给热系数ppt课件

02:26,4.4给热系数,1,02:26,对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程。,1.引起对流的原因自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，也较小。强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。,一、给热系数的影响因素和数值范围,2,02:26,流动流体与外界的传热,静止流体与外界的传热,强制对流,自然对流,3,02:26,3.流体的物性当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响较大的物性有：，cp。的影响：；的影响：Re；cp的影响：cpcp单位体积流体的热容量大，则较大；的影响:Re,2.流动的流动形态层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。,；但Re动力消耗大。,4,02:26,5.是否发生相变主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，复杂。,4.传热面的形状、大小和位置不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。（1）形状：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管径和管长等；（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）；管或板是垂直放置还是水平放置。,对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。,5,02:26,二、给热系数与因次分析,(一)获得给热系数的方法,影响的因素很多，牛顿冷却公式只能看作是的一个定义式,不能揭示有关因素与的内在联系。获得表达式的方法主要有以下几个：,1、分析法是指对描述某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。是研究传热问题的基础理论方法，但是数学处理上困难。,6,02:26,2、数值法是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和速率的方法。,3、实验法通过实验来获得不同情况下的给热计算式（关联式或经验式），是目前工程计算的主要依据。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行。即对某一类给热问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。,7,02:26,基本因次:共4个，长度L，时间T，质量M，温度变量总数:共8个,特性尺寸,特征流速,粘度,定压比热容,密度,单位体积流体的升浮力,给热系数,因次分析之后，所得准数关联式中共有4个无因次数群（由定理8-4=4）,(二)因次分析,8,02:26,因次分析结果如下：,努塞尔数(Nusselt):待定准数（包含对流传热系数）,普朗特数(Prandtl):反映流体物性对对流传热的影响,雷诺数(Reynolds):表征流体流动型态对对流传热的影响。,9,02:26,格拉晓夫(Grashof):表征自然对流对对流传热的影响,10,02:26,（1）定性温度由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。定性温度的取法：1）流体进出口温度的平均值tm=(t2+t1)/2；2）膜温t=(tm+tW)/2。（2）特性尺寸它是代表换热面几何特征的长度量，通常选取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。另外，实验范围是有限的，准数关联式的使用范围也就是有限的。,11,02:26,（一）流体在管内的强制对流,使用范围：Re10000，0.650,1圆形直管内的强制湍流,三、流体作强制对流时的给热系数,12,02:26,注意：（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm；（2）特征尺寸为管内径di；（3）流体被加热时，n0.4，流体被冷却时，n0.3；,n取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。,温度对近壁处层流底层内流体粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。,（4）特征速度为管内平均流速。,13,02:26,不同情况下对前面公式进行修正：,a高粘度,要考虑壁面温度变化引起粘度变化对的影响（是在tm下；而W是在tw下）。在实际中，由于壁温难以测得，工程上作近似处理。,对于液体，加热时：,冷却时：,14,02:26,b过渡区2300Re10000时，先按湍流计算，然后乘以校正系数,过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的Re小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，减小。,c当l/d60时则为短管，由于管入口扰动增大，较大，乘上校正系数f。,15,02:26,d流体在弯管中的对流传热系数先按直管计算，然后乘以校正系数f,d管径；R弯管的曲率半径。,由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，增大。,16,02:26,式中d1、d2分别为套管外管内径或内管外径。适用范围：d1/d2=1.6517，,e非圆形直管内强制对流,采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。,此为近似计算，采用经验公式和专用式更为准确。套管环隙：,17,02:26,特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。,热流方向对层流速度的影响,2圆形直管内的强制层流,18,02:26,1）Gr25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数,在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。,20,02:26,流体可垂直流过单管和管束两种情况。由于工业中所用的换热器多为流体垂直流过管束，由于管间的相互影响，其流动的特性及传热过程均较单管复杂得多。,流体垂直于单根圆管作管外流动的情况,四、流体在管外的强制对流,21,02:26,1流体垂直流过管束流体垂直流过管束时，管束的排列情况可以有直列和错列两种。各排管的变化规律：第一排管，直列和错列基本相同；第二排管，直列和错列相差较大；第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定；从图中可以看出，错列传热效果比直列好。,22,02:26,23,02:26,单列的对流传热系数用下式计算,适用范围：5000Rets），壁面无冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触（tW5C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。,56,02:26,(3)CD段，t25C进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，由于气体的导热系数较小，使，此阶段称为不稳定膜状沸腾。(4)DE段，t250C时，气膜稳定，由于加热面tW高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾。,工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下大，tW小。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点C称为临界点（此后传热恶化），其对应临界值tc、c、qc。对于常压水在大容器内沸腾时：tc=25C、qc=1.25106W/m2。,57,02:26,3沸腾传热的影响因素和强化措施,（1）流体物性流体的、等有影响；或，；或，。一般来说，有机物的大，在同样的P和t下比水的小；而且表面张力小，润湿能力大的液体，有利于气泡形成和脱离壁面，大。措施：在液体中加入少量添加剂，改变其表面张力。（2）温差t从沸腾曲线可知，温差t是影响和控制沸腾传热过程的重要因素，应尽量控制在核状沸腾阶段进行操作。,58,02:26,（3）操作压力提高操作压力P，相当于提高液体的饱和温度ts，使液体的，有利于气泡形成和脱离壁面，强化了沸腾传热，在同温差下，增大。（4）加热面的状况加热面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于传热。新的、洁净的、粗糙的加热面，大；当壁面被油脂玷污后，会使下降。此外，加热面的布置情况，对沸腾传热也有明