第四章传热—3(对流传热分析和计算)讲解课件.ppt

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1、第五节 对流传热系数关联式,对流传热影响因素无相变时的对流传热系数 管内强制对流 管外强制对流 自然对流有相变时的对流传热系数 蒸汽冷凝 液体沸腾,1、流体的种类和相变化： 液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；,2、流体的物理性质： 影响较大的物性如密度、比热cp、导热系数、粘度等。,一、 影响对流传热系数的主要因素,3、流体的运动状况： 传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层厚度减薄，对流表面传热系数也就随之增大。,4、流体对流的状况： 自然对流，强制对流。,5、传热表面的形状、位置及大小： 如圆管、翅片管等不同传热表面形状；管板、管束、管径

2、；管长；管子排列方式；垂直放置或水平放置等。,无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：,八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度L，时间T，温度。,通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：,即,二、对流传热中的因次分析,准数符号及意义,准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。,在应用关联式时应注意以下几点：,1、应用范围,2、特性尺寸 无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。,3、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。

3、一般定性温度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。,4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。,Nu=0.023Re0.8Prn,当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。,特性尺寸 ： 取管内径， 长径之比大于60定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。,二、流体无相变时对流传热系数的关联式,1、流体在圆形直管内作强制对流,（1） 低粘度流体,应用范围：Re100000.7Pr120,Nu=0.023Re0.8Pr1/3（/w）0.14,特性尺寸：取管内径定性温度：除w取壁温下的粘度外，均为流体进、出口温度的算术平均

4、值。,（2） 高粘度流体,范围：同低粘度流体,例： 常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，603.5mm的钢管中流动，温度由150升到250。试求管壁对空气的对流传热系数。,解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度 t=（150+250）/2=200 查200时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.560,Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.2

5、8 104 104(湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68,本题中空气被加热,n=0.4代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4,流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：,Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14,特性尺寸：取管内径di定性温度： 除w取壁温下的值外，均为流体进、出口温度的算术平均值。,2、流体在圆形直管内作强制层流,应用范围：Re 23000.6Pr6700Gr 25000,

6、当自然对流的影响不能忽略时,对水平管，按下式计算,应用范围：Re50； 特性尺寸：取管内径di定性温度：壁温tw与流体进、出口平均温度的平均值tm,Nu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2,应用范围：Re 23000.6Pr6700Gr 25000,（3）流体在圆形直管内作过渡流,对流表面传热系数可先用湍流时计算，然后乘以 校正系数,流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。,式中 弯管中的对流传热系数，w/（m2 ） 直管中的对流传热系数，w/（m2 ） R 弯管轴的弯曲半径，m,（4）流体在弯管内作强制对流,例：一套管换热器，套管为

7、893.5mm钢管，内管为252.5mm钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15，出口为85。冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。,解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25 查25时水的物性数据（见附录）如下 ：Cp=4.179103J/kg =0.608W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3,Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在230010000之间，为过渡流区,Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-

8、2 =6.2a可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 进行计算,水被加热, k=0.4。,校正系数,采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径de即可。,当量直径按下式计算,或,（5）流体在非圆形管内强制对流,管束错列 Nu=0.33Re0.6Pr0.33管束直列 Nu=0.26Re0.6Pr0.33,应用范围： Re3000定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性尺寸：管外径。管束取10排，不是10排的查表进行修正。,2、流体在管外强制对流（1） 流体在管束外强制垂直流动,换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%的壳体内截面积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：,（a）多诺呼法 Nu=

9、0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14,应用范围: Re=(23)104 特性尺寸: 取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 定性温度: 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。,（2） 流体在换热器的管间流动,Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14,应用范围: Re=20001 1000000 特性尺寸: 取当量直径，管子排列不同，计算公式 也不同。 定性温度: 除w取壁温外，均为流体进、出口温度 的算术平均值。,（b）凯恩法,Nu=c（GrPr）n,定性温度：取膜的平均温度，即壁面温度和流体 平均温度的算术平均值。特性尺寸：对水平管取外径，对垂直管或板取

10、垂直 高度L。c值和n值查表。,3、自然对流传热,蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。,膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。,滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。,蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。,三、流体有相变时的对流传热系数1、蒸汽冷凝时的对流传热系数,（a）在垂直管或垂直板上作膜状冷凝,（b）水平管壁上作膜状冷凝,（1） 膜状冷凝时对流传热系数,不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。,

11、蒸汽流速和流向的影响,蒸汽的过热,流体物性:粘度、密度、导热系数、汽化热液膜两侧温差,(2)影响冷凝传热的因素：,表面粗糙度,一般换热设备中的冷凝可按膜状冷凝考虑。冷凝的传热系数一般都很大，如水蒸汽作膜状冷凝时的传热系数通常为500015000 W/(m2)。因而传热壁的另一侧热阻相对地大，是传热过程的主要矛盾。当蒸汽中不凝性气体的含量为1%时，可降低60%左右。因此冷凝器应装有放气阀，以便及时排除不凝性气体。,工业上沸腾的方法有两种：,（a） 管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。,（b） 大容积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。,沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发

