第四节对流传热

第四节给热系数,一、对流传热速率方程牛顿冷却定律,牛顿冷却定律,热流体：,冷流体：,解决方法：研究各种对流传热情况下的大小、影响因素及计算式。,牛顿冷却定律存在的问题：,1.牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题，但它并非理论推导的结果，而是一种推论，即假设单位面积的传热速率与温差成正比。,2.该公式形式虽然简单，但它并未揭示对流传热过程的本质，并未减少计算困难，只不过将所有复杂的因素都转移到对流传热系数中，实质上是将矛盾集中到对流传热系数。,研究对流传热问题的核心,2.反映了对流传热的快慢,愈大表示对流传热愈快。,二、对流传热系数,对流传热系数的定义式,意义:,3.不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。,1.在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。,表5-8值的范围,3)实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。,1.的获得主要有三种方法：,1)理论分析法：建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。,三.对流传热系数的确定,2)类比方法：把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。,传热学及传递过程的研究内容,实验表明：与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因素有关。,2.影响对流传热系数的因素:,1)流动状态：层流和湍流的传热机理有本质的区别,层流:传热基本上依靠分子扩散作用的导热方式,质点无混杂运动。,湍流:湍流主体的传热为涡流作用引起的热对流，质点呈混杂运动，传热充分。但在壁面附近的层流内层中仍为热传导。,2)对流情况：自然对流，强制对流(流动和传热规律不同),自然对流：流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。,强制对流:外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体流动。u影响大。,均与相态，温度t和压力p有关,4)传热面的形状，位置和大小,传热面大小：流道尺寸（管径，管长，板高和进口效应）,5)传热有、无流体相变情况,传热面位置：(水平,垂直),管束排列方式,传热面形状：圆管,平板,环隙，翅片形式等,流体有无相变化，对传热有不同的影响,有流体相变：如蒸汽在冷壁面上的冷凝和液体在热壁面上的沸腾,总之：,3)流体的性质(Cp,，),3.各种情况下对流传热系数求算的特征数关系式,1）特征数关系式通式因次分析法,由实验可知流体无相变时：,基本因次：长度L，时间，质量M，温度T变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。,则有,无相变，强制对流：,无相变，自然对流：,表5-9特征数的名称、符号和含义,2）各特征数（准数）的特点及意义,也可取壁温,3.讨论经验关联式应用的几点注意事项:,a.适用范围,由于关联公式是在不同实验条件下得到的,故应用时应根据实际情况选用相应的公式,且准数范围不能超出规定。,b.特征(定性)尺寸:常以对传热发生重要影响的设备尺寸定量,如对管道:一般取d,或de(非圆管道),对平壁:一般取厚度或高度(长度),c.物性的定性温度,因物性随温度变化，在传热过程中，流体在不同位置温度不同，物性随之变化。,一般取法：进、出口流体的算术平均值,作定性温度。,或膜温,式中:,流体被加热时n=0.4,流体被冷却时n=0.3,(1).圆直管内强制湍流(低粘度液体及气体),流体在管内作强制对流传热,五、流体无相变时对流传热系数的经验关联式,应用条件:,Re10420cP,0.6Pr160（也有0.760）,定性温度：流体进、出口算术平均温度,特征尺寸：管内径,u,u0.8d,1/d0.2流体物性的影响，选大的流体强化措施：增大流速，减小管径,思考：与u、d有何比例关系？,提高管内对流传热系数的措施：,（2）圆直管中强制湍流（高粘度流体）,应用范围：,Re104;,0.6Pr50,特性尺寸：管内径。定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。,当壁温难以确定时/壁可按以下处理：,气体（加热、冷却）/壁=1.0,液体被加热/壁=1.05,液体被冷却/壁=0.95,（4）弯形圆管中强制湍流时对流传热系数,先求出Re，再根据流动状态及流体粘度（高、低粘度）选择公式计算。最后乘以弯管效应校正系数,R弯管道的弯曲半径,适应条件：Re=12000220000,其余同上：,（3）短管中强制湍流时对流传热系数,当l/d25000时，自然对流的影响不可忽略,上式按校正系数相乘予于修正。,（6）圆直管内强制层流流时的对流传热系数,(7)非圆形管强制湍流,1)当量直径法,2)直接实验法,套管环隙:水-空气系统,适用范围：12000Re100即达到湍流,正方形排列：,正三角形排列：,当量直径de要根据管子的排列方式而定：,流速u按流通截面最大处的截面计算：,式中h两块折流挡板间距离，m；D换热器壳径，m；do管子的外径，m；t相邻两管中心距，m。,由,可得：,提高壳程对流传热系数的措施：,注意：换热器无折流挡板时，壳体流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径。