝传热速率急剧下降。蒸汽必须穿过不凝性气膜后冷凝，从而饱和温度下降，有效冷凝温差下降，冷凝传热速率下降。 e.冷凝面 垂直管，

9、板高度，； 高度， 水平管束排数，,2.沸腾 (1)沸腾方式 （管内）流动沸腾 （管外）池式沸腾（大容器） 过冷沸腾 饱和沸腾 (2)沸腾曲线，见图4-32(P259)。,(3)沸腾传热关联式（略） 或由 得 其中 (4-93) 或,式中 对比压力，R=0.010.9； p操作压力，Pa； pc临界压力，Pa， ； q操作热负荷，W/m2 ，qqc ； qc临界热负荷，W/m2，可用下式估算： 式中 Di管束直径，m； L管长，m； So管外壁总传热面积。,(4)影响沸腾的因素 a.液体的性质：、 ， ， ， ， b.沸腾温差（壁过热度）：见沸腾曲线,c.操作压力 P，TS， d.加热面 油脂

10、沾污或结垢， 壁面粗糙，汽化核心数，,六、壁温的估算 由 得,若忽略管壁热阻，且假定xi，xo为常数， 则 ， 所以 或 (4-97),第六节 辐射传热 一、定义 1.辐射传热：由电磁波传递热量的过程。 2.辐射：电磁波的传播过程。 3.辐射能：被电磁波传递的热量。 4.电磁波：在空间传播的交变电磁场。 5.电磁波谱：按波长（或频率）排列的电磁波，即,6.热辐射：热射线的传播过程。 7.热射线：由物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的电磁波。 理论上热射线的波长从0到，但有实际意义的波长范围为0.1100m。 二、热射线的性质 1.热射线和其它电磁波一样，以光速在空间传播，即,式中 c

11、电磁波的传播速率，m/s，在真空中 ，在空气中略低； f 频率，1/s； 波长，m，m。,2.热射线和可见光一样，会发生吸收、反射和透过现象。如图所示，设热射线投射到物体表面上的总辐射能Q中，一部分QA被物体吸收，另一部分QR被物体反射，其余部分QD透过物体。 则由能量守恒定律，得 或,令 吸收率； 反射率； 透过率。,则 由于辐射能在进入固体或液体表面后，在一个极短的距离内就被吸收完了，所以对于固体和液体， ，即,由于气体对辐射能几乎没有反射能力，所以对于气体， ，即 3.几个定义 称 的物体为绝对黑体或黑体； 称 的物体为绝对白体或镜体； 称 的物体为绝对透热体或透热体； 灰体：吸收率不随

12、投入辐射线的波长而变，且不透热。大多数工程材料可看成灰体。,三、黑体辐射基本定律 1.定义 a)辐射（能）力：物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发射的全部波长的辐射能的总量，E，W/m2。 b)单色（光谱）辐射力：单位（特定）波长的辐射力或辐射力随波长的变化率，即 ，W/m3,所以 2. Plank定律 黑体单色辐射力与波长和温度有如下关系：,式中 Eb 黑体单色辐射力，W/m3； 波长，m； T 绝对温度，K。 3. Wien位移定律 对Plank定律求导并使其等于0，得 式中 m 最大单色辐射力的波长，m。,4. Stefan-Boltzmann定律 将Plank定律代入 得 积分得

13、,式中 Eb 黑体辐射力，W/m2； = 5.6710-8 W/(m2K4) 黑体辐射常数； C0 = 5.67 W/(m2K4) 黑体辐射系数； 四、实际固体和液体的辐射特性 1.发射率（黑度）：实际物体辐射力与同温度下黑体辐射力之比，即,所以实际物体的辐射力为 2.发射率= f(物质种类、表面温度、表面状态)，见表4-11。,五、实际物体的吸收率 Kirchhoff定律：热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收率等于同温度下该物体的发射率，即 如图所示，物体辐射力E被黑体全部吸收，而黑体辐射力Eb只被物体吸收AEb，其余的(1-A)Eb被反射回黑体，且全部被吸收，所以当热平衡时，有,即 2.灰体的Kirchhoff定律 由于灰体的吸收率与投入辐射线的波长无关，所以即使灰体所受辐射不是来自黑体，且投入辐射物体的温度不是灰体温度，灰体的吸收率仍等于同温度下的发射率。,六、被透热介质隔开的两固体表面间的辐射传热 以两平行大平板为例，如图4-36（P266）所示，则两平行平板间单位时间内，单位表面积上净的辐射传热量为,将 代入上式， 得，,令 总发射系数 则 或,对于由两个灰体表面组成的一般系统， 有 式中