表面传热系数的经验关联教学课件2

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,10,2,10,3,10,4,10,5,10,100,200,2300,10,2,10,3,10,4,10,Gr/Pr,=1,管内强制对流,Nu/Pr,0.4,与,Re,的关系,Nu,/,Pr,0.4,Re,1,4.4.3,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：,t,m,=(,t,1,+,t,2,)/2,特征尺寸：,管内径,d,i,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,：传热正在发展，,h,不稳定,(,随管长增加,h,减小,),O,x,Nu,x,或,h,x,Nu,x,h,x,Nu,x,或,h,x,的变化趋势,t,c,W,t,c,W,x,ent,t,(,r,x,),充分发展了的边界层,层流情况下流体在管内温度分布,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：,t,m,=(t,1,+t,2,)/2,特征尺寸：,管内径,d,i,c),流体流过,短管,（,l,/d80,，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：,N01,：,=70-80,，层流边界 层湍流边界层；,N02,：,=140,（分离点），,发生边界分离。,400,300,200,100,500,800,700,600,160,o,120,o,40,o,0,o,80,o,Nu,不同,Re,下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化,Re,=219000,186000,140000,101300,70800,170000,常数,C,、指数,n,见下表,沿整个管周的平均表面传热系数：,Re,C,n,0.44,440,404000,400040000,40000400000,0.989,0.911,0.683,0.193,0.0266,0.330,0.385,0.466,0.618,0.805,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,x,2,x,1,d,直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意,x,1,x,2,d,错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。,x,2,x,1,d,x,1,x,2,d,各排管,h,的变化规律,0.8,0.6,0.4,0.2,1.0,1.6,1.4,1.2,120,o,90,o,30,o,0,o,60,o,Nu,2.0,1.8,150,o,180,o,0,o,90,o,180,o,直列管束中，不同排数的圆管上局部,h,沿周向的变化（,Re,=1.410,4,，空气）,1,2,37,Nu,0.8,0.6,0.4,0.2,1.0,1.6,1.4,1.2,120,o,90,o,30,o,0,o,60,o,2.0,1.8,150,o,180,o,0,o,90,o,180,o,错列管束中，不同排数的圆管上局部,h,沿周向的变化（,Re,=1.410,4,，空气）,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,：,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,装有圆缺折流板的列管换热器,圆缺,折流板,管板,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。,圆缺,折流板示意图,管板,10,10,2,10,3,10,4,10,10,2,1,管壳式换热器表面传热系数计算曲线,Re,RePr,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,d,0,t,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。,D,S,1,S,2,B,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。,d,0,t,(3),自然对流传热,温度差引起流体密度不均，导致流体流动。,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,：,竖直壁面上表面传热系数的分布,近壁处温度与流速的分布,沿竖壁自然对流的流动和换热特征,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,1.6,1.2,0.8,0.0,2.0,3.2,2.8,2.4,6,4,-1,2,0.4,12,10,8,0,流体沿,垂直壁面,作自然对流时,lg(,Nu,),与,lg(,GrPr,),的关系曲线,lg(,GrPr,),lg(,Nu,),1.2,0.8,0.4,-0.4,1.6,3.2,2.8,2.0,2,0,-5,-1,0.0,8,6,4,-3,流体沿,水平壁面,作自然对流时,lg(,Nu,),与,lg(,GrPr,),的关系曲线,lg(,GrPr,),lg(,Nu,),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,d,o,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,d,o,L,传热面的形状及位置,GrPr,C,n,特征长度,垂直的平板及圆柱面,10,-1,10,4,10,4,10,9,10,9,10,13,查图,4.1.15(a),0.59,0.1,查图,4.1.15(a),1/4,1/3,高度,L,水平圆柱面,0,10,-5,10,-5,10,4,10,4,10,9,10,9,10,11,0.4,查图,4.1.15(b),0.53,0.13,0,查图,4.1.15(b),1/4,1/3,外径,d,0,水平板热面朝上或水平板冷面朝下,2,10,4,8,10,6,8,10,6,10,11,0.54,0.15,1/4,1/3,矩形取两边平均值圆盘,0.9d,狭长条取短边,水平板热面朝下或水平板冷面朝上,10,5,10,11,0.58,1/5,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,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。,膜状冷凝,滴状冷凝,(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,h,x,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,-,液界面无粘性应力 ；,汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度,t,=t,s,；,冷凝液为饱和液体。,y,x,努塞尔特膜状冷凝简化模型,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：,蒸气在斜壁上的冷凝,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；,q,m,/,S,=,G,质量流速。,冷凝负荷,:,M=,q,m,/,b,单位润湿周边上凝液的质量流率，,kg/m,s,；,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,d,0,代替，,d,0,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%,）,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,水平圆管外膜状冷凝,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（,0-180,0,）。,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,：,1,2,3,4,2,1,2,3,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，,采用平均管排数：,近似取壳体直径上的管根数,N,Tc,（,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。,蒸汽,凝液,不凝气,(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,t,s,，,气泡进入液体主体后冷凝,。,饱和沸腾：,t,t,s,，,气泡进入液体主体后不会冷凝,。,（,5,）液体沸腾传热,液体主体,t,液体主体,t,t,s,液体主体,t,t,s,1),大容积饱和沸腾传热机理,a,）汽泡能够存在的条件：,a,b,c,d,气泡的生成过程,气泡的力平衡,p,l,p,v,r,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：,0.1,1.0,10,10,2,10,3,h,A,B,C,D,E,F,自然对流,核状沸腾,膜状沸腾,稳定区,不稳定膜状,沸腾温度差和表面传热系数关系,t,=(,t,w,-,t,s,)/,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,：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，,t,，,h,；,而后辐射作用加强，,t,，,h,。,沸腾曲线意义,:,说明,：,工业上，应严格控制在核状沸腾区内操作。,3),影响的因素,加热壁面的影响：,粗糙壁面,h,，光滑的壁面,h,；,被油脂污染的壁面,h,，清洁表面,h,；,水平管束沸腾传热，上排管,h,。,4),沸腾传热膜系数,参看有关手册，管外沸腾传热更为常用。,（,a,）水在,10,5,4,10,5,Pa,压力下的核状沸腾,（,b,）不同液体在不同清洁面上的核状沸腾,