無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

定律：

dt

dtQ

A

或q＝

dn

dn阻力推動(dòng)力或tidt

ti

iib

AAQ

A

dn

b阻力

推動(dòng)力tii

miimbdn

Ab

AQ

A

dt

t

或A1

A2

A1ln

A2Am平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)筒壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)對(duì)數(shù)平均面積主要內(nèi)容一.對(duì)流傳熱概述二.求解對(duì)流傳熱系數(shù)的基本方法三.對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的建立方法四.管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱五.管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱本講小結(jié)一.對(duì)流傳熱概述流體與固體壁面之間的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流傳熱，在傳熱過(guò)程中有極為重要的地位。1.依據(jù)流體在傳熱過(guò)程中的狀態(tài)，對(duì)流傳熱分為兩類(lèi)共四種情況：無(wú)相變傳熱有相變傳熱強(qiáng)制對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱蒸汽冷凝液體沸騰管內(nèi)

湍流、層流、過(guò)渡流、管外彎管、非圓管通過(guò)流體機(jī)械作用所發(fā)生的對(duì)流由于流體冷熱不同部分的密度差所產(chǎn)生的升力引起2.對(duì)流傳熱機(jī)理的分析層流時(shí)，傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)相混——傳熱方式為熱傳導(dǎo)；湍流時(shí)，層流底層為熱傳導(dǎo)，湍流主體能量交換頻繁，無(wú)傳熱阻力，即無(wú)溫差。對(duì)流傳熱影響因素多，過(guò)程復(fù)雜，難以建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)解析式有效膜——將對(duì)流傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為有效膜內(nèi)的熱傳導(dǎo)過(guò)程。W2

tt)W2

tt)(1

TWT)1

TWT)(對(duì)熱流體有：同樣，對(duì)冷流體有：——稱(chēng)為

冷卻定律。α—對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2.K，反映對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱程度?！褟?fù)雜的對(duì)流傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為α的求取。對(duì)流傳熱系數(shù)A

TQ

對(duì)流傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)不同，它不是物性，而是受多種因素影響的一個(gè)參數(shù)。例如：流體有無(wú)相變，流體流動(dòng)的原因，流體流動(dòng)狀況，壁面情況，流體物性等都會(huì)影響傳熱系數(shù)。一般情況下，強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)高于自然對(duì)流，有相變對(duì)流傳熱系數(shù)高于無(wú)相變。熱邊界層越薄，溫度梯度越大，對(duì)流傳熱系數(shù)越大。改善流動(dòng)狀況，使層流底層厚度減小，是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑之一。邊界層內(nèi)溫度為99％主體溫度處距管壁的距離為邊界層厚度，其中的傳熱主要為熱傳導(dǎo)，因此可以采用定律來(lái)表達(dá)：

w

dt

tq

n

dy

將上式與

冷卻定律比較，有：

w熱邊界層越薄，溫度梯度越大，對(duì)流傳熱系數(shù)越大。改善流動(dòng)狀況，使層流底層厚度減小，是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑之一。

dt

T

dy

二.求解對(duì)流傳熱系數(shù)的基本方法1.理論方法：對(duì)流傳熱的物理現(xiàn)象模型邊界層微分方程組數(shù)學(xué)分析方法求解2.實(shí)驗(yàn)方法——因次分析法三影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素1.引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體

密度差而引起流體的流動(dòng)。一般流速較小，也較小。強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。一般流速較大，也較大。強(qiáng)>自流體的物性--導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度和粘度，，，cp流動(dòng)形態(tài)流動(dòng)狀態(tài)取決于雷諾數(shù)的大小。湍

>

層層流流體與壁面的傳熱靠導(dǎo)熱；湍流導(dǎo)熱和對(duì)流同時(shí)存在，傳熱強(qiáng)度主要取決于層流底層的熱阻。傳熱面的形狀，大小和位置--特征尺寸形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L(zhǎng)等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。的量級(jí)—了解2強(qiáng)制對(duì)流：

30

~

300W

/

m

K自然對(duì)流：5

~

25W

/m2

K空氣中222水沸騰：

1500~

30000W

/

m

K蒸汽冷凝：

5000~

15000W

/

m

K強(qiáng)制對(duì)流：

1000~

8000W

/

m

K自然對(duì)流：200

~

1000W

/m2

K水中有相變

無(wú)相變自然強(qiáng)制氣總之：液2蒸汽冷凝：

500

~

3000W

/

m

K強(qiáng)制對(duì)流：500

~

1500W

/m2

K油類(lèi)中2.因次分析方法在對(duì)流傳熱中的應(yīng)用1)影響因素分析對(duì)于一定類(lèi)型的傳熱面，在考慮自然對(duì)流的影響時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)α是流速u(mài)、換熱面尺寸L、液體的粘度μ

