如何計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)

關(guān)于如何計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)2§4-15影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素一、引起流動(dòng)的原因(ρ1-

ρ2)g=ρ2

gβ△t

1強(qiáng)制對(duì)流：通過外力對(duì)流體作功迫使流體流動(dòng)2自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫度差而引起的流動(dòng)

設(shè)ρ1、ρ2

分別代表溫度為t1、t2兩點(diǎn)流體的密度，β為其平均體積膨脹系數(shù)；

如果t1<t2,則

ρ1=ρ2

（1+β△t）

單位體積流體所產(chǎn)生的升力為火α與流動(dòng)的類型有關(guān)第2頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3二、流體的流動(dòng)型態(tài)：層流和湍流層流：流體在熱流方向上基本沒有混合流動(dòng)α↓湍流：有混合流動(dòng)，Re↑層流內(nèi)層厚度δ↓α↑三、流體的性質(zhì)

對(duì)α影響較大的物性主要有

cp

、λ、μ和ρ四、傳熱面的型狀、大α小和位置

影響α值的有：傳熱管、板、管束等不同，傳熱面的形狀，管子的排列方式，水平或垂直放置；管徑、管長或板的高度等影響α的因數(shù)很多第3頁,共42頁，2024年2月25日，星期天4化工上常見的對(duì)流傳熱流體無相變化時(shí)流體有相變化時(shí)強(qiáng)制對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱蒸汽冷凝傳熱液體沸騰傳熱第4頁,共42頁，2024年2月25日，星期天5§4-16因次分析在對(duì)流傳熱中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定α值因數(shù)多因次分析方法無因次數(shù)群再實(shí)驗(yàn)確定關(guān)系一、無相變化時(shí)強(qiáng)制湍流下的α

七個(gè)物理量四個(gè)基本因次（質(zhì)量M、長度L、時(shí)間θ、溫度T）3個(gè)無因次數(shù)群π定理第5頁,共42頁，2024年2月25日，星期天6對(duì)流系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)流體的流動(dòng)狀態(tài)和湍動(dòng)程度對(duì)對(duì)流傳熱的影響流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響二、無相變化時(shí)自然對(duì)流下的α

Nu

pr

自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式第6頁,共42頁，2024年2月25日，星期天7準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)NusseltNu

L/

表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)ReynoldsReLu

/

確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)PrandtlPrcp

/

表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)GrashofGr

g△tL3

2/

2表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)與意義L—傳熱面的特征尺寸m第7頁,共42頁，2024年2月25日，星期天8經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用應(yīng)注意以下四點(diǎn)：1、應(yīng)用范圍2、定性尺寸（特性尺寸）

各準(zhǔn)數(shù)Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一個(gè)尺寸，應(yīng)遵照所選用的關(guān)聯(lián)式中規(guī)定尺寸3、定性溫度

確定準(zhǔn)數(shù)中流體的物性參數(shù)cp、μ、ρ等所依據(jù)的溫度即為定性溫度。主要取決于建立關(guān)聯(lián)式時(shí)采用什么方法而定

有的用膜溫（即流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值與壁面溫度平均值，再取兩者的算術(shù)平均值）有的用流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值第8頁,共42頁，2024年2月25日，星期天9§4-17流體做強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的

對(duì)流傳熱系數(shù)一、流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：或使用范圍：管長與管徑之比定性尺寸：L取管內(nèi)徑di定性溫度取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值流體被加熱時(shí)n=0.4；冷卻時(shí)n=0.3從分發(fā)展段以后：第9頁,共42頁，2024年2月25日，星期天10若使用條件不滿足上述條件時(shí)，需修正：當(dāng)時(shí)乘以1.02~1.07的系數(shù)加以修正（1）對(duì)于短管（2）壁溫與主體溫度相差較大考慮壁溫對(duì)粘度的影響在壁溫未知的情況下當(dāng)液體被加熱時(shí)當(dāng)液體被冷卻時(shí)近似計(jì)算尚未從分發(fā)展，滯流內(nèi)層較薄，熱阻小（3）管內(nèi)層流層流導(dǎo)熱自然對(duì)流對(duì)流傳熱→要求強(qiáng)化→避免層流α↓p226式5-65和式5-66第10頁,共42頁，2024年2月25日，星期天11（4）過渡流(Re=2000~10000)

因湍流不充分，滯流內(nèi)層較厚，故熱阻大而值減小，此時(shí)算得的值須乘以小于1的校正系數(shù)f（5）圓形彎管離心力作用擾動(dòng)加劇α↑乘以校正系數(shù)

