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第3章傳熱,3.4 對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式,,3.4.1 影響對流傳熱系數(shù)的因素,? 流動形態(tài) ? 流體流動原因 ? 流體物理性質 ? 傳熱面形狀、位置和大小 ? 相變化,代價：動力消耗↑。,（2）流體流動原因 強制對流：外部機械作功， 一般流速較大， α也較大。 自然對流：由流體密度差造成的循環(huán)過程, 一般流速較小， α也較小。,（1）流體流動狀態(tài),（3）流體的物理性質,（4）傳熱面的形狀、位置和大小 壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等， 造成邊界層分離，增加湍動，使α增大。,（5）相變化的影響 有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰， 無相變傳熱：強制對流、自然對流， 一般地，有相變時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。,例：水強制對流， 蒸汽冷凝，,① 努賽爾數(shù),說明： ▲ 反映對流傳熱的強弱，包含對流傳熱系數(shù)；,說明： 反映流動狀態(tài)對 α 的影響。,l：特征尺寸，平板—— 流動方向的板長； 管 —— 管徑或當量直徑；,（2）特征數(shù)的物理意義,② 雷諾數(shù),③ 普朗特數(shù),說明：▲ 反映流體物性對傳熱的影響,使用時注意： * 查取定性溫度下的物性； * 計算所用單位，SI制。,說明： 反映自然對流的強弱程度。,④ 格拉斯霍夫數(shù)（浮升力特征數(shù)）,,強制對流,自然對流,混合對流,應用準數(shù)關系式應注意的問題 （1）定性溫度 定性溫度：決定準數(shù)中各物性的溫度。 流體的平均溫度t=(t1+t2)/2為定性溫度； 壁面的平均溫度tw為定性溫度； 流體和壁面的平均溫度（稱為膜溫）tm=(t+tw)/2為定性溫度。 工程上大多以流體的平均溫度t=(t1+t2)/2為定性溫度。 （2）特性尺寸 特性尺寸：量綱為1的數(shù)群Nu，Re等中所包含的傳熱面尺寸。 圓管內：特性尺寸取管內徑； 非圓管內：特性尺寸取當量直徑，de’=4流動截面積/傳熱周邊 （3）注意公式的應用條件。,3.4.3 無相變化的對流傳熱,（1）管內強制對流傳熱 一般關系式：,① 流體在圓形直管內強制湍流的對流傳熱系數(shù),a) 低粘度流體,流體被加熱，n= 0.4 流體被冷卻，n= 0.3,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管內徑d0,保證流體達到傳熱湍流；,適用條件：,說明：,避開傳熱進口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。,,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管內徑d0,適用條件：,c) 流體流過短管（l/d50）,影響：處于傳熱進口段，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 計算：采用以上各式計算α，并加以校正。,,d) 圓形彎管內的強制對流 特點：離心力使徑向壓力不均，產生二次環(huán)流； 結果：流體湍動程度增加，使α增加； 同時，流動阻力損失增加。,e) 圓形直管內過渡流時對流傳熱系數(shù),計算：采用湍流公式，但需加以校正。,說明：設計換熱器時，一般避免過渡流。,,f) 圓形直管內強制層流 特點：1）傳熱進口段的管長所占比例較大； 2）熱流方向不同，也會影響； 3）自然對流的影響，有時不可忽略。,定性溫度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：管內徑d。,適用條件：,,當,自然對流的影響不能忽略，先由上式進行計算，然后乘以校正系數(shù),g ) 非圓形管內強制對流 ★ 采用圓形管內相應的公式計算， 但特征尺寸采用當量直徑。 ★ 最好采用專用、經(jīng)驗公式。 如：套管環(huán)隙,式中：,例題1：有一雙管程列管換熱器，由96根Φ25mm2.5mm的鋼管組成。苯在管內流動，由20℃被加熱到80℃，苯的流量為9.5kg/s，殼程中通入水蒸氣進行加熱。 試求：①管壁對苯的對流傳熱系數(shù)； ②若苯的流率增加一倍，其他條件不變，此時的對流傳熱系數(shù)為多少； ③若管徑降為原來1/2，其他條件與①相同，此時對流傳熱系數(shù)為多少；,,② 管外強制對流 a) 流體橫向流過單管,常數(shù)C、指數(shù)n見下表,沿整個管周的平均對流傳熱系數(shù)：,特征尺寸：管外徑,◆ 管束的排列方式 直列（正方形）、 錯列（正三角形）,b) 流體橫向流過管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性,,直列,第一排管 直接沖刷 ； 第二排管 不直接沖刷；擾動減弱 第二排管以后基本恒定。,錯列,第一排管 錯列和直列基本相同； 第二排管 錯列和直列相差較大， 阻擋減弱，沖刷 增強； 第三排管以后基本恒定。,可以看出，錯列傳熱效果比直列好。 ◆ 傳熱系數(shù)的計算方法 任一排管子：,C、ε、n 取決于管排列方式和管排數(shù)。 