表面传热系数的经验关联

1、代价：动力消耗。,4.4 表面传热系数的经验关联 4.4.1 影响表面传热系数的因素,（2）流体流动原因 强制对流：外部机械作功， 一般流速较大， h也较大。 自然对流：由流体密度差造成的循环过程, 一般流速较小，h也较小。,（1）流体流动状态,（3）流体的物理性质,定性温度：计算表面传热系数的特征温度 一般，,（4）传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等， 造成边界层分离，增加湍动，使h增大。,（5）相变化的影响 有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾， 无相变传热：强制对流、自然对流， 一般地，有相变时表面传热系数较大。 例：水 强制对流， 蒸汽冷凝，,4.4.2 无相变化

2、时对流传热过程的量纲分析 （1）量纲分析过程 优点：减少实验次数； 依据：物理方程各项量纲一致； 步骤：,（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；,（b）构造函数形式；,（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、 ）； （d）规定已知量（指数）， 确定余下指数表达式； （e）整理特征数方程形式。,努赛尔数,说明： 反映对流传热的强弱，包含表面传热系数； 努赛尔数恒大于1。,说明： 反映流动状态对 h 的影响。,l：特征尺寸，平板 流动方向的板长； 管 管径或当量直径；,（2）特征数的物理意义,雷诺数,普朗特数,说明： 反映流体物性对传热的影响 反映热扩散和动量扩散的相对大小 反映流动边界

3、层和热边界层的相对厚度,使用时注意： * 查取定性温度下的物性； * 计算所用单位，SI制。,说明： 反映自然对流的强弱程度。, 格拉晓夫数（浮升力特征数）,强制对流,自然对流,混合对流,4.4.3 无相变化的对流传热,（1）管内强制对流传热 一般关系式：,传热流动状态划分（区别于流体流动时规律 ）, 流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数,a) 一般流体,流动状态不同，则 c、m、n 值不同,流体被加热，n= 0.4 流体被冷却，n= 0.3,定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径di,保证流体达到传热湍流；,适用条件：,说明：,避开传热进口段，保证稳态传热。,传热进口段：传热正

4、在发展，h不稳定 (随管长增加h减小),进口段温度分布和局部表面传热系数的变化,传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度。,说明：经验公式，有一定误差。,b)粘度较大流体,近似取：,适用条件：,定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径di,c)流体流过短管（l/d50）,影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。 计算：采用以上各式计算 h，并加以校正。,d) 圆形直管内过渡流时表面传热系数,计算：采用湍流公式，但需加以校正。,说明：设计换热器时，一般避免过渡流。,e) 圆形直管内强制层流 特点：1）传热进口段的管长所占比例较大； 2）热流方向不同，也会影响； 3）自然对流的影

5、响，有时不可忽略。,定性温度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：管内径di。,适用条件：,f ) 圆形弯管内的强制对流 特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流； 结果：流体湍动程度增加，使h增加； 同时，流动阻力损失增加。,g ) 非圆形管内强制对流 采用圆形管内相应的公式计算， 但特征尺寸采用当量直径。 最好采用专用、经验公式。 如：套管环隙,式中：, 管外强制对流 a) 流体横向流过单管,表面传热系数分布 1）低雷诺数（70800101300）=0-80，层流边界层厚度增大使h， 80，边界层分离，使h，有一个最低点。 2）高雷诺数（140000219000） 有两个最低点： N0

6、1： =70-80，层流边界 层湍流边界层； N02： =140（分离点）， 发生边界分离。,常数C、指数n见下表,沿整个管周的平均表面传热系数：,特征尺寸：管外径, 管束的排列方式 直列（正方形）、 错列（正三角形）,b) 流体横向流过管束的表面传热系数,直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意,直列,第一排管 直接冲刷 ； 第二排管 不直接冲刷；扰动减弱 第二排管以后基本恒定。,错列,第一排管 错列和直列基本相同； 第二排管 错列和直列相差较大， 阻挡减弱，冲刷 增强； 第三排管以后基本恒定。,各排管h的变化规律,可以看出，错列传热效果比直列好。 传热系数的计算方法 任一排管子：,

7、C、n 取决于管排列方式和管排数。 特征尺寸：管外径,适用范围：,c) 流体在列管换热器管壳间的传热,折流挡板 ： 壳程流体的流动方向不断改变， 较小Re（Re=100），即可达到湍流。,缺点：流动阻力，壳程压降的重要因素。,作用： 提高湍动程度，h，强化传热； 加固、支撑壳体。,管板,有折流挡板时壳程流体表面传热系数：,挡板切割度：25%D。,特征尺寸：流道的当量直径。,正方形排列,也可采用关联式：,正三角形排列,流速的确定：按最大流通截面 (最小流速) 计算。,说明： 无折流板时，流体平行流过管束， 按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。,(3) 自然对流传热 温度差引起流体密度不均，导致流