（6）非圓形管道兩個(gè)途徑：ⅰ、當(dāng)量直徑ⅱ、直接根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算p227式5-70第11頁,共42頁，2024年2月25日，星期天12分析式中各項(xiàng)物理參數(shù)對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)α帶來的影響：①其他參數(shù)一定，α與u的0.8次方成正比，說明增大流速有利于α的提高，但隨u↑，阻力∑hf

↑，故應(yīng)適當(dāng)增大動(dòng)力。②其它參數(shù)一定，u一定，α與d的0.2次方成反比，改變管徑對(duì)α的影響不大。③其它參數(shù)一定，V一定，α與d的1.8次方成反比，改變管徑，縮小管徑將使α↑。第12頁,共42頁，2024年2月25日，星期天13【補(bǔ)例】列管換熱器的列管內(nèi)徑為15mm，長度為2.0m。管內(nèi)有冷凍鹽水（25%CaCl2）流過，其流速為0.4m/s，溫度自-5℃升至15℃。假定管壁的平均溫度為20℃，試計(jì)算管壁與流體間的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：定性溫度=(-5+15)/2=5℃有關(guān)手冊(cè)查得5℃時(shí)25%CaCl2的物性為20℃時(shí)，則（層流）第13頁,共42頁，2024年2月25日，星期天14

在本題條件下，管徑較小，管壁和流體間的溫度差也較小，粘度較大，因此自然對(duì)流的影響可以忽略，故α可用式(5-65)計(jì)算，即

而第14頁,共42頁，2024年2月25日，星期天15【例5-16】已知Q’=4×105kJ/h，兩個(gè)單程換熱器：D=270mm，n=48，φ25×2.5mm，l=3m問：（1）兩個(gè)換熱器能否滿足要求？（2）是并還是串？液體溫度℃質(zhì)量流量kg/h比熱kJ/kg·K密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/m·K粘度pa·s入口出口有機(jī)液63T2300002.2619500.1721×10-3水28t2200004.18710000.6210.742×10-3分析：滿足工藝要求?K?αi?αo?Ri?Ro?A=nπdlΔtm?T1t1T2?t2?ε-NTU第15頁,共42頁，2024年2月25日，星期天16t1=28℃t2T1=63℃T12t1T1=63℃t2t3T’212mh1=30000kg/hmh2=20000kg/hm’h1=15000kg/hmh1=15000kg/hmh2=20000kg/h單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算??第16頁,共42頁，2024年2月25日，星期天17二、管外強(qiáng)制對(duì)流（a）流動(dòng)情況（b）對(duì)流傳熱系數(shù)變化情況（圖中αp表示局部對(duì)流傳熱系數(shù)，α表示平均對(duì)流傳熱系數(shù)）流體垂直流過單根圓管的流動(dòng)情況1、流體繞單根圓管的流動(dòng)情況第17頁,共42頁，2024年2月25日，星期天182、流體在管束外橫向流過的對(duì)流傳熱式中常數(shù)C1C2和指數(shù)n見表5-5錯(cuò)列的α比直列時(shí)大適用范圍平均α第18頁,共42頁，2024年2月25日，星期天193、列管式換熱器第19頁,共42頁，2024年2月25日，星期天20圖5-30α或使用范圍：特征尺寸：當(dāng)量直徑de，根據(jù)管子排列形式分別計(jì)算；三角形：正方形：流速，可由流體走短路4、無折流板，平流流動(dòng)，α可用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流。第20頁,共42頁，2024年2月25日，星期天21三、提高對(duì)流傳熱系數(shù)的途徑力求使流體在換熱器中達(dá)到湍流α↑管內(nèi)管外u↑α↑∑hf↑動(dòng)力↑也可裝置添加物最佳流速第21頁,共42頁，2024年2月25日，星期天22【補(bǔ)例】某車間有一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)中的單程列管式換熱器，熱空氣走管程，由120℃降至80℃，其對(duì)流傳熱系數(shù)α1=50W/m2·℃。殼程的水被加熱，水進(jìn)口溫度為15℃，出口升至90℃，其對(duì)流傳熱系數(shù)α2=2000W/m2·℃。管壁熱阻及污垢熱阻皆可不計(jì)，換熱器系逆流操作。試計(jì)算水量增加增加一倍時(shí)，水和空氣的出口溫度t2’和T2’為若干。分析：原工況下T1t1T2t2Q=Q’α1α2ΔtmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工況下ms2↑m’s2=2ms2α’1=α1α’2=20.8α2Q

和Q’均要變Q=Q’K?A不變對(duì)新舊工況進(jìn)行比較來進(jìn)行計(jì)算第22頁,共42頁，2024年2月25日，星期天23解：①舊工況下T1=120℃，T2=80℃，t1=15℃，t2=90℃

