給熱系數(shù)-課件

4.4給熱系數(shù)2023/7/20對(duì)流傳熱是流體在具有一定形狀及尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)發(fā)生的熱流體到壁面或壁面到冷流體的熱量傳遞過程。1.引起對(duì)流的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的浮升力，造成流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的上升和下降運(yùn)動(dòng)，一般u較小，也較小。強(qiáng)制對(duì)流：在外力作用下引起的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，一般u較大，故較大。一、給熱系數(shù)的影響因素和數(shù)值范圍2023/7/20流動(dòng)流體與外界的傳熱靜止流體與外界的傳熱強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2K邊界層是對(duì)流傳熱的主要熱阻所在。ttwQ2023/7/203.流體的物性

當(dāng)流體種類確定后，根據(jù)溫度、壓力（氣體）查對(duì)應(yīng)的物性，影響較大的物性有：，，，cp。的影響：；的影響：Re；cp的影響：cpcp單位體積流體的熱容量大，則較大；的影響:

Re2.流動(dòng)的流動(dòng)形態(tài)層流：熱流主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。湍流：質(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，較大。；但Re動(dòng)力消耗大。2023/7/205.是否發(fā)生相變主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。發(fā)生相變時(shí)，由于汽化或冷凝的潛熱遠(yuǎn)大于溫度變化的顯熱。一般情況下，有相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)較大，機(jī)理各不相同，復(fù)雜。4.傳熱面的形狀、大小和位置不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會(huì)造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使增大。（1）形狀：比如管、板、管束等；（2）大?。罕热绻軓胶凸荛L(zhǎng)等；（3）位置：比如管子的排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。對(duì)于一種類型的傳熱面常用一個(gè)對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)有決定性影響的特性尺寸L來表示其大小。2023/7/20二、給熱系數(shù)與因次分析(一)獲得給熱系數(shù)的方法影響α的因素很多，牛頓冷卻公式只能看作是α的一個(gè)定義式,不能揭示有關(guān)因素與α的內(nèi)在聯(lián)系。獲得α表達(dá)式的方法主要有以下幾個(gè)：1、分析法是指對(duì)描述某一類給熱問題的偏微分方程及其定解條件進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，獲得特定問題的溫度場(chǎng)，從而獲得給熱系數(shù)和傳熱速率的分析解。是研究傳熱問題的基礎(chǔ)理論方法，但是數(shù)學(xué)處理上困難。2023/7/202、數(shù)值法是將給熱的偏微分方程離散化，用代數(shù)方法進(jìn)行求解而得到給熱系數(shù)和速率的方法。3、實(shí)驗(yàn)法通過實(shí)驗(yàn)來獲得不同情況下的給熱計(jì)算式（關(guān)聯(lián)式或經(jīng)驗(yàn)式），是目前工程計(jì)算的主要依據(jù)。為減少實(shí)驗(yàn)工作量，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的通用性，應(yīng)當(dāng)在量綱分析的指導(dǎo)下進(jìn)行。即對(duì)某一類給熱問題，將影響給熱系數(shù)的因素用量綱分析歸納成幾個(gè)無量綱的特征數(shù)，以減少變量數(shù)目，再用實(shí)驗(yàn)確定這些特征數(shù)之間的具體關(guān)系。2023/7/20基本因次:共4個(gè)，長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度變量總數(shù):共8個(gè)特性尺寸特征流速粘度定壓比熱容密度單位體積流體的升浮力給熱系數(shù)因次分析之后，所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中共有4個(gè)無因次數(shù)群（由定理8-4=4）(二)因次分析2023/7/20因次分析結(jié)果如下：

努塞爾數(shù)(Nusselt

):待定準(zhǔn)數(shù)（包含對(duì)流傳熱系數(shù)）

普朗特?cái)?shù)(Prandtl):反映流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響雷諾數(shù)(Reynolds):表征流體流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響。2023/7/20