12、器、 蒸汽锅炉等。,2、液体沸腾时的对流传热系数（1）沸腾传热的特点,由于液体沸腾的对流传热是一个复杂的过程，影响液体沸腾的因素很多，最重要的是传热壁与液体的温度差t。现以常压下水沸腾的情况为例，说明对流传热的情况。,（a）自然对流阶段 当温度差t较小时(AB段)，在加热表面上有少量的汽化核心，加热面附近的液层受到的扰动不大，传热主要以自然对流方式进行。 随t的增大而略有增大。此阶段称为自然对流区。,（b）核状沸腾阶段,当t逐渐升高时（BC段），在加热面上产生的汽化核心数目增加，由于这些蒸气泡的产生、脱离和上升使液体受到剧烈,的扰动，使随t的增大而迅速增大，在C点处达到最大值。此阶段称为核状沸

13、腾。 C点的温度差称为临界温度差。,（c）膜状沸腾阶段 当t继续增大时（CD段），气泡形成的过快，加热面逐渐被气泡覆盖，形成气膜，使得传热过程中的热阻变大，开始减小，到达D点时为最小值。此阶段称为膜状沸腾。,若在继续增加t （DE段），加热面完全被蒸气泡层所覆盖，通过该蒸气泡层的热量传递是以导热和热辐射方式进行。 再度随t的增大而增大。 一般的传热设备通常总是控制在核状沸腾下操作。,对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：,1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。,2、选定相应的对流传热系数计算式。,3、当流体

14、的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再进行验证。,4、计算公式中的各物性数据的单位。,对流传热系数小结,1、热辐射 物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程称为热辐射。,能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。,2、电磁波的波长范围及热射线,第六节 热辐射,一、基本慨念,3、吸收率 A，反射率 R 和透过率 D （Absorption,Reflection and Diaphaneity ),根据能量守恒定律：,物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和投射辐射的波长。,4、黑体、白体和透体,黑体 A=1 白体 R=1 透热体 D=1,5、灰体和黑度

15、,灰体： 能吸收所有波长范围的辐射能，且对不同波长辐射能的吸收率相等的物体称灰体。,6、辐射传热,物体向外发射辐射能，同时也自周围吸收辐射能。辐射传热：物体间相互发射和吸收辐射能的传热过程。,物体的辐射能力是指物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，记作E，单位是W/m2。 单色辐射能力是指物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内发射某一波长的辐射能。记作E，单位是W/m2。,二、物体的辐射能力,1、黑体辐射能力,黑体辐射能力与其表面热力学温度的四次方成正比。C0称为黑体的辐射常数，其值为5.67W/m2 K4。,四次方定律-斯蒂芬-波尔茨曼定律,由于0很小，所以常用

16、右式来表示：,（1）灰体辐射能力与其表面热力学温度的关系,C称为灰体的辐射常数。,（2）黑度：定义为灰体辐射能力与黑体的辐射能力之比。,2、灰体的辐射能力,常见工业材料的黑度见P200表4-7,3、物体的辐射能力与吸收能力的关系 基尔霍夫定律,假设有两个无限大的平行平壁：壁1为灰体，壁2为黑体。两壁面之间为透热体。系统对外界绝热。,对壁1来说，热量的收支差额为：,当两壁处于热平衡状态,表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值：恒等于同温度下黑体的辐射能力；并且只与温度有关。,基尔霍夫定律,对于任何灰体,即：灰体的吸收率，数值上等于同温度下该灰体的黑度。,比较,即：灰体的吸收率，数值上等于同温度下该

17、灰体的黑度。,若平行平壁的面积为A，则辐射传热速率为,C1-2称为物体1对2的总辐射系数，W/m2K4。,对于任意两物体之间的辐射传热速率的计算，有如下普遍适用的形式。,4、固体间的辐射传热,角系数,表示一个物体发射的总能量投射到另一个物体表面的分率。角系数为利用模型做实验测定。几种情况下的角系数和总辐射系数见表。,8 对流和辐射的联合传热,由对流传热而损失的热量为,由辐射传热而损失的热量为,在对流和热辐同时存在的场合，常将辐射传热也用对流传热速率方程表示：,设备的总热损失为：,辐射传热系数R为：,或表示成：,T称为对流辐射联合传热系数，单位W/m2空气自然对流时平壁保温层外： T=9.8+0.07(tw-t)圆筒保温层外： T=9.4+0.052(tw-t)空气沿粗糙管壁面强制对流空气流速u 5m/s时，T=6.2+4.2u空气流速u 5m/s时，T=7.8u0.78,例 用热电偶测量管内空气温度，测得热电偶温度为420，热电偶黑度为0.6，空气对热电偶的传热系数为35 Wm-2 -1，管内壁温度为300，试求空气温度。,解：当测量达到平衡（热电偶温度稳定不变）时：空气与热电偶的对流传热 = 热电偶与管壁辐射传热令空气温度为T=35w/m2.k C0=5.67w/m2.k4 =0.6代入得 T=523,