如何计算对流传热系数演示教学.ppt

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1、DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke如何如何计算算对流流传热系数系数DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke二、流体的流动型态：层流和湍流二、流体的流动型态：层流和湍流层流：层流：流体在热流方向上基本没有混合流动流体在热流方向上基本没有混合流动湍流：有混合流动，湍流：有混合流动，Re层流内层厚度层流内层厚度三、流体的性质三、流体的性质对对影响较大的物性主要有影响较大的物性主要有cp、和和四、传热面的型状、大四、传热面的型状、大小和位

2、置小和位置影响影响值值的有：的有：传热传热管、板、管束等不同，管、板、管束等不同，传热传热面的形状，面的形状，管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长长或板的高或板的高度等度等影响影响的因数很多的因数很多2DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke化工上常见的对流传热化工上常见的对流传热 流体无相变化时流体无相变化时 流体有相变化时流体有相变化时 强制对流传热强制对流传热 自然对流传热自然对流传热 蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝传热 液体沸腾传热液体沸腾传热 3Departmentof

3、ChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-16因次分析在对流传热中的应用因次分析在对流传热中的应用实验测定实验测定值值因数多因数多因次分析方法因次分析方法无因次数群无因次数群再实验再实验确定关系确定关系一、无相变化时强制湍流下的一、无相变化时强制湍流下的 七个物理量四个基本因次（质量七个物理量四个基本因次（质量M、长度、长度L、时间、时间、温度、温度T）3个无因次数群个无因次数群定理定理4DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke对流系数的准数对流系数的准数流

4、体的流动状态和湍动程度对对流传热流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响的影响流体物性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二、无相变化时自然对流下的 Nu pr 自然对流对对流传热的影响自然对流对对流传热的影响准数关联式是一种经验公式准数关联式是一种经验公式 5DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数NusseltNu L/表示对流传热表示对流传热系数的准数系数的准数雷诺准数雷诺准数ReynoldsReLu/确定流动状

5、态确定流动状态的准数的准数普兰特准数普兰特准数PrandtlPrcp/表示物性影响表示物性影响的准数的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数GrashofGr gtL3 2/2表示自然对流表示自然对流影响的准数影响的准数准数的符号与意义准数的符号与意义L传热面的特征尺寸传热面的特征尺寸m6DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke经验公式的应用应注意以下四点：经验公式的应用应注意以下四点：1、应用范围、应用范围2、定性尺寸（特性尺寸）、定性尺寸（特性尺寸）各准数各准数Nu、Re及及Gr中的特性尺寸中的特性尺寸l代表哪一个尺

6、寸，应遵照代表哪一个尺寸，应遵照所选用的关联式中规定尺寸所选用的关联式中规定尺寸3、定性温度、定性温度确定准数中流体的物性参数确定准数中流体的物性参数cp、等所依据的温度即为等所依据的温度即为定性温度。定性温度。主要取决于建立关联式时采用什么方法而定主要取决于建立关联式时采用什么方法而定有的用有的用膜温膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度（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）平均值，再取两者的算术平均值）有的用流体有的用流体进、出口温度的算术平均值进、出口温度的算术平均值7DepartmentofChemicalandEnvironmentalEng

7、ineeringCTGULaiQingke4-17流体做强制对流时的流体做强制对流时的对流传热系数对流传热系数一、流体在圆形直管内强制对流传热经验关联式为：经验关联式为：或或使用范围：使用范围：管长与管径之比管长与管径之比定性尺寸：定性尺寸：L取管内径取管内径di 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值定性温度取流体进、出口温度的算术平均值流体被加热时流体被加热时n=0.4；冷却时；冷却时n=0.3从分发展段以后：从分发展段以后：8DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke若使用条件不满足上述条件时，需修正：若使用条

8、件不满足上述条件时，需修正：当当时时乘以乘以1.021.07的系数加以修正的系数加以修正（1）对于短管）对于短管（2）壁温与主体温度相差较大）壁温与主体温度相差较大考虑壁温对粘度的影响考虑壁温对粘度的影响在壁温未知的情况下在壁温未知的情况下当液体被加热时当液体被加热时当液体被冷却时当液体被冷却时近似计算近似计算尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小（3）管内层流）管内层流层流层流导热导热自然对流自然对流对流传热对流传热要求强化要求强化避免层流避免层流p226式式5-65和式和式5-669DepartmentofChemicalandEnvironmentalEng