格拉曉夫(Grashof):表征自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響2023/7/20（1）定性溫度由于沿流動(dòng)方向流體溫度的逐漸變化，在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)就要取一個(gè)有代表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，這個(gè)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。定性溫度的取法：1）流體進(jìn)出口溫度的平均值tm=(t2+t1)/2；2）膜溫t=(tm+tW)/2。（2）特性尺寸它是代表換熱面幾何特征的長(zhǎng)度量，通常選取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。另外，實(shí)驗(yàn)范圍是有限的，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的使用范圍也就是有限的。2023/7/20（一）流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流使用范圍：Re>10000，0.6<Pr<160，<2×10-5Pa.s，l/d>501．圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流三、流體作強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的給熱系數(shù)2023/7/20

注意：（1）定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值tm；（2）特征尺寸為管內(nèi)徑di；（3）流體被加熱時(shí)，n＝0.4，流體被冷卻時(shí)，n＝0.3；n取不同值的原因主要是溫度對(duì)近壁層流底層中流體粘度的影響。

溫度對(duì)近壁處層流底層內(nèi)流體粘度的影響，會(huì)引起近壁流層內(nèi)速度分布的變化，故整個(gè)截面上的速度分布也將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

（4）特征速度為管內(nèi)平均流速。2023/7/20不同情況下對(duì)前面公式進(jìn)行修正：a．高粘度要考慮壁面溫度變化引起粘度變化對(duì)的影響（是在tm下；而W是在tw下）。在實(shí)際中，由于壁溫難以測(cè)得，工程上作近似處理。對(duì)于液體，加熱時(shí)：冷卻時(shí)：2023/7/20b．過渡區(qū)

2300<Re<10000時(shí)，先按湍流計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)過渡區(qū)內(nèi)流體比劇烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的Re小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層流底層變厚，減小。

c．當(dāng)l/d<60時(shí)則為短管，由于管入口擾動(dòng)增大，較大，乘上校正系數(shù)f。2023/7/20d．流體在彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)先按直管計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)fd─管徑；R─彎管的曲率半徑。由于彎管處受離心力的作用，存在二次環(huán)流，湍動(dòng)加劇，增大。2023/7/20式中d1、d2——分別為套管外管內(nèi)徑或內(nèi)管外徑。適用范圍：d1/d2=1.65～17，e．非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的公式計(jì)算，特征尺寸采用當(dāng)量直徑。

此為近似計(jì)算，采用經(jīng)驗(yàn)公式和專用式更為準(zhǔn)確。套管環(huán)隙：2023/7/20特點(diǎn)：1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。2）層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán)重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。3）層流要求的進(jìn)口段長(zhǎng)度長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。熱流方向?qū)恿魉俣鹊挠绊?．圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制層流2023/7/201）Gr<25000時(shí)，自然對(duì)流影響小可忽略適用范圍：Re<2300定性溫度、特征尺寸取法與前相同，w按壁溫確定，工程上可近似處理.l/d>60冷卻時(shí)：對(duì)于液體，加熱時(shí)：2023/7/20（2）Gr>25000時(shí)，自然對(duì)流的影響不能忽略時(shí)，乘以校正系數(shù)在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在強(qiáng)制層流條件下進(jìn)行傳熱，因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。2023/7/20流體可垂直流過單管和管束兩種情況。由于工業(yè)中所用的換熱器多為流體垂直流過管束，由于管間的相互影響，其流動(dòng)的特性及傳熱過程均較單管復(fù)雜得多。流體垂直于單根圓管作管外流動(dòng)的情況四、流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流2023/7/201．流體垂直流過管束流體垂直流過管束時(shí)，管束的排列情況可以有直列和錯(cuò)列兩種。各排管的變化規(guī)律：第一排管，直列和錯(cuò)列基本相同；第二排管，直列和錯(cuò)列相差較大；第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定；從圖中可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。

