對流傳熱系數關聯式(2009)

1、2022-5-282022-5-28講授內容講授內容講授內容講授內容講授內容講授內容概述概述4.1熱傳導熱傳導4.2對流傳熱對流傳熱4.3傳熱計算傳熱計算4.4對流傳熱系數關聯式對流傳熱系數關聯式4.5輻射傳熱輻射傳熱4.6換熱器換熱器4.72022-5-283 3 流體無相變時對流傳熱系數流體無相變時對流傳熱系數2 2 對流傳熱過程的因次分析對流傳熱過程的因次分析4 4流體有相變時對流傳熱系數流體有相變時對流傳熱系數1 1對流傳熱系數的影響因素對流傳熱系數的影響因素4.5 4.5 4.5 對流傳熱系數關聯式對流傳熱系數關聯式對流傳熱系數關聯式對流傳熱系數關聯式對流傳熱系數關聯式對流傳熱系數關

2、聯式2022-5-28一、對流傳熱系數的影響因素一、對流傳熱系數的影響因素一、對流傳熱系數的影響因素一、對流傳熱系數的影響因素一、對流傳熱系數的影響因素一、對流傳熱系數的影響因素 ()wdQTTdS對流傳熱速率方程：對流傳熱速率方程：對流傳熱速率方程：對流傳熱速率方程：對流傳熱速率方程：對流傳熱速率方程： wwwdtdtTTdytdy 理論上計算對流傳熱系數的基礎理論上計算對流傳熱系數的基礎2022-5-281. 流體的種類和相變化的情況流體的種類和相變化的情況 2. 流體的物性流體的物性1）導熱系數）導熱系數 滯流內層的溫度梯度一定時，滯流內層的溫度梯度一定時，流體的導熱系數愈大，對流體的導

3、熱系數愈大，對流傳熱系數也愈大。流傳熱系數也愈大。2）粘度）粘度 流體的粘度愈大，對流傳熱系數愈低。流體的粘度愈大，對流傳熱系數愈低。3）比熱和密度）比熱和密度 cp：單位體積流體所具有的熱容量。單位體積流體所具有的熱容量。 cp值值愈大愈大，流體攜帶熱量的能力愈強，流體攜帶熱量的能力愈強，對流傳熱的強度愈強。對流傳熱的強度愈強。2022-5-284）體積膨脹系數）體積膨脹系數 體積膨脹系數體積膨脹系數值愈大值愈大，密度差愈大，密度差愈大，有利于自然對流。有利于自然對流。對強制對流也有一定的影響對強制對流也有一定的影響。3. 流體的溫度流體的溫度4. 流體流動狀態(tài)流體流動狀態(tài) 湍流的對流傳熱系

4、數遠比滯流時的大。湍流的對流傳熱系數遠比滯流時的大。1PVVT2022-5-285. 流體流動的原因流體流動的原因 強制對流：強制對流：自然對流：自然對流：由于外力的作用由于外力的作用 由于流體內部存在溫度差，使得各部分由于流體內部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質點的位移的流體密度不同，引起流體質點的位移單位體積的流體所受的浮力為：單位體積的流體所受的浮力為：12222 1tggg t 6. 傳熱面的性狀、大小和位置傳熱面的性狀、大小和位置 2022-5-28二、對流傳熱過程的因次分析法二、對流傳熱過程的因次分析法二、對流傳熱過程的因次分析法二、對流傳熱過程的因次分析法二、對流

5、傳熱過程的因次分析法二、對流傳熱過程的因次分析法1. 流體無相變時的強制對流傳熱過程流體無相變時的強制對流傳熱過程(Re,Pr)Nuf通過因此分析可得準數關系式：通過因此分析可得準數關系式：2. 自然對流傳熱過程自然對流傳熱過程Pr),(GrfNu 準數關系式：準數關系式：2022-5-28準數的符號和意義準數的符號和意義準數名稱準數名稱符號符號準數式準數式意義意義努塞爾特準數努塞爾特準數（Nusselt）Nul表示對流傳熱的系數表示對流傳熱的系數 雷諾準數雷諾準數（Reynolds）Relu確定流動狀態(tài)的準數確定流動狀態(tài)的準數普朗特準數普朗特準數（Prandtl）Prpc表示物性影響的準數表

6、示物性影響的準數格拉曉夫準數格拉曉夫準數（Grashof）Gr223tlg表示自然對流影響的準數表示自然對流影響的準數2022-5-283. 應用準數關聯式應注意的問題應用準數關聯式應注意的問題1）定性溫度：各準數中的物理性質按什么溫度確定；）定性溫度：各準數中的物理性質按什么溫度確定； 2）定性尺寸：）定性尺寸：Nu，Re數中數中l(wèi)應如何選定；應如何選定；3）應用范圍：關聯式中）應用范圍：關聯式中Re，Pr等準數的數值范圍。等準數的數值范圍。 2022-5-28三、流體無相變時的對流傳熱系數三、流體無相變時的對流傳熱系數三、流體無相變時的對流傳熱系數三、流體無相變時的對流傳熱系數三、流體無相