9、ineeringCTGULaiQingke（4）过渡流）过渡流(Re=200010000)因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时因湍流不充分，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算得的值须乘以小于1的校正系数的校正系数f（5）圆形弯管）圆形弯管离心力作用离心力作用扰动加剧扰动加剧乘以校正系数乘以校正系数（6）非圆形管道）非圆形管道两个途径：两个途径：、当量直径、当量直径、直接根据有关经验公式计算、直接根据有关经验公式计算p227式式5-7010DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke分

10、析式中各项物理参数对对流传热系数分析式中各项物理参数对对流传热系数带来的影响：带来的影响：其他参数一定，其他参数一定，与与u的的0.8次方成正比，说明增大流速有次方成正比，说明增大流速有利于利于的提高，但随的提高，但随u，阻力，阻力hf ，故应适当增大动力。，故应适当增大动力。其它参数一定，其它参数一定，u一定，一定，与与d的的0.2次方成反比，改变管次方成反比，改变管径对径对的影响不大。的影响不大。其它参数一定，其它参数一定，V一定，一定，与与d的的1.8次方成反比，改变管次方成反比，改变管径，缩小管径将使径，缩小管径将使。11DepartmentofChemicalandEnvironme

11、ntalEngineeringCTGULaiQingke【补例补例】列管换热器的列管内径为列管换热器的列管内径为15mm，长度为，长度为2.0m。管。管内有冷冻盐水（内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为）流过，其流速为0.4m/s，温度自，温度自-5升至升至15。假定管壁的平均温度为。假定管壁的平均温度为20，试计算管壁与，试计算管壁与流体间的对流传热系数。流体间的对流传热系数。解：定性温度解：定性温度=(-5+15)/2=5有关手册查得有关手册查得5时时25%CaCl2的物性为的物性为20时，时，则则（层流）（层流）12DepartmentofChemicalandEnvironm

12、entalEngineeringCTGULaiQingke在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小，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，故粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故可用式可用式(5-65)计计算，即算，即而而13DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke【例例5-16】已知已知Q=4105kJ/h，两个，两个单单程程换热换热器：器：D=270mm，n=48，252.5mm，l=3m问问：（：（1）两个）两个换热换热器能否器能否满满足要求？足

13、要求？（2）是并）是并还还是串？是串？液体液体温度温度质量流量质量流量kg/h比热比热kJ/kgK密度密度kg/m3导热系数导热系数W/mK粘度粘度pas入口入口出口出口有机液有机液63T2300002.2619500.172110-3水水28t2200004.18710000.6210.74210-3分析：分析：满满足工足工艺艺要求要求?K?i?o?Ri?Ro?A=ndltm?T1t1T2?t2?-NTU14DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingket1=28t2T1=63T12t1T1=63t2t3T212mh1

14、=30000kg/hmh2=20000kg/hmh1=15000kg/hmh1=15000kg/hmh2=20000kg/h单独进行计算单独进行计算?15DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke二、管外强制对流二、管外强制对流（a）流动情况）流动情况（b）对流传热系数变化情况）对流传热系数变化情况（图中（图中p表示局部表示局部对对流流传热传热系数，系数，表示平均表示平均对对流流传热传热系数系数）流体垂直流过单根圆管的流动情况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、流体绕单根圆管的流动情况16De

15、partmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2、流体在管束外横向流过的对流传热、流体在管束外横向流过的对流传热式中常数式中常数C1C2和指数和指数n见表见表5-5错列的错列的比直列时大比直列时大适用范围适用范围平均平均17DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke3、列管式换热器、列管式换热器18DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke图图5-30或或使用范围：使用范

16、围：特征尺寸：当量直径特征尺寸：当量直径de，根据管子排列形式分别计算；，根据管子排列形式分别计算；三角形：三角形：正方形：正方形：流速，可由流速，可由流体走短路流体走短路4、无折流板，平流流、无折流板，平流流动动，可用管内强制对流。可用管内强制对流。19DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke三、提高对流传热系数的途径三、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力求使流体在换热器中达到湍流管内管内管外管外uhf动力动力也可装置添加物也可装置添加物最佳流速最佳流速20DepartmentofChemica

