传热对流计算市公开课一等奖省赛课获奖课件

第三章

传热一、给热系数影响原因二、给热过程因次分析三、流体无相变时给热系数四、流体有相变时给热系数第四节

给热系数关联式

/10/10传热对流计算第1页三、对流传热系数影响原因1.流体种类和相改变情况——牛顿流体/非牛顿流体、有相变/无相变2.流体物性——密度、粘度、导热系数、比热容3.流体流动状态——层流/湍流4.流体流动原因——自然对流/强制对流自然对流：因为流体内部温度差造成密度差，引发流体流动。强制对流：因为外力和压差而引发流体流动。单位体积流体所受浮升力：5.传热面形状、大小及位置

/10/10传热对流计算第2页对流传热系数无相变有相变强制对流自然对流管内圆形直管弯管非圆形直管管束外垂直流动管间流动蒸汽冷凝液体沸腾管外单管外垂直流动层流过渡区湍流/10/10传热对流计算第3页α取得主要有三种方法：1．理论分析法：2．因次分析法*

：3．试验法：将影响给热原因无因次化，经过试验决定无因次准数之间关系。

对少数复杂对流传热过程适用

建立理论方程式，用数学分析方法求出α准确解或数值解。当前只适合用于一些几何条件简单几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。惯用方法/10/10传热对流计算第4页二、因次分析法在给热中应用1、流体无相变时强制给热过程列出影响该过程物理量，并用普通函数关系表示：确定无因次准数π数目/10/10传热对流计算第5页确定准数形式(1)列出物理量因次物理量因次物理量因次(2)选择m个物理量作为i个无因次准数共同物理量不能包含待求物理量所选m个物理量本身不能组成无因次准数选择共同物理量中应包含该过程中全部基本因次。/10/10传热对流计算第6页选择l、λ、μ、u作为三个无因次准数共同物理量(3)因次分析将共同物理量与余下物理量分别组成无因次准数对π1而言，实际因次为：/10/10传热对流计算第7页——流体无相变强制对流时准数关系式/10/10传热对流计算第8页2、自然对流传热过程包含7个变量，包括4个基本因次，——自然对流传热准数关系式/10/10传热对流计算第9页准数符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu表示给热系数

雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响准数格拉晓夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响准数/10/10传热对流计算第10页3、应用准数关联式应注意问题1）定性温度：各准数中物理性质按什么温度确定2）定性尺寸：Nu，Re数中应怎样选定。3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数数值范围。

/10/10传热对流计算第11页三、流体无相变时给热系数1、流体在管内作强制对流1）流体在圆形直管内作强制湍流a)低粘度（大约低于2倍常温水粘度）流体

当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。/10/10传热对流计算第12页管长与管径比

将计算所得α乘以应用范围：

定性尺寸：

Nu、Re等准数中

取为管内径di。定性温度：

取为流体进、出口温度算术平均值。b)高粘度液体

为考虑热流体方向校正项。

/10/10传热对流计算第13页当tw未知时，可近似认为：被加热时:

被冷却时：/10/10传热对流计算第14页

应用范围：

定性尺寸：

取为管内径di。定性温度：

除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度算术平均值。2)流体在圆形直管内作强制滞流当管径较小，流体与壁面间温度差较小，自然对流对强制滞流传热影响能够忽略时/10/10传热对流计算第15页应用范围：

定性尺寸：

管内径di。

定性温度：

除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度算术平均值。按上式计算出α后，再乘以一校正因子/10/10传热对流计算第16页3）流体在圆形直管内呈过渡流对于Re=2300～10000时过渡流范围，先按湍流公式计算α，然后再乘以校正系数f。

4）流体在弯管内作强制对流

/10/10传热对流计算第17页5）流体在非圆形管中作强制对流对于非圆形管内给热系数计算，前面相关经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。

套管环隙中给热，用水和空气做试验，所得关联式为：应用范围：Re=1~20，d2/d1=1.65~17

定性尺寸：

当量直径de定性温度：

流体进出口温度算术平均值。/10/10传热对流计算第18页其中：de=d2－d1

（参见P53页推导de公式）

—环隙流速，

/10/10传热对流计算第19页2、流体在管外强制对流/10/10传热对流计算第20页/10/10传热对流计算第21页1）流体在管束外强制垂直流动/10/10传热对流计算第22页Why？IIIIII

管外强制对流传热（1）流体横向流过单管传热：（2）流体横向流经管束（管簇）传热：/10/10传热对流计算第23页/10/10传热对流计算第24页流体在叉排管束外流过时，第3排及其以后管外给热系数流体在顺排管束外流过时，第3排及其以后管外给热系数α１＝０．６α３，α２＝０．９α３α１＝０．６α３，α２＝０．７α３/10/10传热对流计算第25页应用范围：特征尺寸：管外径do，流速取流体经过每排管子中最狭窄通道处速度。注意：当管排数较多时前两排影响可忽略，平均给热系数可近似按α３计算。全部管排平均给热系数A1、A2、A3…为对应第一排、第二排、第三排…传热面积/10/10传热对流计算第26页2）流体在换热器管间流动