7、變時的對流傳熱系數三、流體無相變時的對流傳熱系數1. 流體在管內作強制對流流體在管內作強制對流1）流體在圓形直管內作強制湍流）流體在圓形直管內作強制湍流a)低粘度（大約低于低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體倍常溫水的粘度）流體 0.80.023RePrnNu 0.80.023Prniid ud或當流體被當流體被加熱時加熱時n=0.4，流體被流體被冷卻時，冷卻時，n=0.3。2022-5-28Re10000,0.6Pr120,管長與管徑比管長與管徑比 60/idl時，若60/idl將計算所得的將計算所得的乘以乘以7 . 0)(1 Ldi應用范圍：應用范圍： 定性尺寸：定性尺寸： Nu、Re等

8、準數中的等準數中的l取為管內徑取為管內徑di。定性溫度：定性溫度： 取為流體進、出口溫度的算術平均值。取為流體進、出口溫度的算術平均值。b) 高粘度的液體高粘度的液體 0.140.81/30.027RePrwNu0.14w為考慮熱流體方向的校正項。為考慮熱流體方向的校正項。 2022-5-28 應用范圍：應用范圍： Re1000,0.7Pr16700 ,60iLd定性尺寸：定性尺寸： 取為管內徑取為管內徑di。定性溫度：定性溫度： 除除w取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。算術平均值。 2) 流體在圓形直管內作強制層流流體在圓形直管內作強制層

9、流 當管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對流當管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對流對強制層流的傳熱的影響可以忽略時：對強制層流的傳熱的影響可以忽略時：2022-5-28應用范圍：應用范圍： 0.141/31/31/31.86RePriwdNuLRe2300,6700Pr0.6,(RePr)100idL定性尺寸：定性尺寸： 管內徑管內徑di。 定性溫度：定性溫度： 除除w取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。算術平均值。 2022-5-283）流體在圓形直管內呈過渡流）流體在圓形直管內呈過渡流 對于對于Re=230010000時的過

10、渡流范圍，時的過渡流范圍， 先按湍流的先按湍流的公式計算公式計算，然后再乘以校正系數然后再乘以校正系數。 51.86 101Re 4）流體在彎管內作強制對流）流體在彎管內作強制對流 1 1.77idrr彎管軸的彎曲半徑彎管軸的彎曲半徑 r2022-5-285）流體在非圓形管中作強制對流）流體在非圓形管中作強制對流 對于非圓形管內對流傳熱系數的計算，前面有關的經對于非圓形管內對流傳熱系數的計算，前面有關的經驗式都適用，只是要將圓管內徑改為當量直徑驗式都適用，只是要將圓管內徑改為當量直徑de。 套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實驗，所得的套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實驗，所得的關聯式為：關

11、聯式為： 0.5310.81320.02RePreddd應用范圍：應用范圍： Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性尺寸：定性尺寸： 當量直徑當量直徑de定性溫度：定性溫度： 流體進出口溫度的算術平均值。流體進出口溫度的算術平均值。 2022-5-282. 流體在管外強制對流流體在管外強制對流1）流體在管束外強制垂直流動）流體在管束外強制垂直流動錯列錯列直列直列2022-5-28流體流體在錯列管束外流過時在錯列管束外流過時，平均對流傳熱系數，平均對流傳熱系數0.60.330.33RePrNu 流體流體在直列管束外流過時在直列管束外流過時，平均對流傳熱系數，平均對流傳熱系數

12、0.60.330.26RePrNu 應用范圍：應用范圍：3000Re特征尺寸：特征尺寸：管外徑管外徑do，流速取流體通過每排管子中最狹流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。窄通道處的速度。注意：注意：管束排數應為管束排數應為10，若不是，若不是10時，計算結果應校正。時，計算結果應校正。2022-5-282）流體在換熱器的管間流動）流體在換熱器的管間流動 當管外裝有割去當管外裝有割去25%直徑的圓缺形折流板時，直徑的圓缺形折流板時， 殼方的對殼方的對流傳熱系數關聯式為：流傳熱系數關聯式為：a)多諾呼多諾呼(Donohue)法法0.61 30.140.23RePr()wNu0.61 30.

