對流傳熱系數(shù)的影響因素

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1、2021-5-16 第第第 三三三 章章章 傳 熱傳 熱傳 熱 一 、 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 影 響因 素二 、 對 流 傳 熱 過 程 的 因 次分 析三 、 流 體 無 相 變 時 的 對 流傳 熱 系 數(shù)四 、 流 體 有 相 變 時 的 對 流傳 熱 系 數(shù)第第第 五五五 節(jié)節(jié)節(jié) 對 流 傳 熱 系 數(shù) 關 聯(lián) 式對 流 傳 熱 系 數(shù) 關 聯(lián) 式對 流 傳 熱 系 數(shù) 關 聯(lián) 式 2021-5-16 一 、 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 影 響 因 素一 、 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 影 響 因 素一 、 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 影 響 因 素 1、 流 體 的 種 類 和

2、 相 變 化 的 情 況 2、 流 體 的 物 性1） 導 熱 系 數(shù) 滯 流 內(nèi) 層 的 溫 度 梯 度 一 定 時 ， 流 體 的 導 熱 系 數(shù) 愈 大 ， 對流 傳 熱 系 數(shù) 也 愈 大 。2） 粘 度 流 體 的 粘 度 愈 大 ， 對 流 傳 熱 系 數(shù) 愈 低 。3） 比 熱 和 密 度 2021-5-16 cp： 單 位 體 積 流 體 所 具 有 的 熱 容 量 。 cp值 愈 大 ， 流 體 攜 帶 熱 量 的 能 力 愈 強 ， 對 流 傳 熱 的 強度 愈 強 。（ 4） 體 積 膨 脹 系 數(shù) 體 積 膨 脹 系 數(shù) 值 愈 大 ， 密 度 差 愈 大 ， 有 利

3、于 自 然 對 流。 對 強 制 對 流 也 有 一 定 的 影 響 。3、 流 體 的 溫 度4、 流 體 流 動 狀 態(tài) 湍 流 的 對 流 傳 熱 系 數(shù) 遠 比 滯 流 時 的 大 。 2021-5-16 5、 流 體 流 動 的 原 因 強 制 對 流 ：自 然 對 流 ： 由 于 外 力 的 作 用 由 于 流 體 內(nèi) 部 存 在 溫 度 差 ， 使 得 各 部 分的 流 體 密 度 不 同 ， 引 起 流 體 質(zhì) 點 的 位 移單 位 體 積 的 流 體 所 受 的 浮 力 為 ： 1 2 2 2 2 1 tg g g t 6、 傳 熱 面 的 性 狀 、 大 小 和 位 置 2

4、021-5-16 二 、 因 次 分 析 法 在 對 流 傳 熱 中 的 應 用二 、 因 次 分 析 法 在 對 流 傳 熱 中 的 應 用二 、 因 次 分 析 法 在 對 流 傳 熱 中 的 應 用列 出 影 響 該 過 程 的 物 理 量 ， 并 用 一 般 函 數(shù) 關 系 表 示 ： ( )pf l c u g t ， ， ， ， ， ，確 定 無 因 次 準 數(shù) 的 數(shù) 目8 4 4i n m 2021-5-16 準 數(shù) 的 符 號 和 意 義準 數(shù) 名 稱 符 號 準 數(shù) 式 意 義努 塞 爾 特 準 數(shù)（ Nusselt） Nu l 表 示 對 流 傳 熱 的 系 數(shù) 雷 諾

5、準 數(shù)（ Reynolds） Re lu 確 定 流 動 狀 態(tài) 的 準 數(shù)普 蘭 特 準 數(shù)（ Prandtl） Pr pc 表 示 物 性 影 響 的 準 數(shù)格 拉 斯 霍 夫 準 數(shù)（ Grashof） Gr 2 23 tlg 表 示 自 然 對 流 影 響 的 準 數(shù) 2021-5-16 3、 應 用 準 數(shù) 關 聯(lián) 式 應 注 意 的 問 題1） 定 性 溫 度 ： 各 準 數(shù) 中 的 物 理 性 質(zhì) 按 什 么 溫 度 確 定 2） 定 性 尺 寸 ： Nu， Re數(shù) 中 L應 如 何 選 定 。3） 應 用 范 圍 ： 關 聯(lián) 式 中 Re,Pr等 準 數(shù) 的 數(shù) 值 范 圍 。