,所以：提高壳程对流传热系数的措施：,3）加强湍动，,2）,1）,七、大空间的自然对流传热,注意：C,n与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。表5-12定性温度：膜温特征尺寸：垂直的管或板为高度水平管为管外径,例5-17有一垂直蒸汽管，外径100mm，长3.5m，管外壁温度为110。若周围空气温度为30，试计算单位时间内由于自然对流散失于周围空气中的热流量。,分析：,（1）确定流动型态-自然对流,Q,自然对流,Gr,Pr,定性温度（膜温）,问题：怎么求？,Nu,复习：对流给热系数的计算：,一、无相变对流给热系数的计算,自然对流,管束外,水平圆管外,外壁,湍流,层流,管内,无相变,公式不要求记住，但是要会查，知道公式的每一项物理意义。每一个公式要知道适用范围，特性尺寸以及定性温度。,九、流体有相变时的对流传热,1.蒸汽冷凝时的状况,膜状,滴状,产生原因：冷凝壁有润湿作用，形成冷凝液膜,特点：传热阻力集中于膜中，导热系数小，热阻大，故给热系数小。,产生原因：壁面无润湿作用（光滑）。,特点：传热阻力小，给热系数大。,过程比较:,一）蒸汽冷凝传热系数,冷凝方式,故冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理,工业上遇到的大多数是膜状冷凝,(1)蒸汽在水平管外的膜状冷凝时的对流传热系数,2.蒸汽冷凝的对流传热系数经验关联式,(2)蒸汽在垂直管板上膜状冷凝时的对流传热系数,层流:Re1800,定性温度：膜温,特征尺寸：,单管：,管束：,n水平管束在垂直列上的管子数；r汽化潜热（ts下），kJ/kg。,特性尺寸：管或板高H,定性温度：膜温,例5-18101.3kPa（绝）下的水蒸气在单根管外冷凝（管内通空气作为冷却剂）。管径100mm，管长1.5m，管壁温度为98。（1）若管垂直放置，试计算蒸汽冷凝时的给热系数。（2）若管水平放置，重新计算冷凝给热系数。,分析：,（1）垂直放置,判断层流或者湍流,定性温度（膜温）,特性尺寸（长度）,验证,（2）水平放置,定性温度（膜温）,特性尺寸（管外径）,更简捷的求法？,具体解题过程见P178页例5-19,单组分饱和蒸汽冷凝时，气相内温度均匀，都是饱和温度，没有温度差，故热阻集中在冷凝液膜内。因此对一定的组分，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键因素。凡是有利于减薄液膜厚度的因素都可提高冷凝传热系数。这些因素为:,（2）流体物性:由膜状冷凝传热系数计算式可知,3影响冷凝传热的因素,（1）冷凝液膜两侧的温度差:,当液膜呈滞流流动时，,都影响冷凝传热系数。,（3）蒸汽的流速和流向:,蒸汽和液膜同向流动:,蒸汽和液膜逆向流动:,摩擦力将是液膜加速，厚度减薄，,但这种力若超过液膜重力，液膜会被蒸汽吹离壁面，,（4）蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气体（小）层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。因此在冷凝器的设计和操作中，都必须考虑排除不凝气。,（5）冷凝壁面的表面情况：对的影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，则会使膜层加厚，增加膜层阻力，因而降低,（6）冷凝壁面的影响：,a.垂直壁面（板或管）,若沿冷凝液流动方向的尺寸增大，沿途积存的液体增多，则液膜增厚，使下降，但当高度尺寸增至某一程度时，液膜进入湍流，有开始增大。,问题：冷凝液面从上面各排流到下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的比上排的要低。,故在设计和安装冷凝器时，应正确安放冷凝壁面。,b.水平布置的管束:,措施:为了减薄下面管排上液膜的厚度，一般需减少垂直列上的管子数目，或把管子的排列旋转一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流过，如图片4-29所示。,1.沸腾过程：对液体加热时，有液相变为气相的过程，即在液体内部产生气泡或气膜，因液体沸腾时必伴有液体流动，故属于对流传热过程。,二）液体沸腾时对流传热系数,大容积沸腾：将加热表面浸入液体的自由表面之下，液体在壁面受热沸腾。,管内沸腾：液体在管内流动过程中于管内壁发生的沸腾。其传热机理要较大容积沸腾复杂得多。,工业上的液体沸腾主要有两种：,本节主要讨论大容积沸腾，至于管内沸腾，请参阅有关专著。,大容积沸腾时，热通量q和的大小取决于加热壁面温度与液体饱和温度之差,2.液体沸腾曲线,沸腾曲线,过热度不大，气泡没有；,膜状沸腾,自然对流,核状沸腾,工业上常用,下图为常压下水在池内沸腾时的热通量q=Q/A、与t之间的关系曲线。,沸腾过程大致分三个阶段:,自然对流阶段:,核状沸腾阶段:,膜状沸腾状态:,在实践中，为保持理想的传热效果，常使沸腾温差保持在核状沸腾阶段，过高可引起局部过热而烧坏设备（暴沸现象）,图5-42,3.大容积饱和核状沸腾计算关联式,工业上常见的两个关联式：,（1）,Cwe见表5-13,（2）,注意每一个参数的物理意义,给热系数,导温系数,例5-20101.3kPa（绝）下的水在机械磨光的不锈钢容器内沸腾，钢表面保持113.9。试求给热系数。,分析：,首先判断是否为核状沸腾（查图5-41和5-42）,物性参数查表,具体解题过程见P182页例5-20,4.影响沸腾传热的主要影响因素,液体性质：,加热壁面状况：加热壁面的材质和粗糙