如何计算对流传热系数

关于如何计算对流传热系数2§4-15影响对流传热系数的因素一、引起流动的原因(ρ1-

ρ2)g=ρ2

gβ△t

1强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动2自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动

设ρ1、ρ2

分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均体积膨胀系数；

如果t1<t2,则

ρ1=ρ2

（1+β△t）

单位体积流体所产生的升力为火α与流动的类型有关第2页,共42页，2024年2月25日，星期天3二、流体的流动型态：层流和湍流层流：流体在热流方向上基本没有混合流动α↓湍流：有混合流动，Re↑层流内层厚度δ↓α↑三、流体的性质

对α影响较大的物性主要有

cp

、λ、μ和ρ四、传热面的型状、大α小和位置

影响α值的有：传热管、板、管束等不同，传热面的形状，管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等影响α的因数很多第3页,共42页，2024年2月25日，星期天4化工上常见的对流传热流体无相变化时流体有相变化时强制对流传热自然对流传热蒸汽冷凝传热液体沸腾传热第4页,共42页，2024年2月25日，星期天5§4-16因次分析在对流传热中的应用实验测定α值因数多因次分析方法无因次数群再实验确定关系一、无相变化时强制湍流下的α

七个物理量四个基本因次（质量M、长度L、时间θ、温度T）3个无因次数群π定理第5页,共42页，2024年2月25日，星期天6对流系数的准数流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响流体物性对对流传热的影响二、无相变化时自然对流下的α

Nu

pr

自然对流对对流传热的影响准数关联式是一种经验公式第6页,共42页，2024年2月25日，星期天7准数名称符号准数式意义努塞尔特准数NusseltNu

L/

表示对流传热系数的准数雷诺准数ReynoldsReLu

/

确定流动状态的准数普兰特准数PrandtlPrcp

/

表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数GrashofGr

g△tL3

2/

2表示自然对流影响的准数准数的符号与意义L—传热面的特征尺寸m第7页,共42页，2024年2月25日，星期天8经验公式的应用应注意以下四点：1、应用范围2、定性尺寸（特性尺寸）

各准数Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一个尺寸，应遵照所选用的关联式中规定尺寸3、定性温度

确定准数中流体的物性参数cp、μ、ρ等所依据的温度即为定性温度。主要取决于建立关联式时采用什么方法而定

有的用膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度平均值，再取两者的算术平均值）有的用流体进、出口温度的算术平均值第8页,共42页，2024年2月25日，星期天9§4-17流体做强制对流时的

对流传热系数一、流体在圆形直管内强制对流传热经验关联式为：或使用范围：管长与管径之比定性尺寸：L取管内径di定性温度取流体进、出口温度的算术平均值流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3从分发展段以后：第9页,共42页，2024年2月25日，星期天10若使用条件不满足上述条件时，需修正：当时乘以1.02~1.07的系数加以修正（1）对于短管（2）壁温与主体温度相差较大考虑壁温对粘度的影响在壁温未知的情况下当液体被加热时当液体被冷却时近似计算尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小（3）管内层流层流导热自然对流对流传热→要求强化→避免层流α↓p226式5-65和式5-66第10页,共42页，2024年2月25日，星期天11（4）过渡流(Re=2000~10000)

因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时算得的值须乘以小于1的校正系数f（5）圆形弯管离心力作用扰动加剧α↑乘以校正系数

（6）非圆形管道两个途径：ⅰ、当量直径ⅱ、直接根据有关经验公式计算p227式5-70第11页,共42页，2024年2月25日，星期天12分析式中各项物理参数对对流传热系数α带来的影响：①其他参数一定，α与u的0.8次方成正比，说明增大流速有利于α的提高，但随u↑，阻力∑hf

↑，故应适当增大动力。②其它参数一定，u一定，α与d的0.2次方成反比，改变管径对α的影响不大。③其它参数一定，V一定，α与d的1.8次方成反比，改变管径，缩小管径将使α↑。第12页,共42页，2024年2月25日，星期天13【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自-5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与流体间的对流传热系数。解：定性温度=(-5+15)/2=5℃有关手册查得5℃时25%CaCl2的物性为20℃时，则（层流）第13页,共42页，2024年2月25日，星期天14

在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小，粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故α可用式(5-65)计算，即