13、140.23()() ()poowcd ud2022-5-28應用范圍：應用范圍：Re=32104定性尺寸：定性尺寸：管外徑管外徑do，流速取換熱器中心附近管排中最流速取換熱器中心附近管排中最窄通道處的速度窄通道處的速度定性溫度：定性溫度： 除除w取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。的算術平均值。 b) 凱恩（凱恩（Kern）法法0.140.551/30.36RePrwNu2022-5-2810.140.5530.36peewCdd u 應用范圍：應用范圍：Re=2103106 定性尺寸：定性尺寸： 當量直徑當量直徑de。定性溫度：定性溫度：除

14、除w取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。度的算術平均值。 當量直徑可根據管子排列的情況分別用不同式子進行計算：當量直徑可根據管子排列的情況分別用不同式子進行計算： 2022-5-28管子呈正方形排列時：管子呈正方形排列時： 2240.785oeotddd管子呈正三角形排列時：管子呈正三角形排列時： 02024324ddtde管外流速可以根據流體流過的最大截面積管外流速可以根據流體流過的最大截面積A計算計算 1odAhDttdot2022-5-283. 自然對流自然對流PrnNuC Gr233npCgtlCl或 對于大空間的自然對流，比如管道或傳熱

15、設備的表面對于大空間的自然對流，比如管道或傳熱設備的表面與周圍大氣層之間的對流傳熱，通過實驗側得的與周圍大氣層之間的對流傳熱，通過實驗側得的c,n的值在的值在P254表表4-10中。中。定性溫度定性溫度 ： 壁溫壁溫tw和流體進出口平均溫度的算術平均值，和流體進出口平均溫度的算術平均值，膜溫膜溫。2022-5-284. 提高對流傳熱系數的途徑提高對流傳熱系數的途徑 1）流體作湍流流動時的傳熱系數遠大于層流時的傳熱系）流體作湍流流動時的傳熱系數遠大于層流時的傳熱系數，數，并且并且Re，應力求使流體在換熱器內達到湍流流動應力求使流體在換熱器內達到湍流流動。 2）湍流時，圓形直管中的對流傳熱系數）湍

16、流時，圓形直管中的對流傳熱系數 0.80.023Prniid ud,4 . 0 時當 n023piuCd2022-5-28 與流速的與流速的0.8呈正比，與管徑的呈正比，與管徑的0.2次方呈反比，次方呈反比， 在流體阻力允許的情況下，在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管徑對提高增大流速比減小管徑對提高對流傳熱系數的效果更為顯著。對流傳熱系數的效果更為顯著。 3）流體在換熱器管間流過時，在管外加流板的情況）流體在換熱器管間流過時，在管外加流板的情況14. 03155. 036. 0wpeeCudd45. 055. 0eduB 對流傳熱系數對流傳熱系數與流速的

17、與流速的0.55次方成正比，而與當量直徑次方成正比，而與當量直徑的的0.45次方成反比次方成反比2022-5-28 設置折流板提高流速和縮小管子的當量直徑，對加大對設置折流板提高流速和縮小管子的當量直徑，對加大對流傳熱系數均有較顯著的作用。流傳熱系數均有較顯著的作用。 4) 不論管內還是管外，提高流不論管內還是管外，提高流u都能增大對流傳熱系數，都能增大對流傳熱系數，但是增大但是增大u，流動阻力一般按流速的平方增加，應流動阻力一般按流速的平方增加，應根據具根據具體情況選擇最佳的流速。體情況選擇最佳的流速。5）除增加流速外，）除增加流速外，可在管內裝置如麻花鐵或選用螺紋管可在管內裝置如麻花鐵或選

18、用螺紋管的方法，的方法，增加流體的湍動程度，增加流體的湍動程度，對流傳熱系數增大，但此對流傳熱系數增大，但此時能耗增加。時能耗增加。 2022-5-28四、流體有相變時的對流傳熱系數（自學）四、流體有相變時的對流傳熱系數（自學）四、流體有相變時的對流傳熱系數（自學）四、流體有相變時的對流傳熱系數（自學）四、流體有相變時的對流傳熱系數（自學）四、流體有相變時的對流傳熱系數（自學）1. 蒸汽冷凝時的對流傳熱系數蒸汽冷凝時的對流傳熱系數 1）蒸汽冷凝的方式）蒸汽冷凝的方式 a) 膜狀冷凝：膜狀冷凝： 若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一層若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一層完整的液膜完整的液膜 b

19、)滴狀冷凝：滴狀冷凝： 若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下落下 2022-5-282022-5-28 2）膜狀冷凝的傳熱系數）膜狀冷凝的傳熱系數 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板側的冷凝蒸汽在垂直管外或垂直平板側的冷凝 假設：假設： 冷凝液的物性為常數，可取平均液膜溫度下的數值。冷凝液的物性為常數，可取平均液膜溫度下的數值。 一蒸汽冷凝成液體時所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱一蒸汽冷凝成液體時所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱 蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力。蒸汽靜止不動，對液膜