特征尺寸：管外徑,適用范圍：,(3) 自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導致流體流動。 分類：大空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。 有限空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。,大空間自然對流傳熱：,計算方法,① 查表法,大空間內流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時：,定性溫度：膜溫,定型尺寸：豎板，豎管，L； 水平管，外徑 do,影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；,系數(shù)C和指數(shù)n的取值見下表：,② 經(jīng)驗關聯(lián),3.4.4.1有相變對流傳熱的特點 ① 相變過程中產生大量相變熱（潛熱）； 例：水,3.4.4 有相變化的對流傳熱,② 相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復雜； ③ 分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。,(1) 蒸汽冷凝機理 優(yōu)點：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制 蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)較大。,3.4.4.2蒸汽冷凝對流傳熱,,,,,,,,,,,,,液 膜,tw,ts,ts 飽和蒸汽,（2）冷凝方式： ① 膜狀冷凝 凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力）， 熱量：蒸汽相→液膜表面→固體壁面。 ② 滴狀冷凝 凝液結為小液滴（附著力小于表面張力）， 有裸露壁面，直接傳遞相變熱。 比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) α滴狀冷凝＞α膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍， 但工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。,膜狀冷凝的真實過程,實驗結果：實測值高于理論值（約20%） 原因：液膜的波動、假設的不確切性,(3) 膜狀冷凝傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián) ① 垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜層流,（b）液膜湍流,注意：壁溫未知時，計算應采用試差法。,,,,說明：此式計算值和實驗結果基本一致。,② 水平單管冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 理論計算：按傾斜壁對方位角做積分（0-1800）。,,d—圓管外徑，m 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；此時認為主體無熱阻，熱阻集中在液膜中。,,水平管外膜狀冷凝,(4) 影響冷凝傳熱的因素,◇ 冷凝液膜兩側的溫度差：,◇ 流體物性的影響：,◇ 不凝性氣體的影響：形成氣膜，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅度下降。,◇ 蒸汽過熱的影響：過熱蒸汽，若壁溫高于飽和溫度，傳熱過程與無相變對流傳熱相同；若壁溫低于飽和溫度，按飽和蒸汽冷凝處理。,◇ 蒸氣流速和流向的影響：流速不大時，影響可忽略； 流速較大時，且與液膜同向，α增大； 流速較大時，且與液膜反向，α減小。,沸騰: 沸騰時，液體內部有氣泡產生， 氣泡產生和運動情況，對α影響極大。 沸騰分類： ① 按設備尺寸和形狀不同 大容器飽和沸騰； 管內沸騰 ② 按液體主體溫度不同 過冷沸騰：液體主體溫度t ts， 氣泡進入液體主體后冷凝。 飽和沸騰：t≥ts， 氣泡進入液體主體后不會冷凝。,3.4.4.3液體沸騰傳熱,(1) 大容積飽和沸騰傳熱機理 a） 汽泡能夠存在的條件：,◇ 必須有汽化核心,b） 汽泡產生的條件 ◇ 液體必須過熱 提供必須的汽化熱量 過熱度,說明： ● 因此無汽化核心，氣泡不會產生； ● 液體過熱度增大，汽化核心數(shù)增多。,汽化核心：體積很小的孔穴或固體顆粒， 氣泡能附著在其周圍生長。,沸騰過程：,過熱度↑，汽化核心數(shù)↑，氣泡產生和長大的速度↑， 使沸騰加劇，沸騰傳熱膜系數(shù)↑。,說明：由于氣泡產生，使液體擾動↑ 因此：,實驗條件: 大容積、飽和沸騰。,(2) 大容積飽和沸騰曲線,實驗獲得:,AB段 ：無相變自然對流，無汽泡產生，α 緩慢增加 BC段 ：核狀沸騰 一方面，,另一方面，汽膜覆蓋↑，又使α↓； 當兩者作用相抵消，出現(xiàn)轉折點—臨界點（C點）。 臨界值：Δt、q、Q CD段 ：核狀、膜狀共存，膜覆蓋為主，Δt↑， α ↓； DEF段：穩(wěn)定膜狀沸騰，全部膜覆蓋， Δt↑， α ↓； 而后輻射作用加強， Δt↑， α ↑。,沸騰曲線意義:,說明：工業(yè)上，應嚴格控制在核狀沸騰區(qū)內操作。,(3) 影響的因素,加熱壁面的影響： ◇ 粗糙壁面, α↑，光滑的壁面, α↓； ◇ 被油脂污染的壁面, α↓，清潔表面, α↑； ◇ 水平管束沸騰傳熱，上排管 α↓ 。,