對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式.ppt
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第3章傳熱,3.4 對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,,3.4.1 影響對流傳熱系數(shù)的因素,? 流動形態(tài) ? 流體流動原因 ? 流體物理性質(zhì) ? 傳熱面形狀、位置和大小 ? 相變化,代價:動力消耗↑。,(2)流體流動原因 強制對流:外部機械作功, 一般流速較大, α也較大。 自然對流:由流體密度差造成的循環(huán)過程, 一般流速較小, α也較小。,(1)流體流動狀態(tài),(3)流體的物理性質(zhì),(4)傳熱面的形狀、位置和大小 壁面的形狀,尺寸,位置、管排列方式等, 造成邊界層分離,增加湍動,使α增大。,(5)相變化的影響 有相變傳熱:蒸汽冷凝、液體沸騰, 無相變傳熱:強制對流、自然對流, 一般地,有相變時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。,例:水強制對流, 蒸汽冷凝,,① 努賽爾數(shù),說明: ▲ 反映對流傳熱的強弱,包含對流傳熱系數(shù);,說明: 反映流動狀態(tài)對 α 的影響。,l:特征尺寸,平板—— 流動方向的板長; 管 —— 管徑或當量直徑;,(2)特征數(shù)的物理意義,② 雷諾數(shù),③ 普朗特數(shù),說明:▲ 反映流體物性對傳熱的影響,使用時注意: * 查取定性溫度下的物性; * 計算所用單位,SI制。,說明: 反映自然對流的強弱程度。,④ 格拉斯霍夫數(shù)(浮升力特征數(shù)),,強制對流,自然對流,混合對流,應用準數(shù)關(guān)系式應注意的問題 (1)定性溫度 定性溫度:決定準數(shù)中各物性的溫度。 流體的平均溫度t=(t1+t2)/2為定性溫度; 壁面的平均溫度tw為定性溫度; 流體和壁面的平均溫度(稱為膜溫)tm=(t+tw)/2為定性溫度。 工程上大多以流體的平均溫度t=(t1+t2)/2為定性溫度。 (2)特性尺寸 特性尺寸:量綱為1的數(shù)群Nu,Re等中所包含的傳熱面尺寸。 圓管內(nèi):特性尺寸取管內(nèi)徑; 非圓管內(nèi):特性尺寸取當量直徑,de’=4流動截面積/傳熱周邊 (3)注意公式的應用條件。,3.4.3 無相變化的對流傳熱,(1)管內(nèi)強制對流傳熱 一般關(guān)系式:,① 流體在圓形直管內(nèi)強制湍流的對流傳熱系數(shù),a) 低粘度流體,流體被加熱,n= 0.4 流體被冷卻,n= 0.3,定性溫度:tm=(t1+t2)/2 特征尺寸:管內(nèi)徑d0,保證流體達到傳熱湍流;,適用條件:,說明:,避開傳熱進口段,保證穩(wěn)態(tài)傳熱。,,定性溫度:tm=(t1+t2)/2 特征尺寸:管內(nèi)徑d0,適用條件:,c) 流體流過短管(l/d50),影響:處于傳熱進口段,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 計算:采用以上各式計算α,并加以校正。,,d) 圓形彎管內(nèi)的強制對流 特點:離心力使徑向壓力不均,產(chǎn)生二次環(huán)流; 結(jié)果:流體湍動程度增加,使α增加; 同時,流動阻力損失增加。,e) 圓形直管內(nèi)過渡流時對流傳熱系數(shù),計算:采用湍流公式,但需加以校正。,說明:設(shè)計換熱器時,一般避免過渡流。,,f) 圓形直管內(nèi)強制層流 特點:1)傳熱進口段的管長所占比例較大; 2)熱流方向不同,也會影響; 3)自然對流的影響,有時不可忽略。,定性溫度:tm=(t1+t2)/2 ; 特征尺寸:管內(nèi)徑d。,適用條件:,,當,自然對流的影響不能忽略,先由上式進行計算,然后乘以校正系數(shù),g ) 非圓形管內(nèi)強制對流 ★ 采用圓形管內(nèi)相應的公式計算, 但特征尺寸采用當量直徑。 ★ 最好采用專用、經(jīng)驗公式。 如:套管環(huán)隙,式中:,例題1:有一雙管程列管換熱器,由96根Φ25mm2.5mm的鋼管組成。苯在管內(nèi)流動,由20℃被加熱到80℃,苯的流量為9.5kg/s,殼程中通入水蒸氣進行加熱。 試求:①管壁對苯的對流傳熱系數(shù); ②若苯的流率增加一倍,其他條件不變,此時的對流傳熱系數(shù)為多少; ③若管徑降為原來1/2,其他條件與①相同,此時對流傳熱系數(shù)為多少;,,② 管外強制對流 a) 流體橫向流過單管,常數(shù)C、指數(shù)n見下表,沿整個管周的平均對流傳熱系數(shù):,特征尺寸:管外徑,◆ 管束的排列方式 直列(正方形)、 錯列(正三角形),b) 流體橫向流過管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性,,直列,第一排管 直接沖刷 ; 第二排管 不直接沖刷;擾動減弱 第二排管以后基本恒定。,錯列,第一排管 錯列和直列基本相同; 第二排管 錯列和直列相差較大, 阻擋減弱,沖刷 增強; 第三排管以后基本恒定。,可以看出,錯列傳熱效果比直列好。 ◆ 傳熱系數(shù)的計算方法 任一排管子:,C、ε、n 取決于管排列方式和管排數(shù)。 