17、landEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke【补例补例】某车间有一台运转中的单程列管式换热器，热空气走某车间有一台运转中的单程列管式换热器，热空气走管程，由管程，由120降至降至80，其对流传热系数，其对流传热系数1=50W/m2。壳。壳程的水被加热，水进口温度为程的水被加热，水进口温度为15，出口升至，出口升至90，其对流传，其对流传热系数热系数2=2000W/m2。管壁热阻及污垢热阻皆可不计，换。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口温度t2和和

18、T2为若干。为若干。分析：分析：原工况下原工况下T1t1T2t2Q=Q12tmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工况下新工况下ms2ms2=2ms21=12=20.82Q和和Q均要均要变变Q=QK?A不不变变对新旧工况进行比较来进行计算对新旧工况进行比较来进行计算21DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke解：解：旧工况下旧工况下T1=120，T2=80，t1=15，t2=901=50W/（m2K），），2=2000W/（m2K），），T80120t1590t6530(1)新工况下新工况下 2=20.8222D

19、epartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingkeTT2 120t15t2tT2-15120-t2(2)(1)/(2)得：得：(3)(4)23DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke(3)代入代入(4)，得：，得：(5)联立联立(3)和和(5)，得：，得：t2=61.9，T 2=69.924DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-17流体作自然对流时的对流传热系数流

20、体作自然对流时的对流传热系数大容积自然大容积自然Nu=f(Pr,Gr)由由图图5-33和和图图5-34式子系数式子系数C与指数与指数n可由表可由表5-6选选取。取。两种方法：两种方法：定性温度用平均温度（膜温）定性温度用平均温度（膜温）定性尺寸见表定性尺寸见表5-625DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-18蒸汽冷凝时的对流传热系数蒸汽冷凝时的对流传热系数1、膜状冷凝、膜状冷凝一、蒸汽冷凝的方式一、蒸汽冷凝的方式冷凝冷凝潜热潜热化工生产中一般是膜状冷凝化工生产中一般是膜状冷凝 2、滴状冷凝、滴状冷凝液膜是传

21、热的主要热阻液膜是传热的主要热阻比膜状冷凝时大几倍至十几倍比膜状冷凝时大几倍至十几倍26DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke二、膜状冷凝的对流传热系数二、膜状冷凝的对流传热系数1、蒸汽在垂直管外（或板外）冷凝、蒸汽在垂直管外（或板外）冷凝冷凝液为滞流流动时：冷凝液为滞流流动时：冷凝液为湍流流动时：冷凝液为湍流流动时：H27DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2、水平、水平圆圆管外的管外的拉拉大大管管间间距距单根单根蒸汽冷凝器一般

22、采用卧式的更为有利蒸汽冷凝器一般采用卧式的更为有利 与垂直放置比较与垂直放置比较管束管束28DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke3、影响冷凝传热的因素、影响冷凝传热的因素液膜呈滞流：液膜呈滞流：t冷凝速率冷凝速率液膜两侧温差液膜两侧温差凝液物性凝液物性见公式见公式蒸气的流向与速度蒸气的流向与速度蒸气中不凝性气体含量的影响蒸气中不凝性气体含量的影响p不凝性气体含量不凝性气体含量冷凝时形成冷凝时形成“气膜气膜”蒸气过热蒸气过热冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响29DepartmentofChemicalandEnviro

23、nmentalEngineeringCTGULaiQingke【补例补例】一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝给热系数一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝给热系数1=1000W/m2，冷却水冷却水给热给热系数系数2=100W/m2，已测得冷却水进、出口温度分，已测得冷却水进、出口温度分别为别为t1=30，t2=35。如将冷却水的流量增加一倍，蒸汽冷凝。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量增加多少？（已知该蒸汽在饱和温度100 100 下冷凝，且忽略下冷凝，且忽略热损失）热损失）分析：分析：原工况下原工况下T1t1T2t2Q=Q12tmK?A?ms1cp1?ms2cp2?新工况下新工况下m

24、s2ms2=2ms21=12=20.82Q和和Q均要均要变变Q=QK?A不不变变对新旧工况进行比较来进行计算对新旧工况进行比较来进行计算30DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke解：据题意可知本题中新工况下换热任务有变化，故可由解：据题意可知本题中新工况下换热任务有变化，故可由T100100t3035t7065式中，原工况时：式中，原工况时：31DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke新工况时新工况时 2=20.82T100100t3