6、 2021-5-16 三 、 流 體 無 相 變 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù)三 、 流 體 無 相 變 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù)三 、 流 體 無 相 變 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù)1、 流 體 在 管 內(nèi) 作 強 制 對 流1） 流 體 在 圓 形 直 管 內(nèi) 作 強 制 湍 流a)低 粘 度 （ 大 約 低 于 2倍 常 溫 水 的 粘 度 ） 流 體 nreu PRN 8.0023.0 nrPdud 8.0023.0 或當 流 體 被 加 熱 時 n=0.4， 流 體 被 冷 卻 時 ， n=0.3。 2021-5-16 ,1206.0,10000 re PR 管 長 與

7、管 徑 比 60/ idl時 ，若 60/ idl 將 計 算 所 得 的 乘 以 7.0)(1 Ldi應 用 范 圍 ： 定 性 尺 寸 ： Nu、 Re等 準 數(shù) 中 的 l取 為 管 內(nèi) 徑 di。定 性 溫 度 ： 取 為 流 體 進 、 出 口 溫 度 的 算 術(shù) 平 均 值 。b) 高 粘 度 的 液 體 14.023.08.0027.0 wreu uPRN 14.0 wu 為 考 慮 熱 流 體 方 向 的 校 正 項 。 2021-5-16 應 用 范 圍 ： 60,167007.0,1000Re ir dLP定 性 尺 寸 ： 取 為 管 內(nèi) 徑 di。定 性 溫 度 ： 除

8、 w取 壁 溫 以 外 ， 其 余 均 取 液 體 進 、 出 口 溫 度 的算 術(shù) 平 均 值 。 2) 流 體 在 圓 形 直 管 內(nèi) 作 強 制 滯 流 當 管 徑 較 小 ， 流 體 與 壁 面 間 的 溫 度 差 較 小 ， 自 然 對 流 對強 制 滯 流 的 傳 熱 的 影 響 可 以 忽 略 時 2021-5-16 應 用 范 圍 ： 14.031313186.1 wireu LdPRN 10,25000,6.06700,2300Re LdPRGP irerr定 性 尺 寸 ： 管 內(nèi) 徑 di。 定 性 溫 度 ： 除 w取 壁 溫 以 外 ， 其 余 均 取 液 體 進 、

9、 出 口 溫 度 的算 術(shù) 平 均 值 。 時 ，當 25000rG 按 上 式 計 算 出 后 ， 再 乘 以 一 校 正 因 子 31015.018.0 rGf 2021-5-16 3） 流 體 在 圓 形 直 管 內(nèi) 呈 過 渡 流 對 于 Re=230010000時 的 過 渡 流 范 圍 ， 先 按 湍 流 的公 式 計 算 ， 然 后 再 乘 以 校 正 系 數(shù) f。 8.1 51061 eRf 4） 流 體 在 彎 管 內(nèi) 作 強 制 對 流 Rdi /77.11 2021-5-16 5） 流 體 在 非 圓 形 管 中 作 強 制 對 流 對 于 非 圓 形 管 內(nèi) 對 流 傳

10、 熱 系 數(shù) 的 計 算 ， 前 面 有 關 的 經(jīng)驗 式 都 適 用 ， 只 是 要 將 圓 管 內(nèi) 徑 改 為 當 量 直 徑 de。 套 管 環(huán) 隙 中 的 對 流 傳 熱 ， 用 水 和 空 氣 做 實 驗 ， 所 得 的關 聯(lián) 式 為 ： 318.053.02102.0 ree PRddd 應 用 范 圍 ： Re=12000220000， d1/d2=1.6517 定 性 尺 寸 ： 當 量 直 徑 de定 性 溫 度 ： 流 體 進 出 口 溫 度 的 算 術(shù) 平 均 值 。 2021-5-16 2、 流 體 在 管 外 強 制 對 流 2021-5-16 2021-5-16 1

11、） 流 體 在 管 束 外 強 制 垂 直 流 動 2021-5-16 2021-5-16 2021-5-16 流 體 在 錯 列 管 束 外 流 過 時 ， 平 均 對 流 傳 熱 系 數(shù)33.06.0 PrRe33.0Nu流 體 在 直 列 管 束 外 流 過 時 ， 平 均 對 流 傳 熱 系 數(shù)33.06.0 PrRe26.0Nu應 用 范 圍 ： 3000Re特 征 尺 寸 ： 管 外 徑 do， 流 速 取 流 體 通 過 每 排 管 子 中 最 狹 窄通 道 處 的 速 度 。 其 中 錯 列 管 距 最 狹 窄 處 的 距離 應 在 （ x 1-do） 和 2（ t-do） 兩