20、無摩擦阻力。 冷凝液膜成層流流動，傳熱方式僅為通過液膜進行的熱冷凝液膜成層流流動，傳熱方式僅為通過液膜進行的熱傳導。傳導。 2022-5-2812340.943grH t 修正后修正后 12341.13grH t 定性尺寸：定性尺寸： H取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。定性溫度：定性溫度： 蒸汽冷凝潛熱蒸汽冷凝潛熱r取其飽和溫度取其飽和溫度t0下的值，其余物下的值，其余物性取液膜平均溫度。性取液膜平均溫度。應用范圍：應用范圍：1800Re2022-5-28若用無因次冷凝傳熱系數來表示，可得：若用無因次冷凝傳熱系數來表示，可得：1 31.76Re若膜層為湍流（若膜層為湍流（Re1800）

21、時時231 30.420.0077(Reg）滯流時，滯流時，Re值增加，值增加，減??；減?。煌牧鲿r，湍流時，Re值增加，值增加，增大；增大；2022-5-282022-5-28b) 蒸汽在水平管外冷凝蒸汽在水平管外冷凝 2300.725rgdtc)蒸汽在水平管束外冷凝蒸汽在水平管束外冷凝14232300.725rgn dt120.750.750.7512zmznnnnnnn2022-5-283）影響冷凝傳熱的因素）影響冷凝傳熱的因素a）冷凝液膜兩側的溫度差冷凝液膜兩側的溫度差t 當液膜呈滯流流動時，當液膜呈滯流流動時，若若t加大加大，則蒸汽冷凝速率增加，則蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，液膜厚

22、度增厚，冷凝傳熱系數降低。冷凝傳熱系數降低。b）流體物性流體物性 液膜的密度、粘度及導熱系數，蒸汽的冷凝潛熱，都影液膜的密度、粘度及導熱系數，蒸汽的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數。響冷凝傳熱系數。c) 蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜蒸汽和液膜同向流動，厚度減薄，使同向流動，厚度減薄，使增大；增大；蒸汽和液膜蒸汽和液膜逆向流動，逆向流動， 減小，減小，摩擦力超過液膜重力時，摩擦力超過液膜重力時， 液液膜被蒸汽吹離壁面，膜被蒸汽吹離壁面，當蒸汽流速增加，當蒸汽流速增加，急劇增大；急劇增大；2022-5-28d) 蒸汽中不凝氣體含量的影響蒸汽中不凝氣體含量的影響 蒸汽中含有空氣或其它不凝氣

23、體蒸汽中含有空氣或其它不凝氣體，壁面可能為氣體層所，壁面可能為氣體層所遮蓋，增加了一層附加熱阻，遮蓋，增加了一層附加熱阻，使使急劇下降急劇下降。e)冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響 若沿冷凝液流動方向積存的液體增多，液膜增厚，使傳若沿冷凝液流動方向積存的液體增多，液膜增厚，使傳熱系數下降。熱系數下降。 例如例如管束，管束，冷凝液面從上面各排流動下面各排，使液膜冷凝液面從上面各排流動下面各排，使液膜逐漸增厚，因此逐漸增厚，因此下面管子的下面管子的要比上排的為低。要比上排的為低。 冷凝面的表面情況對冷凝面的表面情況對影響也很大，影響也很大，若壁面粗糙不平或有若壁面粗糙不平或有氧化層，氧化層，使膜層加厚

24、，增加膜層阻力，使膜層加厚，增加膜層阻力，下降。下降。2022-5-282022-5-282. 液體沸騰時的對流傳熱系數液體沸騰時的對流傳熱系數 液體沸騰液體沸騰 大容積沸騰大容積沸騰 管內沸騰管內沸騰 1）沸騰曲線）沸騰曲線 當當溫度差較小溫度差較小時，液體內部產生時，液體內部產生自然對流自然對流，較小，且較小，且隨溫度升高較慢。隨溫度升高較慢。 當當t逐漸升高逐漸升高，在加熱表面的局部位置產生氣泡，該局，在加熱表面的局部位置產生氣泡，該局部位置稱為部位置稱為氣化核心氣化核心。氣泡產生的速度。氣泡產生的速度t隨上升而增加，隨上升而增加， 急劇增大。急劇增大。稱為稱為泡核沸騰或核狀沸騰。泡核沸

25、騰或核狀沸騰。 2022-5-282022-5-28 當當t再增大，再增大，加熱面的氣化核心數進一步增多，且氣泡加熱面的氣化核心數進一步增多，且氣泡產生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接產生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接起來，形成一層起來，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜。不穩(wěn)定的蒸汽膜。 當當t在增大，在增大，由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈來愈顯著，來愈顯著，又隨之增大，這段稱為又隨之增大，這段稱為穩(wěn)定的膜狀沸騰穩(wěn)定的膜狀沸騰。 由核狀沸騰向膜狀沸騰過渡的轉折點由核狀沸騰向膜狀沸騰過渡的轉折點C稱為臨界點。稱為臨界點。 臨界點所對應的溫