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1、2020/8/3,第四章 传热,一、对流传热系数的影响因素 二、对流传热过程的因次分析 三、流体无相变时的对流传热系数 四、流体有相变时的对流传热系数,第五节 对流传热系数关联式,2020/8/3,一、对流传热系数的影响因素,1、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性 1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。 2）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度,2020/8/3,cp：单位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。 （4）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强
2、制对流也有一定的影响。 3、流体的温度 4、流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。,2020/8/3,二、因次分析法在对流传热中的应用,1、流体无相变时的强制对流传热过程 列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,确定无因次准数的数目,2020/8/3,确定准数的形式 (1)列出物理量的因次,物理量因次,物理量,(2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量 不能包括待求的物理量 不能同时选用因次相同的物理量 选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。,2020/8/3,选择l、u作为三个无因次准数的共同物理量 (3)因次分析 将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次
3、准数,对1而言，实际因次为：,2020/8/3,流体无相变时强制对流时的准数关系式,2020/8/3,2、自然对流传热过程,包括7个变量，涉及4个基本因次，,自然对流传热准数关系式,2020/8/3,准数的符号和意义,准数名称,努塞尔特准数 （Nusselt）,Nu,雷诺准数 （Reynolds）,Re,普兰特准数 （Prandtl）,Pr,格拉斯霍夫准数 （Grashof）,Gr,2020/8/3,3、应用准数关联式应注意的问题 1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。 3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。,2020/8/3,三
4、、流体无相变时的对流传热系数,1、流体在管内作强制对流 1）流体在圆形直管内作强制湍流 a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体,当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。,2020/8/3,管长与管径比,将计算所得的乘以,应用范围：,定性尺寸：,Nu、Re等准数中的l取为管内径di。,定性温度：,取为流体进、出口温度的算术平均值。,b) 高粘度的液体,为考虑热流体方向的校正项。,2020/8/3,应用范围：,定性尺寸：,取为管内径di。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,2) 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然
5、对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时,2020/8/3,应用范围：,定性尺寸：,管内径di。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,按上式计算出后，再乘以一校正因子,2020/8/3,3）流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=230010000时的过渡流范围， 先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。,4）流体在弯管内作强制对流,2020/8/3,5）流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。 套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：,应用范围：,Re=120002200
6、00，d1/d2=1.6517,定性尺寸：,当量直径de,定性温度：,流体进出口温度的算术平均值。,2020/8/3,2、流体在管外强制对流,2020/8/3,2020/8/3,1）流体在管束外强制垂直流动,2020/8/3,2020/8/3,2020/8/3,流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数,流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数,应用范围：,特征尺寸：,管外径do，流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的距离应在（x1-do）和2（t-do）两者中取小者。,注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。,2020/8/3,2）流体在换热器的管间流
7、动,当管外装有割去25%直径的圆缺形折流板时， 壳方的对流传热系数关联式为： a)多诺呼(Donohue)法,2020/8/3,2020/8/3,2020/8/3,应用范围：,Re=32104,定性尺寸：,管外径do，流速取换热器中心附近管排中最窄通道处的速度,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,b) 凯恩（Kern）法,2020/8/3,应用范围：,Re=2103106,定性尺寸：,当量直径de。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：,2020/8/3,管子呈正方形排列时：,管子
8、呈三角形排列时：,管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算,2020/8/3,3、自然对流,对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在表4-9中。,定性温度 ：,壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。,2020/8/3,4、提高对流传热系数的途径,1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，并且Re，应力求使流体在换热器内达到湍流流动。 2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数,2020/8/3,与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著
9、。 3）流体在换热器管间流过时，在管外加流板的情况,对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次方成反比,2020/8/3,设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。 4) 不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。 5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。,2020/8/3,四、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 1）蒸汽冷凝的方式 a) 膜状冷凝：,若冷凝液能够浸润壁
10、面，在壁面上形成一完整的液膜,b)滴状冷凝：,若冷凝液体不能润湿壁面，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,2020/8/3,2020/8/3,2）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设： 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。,2020/8/3,修正后,定性尺寸：,H取垂直管或板的高度。,定性温度：,蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物性取液膜平均温度。,应用范围：,2020/8/3,若用无因
11、次冷凝传热系数来表示，可得：,若膜层为湍流（Re1800）时,滞流时，Re值增加，减小； 湍流时，Re值增加，增大；,2020/8/3,2020/8/3,b) 蒸汽在水平管外冷凝,c)蒸汽在水平管束外冷凝,2020/8/3,3）影响冷凝传热的因素 a）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。 b）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。 c) 蒸汽的流速和流向 蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大； 蒸汽和液膜逆向流动， 减小，摩擦力超过液膜重力时， 液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大
12、；,2020/8/3,d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。 e)冷凝壁面的影响 若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。 例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。 冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。,2020/8/3,2020/8/3,2、液体沸腾时的对流传热系数,液体沸腾,大容积沸腾,管内沸腾,1）沸腾曲线,当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。 当t逐渐升高，在加热
13、表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度t随上升而增加， 急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。,2020/8/3,2020/8/3,当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。 当t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。 由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。 临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。 工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作 。,2020/8/3,2）沸腾传热系数的计算,式中：,壁面过热度。,对比压强,2020/8/3,应用条件：,3）影响沸腾传热的因素 a)液体性质的影响 一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。,2020/8/3,b）温度差t的影响,c) 操作压强的影响 提高沸腾压强，液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同t的下，传热系数增加。 d) 加热表面的影响 新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后，会使急剧下降。 壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。 加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。,
