無相變時對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關聯(lián)式

定律：

dt

dtQ

A

或q＝

dn

dn阻力推動力或tidt

ti

iib

AAQ

A

dn

b阻力

推動力tii

miimbdn

Ab

AQ

A

dt

t

或A1

A2

A1ln

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

湍流、層流、過渡流、管外彎管、非圓管通過流體機械作用所發(fā)生的對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.對流傳熱機理的分析層流時，傳熱方向上無質(zhì)點相混——傳熱方式為熱傳導；湍流時，層流底層為熱傳導，湍流主體能量交換頻繁，無傳熱阻力，即無溫差。對流傳熱影響因素多，過程復雜，難以建立簡單的數(shù)學解析式有效膜——將對流傳熱過程簡化為有效膜內(nèi)的熱傳導過程。W2

tt)W2

tt)(1

TWT)1

TWT)(對熱流體有：同樣，對冷流體有：——稱為

冷卻定律。α—對流傳熱系數(shù)，W/m2.K，反映對流傳熱的強弱程度?！褟碗s的對流傳熱過程簡化為α的求取。對流傳熱系數(shù)A

TQ

對流傳熱系數(shù)與導熱系數(shù)不同，它不是物性，而是受多種因素影響的一個參數(shù)。例如：流體有無相變，流體流動的原因，流體流動狀況，壁面情況，流體物性等都會影響傳熱系數(shù)。一般情況下，強制對流傳熱系數(shù)高于自然對流，有相變對流傳熱系數(shù)高于無相變。熱邊界層越薄，溫度梯度越大，對流傳熱系數(shù)越大。改善流動狀況，使層流底層厚度減小，是強化對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，因此可以采用定律來表達：

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，對流傳熱系數(shù)越大。改善流動狀況，使層流底層厚度減小，是強化對流傳熱的主要途徑之一。

dt

T

dy

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

密度差而引起流體的流動。一般流速較小，也較小。強制對流：由于外力和壓差而引起的流動。一般流速較大，也較大。強>自流體的物性--導熱系數(shù)、比熱、密度和粘度，，，cp流動形態(tài)流動狀態(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熱；湍流導熱和對流同時存在，傳熱強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；大小：如管徑和管長等；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—了解2強制對流：

30

~

300W

/

m

K自然對流：5

~

25W

/m2

K空氣中222水沸騰：

1500~

30000W

/

m

K蒸汽冷凝：

5000~

15000W

/

m

K強制對流：

1000~

8000W

/

m

K自然對流：200

~

1000W

/m2

K水中有相變

無相變自然強制氣總之：液2蒸汽冷凝：

500

~

3000W

/

m

K強制對流：500

~

1500W

/m2

K油類中2.因次分析方法在對流傳熱中的應用1)影響因素分析對于一定類型的傳熱面，在考慮自然對流的影響時，強制對流傳熱系數(shù)α是流速u、換熱面尺寸L、液體的粘度μ

、導熱系數(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：對于M：對于L：對于θ：對于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；計算所用單位，SI制3).實驗數(shù)據(jù)處理和待定系數(shù)的確定將式兩邊取對數(shù)，有：lg

Nu

lg

K

a

lg

Re

f

lg

Pr

h

lg

Gr通過實驗可以確定待定系數(shù)的值。使用公式時應注意：適用范圍：各準數(shù)實驗時的范圍。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：對流體的流動和傳熱影響最大的尺寸，如內(nèi)徑、外徑、當量直徑等。此時可忽略自然對流的影響。公式改寫為：lg

Nu

lg

K

a

lg

Re

f

lg

Pr四.管內(nèi)強制對流傳熱管內(nèi)湍流強制對流傳熱的實驗結(jié)果Nu

d

0.023

Re

0.8

Pr

n

0.023

整理實驗結(jié)果，有：當流體被加熱時，n=0.4；流體被冷卻時，n=0.3。上式的應用條件：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，特性尺對高粘性流體0.140.8

0.33(

)Wu

e

rN

0.027R

P

若對短管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－引入當量直徑。增大管內(nèi)強制對流傳熱系數(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)的對流傳熱系數(shù)。若苯的流量提高80%，仍維持原來的出口溫度，試求對流傳熱系數(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.管外強制對流傳熱平行于管：傳熱規(guī)律和準數(shù)關聯(lián)式與管內(nèi)相同，只是定性尺寸改為當量直徑。垂直于管（橫向流動）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。流體橫向流過單管的情況流體橫向流過直列管束的情況

流體橫向流過錯列管束的情況計算對流傳熱系數(shù)的準數(shù)關聯(lián)式：Nu

C

Re

n

Pr0.4有關參數(shù)可查閱相關文獻。x2x1dx1x2

d六.自然對流傳熱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)與流體流動中求解摩擦因子的方法類似，采用了因次分析的方法，講述了無相變對流傳熱情況下的對流傳熱系數(shù)的求解方法。熱邊界層概念對于理解對流傳熱過程，尋求強化傳熱過程有著十分重要的