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1、第第三三章章 传热传热一、对流传热系数的影响一、对流传热系数的影响因素因素二、对流传热过程的因次二、对流传热过程的因次分析分析三、流体无相变时的对流三、流体无相变时的对流传热系数传热系数四、流体有相变时的对流四、流体有相变时的对流传热系数传热系数第第五五节节 对流传热系数关联式对流传热系数关联式 2024/7/29一、对流传热系数的影响因素一、对流传热系数的影响因素1、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性、流体的物性1)导热系数)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)粘度 流体的粘度愈大,对流传热系数愈低。3)比热和
2、密度)比热和密度2024/7/29 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 体积膨胀系数值愈大,密度差愈大,有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。3、流体的温度、流体的温度4、流体流动状态流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。2024/7/295、流体流动的原因、流体流动的原因 强制对流:自然对流:由于外力的作用 由于流体内部存在温度差,使得各部分的流体密度不同,引起流体质点的位移单位体积的流体所受的浮力为:6、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 2024/7/29二、因次分析法
3、在对流传热中的应用二、因次分析法在对流传热中的应用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2024/7/29准数的符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数(Nusselt)Nu表示对流传热的系数 雷诺准数(Reynolds)Re确定流动状态的准数普兰特准数(Prandtl)Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数(Grashof)Gr表示自然对流影响的准数2024/7/293、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。 2024/7/29三、流
4、体无相变时的对流传热系数三、流体无相变时的对流传热系数1、流体在管内作强制对流、流体在管内作强制对流1)流体在圆形直管内作强制湍流)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。2024/7/29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。 2024/7/29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
5、内作强制滞流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,自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时2024/7/29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2024/7/293)流体在圆形直管内呈过渡流)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)流体在弯管内作强制对流 2024/7/295)流体在非圆形管中作强制对流)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
6、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=12000220000,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。 2024/7/292、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流2024/7/292024/7/291)流体在管束外强制垂直流动)流体在管束外强制垂直流动2024/7/292024/7/292024/7/29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
7、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。2024/7/292)流体在换热器的管间流动)流体在换热器的管间流动 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2024/7/292024/7/292024/7/29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2024/7/29应用范围:Re=2103106 定性尺寸
8、: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: 2024/7/29管子呈正方形排列时: 管子呈三角形排列时: 管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算 2024/7/293、自然对流、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。2024/7/294、提高对流传热系数的途径、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
9、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2024/7/29 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。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2024/7/29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
10、加流体的湍动程度,对流传热系数增大,但此时能耗增加。2024/7/29四、流体有相变时的对流传热系数四、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、蒸汽冷凝时的对流传热系数 1)蒸汽冷凝的方式)蒸汽冷凝的方式 a) 膜状冷凝: 若冷凝液能够浸润壁面,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 2024/7/292024/7/29 2)膜状冷凝的传热系数)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
11、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。 2024/7/29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:2024/7/29若用无因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;2024/7/292024/7/29b)蒸汽在水平管外冷凝 c)蒸汽在水平管束外冷凝2024/7/293)影响冷凝传热的因素)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
12、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;2024/7/29d) 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
13、,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。2024/7/292024/7/292、液体沸腾时的对流传热系数、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)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。 2024/7/292024/7/29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
14、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。2024/7/292)沸腾传热系数的计算)沸腾传热系数的计算式中:壁面过热度。对比压强2024/7/29应用条件:3)影响沸腾传热的因素)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。 2024/7/29b)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。2024/7/29