α1=50W/（m2·K），α2=2000W/（m2·K），T80←120t15→90△t6530(1)新工況下α’2=20.8α2第23頁,共42頁，2024年2月25日，星期天24TT’2←120t15→t’2△tT’2-15120-t’2(2)(1)/(2)得：(3)(4)第24頁,共42頁，2024年2月25日，星期天25(3)代入(4)，得：(5)聯(lián)立(3)和(5)，得：t‘2=61.9℃，T'2=69.9℃第25頁,共42頁，2024年2月25日，星期天26§4-17流體作自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)大容積自然Nu=f(Pr,Gr)

①由圖5-33和圖5-34→α②式子系數(shù)C與指數(shù)n可由表5-6選取。兩種方法：定性溫度用平均溫度（膜溫）定性尺寸見表5-6第26頁,共42頁，2024年2月25日，星期天27§4-18蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1、膜狀冷凝一、蒸汽冷凝的方式冷凝潛熱化工生產(chǎn)中一般是膜狀冷凝2、滴狀冷凝液膜是傳熱的主要熱阻α比膜狀冷凝時(shí)大幾倍至十幾倍第27頁,共42頁，2024年2月25日，星期天28二、膜狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)1、蒸汽在垂直管外（或板外）冷凝冷凝液為滯流流動(dòng)時(shí)：冷凝液為湍流流動(dòng)時(shí)：H第28頁,共42頁，2024年2月25日，星期天292、水平圓管外的α拉大管間距①單根蒸汽冷凝器一般采用臥式的更為有利與垂直放置比較②管束第29頁,共42頁，2024年2月25日，星期天303、影響冷凝傳熱的因素液膜呈滯流：△t↑→冷凝速率↑→δ↑→α↓⑴液膜兩側(cè)溫差⑵凝液物性見公式⑶蒸氣的流向與速度⑷蒸氣中不凝性氣體含量的影響p↑→不凝性氣體含量↑→冷凝時(shí)形成“氣膜”→α↓↓⑸蒸氣過熱⑹冷凝壁面的影響第30頁,共42頁，2024年2月25日，星期天31【補(bǔ)例】一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝給熱系數(shù)α1=1000W/m2·℃，冷卻水給熱系數(shù)α2=100W/m2℃，已測(cè)得冷卻水進(jìn)、出口溫度分別為t1=30℃，t2=35℃。如將冷卻水的流量增加一倍，蒸汽冷凝量增加多少？（已知該蒸汽在飽和溫度100℃下冷凝，且忽略熱損失）分析：原工況下T1t1T2t2Q=Q’α1α2ΔtmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工況下ms2↑m’s2=2ms2α’1=α1α’2=20.8α2Q

和Q’均要變Q=Q’K?A不變對(duì)新舊工況進(jìn)行比較來進(jìn)行計(jì)算第31頁,共42頁，2024年2月25日，星期天32解：據(jù)題意可知本題中新工況下?lián)Q熱任務(wù)有變化，故可由T100←100t30→35△t7065式中，原工況時(shí)：第32頁,共42頁，2024年2月25日，星期天33新工況時(shí)α’2=20.8α2T100←100t30→t’2△t70100-t’2∴

第33頁,共42頁，2024年2月25日，星期天34由上式解得：t’2=34.1℃

則蒸汽冷凝量之比為：即新工況下蒸汽冷凝量為原工況時(shí)的1.64倍討論：Δt’m的變化幅度很小，而K’值的變化卻較大，即冷凝量的增加主要是由于傳熱系數(shù)K’值的提高而所引起的。第34頁,共42頁，2024年2月25日，星期天35§4-19沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

在液體的對(duì)流傳熱過程中，在液相內(nèi)部有液體不斷汽化的過程，稱為沸騰傳熱過程。沸騰方法：①大容積沸騰；②管內(nèi)沸騰1、沸騰曲線汽化中心“粗糙壁面”具有的氣化核心對(duì)沸騰很重要第35頁,共42頁，2024年2月25日，星期天36

自然對(duì)流：△t較小≤5℃，α與q都比較低；泡核沸騰或核狀沸騰：△t>>5~25℃，α與q都急劇增大；△t>25℃，不穩(wěn)定，α與q急劇下降膜狀沸騰：臨界點(diǎn)自然對(duì)流泡狀沸騰膜狀沸騰第36頁,共42頁，2024年2月25日，星期天37工業(yè)上的沸騰裝置多維持在核狀沸騰狀態(tài)

2、沸騰對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算大容積飽和核狀沸騰(1)各參數(shù)見p244。(2)3、影響沸騰傳熱的因素(1)