特征尺寸:管外徑,適用范圍:,(3) 自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均,導致流體流動。 分類:大空間自然對流傳熱:邊界層發(fā)展不受限制和干擾。 有限空間自然對流傳熱:邊界層發(fā)展受到限制和干擾。,大空間自然對流傳熱:,計算方法,① 查表法,大空間內(nèi)流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時:,定性溫度:膜溫,定型尺寸:豎板,豎管,L; 水平管,外徑 do,影響因素:物性,傳熱面積、形狀、放置方式;,系數(shù)C和指數(shù)n的取值見下表:,② 經(jīng)驗關(guān)聯(lián),3.4.4.1有相變對流傳熱的特點 ① 相變過程中產(chǎn)生大量相變熱(潛熱); 例:水,3.4.4 有相變化的對流傳熱,② 相變過程有其特殊傳熱規(guī)律,傳熱更為復雜; ③ 分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。,(1) 蒸汽冷凝機理 優(yōu)點:飽和蒸汽具有恒定的溫度,操作時易于控制 蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)較大。,3.4.4.2蒸汽冷凝對流傳熱,,,,,,,,,,,,,液 膜,tw,ts,ts 飽和蒸汽,(2)冷凝方式: ① 膜狀冷凝 凝液呈液膜狀(附著力大于表面張力), 熱量:蒸汽相→液膜表面→固體壁面。 ② 滴狀冷凝 凝液結(jié)為小液滴(附著力小于表面張力), 有裸露壁面,直接傳遞相變熱。 比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) α滴狀冷凝>α膜狀冷凝,相差幾倍到幾十倍, 但工業(yè)操作上,多為膜狀冷凝。,膜狀冷凝的真實過程,實驗結(jié)果:實測值高于理論值(約20%) 原因:液膜的波動、假設(shè)的不確切性,(3) 膜狀冷凝傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián) ① 垂直管外或壁面上的冷凝 (a)液膜層流,(b)液膜湍流,注意:壁溫未知時,計算應采用試差法。,,,,說明:此式計算值和實驗結(jié)果基本一致。,② 水平單管冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 理論計算:按傾斜壁對方位角做積分(0-1800)。,,d—圓管外徑,m 定性溫度:膜溫 ,用膜溫查冷凝液的物性?、?和?;潛熱r用飽和溫度ts查;此時認為主體無熱阻,熱阻集中在液膜中。,,水平管外膜狀冷凝,(4) 影響冷凝傳熱的因素,◇ 冷凝液膜兩側(cè)的溫度差:,◇ 流體物性的影響:,◇ 不凝性氣體的影響:形成氣膜,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大幅度下降。,◇ 蒸汽過熱的影響:過熱蒸汽,若壁溫高于飽和溫度,傳熱過程與無相變對流傳熱相同;若壁溫低于飽和溫度,按飽和蒸汽冷凝處理。,◇ 蒸氣流速和流向的影響:流速不大時,影響可忽略; 流速較大時,且與液膜同向,α增大; 流速較大時,且與液膜反向,α減小。,沸騰: 沸騰時,液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生, 氣泡產(chǎn)生和運動情況,對α影響極大。 沸騰分類: ① 按設(shè)備尺寸和形狀不同 大容器飽和沸騰; 管內(nèi)沸騰 ② 按液體主體溫度不同 過冷沸騰:液體主體溫度t ts, 氣泡進入液體主體后冷凝。 飽和沸騰:t≥ts, 氣泡進入液體主體后不會冷凝。,3.4.4.3液體沸騰傳熱,(1) 大容積飽和沸騰傳熱機理 a) 汽泡能夠存在的條件:,◇ 必須有汽化核心,b) 汽泡產(chǎn)生的條件 ◇ 液體必須過熱 提供必須的汽化熱量 過熱度,說明: ● 因此無汽化核心,氣泡不會產(chǎn)生; ● 液體過熱度增大,汽化核心數(shù)增多。,汽化核心:體積很小的孔穴或固體顆粒, 氣泡能附著在其周圍生長。,沸騰過程:,過熱度↑,汽化核心數(shù)↑,氣泡產(chǎn)生和長大的速度↑, 使沸騰加劇,沸騰傳熱膜系數(shù)↑。,說明:由于氣泡產(chǎn)生,使液體擾動↑ 因此:,實驗條件: 大容積、飽和沸騰。,(2) 大容積飽和沸騰曲線,實驗獲得:,AB段 :無相變自然對流,無汽泡產(chǎn)生,α 緩慢增加 BC段 :核狀沸騰 一方面,,另一方面,汽膜覆蓋↑,又使α↓; 當兩者作用相抵消,出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點—臨界點(C點)。 臨界值:Δt、q、Q CD段 :核狀、膜狀共存,膜覆蓋為主,Δt↑, α ↓; DEF段:穩(wěn)定膜狀沸騰,全部膜覆蓋, Δt↑, α ↓; 而后輻射作用加強, Δt↑, α ↑。,沸騰曲線意義:,說明:工業(yè)上,應嚴格控制在核狀沸騰區(qū)內(nèi)操作。,(3) 影響的因素,加熱壁面的影響: ◇ 粗糙壁面, α↑,光滑的壁面, α↓; ◇ 被油脂污染的壁面, α↓,清潔表面, α↑; ◇ 水平管束沸騰傳熱,上排管 α↓ 。,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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