、導(dǎo)熱系數(shù)λ

、密度ρ

、比熱Cp、浮升力ρ

gβΔT的函數(shù)。

(u,

L,

,

,

,Cp

,

g

T

)p

K

ua

Lb

c

d

e

C

f

(

g

T

)hV0→V0＋

V′2）因次分析物理量αuLμ單位W·m-2·K-1m/smkg·m-1·s-1因次M·T-1·θ-3L·θ-1LM·L-1·θ-1指數(shù)1abc物理量*ρCpρgβΔT單位W·m-1·T-1kg/m3J·kg-1·K-1N/m3因次M·L·T-1·θ-3M·L-3L2·T-1·θ-2M·L-2·θ-2指數(shù)defh依據(jù)因次一致性原則，有：對(duì)于M：對(duì)于L：對(duì)于θ：對(duì)于T：c+d+e+h=1a+b-c+d-3e+2f-2h=0a+c+3d+2f+2h=3d+f=1選擇a、f、h作為獨(dú)立變量，解方程得：b=

a+3h-1c=f-a-2hd=1-fe=a+h將以上系數(shù)代入方程，有：f

L

K

2

L3

2

gT

hpc

a

L

u

aNu

K

Re

Pr

f

Grh查取定性溫度下的物性；計(jì)算所用單位，SI制3).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和待定系數(shù)的確定將式兩邊取對(duì)數(shù)，有：lg

Nu

lg

K

a

lg

Re

f

lg

Pr

h

lg

Gr通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以確定待定系數(shù)的值。使用公式時(shí)應(yīng)注意：適用范圍：各準(zhǔn)數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的范圍。定性溫度：流體平均溫度tf＝（t1+t2）/2；壁面平均溫度；膜溫tm＝（tW+tf）/2。特性尺寸：對(duì)流體的流動(dòng)和傳熱影響最大的尺寸，如內(nèi)徑、外徑、當(dāng)量直徑等。此時(shí)可忽略自然對(duì)流的影響。公式改寫(xiě)為：lg

Nu

lg

K

a

lg

Re

f

lg

Pr四.管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱管內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Nu

d

0.023

Re

0.8

Pr

n

0.023

整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有：當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；流體被冷卻時(shí)，n=0.3。上式的應(yīng)用條件：氣體和低粘度液體，Re

1040.7

Pr

120L

/

d

500.8

nd

Re

Pr物性參數(shù)的定性溫度為流體寸取管內(nèi)徑。的平均溫度，特性尺對(duì)高粘性流體0.140.8

0.33(

)Wu

e

rN

0.027R

P

若對(duì)短管L/D≤30～40，校以f＝1.02～1.07eR1.8f

1

6105層流0.1411

13(Re

3

Pr

3(

))

1.86d

d

l

WGr

＜250001f

0.8(1

0.015Gr

3

)Gr

＞25000過(guò)渡流

2000＜Re＜104，彎管

校以

f＝（1＋1.77d/R）其中，d為管內(nèi)徑，R為彎管曲率半徑。非圓形管－引入當(dāng)量直徑。增大管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)的途徑：

0.023

Re

0.8

Pr

nd在管路條件不變的情況下，增大流速，α增大。在流量不變的情況下，減小管徑或采用蛇管。例題：列管式換熱器，n=60，Φ25×2.5mm，苯走管內(nèi)，t1=20℃，t2=80℃，ms1=13kg/s，求管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)。若苯的流量提高80%，仍維持原來(lái)的出口溫度，試求對(duì)流傳熱系數(shù)。解：苯的平均溫度：2121

2

(t

t

)

1

(20

80)

50CT

查得苯的物性數(shù)據(jù)為：

860kg/

m3Cp

1.80kJ

/(kgC)a3

0.4510

P

s

0.14W

/(m

C)管內(nèi)苯的流速為：4ms1

0.8m

/

su

41360

860

(25

2.5

2)2

106n

d

24

3.06

10Re

0.45

103d

u

(25

2.5

2)

103

0.8860

5.79Pr

1.80

103

0.451030.14Cp

Re和Pr的值均在經(jīng)驗(yàn)公式的取值范圍內(nèi)，有：0.40.4

4

0.80.80.020.14

5.79

Pr

0.023

(3.06

10

)iid

0.023

Re

1260W

/(m2

C)若流量增加80％，則：

1.80.8

1.6

u

u'

0.8ii

'i

'

1.6i

1.61260

2016W

/(m

C)2五.管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱平行于管：傳熱規(guī)律和準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式與管內(nèi)相同，只是定性尺寸改為當(dāng)量直徑。垂直于管（橫向流動(dòng)）垂直與平行交替：列管式換熱器殼

體和管壁間的傳熱多屬于此種情況。流體橫向流過(guò)單管的情況流體橫向流過(guò)直列管束的情況

流體橫向流過(guò)錯(cuò)列管束的情況計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式：Nu

C

Re

n

Pr0.4有關(guān)參數(shù)可查閱相關(guān)文獻(xiàn)。x2x1dx1x2

d六.自然對(duì)流傳熱Nu

C(Gr

Pr)n定性溫度：膜溫；n＝1/8～1/3特性尺寸：水平管——外徑；

垂直管、板——長(zhǎng)度Δt=tw-tGr

PrCN1×10-3~5

×1021.181/85×102~2

×1070.54?2×107~1

×10130.1351/3本講小結(jié)與流體流動(dòng)中求解摩擦因子的方法類(lèi)似，采用了因次分析的方法，講述了無(wú)相變對(duì)流傳熱情況下的對(duì)流傳熱系數(shù)的求解方法。熱邊界層概念對(duì)于理解對(duì)流傳熱過(guò)程，尋求強(qiáng)化傳熱過(guò)程有著十分重要的