12、 者 中 取 小 者 。注 意 ： 管 束 排 數(shù) 應 為 10， 若 不 是 10時 ， 計 算 結(jié) 果 應 校 正 。 2021-5-16 2） 流 體 在 換 熱 器 的 管 間 流 動 當 管 外 裝 有 割 去 25%直 徑 的 圓 缺 形 折 流 板 時 ， 殼 方 的 對流 傳 熱 系 數(shù) 關 聯(lián) 式 為 ：a)多 諾 呼 (Donohue)法 14.0316.0 )(PrRe23.0 wNu 14.0316.0 )()()(23.0 wpoo cudd 2021-5-16 2021-5-16 2021-5-16 應 用 范 圍 ： Re=3 2 104定 性 尺 寸 ： 管 外

13、 徑 do， 流 速 取 換 熱 器 中 心 附 近 管 排 中 最窄 通 道 處 的 速 度定 性 溫 度 ： 除 w取 壁 溫 以 外 ， 其 余 均 取 液 體 進 、 出 口 溫 度的 算 術(shù) 平 均 值 。 b) 凱 恩 （ Kern） 法 14.03155.036.0 wreu PRN 2021-5-16 14.03155.0 36.0 wpee Cudd 應 用 范 圍 ： Re=2 103106 定 性 尺 寸 ： 當 量 直 徑 de。定 性 溫 度 ： 除 w取 壁 溫 以 外 ， 其 余 均 取 液 體 進 、 出 口 溫 度的 算 術(shù) 平 均 值 。 當 量 直 徑 可

14、 根 據(jù) 管 子 排 列 的 情 況 別 用 不 同 式 子 進 行 計 算 ： 2021-5-16 管 子 呈 正 方 形 排 列 時 ： 0 202 785.04 d dtde 管 子 呈 三 角 形 排 列 時 ： 0 202 4324 d dtde 管 外 流 速 可 以 根 據(jù) 流 體 流 過 的 最 大 截 面 積 S計 算 tdhDA 01 2021-5-16 3、 自 然 對 流 nrru PGCN npCtlglC 3 32或 對 于 大 空 間 的 自 然 對 流 ， 比 如 管 道 或 傳 熱 設 備 的 表 面與 周 圍 大 氣 層 之 間 的 對 流 傳 熱 ， 通

15、過 實 驗 側(cè) 得 的 c,n的 值 在表 4-9中 。定 性 溫 度 ： 壁 溫 t w和 流 體 進 出 口 平 均 溫 度 的 算 術(shù) 平 均 值 ， 膜 溫 。 2021-5-16 4、 提 高 對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 途 徑 1） 流 體 作 湍 流 流 動 時 的 傳 熱 系 數(shù) 遠 大 于 層 流 時 的 傳 熱 系數(shù) ， 并 且 Re， ， 應 力 求 使 流 體 在 換 熱 器 內(nèi) 達 到 湍 流 流 動。 2） 湍 流 時 ， 圓 形 直 管 中 的 對 流 傳 熱 系 數(shù) nrii Pudd 8.0023.0 ,4.0 時當 n 8.06.04.0023.0 uCp

16、2021-5-16 與 流 速 的 0.8呈 正 比 ， 與 管 徑 的 0.2次 方 呈 反 比 ， 在 流 體 阻 力 允 許 的 情 況 下 ， 增 大 流 速 比 減 小 管 徑 對 提 高對 流 傳 熱 系 數(shù) 的 效 果 更 為 顯 著 。 3） 流 體 在 換 熱 器 管 間 流 過 時 ， 在 管 外 加 流 板 的 情 況14.03155.036.0 wpee Cudd 45.055.0eduB 對 流 傳 熱 系 數(shù) 與 流 速 的 0.55次 方 成 正 比 ， 而 與 當 量 直 徑 的0.45次 方 成 反 比 2021-5-16 設 置 折 流 板 提 高 流 速

17、和 縮 小 管 子 的 當 量 直 徑 ， 對 加 大 對流 傳 熱 系 數(shù) 均 有 較 顯 著 的 作 用 。 4) 不 論 管 內(nèi) 還 是 管 外 ， 提 高 流 u都 能 增 大 對 流 傳 熱 系 數(shù) ，但 是 增 大 u， 流 動 阻 力 一 般 按 流 速 的 平 方 增 加 ， 應 根 據(jù) 具體 情 況 選 擇 最 佳 的 流 速 。5） 除 增 加 流 速 外 ， 可 在 管 內(nèi) 裝 置 如 麻 花 鐵 或 選 用 螺 紋 管的 方 法 ， 增 加 流 體 的 湍 動 程 度 ， 對 流 傳 熱 系 數(shù) 增 大 ， 但 此時 能 耗 增 加 。 2021-5-16 四 、 流