2023/7/202023/7/20單列的對(duì)流傳熱系數(shù)用下式計(jì)算適用范圍：5000<Re<70000，x1/d=1.2～5，x2/d=1.2～5。（1）特性尺寸取管外徑do，定性溫度取法與前相同tm；（2）流速u取每列管子中最窄流道處的流速，即最大流速。（3）C，，n取決于排列方式和管排數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，具體取值。2023/7/20（4）對(duì)某一排列方式，由于各列的不同，應(yīng)按下式求平均的對(duì)流傳熱系數(shù)：i——各列的對(duì)流傳熱系數(shù)；Ai——各列傳熱管的外表面積。對(duì)于前幾列而言，各列的，n不同，因此也不同。排列方式不同（直列和錯(cuò)列），對(duì)于相同的列，，n不同，也不同。2023/7/202．流體在換熱器管殼間流動(dòng)一般在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同形式的折流擋板，流動(dòng)方向不斷改變，在較小的Re下（Re=100）即可達(dá)到湍流。2023/7/202023/7/202023/7/202023/7/20多管道折流式冷卻器2023/7/202023/7/20B-B-C:殼程流體通過圓缺形擋板缺口的路徑A:少量流體通過管與擋板圓孔間環(huán)隙的路徑E:少量流體通過殼內(nèi)壁與擋板間間隙的路徑換熱器殼程的流動(dòng)情況2023/7/20圓缺形折流擋板，弓形高度25%D，的計(jì)算式：適用范圍：Re=2×103～106。定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值；

tw→μw。2023/7/20

正三角形排列：正方形排列：d0tt特征尺寸：（1）當(dāng)量直徑de2023/7/20

（2）流速u根據(jù)流體流過的最大截面積Smax計(jì)算式中h——相鄰擋板間的距離；

D——?dú)んw的內(nèi)徑。提高殼程的措施：提高殼程u，但hfu2，hf；de；加強(qiáng)殼程的湍動(dòng)程度，如加折流擋板或填充物。2023/7/20

大空間自然對(duì)流傳熱:是指冷表面或熱表面（傳熱面）放置在大空間內(nèi)，并且四周沒有其它阻礙自然對(duì)流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過程、換熱設(shè)備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱。

對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的Gr和反映物性的Pr有關(guān)，依經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算：Nu＝C（GrPr）n（1）特性尺寸對(duì)水平管取外徑do，垂直管或板取管長(zhǎng)和板高H。（2）定性溫度取膜溫（tm+tw）/2。四、大空間的自然對(duì)流傳熱2023/7/20五、蒸汽冷凝時(shí)的給熱系數(shù)蒸汽與低于其飽和溫度的冷壁接觸時(shí)，將凝結(jié)為液體，釋放出氣化熱。

1．冷凝方式:膜狀冷凝，滴狀冷凝2023/7/20滴狀冷凝：若冷凝液不能很好地潤(rùn)濕壁面，僅在其上凝結(jié)成小液滴，此后長(zhǎng)大或合并成較大的液滴而脫落。冷凝液潤(rùn)濕壁面的能力取決于其表面張力和對(duì)壁面的附著力大小。若附著力大于表面張力則會(huì)形成膜狀冷凝，反之，則形成滴狀冷凝。通常滴狀冷凝時(shí)蒸汽不必通過液膜傳熱，可直接在傳熱面上冷凝，其對(duì)流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)大5～10倍。但滴狀冷凝難于控制，工業(yè)上大多是膜狀冷凝。

膜狀冷凝：若冷凝液能潤(rùn)濕壁面，形成一層完整的液膜布滿液面并連續(xù)向下流動(dòng)。2023/7/202．蒸汽在水平管外冷凝計(jì)算公式：n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)；r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg；——冷凝液的密度，kg/m3；——冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.K）；——冷凝液的粘度，Pa.s。2023/7/20特性尺寸l：管外徑do；定性溫度：膜溫用膜溫查冷凝液的物性、和；潛熱r用飽和溫度ts查得；此時(shí)認(rèn)為主體無熱阻，熱阻集中在液膜中。2023/7/203．在豎直板或豎直管外的冷凝