25、0t2t70100-t232DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke由上式解得由上式解得：t2=34.1则则蒸汽冷凝量之比为：蒸汽冷凝量之比为：即新工况下蒸汽冷凝量为原工况时的即新工况下蒸汽冷凝量为原工况时的1.64倍倍讨论：讨论：tm的的变变化幅度很小，而化幅度很小，而K值值的的变变化却化却较较大，大，即冷凝量的增加主要是由于传热系数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。值的提高而所引起的。33DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGUL

26、aiQingke4-19沸腾时的对流传热系数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。过程，称为沸腾传热过程。沸腾方法：沸腾方法：大容积沸腾；大容积沸腾；管内沸腾管内沸腾1 1、沸腾曲线、沸腾曲线汽化中心汽化中心“粗糙壁面粗糙壁面”具有的气化核心对沸腾很重要具有的气化核心对沸腾很重要34DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke自然对流：自然对流：t较小较小5，与与q都比较低；都比较低；泡核沸腾或核状沸腾：泡核沸腾或

27、核状沸腾：t525，与与q都急剧增大；都急剧增大；t25，不稳定，不稳定，与与q急剧下降急剧下降膜状沸腾：膜状沸腾：临界点临界点自然对流自然对流泡状沸腾泡状沸腾 膜状沸腾膜状沸腾35DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke工业上的沸腾装置多维持在工业上的沸腾装置多维持在核状沸腾状态核状沸腾状态2、沸腾对流传热系数的计算、沸腾对流传热系数的计算大容积饱和核状沸腾大容积饱和核状沸腾(1)各参数见各参数见p244。(2)3、影响沸腾传热的因素、影响沸腾传热的因素(1)温度差的影响温度差的影响应尽量在核状沸腾阶段进行操作。

28、应尽量在核状沸腾阶段进行操作。(2)操作压力的影响操作压力的影响p，强化对流传热过程。，强化对流传热过程。(3)液体物性的影响液体物性的影响(4)加热面的影响加热面的影响壁面粗糙的，有利壁面粗糙的，有利表面张力小，有利表面张力小，有利36DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-20对流传热系数关联式小结对流传热系数关联式小结37DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke 的量级的量级空气中空气中水中水中总之：总之：油类中油类中38De

29、partmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke凝结传热凝结传热 1、凝结的、凝结的定义定义 蒸气与低于相应压力下饱和温度的冷壁面蒸气与低于相应压力下饱和温度的冷壁面 相接触时，在壁面上凝结出液滴的现象相接触时，在壁面上凝结出液滴的现象凝结换热实例凝结换热实例 锅炉中的水冷壁锅炉中的水冷壁 寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程39DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke膜状凝结膜状凝结：90,润湿能

30、力差润湿能力差,凝结液不能成片凝结液不能成片,热阻较小，热阻较小，故故h较大较大在上述两种类型的凝结传中在上述两种类型的凝结传中,凝结液均是构成凝结液均是构成蒸汽与壁面间热交换的热阻载体蒸汽与壁面间热交换的热阻载体一般：一般：h珠珠=(510)h膜以上膜以上如如:温度高于温度高于100的水蒸汽在经的水蒸汽在经过处理的铜表面上过处理的铜表面上珠状凝结时珠状凝结时,平均凝结传热系数可平均凝结传热系数可达达2.55105W/m2.K.40DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke膜状凝结的影响因素膜状凝结的影响因素1、不凝

31、结气体的影响不凝结气体的影响影响机理影响机理：(1)冷壁面附近形成一不凝结气体层，增加了一项热阻冷壁面附近形成一不凝结气体层，增加了一项热阻(2)不凝结气体的存在使壁面附近的蒸气分压下降，相不凝结气体的存在使壁面附近的蒸气分压下降，相 应的饱和温度下降，从而使凝结换热的驱动力下降应的饱和温度下降，从而使凝结换热的驱动力下降影响结果影响结果：使表面传热系数大大下降，换热削弱：使表面传热系数大大下降，换热削弱影响程度影响程度：与压力、热负荷、运动速度等有关：与压力、热负荷、运动速度等有关例：纯净水蒸汽膜状凝结，例：纯净水蒸汽膜状凝结，h=5820-11630W/m，含有含有1%空气时，实验证明空气时，实验证明h值将下降值将下降60%左右左右41DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