8、体流动。 分类：大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰。 有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰。,大空间自然对流传热：,大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：,表面传热系数的求取：,查图求解,大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时：,定性温度：膜温,定型尺寸：竖板，竖管，L； 水平管，外径 do,影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式；,系数C和指数n的取值见下表：, 经验关联,有相变对流传热的特点 相变过程中产生大量相变热（潜热）； 例：水,4.4.4 有相变化的对流传热,相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂； 分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。,(1) 蒸汽冷凝机理

9、 优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制 蒸汽冷凝的表面传热系数较大。 冷凝方式： 膜状冷凝 凝液呈液膜状（附着力大于表面张力）， 热量：蒸汽相液膜表面固体壁面。 滴状冷凝 凝液结为小液滴（附着力小于表面张力）， 有裸露壁面，直接传递相变热。 比较两种冷凝方式的表面传热系数 h滴状冷凝h膜状冷凝，相差几倍到几十倍， 但工业操作上，多为膜状冷凝。,(2) 膜状冷凝表面传热系数 努塞尔方程的理论推导 研究：垂直管外或壁面的膜状冷凝； 方法：真实模型简化模型数学模型求解。, 膜状冷凝的真实过程, 简化的物理模型 液膜很薄，层流流动，传热方式为导热，温度分布为线性； 蒸汽静止，汽-液界面无粘性应

10、力 ；,汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度t=ts； 冷凝液为饱和液体。, 建立数学模型求解 按假设，,推导膜厚：,做受力分析、质量衡算、热量衡算，得：,特征尺寸：L（竖壁或圆管壁高度）,倾斜壁面：, 努塞尔方程的无量纲化 液膜流动雷诺数,S 为流通面积 ； b 为周边长度 ； qm/S=G 质量流速。,冷凝负荷: M= qm /b 单位润湿周边上凝液的质量流率，kg/ms；,由热量衡算得，,说明：若为垂直管外冷凝，亦可采用上述努塞尔特方程，只 是Re中的润湿周边b需用d0代替，d0为竖管外径。,将上式代入努塞尔方程，则有：, 量纲为一努塞尔方程。,实验结果：实测值高于理论值（约20

11、%） 原因：液膜的波动、假设的不确切性,(3) 膜状冷凝传热膜系数的经验关联 垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜层流,（b）液膜湍流,注意：壁温未知时，计算应采用试差法。,完全由实验获得,说明：此式计算值和实验结果基本一致。, 水平管冷凝表面传热系数 （a）水平单管外冷凝 理论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0-1800）。,层流时，,水平管外膜状冷凝,（b）水平管束外冷凝,水平管束的排列通常有直排和错排两种 ：,第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。 其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的 影响，表面传热系数依次下降。,水平管束的排列及其对冷凝液膜厚度的影响,管排数不同时， 采用平均

12、管排数：, 近似取壳体直径上的管根数NTc,（c）水平管内冷凝 特点：考虑蒸汽流速对h的影响 （1）蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出， 可采用管外冷凝公式计算。 （2）当蒸汽速度较大时，可能形成两相流动， 应参考有关公式。,(4) 影响冷凝传热的因素, 冷凝液膜两侧的温度差：, 流体物性的影响：, 不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。, 蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。, 蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，h增大； 流速较大时，且与液膜反向，h减小。,沸腾: 沸腾

13、时，液体内部有气泡产生， 气泡产生和运动情况，对h影响极大。 沸腾分类： 按设备尺寸和形状不同 池式沸腾（大容积饱和沸腾）； 强制对流沸腾（有复杂的两相流）。 按液体主体温度不同 过冷沸腾：液体主体温度t ts， 气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾：tts， 气泡进入液体主体后不会冷凝。,（5）液体沸腾传热,1) 大容积饱和沸腾传热机理 a） 汽泡能够存在的条件：, 必须有汽化核心,b） 汽泡产生的条件 液体必须过热 提供必须的汽化热量,说明： 因此无汽化核心，气泡不会产生； 液体过热度增大，汽化核心数增多。,汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒， 气泡能附着在其周围生长。,气泡的产生过程,沸腾过程：,过热度，汽化核心数，气泡产生和长大的速度， 使沸腾加剧，沸腾传热膜系数。,说明：由于气泡产生，使液体扰动 因此：,实验条件: 大容积、饱和沸腾。,2) 大容积饱和沸腾曲线 曲线获得：,AB段 ：无相变自然对流，无汽泡产生，h 缓慢增加 BC段 ：核状沸腾 一方面，,另一方面，汽膜覆盖，又使h； 当两者作用相抵消，出现转折点临界点（C点）。 临界值：t、q、Q CD段 ：核状、膜状共存，膜覆盖为主，t，h； DEF段