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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 2024/8/21一、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2024/8/21 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。2024/8/215、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 2024/8/21二、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2024/8/21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2024/8/213、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。 2024/8/21三、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。2024/8/21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。 2024/8/21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2024/8/21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2024/8/213）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 2024/8/215）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。 2024/8/212、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流2024/8/212024/8/211）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动2024/8/212024/8/212024/8/21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。2024/8/212）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2024/8/212024/8/212024/8/21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2024/8/21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： 2024/8/21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 2024/8/213、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。2024/8/214、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2024/8/21 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2024/8/21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。2024/8/21四、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 2024/8/212024/8/21 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。 2024/8/21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：2024/8/21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；2024/8/212024/8/21b)蒸汽在水平管外冷凝 c)蒸汽在水平管束外冷凝2024/8/213）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；2024/8/21d) 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。2024/8/212024/8/212、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。 2024/8/212024/8/21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。2024/8/212）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2024/8/21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。 2024/8/21b）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。2024/8/21