当管外装有割去25%直径圆缺形折流板时，壳方对流传热系数关联式为：a)多诺呼(Donohue)法/10/10传热对流计算第27页/10/10传热对流计算第28页/10/10传热对流计算第29页应用范围：Re=3～2×104定性尺寸：管外径do，流速取换热器中心附近管排中最窄通道处速度定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度算术平均值。b)

凯恩（Kern）法/10/10传热对流计算第30页应用范围：Re=2×103~106

定性尺寸：

当量直径de。定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度算术平均值。当量直径可依据管子排列情况分别用不一样式子进行计算：/10/10传热对流计算第31页管子呈正方形排列时：

管子呈三角形排列时：

管外流速能够依据流体流过最大截面积A计算

/10/10传热对流计算第32页管内给热系数：圆形直管湍流

高粘度

层流无自然对流有自然对流时

过渡流

非圆形管：弯管：/10/10传热对流计算第33页3、自然对流

对于大空间自然对流，比如管道或传热设备表面与周围大气层之间对流传热，经过试验侧得c,n值在表5-5中。定性温度：壁温tw和流体进出口平均温度算术平均值，膜温。/10/10传热对流计算第34页4、提升给热系数路径

1）流体作湍流流动时传热系数远大于层流时传热系数，而且Re↑，α↑，应力争使流体在换热器内到达湍流流动。2）湍流时，圆形直管中给热系数

0.20.4/10/10传热对流计算第35页

α与流速0.8呈正比，与管径0.2次方呈反比，在流体阻力允许情况下，增大流速比减小管径对提升给热系数效果更为显著。

3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板情况

给热系数与流速0.55次方成正比，而与当量直径0.45次方成反比/10/10传热对流计算第36页

设置折流板提升流速和缩小管子当量直径，对加大对流传热系数都有较显著作用。4)不论管内还是管外，提升流u都能增大给热系数，不过增大u，流动阻力普通按流速平方增加，应依据具体情况选择最正确流速。5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选取螺纹管方法，增加流体湍动程度，给热系数增大，但此时能耗增加。/10/10传热对流计算第37页四、流体有相变时给热系数1、蒸汽冷凝时给热系数冷凝给热：蒸汽与低于饱和温度冷壁接触，释放出潜热后冷凝为液体，这一过程称为冷凝给热。1）蒸汽冷凝方式

a)膜状冷凝：

若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整液膜b)滴状冷凝：

若冷凝液体不能润湿壁面，因为表面张力作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下/10/10传热对流计算第38页/10/10传热对流计算第39页/10/10传热对流计算第40页

2）膜状冷凝传热系数

a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧冷凝

假设：①

冷凝液物性为常数，可取平均液膜温度下数值。②

蒸汽冷凝成液体时所传递热量，仅仅是冷凝潜热③

蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。④

冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为经过液膜进行热传导。

/10/10传热对流计算第41页修正后

定性尺寸：

H取垂直管或板高度。定性温度：

蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下值，其余物性取液膜平均温度。应用范围：/10/10传热对流计算第42页若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：膜层为层流若膜层为湍流（Re＞）时滞流时，Re值增加，α减小；湍流时，Re值增加，α增大；/10/10传热对流计算第43页/10/10传热对流计算第44页b)蒸汽在水平管外冷凝

c)蒸汽在水平管束外冷凝/10/10传热对流计算第45页3）影响冷凝传热原因a）冷凝液膜两侧温度差△t

当液膜呈滞流流动时，若△t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。b）流体物性液膜密度、粘度及导热系数，蒸汽冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。c)蒸汽流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流动，α减小，摩擦力超出液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，α急剧增大；/10/10传热对流计算第46页d)蒸汽中不凝气体含量影响

蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。e)冷凝壁面影响若沿冷凝液流动方向积存液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。比如管束，冷凝液面从上面各排流到下面各排，使液膜逐步增厚，所以下面管子α要比上排为低。冷凝面表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。/10/10传热对流计算第47页/10/10传热对流计算第48页2、液体沸腾时给热系数

液体沸腾

大容积沸腾

管内沸腾

1）沸腾曲线

当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随温度升高较慢。当△t逐步升高，在加热表面局部位置产生气泡，该局部位置称为气化关键。气泡产生速度随△t上升而增加，α急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。

/10/10传热对流计算第49页lgα0.11.010100100010000表面蒸发泡核沸腾膜态沸腾

IIIIIIIVVVI/10/10传热对流计算第50页

当△t再增大，加热面气化关键数深入增多，且气泡产生速度大于它