當(dāng)蒸汽在垂直管或板上冷凝時(shí)，冷凝液沿壁面向下流動(dòng)，同時(shí)由于蒸汽不斷在液膜表面冷凝，新的冷凝液不斷加入，形成一個(gè)流量逐漸增加的液膜流，相應(yīng)于液膜厚度加大，上部分為層流，當(dāng)板或管足夠高時(shí)，下部分可能發(fā)展為湍流。對(duì)于冷凝液來說，臨界Re=2100。無波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流2023/7/20如圖所示，從頂向底流動(dòng)時(shí)，液膜，；當(dāng)H一定高時(shí)，流動(dòng)從層流過渡到湍流時(shí)，Re，層流底層，。

2023/7/20de的計(jì)算:冷凝液流過的截面積，m2潤(rùn)濕周邊，m冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s單位長(zhǎng)度潤(rùn)濕周邊上冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s.m2023/7/20

（1）層流時(shí)的計(jì)算式適用范圍：Re<1800定性溫度：膜溫特征尺寸l：管高或板高H（2）湍流時(shí)的計(jì)算式適用范圍：Re>1800定性溫度：膜溫特征尺寸l：管高或板高H注：Re是指板或管最低處的值（此時(shí)Re為最大）2023/7/204．冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施對(duì)于純的飽和蒸汽冷凝時(shí)，熱阻主要集中在冷凝液膜內(nèi)，液膜的厚度及其流動(dòng)狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵。所以，影響液膜狀況的所有因素都將影響到冷凝傳熱。

（1）流體物性的影響冷凝液，液膜厚度越??；冷凝液。冷凝潛熱r，同樣的熱負(fù)荷Q下冷凝液量小，則液膜厚度越小。

2023/7/20（2）溫度差影響當(dāng)液膜作層流流動(dòng)時(shí)，t=ts－tW，t，則蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚,。（3）不凝氣體的影響在實(shí)際的工業(yè)冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性氣體，如空氣。當(dāng)蒸汽冷凝時(shí)，不凝氣體會(huì)在液膜表面濃集形成氣膜。這樣冷凝蒸汽到達(dá)液膜表面冷凝前，必須先以擴(kuò)散的方式通過這層氣膜。這相當(dāng)于額外附加了一熱阻，而且由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，使蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)大大下降。實(shí)驗(yàn)可證明：當(dāng)蒸汽中含空氣量達(dá)1%時(shí)，下降60%左右。2023/7/20（4）蒸汽流速與流向的影響蒸汽的流速對(duì)有較大的影響，蒸汽流速較小u<10m/s時(shí)，可不考慮其對(duì)的影響。當(dāng)蒸汽流速u>10m/s時(shí)，還要要考慮蒸汽與液膜之間的摩擦作用力。蒸汽與液膜流向相同時(shí)，會(huì)加速液膜流動(dòng)，使液膜變薄,；蒸汽與液膜流向相反時(shí)，會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使液膜變厚,；但u時(shí)，會(huì)吹散液膜，。一般冷凝器設(shè)計(jì)時(shí)，蒸汽入口在其上部，此時(shí)蒸汽與液膜流向相同，有利于。

2023/7/20（5）蒸汽過熱的影響蒸汽溫度高于操作壓強(qiáng)下的飽和溫度時(shí)稱為過熱蒸汽。過熱蒸汽與比其飽和溫度高的壁面接觸（tW>ts），壁面無冷凝現(xiàn)象，此時(shí)為無相變的對(duì)流傳熱過程。過熱蒸汽與比其飽和溫度低的壁面接觸（tW<ts），由兩個(gè)串聯(lián)的傳熱過程組成：冷卻和冷凝。整個(gè)過程是過熱蒸汽首先在氣相下冷卻到飽和溫度，然后在液膜表面繼續(xù)冷凝，冷凝的推動(dòng)力為t=ts－tW。