18、體 有 相 變 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù)四 、 流 體 有 相 變 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù)四 、 流 體 有 相 變 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù)1、 蒸 汽 冷 凝 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù) 1） 蒸 汽 冷 凝 的 方 式 a) 膜 狀 冷 凝 ： 若 冷 凝 液 能 夠 浸 潤 壁 面 ， 在 壁 面 上 形 成 一 完整 的 液 膜 b)滴 狀 冷 凝 ： 若 冷 凝 液 體 不 能 潤 濕 壁 面 ， 由 于 表 面 張 力 的 作用 ， 冷 凝 液 在 壁 面 上 形 成 許 多 液 滴 ， 并 沿 壁 面落 下 2021-5-16 2021-5-16 2）

19、膜 狀 冷 凝 的 傳 熱 系 數(shù) a)蒸 汽 在 垂 直 管 外 或 垂 直 平 板 側(cè) 的 冷 凝 假 設 ： 冷 凝 液 的 物 性 為 常 數(shù) ， 可 取 平 均 液 膜 溫 度 下 的 數(shù) 值 。 一 蒸 汽 冷 凝 成 液 體 時 所 傳 遞 的 熱 量 ， 僅 僅 是 冷 凝 潛 熱 蒸 汽 靜 止 不 動 ， 對 液 膜 無 摩 擦 阻 力 。 冷 凝 液 膜 成 層 流 流 動 ， 傳 熱 方 式 僅 為 通 過 液 膜 進 行 的熱 傳 導 。 2021-5-16 4132943.0 tH rg 修 正 后 413213.1 tH rg 定 性 尺 寸 ： H取 垂 直 管

20、 或 板 的 高 度 。定 性 溫 度 ： 蒸 汽 冷 凝 潛 熱 r取 其 飽 和 溫 度 t 0下 的 值 ， 其 余 物性 取 液 膜 平 均 溫 度 。應 用 范 圍 ： 1800Re 2021-5-16 若 用 無 因 次 冷 凝 傳 熱 系 數(shù) 來 表 示 ， 可 得 ：31Re76.1 若 膜 層 為 湍 流 （ Re 1800） 時 4.0312 32 Re(0077.0 ） g滯 流 時 ， Re值 增 加 ， 減 小 ；湍 流 時 ， Re值 增 加 ， 增 大 ； 2021-5-16 2021-5-16 b) 蒸 汽 在 水 平 管 外 冷 凝 tdgr 0 32725.

21、0 c)蒸 汽 在 水 平 管 束 外 冷 凝 41 032 32725.0 tdn gr 75.075.0275.01 21 zzm nnn nnnn 2021-5-16 3） 影 響 冷 凝 傳 熱 的 因 素a） 冷 凝 液 膜 兩 側(cè) 的 溫 度 差 t 當 液 膜 呈 滯 流 流 動 時 ， 若 t加 大 ， 則 蒸 汽 冷 凝 速 率 增 加 ，液 膜 厚 度 增 厚 ， 冷 凝 傳 熱 系 數(shù) 降 低 。b） 流 體 物 性 液 膜 的 密 度 、 粘 度 及 導 熱 系 數(shù) ， 蒸 汽 的 冷 凝 潛 熱 ， 都 影 響冷 凝 傳 熱 系 數(shù) 。c) 蒸 汽 的 流 速 和 流

22、 向蒸 汽 和 液 膜 同 向 流 動 ， 厚 度 減 薄 ， 使 增 大 ；蒸 汽 和 液 膜 逆 向 流 動 ， 減 小 ， 摩 擦 力 超 過 液 膜 重 力 時 ， 液膜 被 蒸 汽 吹 離 壁 面 ， 當 蒸 汽 流 速 增 加 ， 急 劇 增 大 ； 2021-5-16 d) 蒸 汽 中 不 凝 氣 體 含 量 的 影 響 蒸 汽 中 含 有 空 氣 或 其 它 不 凝 氣 體 ， 壁 面 可 能 為 氣 體 層 所 遮蓋 ， 增 加 了 一 層 附 加 熱 阻 ， 使 急 劇 下 降 。e)冷 凝 壁 面 的 影 響 若 沿 冷 凝 液 流 動 方 向 積 存 的 液 體 增 多