而第14页,共42页，2024年2月25日，星期天15【例5-16】已知Q’=4×105kJ/h，两个单程换热器：D=270mm，n=48，φ25×2.5mm，l=3m问：（1）两个换热器能否满足要求？（2）是并还是串？液体温度℃质量流量kg/h比热kJ/kg·K密度kg/m3导热系数W/m·K粘度pa·s入口出口有机液63T2300002.2619500.1721×10-3水28t2200004.18710000.6210.742×10-3分析：满足工艺要求?K?αi?αo?Ri?Ro?A=nπdlΔtm?T1t1T2?t2?ε-NTU第15页,共42页，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单独进行计算??第16页,共42页，2024年2月25日，星期天17二、管外强制对流（a）流动情况（b）对流传热系数变化情况（图中αp表示局部对流传热系数，α表示平均对流传热系数）流体垂直流过单根圆管的流动情况1、流体绕单根圆管的流动情况第17页,共42页，2024年2月25日，星期天182、流体在管束外横向流过的对流传热式中常数C1C2和指数n见表5-5错列的α比直列时大适用范围平均α第18页,共42页，2024年2月25日，星期天193、列管式换热器第19页,共42页，2024年2月25日，星期天20图5-30α或使用范围：特征尺寸：当量直径de，根据管子排列形式分别计算；三角形：正方形：流速，可由流体走短路4、无折流板，平流流动，α可用管内强制对流。第20页,共42页，2024年2月25日，星期天21三、提高对流传热系数的途径力求使流体在换热器中达到湍流α↑管内管外u↑α↑∑hf↑动力↑也可装置添加物最佳流速第21页,共42页，2024年2月25日，星期天22【补例】某车间有一台运转中的单程列管式换热器，热空气走管程，由120℃降至80℃，其对流传热系数α1=50W/m2·℃。壳程的水被加热，水进口温度为15℃，出口升至90℃，其对流传热系数α2=2000W/m2·℃。管壁热阻及污垢热阻皆可不计，换热器系逆流操作。试计算水量增加增加一倍时，水和空气的出口温度t2’和T2’为若干。分析：原工况下T1t1T2t2Q=Q’α1α2ΔtmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工况下ms2↑m’s2=2ms2α’1=α1α’2=20.8α2Q

和Q’均要变Q=Q’K?A不变对新旧工况进行比较来进行计算第22页,共42页，2024年2月25日，星期天23解：①旧工况下T1=120℃，T2=80℃，t1=15℃，t2=90℃

α1=50W/（m2·K），α2=2000W/（m2·K），T80←120t15→90△t6530(1)新工况下α’2=20.8α2第23页,共42页，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页,共42页，2024年2月25日，星期天25(3)代入(4)，得：(5)联立(3)和(5)，得：t‘2=61.9℃，T'2=69.9℃第25页,共42页，2024年2月25日，星期天26§4-17流体作自然对流时的对流传热系数大容积自然Nu=f(Pr,Gr)

①由图5-33和图5-34→α②式子系数C与指数n可由表5-6选取。两种方法：定性温度用平均温度（膜温）定性尺寸见表5-6第26页,共42页，2024年2月25日，星期天27§4-18蒸汽冷凝时的对流传热系数1、膜状冷凝一、蒸汽冷凝的方式冷凝潜热化工生产中一般是膜状冷凝2、滴状冷凝液膜是传热的主要热阻α比膜状冷凝时大几倍至十几倍第27页,共42页，2024年2月25日，星期天28二、膜状冷凝的对流传热系数1、蒸汽在垂直管外（或板外）冷凝冷凝液为滞流流动时：冷凝液为湍流流动时：H第28页,共42页，2024年2月25日，星期天292、水平圆管外的α拉大管间距①单根蒸汽冷凝器一般采用卧式的更为有利与垂直放置比较②管束第29页,共42页，2024年2月25日，星期天303、影响冷凝传热的因素液膜呈滞流：△t↑→冷凝速率↑→δ↑→α↓⑴液膜两侧温差⑵凝液物性见公式⑶蒸气的流向与速度⑷蒸气中不凝性气体含量的影响p↑→不凝性气体含量↑→冷凝时形成“气膜”→α↓↓⑸蒸气过热⑹冷凝壁面的影响第30页,共42页，2024年2月25日，星期天31【补例】一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝给热系数α1=1000W/m2·℃，冷却水给热系数α2=100W/m2℃，已测得冷却水进、出口温度分别为t1=30℃，t2=35℃。如将冷却水的流量增加一倍，蒸汽冷凝量增加多少？（已知该蒸汽在饱和温度100℃下冷凝，且忽略热损失）分析：原工况下T1t1T2t2Q=Q’α1α2ΔtmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工况下ms2↑m’s2=2ms2α’1=α1α’2=20.8α2Q

和Q’均要变Q=Q’K?A不变对新旧工况进行比较来进行计算第31页,共42页，2024年2月25日，星期天32解：据题意可知本题中新工况下换热任务有变化，故可由T100←100t30→35△t7065式中，原工况时：第32页,共42页，2024年2月25日，星期天33新工况时α’2=20.8α2T100←100t30→t’2△t70100-t’2∴

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

则蒸汽冷凝量之比为：即新工况下蒸汽冷凝量为原工况时的1.64倍讨论：Δt’m的变化幅度很小，而K’值的变化却较大，即冷凝量的增加主要是由于传热系数K’值的提高而所引起的。第34页,共42页，2024年2月25日，星期天35§4-19沸腾时的对流传热系数

在液体的对流传热过程中，在液相内部有液体不断汽化的过程，称为沸腾传热过程。沸腾方法：①大容积沸腾；②管内沸腾1、沸腾曲线汽化中心“粗糙壁面”具有的气化核心对沸腾很重要第35页,共42页，2024年2月25日，星期天36

自然对流：△t较小≤5℃，α与q都比较低；泡核沸腾或核状沸腾：△t>>5~25℃，α与q都急剧增大；△t>25℃，不稳定，α与q急剧下降膜状沸腾：临界点自然对流泡状沸腾膜状沸腾第36页,共42页，2024年2月25日，星期天37工业上的沸腾装置多维持在核状沸腾状态

2、沸腾对流传热系数的计算大容积饱和核状沸腾(1)各参数见p244。(2)3、影响沸腾传热的因素(1)