2023/7/20（6）強(qiáng)化傳熱措施對(duì)純蒸汽冷凝，恒壓下ts為一定值。即在氣相主體內(nèi)無溫差也無熱阻，的大小主要取決于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以，在流體一定的情況下，一切能使液膜變薄的措施將強(qiáng)化冷凝傳熱過程。減小液膜厚度最直接的方法是從冷凝壁面的高度和布置方式入手。如在垂直壁面上開縱向溝槽，以減薄壁面上的液膜厚度。還可在壁面上安裝金屬絲或翅片，使冷凝液在表面張力的作用下，流向金屬絲或翅片附近集中，從而使壁面上的液膜減薄；使冷凝傳熱系數(shù)得到提高。2023/7/202023/7/20六、液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)液體加熱時(shí)，液體內(nèi)部伴有液相變?yōu)闅庀喈a(chǎn)生汽泡的過程稱為沸騰。按設(shè)備的尺寸和形狀可分為：

大容器沸騰：加熱壁面浸入液體，液體被加熱而引起的無強(qiáng)制對(duì)流的沸騰現(xiàn)象。管內(nèi)沸騰：在一定壓差下流體在流動(dòng)過程中受熱沸騰（強(qiáng)制對(duì)流）；此時(shí)液體流速對(duì)沸騰過程有影響，而且加熱面上氣泡不能自由上浮，被迫隨流體一起流動(dòng)，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。1、沸騰現(xiàn)象2023/7/20氣泡的生成和過熱度由于表面張力的作用，要求氣泡內(nèi)的蒸氣壓力大于液體的壓力。而氣泡生成和長(zhǎng)大都需要從周圍液體中吸收熱量，要求壓力較低的液相溫度高于汽相的溫度，故液體必須過熱，即液體的溫度必須高于氣泡內(nèi)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度。在液相中緊貼加熱面的液體具有最大的過熱度。液體的過熱是新相——小氣泡生成的必要條件。2023/7/20粗糙表面的氣化核心開始形成氣泡時(shí)，氣泡內(nèi)的壓力必須無窮大。這種情況顯然是不存在的，因此純凈的液體在絕對(duì)光滑的加熱面上不可能產(chǎn)生氣泡。氣泡只能在粗糙加熱面的若干點(diǎn)上產(chǎn)生，這種點(diǎn)稱為氣化核心。無氣化核心則氣泡不會(huì)產(chǎn)生。過熱度增大，氣化核心數(shù)增多。氣化核心是一個(gè)復(fù)雜的問題，它與表面粗糙程度、氧化情況、材料的性質(zhì)及其不均勻性質(zhì)等多種因素有關(guān)。2023/7/20qmaxqmin2．沸騰曲線2023/7/20如圖所示，以常壓水在大容器內(nèi)沸騰為例，說明t對(duì)的影響。（1）AB段，t=tW－ts，t很小時(shí)，僅在加熱面有少量汽化核心形成汽泡，長(zhǎng)大速度慢，所以加熱面與液體之間主要以自然對(duì)流為主。t<5C時(shí)，汽化僅發(fā)生在液體表面，嚴(yán)格說還不是沸騰，而是表面汽化。此階段，較小，且隨t升高得緩慢。2023/7/20（2）BC段，25C>t>5C時(shí)，汽化核心數(shù)增大，汽泡長(zhǎng)大速度增快，對(duì)液體擾動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)流傳熱系數(shù)增加，由汽化核心產(chǎn)生的氣泡對(duì)傳熱起主導(dǎo)作用，此時(shí)為核狀沸騰。2023/7/20(3)CD段，t>25C進(jìn)一步增大到一定數(shù)值，加熱面上的汽化核心大大增加，以至氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離壁面的速度，氣泡相連形成氣膜，將加熱面與液體隔開，由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較小，使，此階段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰。(4)DE段，t>