给热系数精品课件

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1、22:21,给热系数,22:21,对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程。,1.引起对流的原因 自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，也较小。 强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。,一、给热系数的影响因素和数值范围,22:21,流动流体与外界的传热,静止流体与外界的传热,强制对流,自然对流,22:21,3.流体的物性 当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响较大的物性有：，cp。的影响：；的影响：Re；cp的影响：cpcp单位体积流体的热

2、容量大，则较大； 的影响: Re,2.流动的流动形态 层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。 湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。,；但Re动力消耗大。,22:21,5.是否发生相变 主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，复杂。,4.传热面的形状、大小和位置 不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。 （1）形状：比如管、板、管束等； （2）大小：比如管径和管长等； （3）位置：比如管子的排列方式（如管束有正四

3、方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。,对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。,22:21,二、给热系数与因次分析,(一)获得给热系数的方法,影响的因素很多，牛顿冷却公式只能看作是的一个定义式,不能揭示有关因素与的内在联系。 获得表达式的方法主要有以下几个：,1、分析法 是指对描述某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。 是研究传热问题的基础理论方法，但是数学处理上困难。,22:21,2、数值法 是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和速率的方法。,

4、3、实验法 通过实验来获得不同情况下的给热计算式（关联式或经验式），是目前工程计算的主要依据。 为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行。即对某一类给热问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。,22:21,基本因次: 共4个，长度L，时间T，质量M，温度 变量总数: 共8个,特性尺寸,特征流速,粘度,定压比热容,密度,单位体积流体的升浮力,给热系数,因次分析之后，所得准数关联式中共有4个无因次数群（由定理8-4=4）,(二)因次分析,22:21,因次分析结果如下：,努塞尔数(Nusselt )

5、: 待定准数（包含对流传热系数）,普朗特数( Prandtl ): 反映流体物性对对流传热的影响,雷诺数(Reynolds ): 表征流体流动型态对对流传热的影响。,22:21,格拉晓夫( Grashof ): 表征自然对流对对流传热的影响,22:21,（1）定性温度 由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。 定性温度的取法：1）流体进出口温度的平均值tm=(t2+t1)/2； 2）膜温t= (tm+tW )/2。 （2）特性尺寸 它是代表换热面几何特征的长度量，通常选取对流动与换热有主要影响的某一

6、几何尺寸。 另外，实验范围是有限的，准数关联式的使用范围也就是有限的。,22:21,（一）流体在管内的强制对流,使用范围： Re10000，0.650,1圆形直管内的强制湍流,三、流体作强制对流时的给热系数,22:21,注意： （1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm； （2）特征尺寸为管内径di； （3）流体被加热时，n0.4， 流体被冷却时， n0.3；,n取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。,温度对近壁处层流底层内流体粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。,（4）特征速度为管内平均流速。,22:21,不同情况下对前面

7、公式进行修正：,a高粘度,要考虑壁面温度变化引起粘度变化对的影响（是在tm下；而W是在tw下）。在实际中，由于壁温难以测得，工程上作近似处理。,对于液体，加热时：,冷却时：,22:21,b过渡区 2300Re10000时，先按湍流计算，然后乘以校正系数,过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的Re小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，减小。,c当l/d60时则为短管，由于管入口扰动增大，较大，乘上校正系数f。,22:21,d流体在弯管中的对流传热系数 先按直管计算，然后乘以校正系数f,d管径； R弯管的曲率半径。,由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，增大。,22:21,式中 d1

8、、d2分别为套管外管内径或内管外径。 适用范围：d1/d2=1.6517，,e非圆形直管内强制对流,采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。,此为近似计算，采用经验公式和专用式更为准确。 套管环隙：,22:21,特点： 1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。 2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。 3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。,热流方向对层流速度的影响,2圆形直管内的强制层流,22:21,1）Gr25000时，自然对流影响小可忽略,适用范围：Re2300,定性温度、特征尺寸取法与前相同，w按壁

9、温确定，工程上可近似处理.,l/d60,冷却时：,对于液体，加热时：,22:21,（2）Gr25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数,在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。,22:21,流体可垂直流过单管和管束两种情况。由于工业中所用的换热器多为流体垂直流过管束，由于管间的相互影响，其流动的特性及传热过程均较单管复杂得多。,流体垂直于单根圆管作管外流动的情况,四、流体在管外的强制对流,22:21,1流体垂直流过管束 流体垂直流过管束时，管束的排列情况可以有直列和错列两种。 各排管的变化规律：第一排管，直列和错列基本相同；

10、第二排管，直列和错列相差较大；第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定；从图中可以看出，错列传热效果比直列好。,22:21,22:21,单列的对流传热系数用下式计算,适用范围：5000Re70000，x1/d=1.25，x2/d=1.25。,（1）特性尺寸取管外径do，定性温度取法与前相同tm； （2）流速u取每列管子中最窄流道处的流速，即最大流速。 （3）C，n取决于排列方式和管排数，由实验测定，具体取值。,22:21,（4）对某一排列方式，由于各列的不同，应按下式求平均的对流传热系数：,i各列的对流传热系数； Ai各列传热管的外表面积。,对于前几列而言，各列的，n不同，因此也不同。 排列

11、方式不同（直列和错列），对于相同的列，n不同，也不同。,22:21,2流体在换热器管壳间流动,一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形和圆缺形两种。由于装有不同形式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的Re下（Re=100）即可达到湍流。,22:21,22:21,22:21,22:21,多管道折流式冷却器,22:21,22:21,B-B-C: 壳程流体通过圆缺形挡板缺口的路径 A: 少量流体通过管与挡板圆孔间环隙的路径 E: 少量流体通过壳内壁与挡板间间隙的路径,换热器壳程的流动情况,22:21,圆缺形折流挡板，弓形高度25%D，的计算式：,适用范围：Re=2103106。 定性温度

12、：进、出口温度平均值； tww。,22:21,正三角形排列：,正方形排列：,特征尺寸：（1）当量直径de,22:21,（2）流速u根据流体流过的最大截面积Smax计算,式中 h相邻挡板间的距离； D壳体的内径。 提高壳程的措施： 提高壳程u，但hf u2， hf； de； 加强壳程的湍动程度，如加折流挡板或填充物。,22:21,大空间自然对流传热: 是指冷表面或热表面（传热面）放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热。,对流传热系数仅与反映自然对流的Gr和反映物性的Pr有关，依经验式计算：,NuC（Gr Pr）n,

13、（1）特性尺寸对水平管取外径do，垂直管或板取管长和板高H。 （2）定性温度取膜温（tm+tw）/2。,四、大空间的自然对流传热,22:21,五、蒸汽冷凝时的给热系数,蒸汽与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化热。,1冷凝方式: 膜状冷凝，滴状冷凝,22:21,滴状冷凝：若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。 冷凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面的附着力大小。若附着力大于表面张力则会形成膜状冷凝，反之，则形成滴状冷凝。通常滴状冷凝时蒸汽不必通过液膜传热，可直接在传热面上冷凝，其对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数大510倍。

14、但滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。,膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。,22:21,2蒸汽在水平管外冷凝,计算公式：,n水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（ts下），kJ/kg； 冷凝液的密度，kg/m3； 冷凝液的导热系数，W/（m.K）； 冷凝液的粘度，Pa.s。,22:21,特性尺寸l：管外径do；,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查得；此时认为主体无热阻，热阻集中在液膜中。,22:21,3在竖直板或竖直管外的冷凝,当蒸汽在垂直管或板上冷凝时，冷凝液沿壁面向下流动，同时由于蒸汽不断在液膜表面冷凝，新的冷凝液

15、不断加入，形成一个流量逐渐增加的液膜流，相应于液膜厚度加大，上部分为层流，当板或管足够高时，下部分可能发展为湍流。 对于冷凝液来说，临界Re=2100。,22:21,如图所示，从顶向底流动时，液膜，；当H一定高时，流动从层流过渡到湍流时，Re，层流底层，。,22:21,de的计算:,冷凝液流过的截面积，m2,润湿周边，m,冷凝液的质量流量，kg/s,单位长度润湿周边上冷凝液的质量流量，kg/s.m,22:21,（1）层流时的计算式,适用范围：Re1800 定性温度：膜温 特征尺寸l：管高或板高H,（2）湍流时的计算式,适用范围：Re1800 定性温度：膜温 特征尺寸l：管高或板高H,注：Re是

16、指板或管最低处的值（此时Re为最大）,22:21,4冷凝传热的影响因素和强化措施,对于纯的饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键。所以，影响液膜状况的所有因素都将影响到冷凝传热。,（1）流体物性的影响 冷凝液，液膜厚度越小；冷凝液。 冷凝潜热r，同样的热负荷Q下冷凝液量小，则液膜厚度越小。,22:21,（2）温度差影响 当液膜作层流流动时，t=tstW，t，则蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚,。 （3）不凝气体的影响 在实际的工业冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性气体，如空气。当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，必须先以扩散的方式通过这层气膜。这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明：当蒸汽中含空气量达1%时，下降60%左右。,22:21,（4）蒸汽流速与流向的影响 蒸汽的流速对有较大的影响，蒸汽流速较小u1