23、 ， 液 膜 增 厚 ， 使 傳熱 系 數(shù) 下 降 。 例 如 管 束 ， 冷 凝 液 面 從 上 面 各 排 流 動 下 面 各 排 ， 使 液 膜逐 漸 增 厚 ， 因 此 下 面 管 子 的 要 比 上 排 的 為 低 。 冷 凝 面 的 表 面 情 況 對 影 響 也 很 大 ， 若 壁 面 粗 糙 不 平 或 有氧 化 層 ， 使 膜 層 加 厚 ， 增 加 膜 層 阻 力 ， 下 降 。 2021-5-16 2021-5-16 2、 液 體 沸 騰 時 的 對 流 傳 熱 系 數(shù) 液 體 沸 騰 大 容 積 沸 騰 管 內(nèi) 沸 騰 1） 沸 騰 曲 線 當 溫 度 差 較 小 時

24、， 液 體 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 自 然 對 流 ， 較 小 ， 且 隨溫 度 升 高 較 慢 。 當 t逐 漸 升 高 ， 在 加 熱 表 面 的 局 部 位 置 產(chǎn) 生 氣 泡 ， 該 局部 位 置 稱 為 氣 化 核 心 。 氣 泡 產(chǎn) 生 的 速 度 t隨 上 升 而 增 加 ， 急 劇 增 大 。 稱 為 泡 核 沸 騰 或 核 狀 沸 騰 。 2021-5-16 2021-5-16 當 t再 增 大 ， 加 熱 面 的 氣 化 核 心 數(shù) 進 一 步 增 多 ， 且 氣 泡產(chǎn) 生 的 速 度 大 于 它 脫 離 表 面 的 速 度 ， 氣 泡 在 脫 離 表 面 前 連 接起 來 ， 形

25、 成 一 層 不 穩(wěn) 定 的 蒸 汽 膜 。 當 t在 增 大 ， 由 于 加 熱 面 具 有 很 高 溫 度 ， 輻 射 的 影 響 愈來 愈 顯 著 ， 又 隨 之 增 大 ， 這 段 稱 為 穩(wěn) 定 的 膜 狀 沸 騰 。 由 核 狀 沸 騰 向 膜 狀 沸 騰 過 渡 的 轉(zhuǎn) 折 點 C稱 為 臨 界 點 。 臨 界 點 所 對 應 的 溫 差 、 熱 通 量 、 對 流 傳 熱 系 數(shù) 分 別 稱 為臨 界 溫 差 ， 臨 界 熱 通 量 和 臨 界 對 流 傳 熱 系 數(shù) 。 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 ， 一 般 應 維 持 在 核 狀 沸 騰 區(qū) 域 內(nèi) 操 作 。 2021-5-16

26、 2） 沸 騰 傳 熱 系 數(shù) 的 計 算 33.2)(163.1 tZ 式 中 ： sw ttt 壁 面 過 熱 度 。q 7.03.005.1 qZ 33.3102.117.04 )1048.1)(1081.9(10.0 RRRpZ c cppR 對 比 壓 強 2021-5-16 7.0102.117.069.04 )1048.1()1081.9(105.0 qRRRpc 應 用 條 件 ： cc qqRkPap ,9.001.0,3000 otcc SLDRRpq /)1(38.0 9.035.0 3） 影 響 沸 騰 傳 熱 的 因 素 a)液 體 性 質(zhì) 的 影 響 一 般 情 況

27、 下 ， 隨 、 的 增 加 而 加 大 ， 而 隨 和 增 加而 減 小 。 2021-5-16 b） 溫 度 差 t的 影 響 nta c) 操 作 壓 強 的 影 響 提 高 沸 騰 壓 強 ， 液 體 的 表 面 張 力 和 粘 度 均 下 降 ， 有 利于 氣 泡 的 生 成 和 脫 離 ， 強 化 了 沸 騰 傳 熱 。 在 相 同 t的 下 ，傳 熱 系 數(shù) 增 加 。 d) 加 熱 表 面 的 影 響 新 的 或 清 潔 的 加 熱 面 ， 較 高 。 當 壁 面 被 油 脂 沾 污 后， 會 使 急 劇 下 降 。 壁 面 愈 粗 糙 ， 氣 泡 核 心 愈 多 ， 有 利 于 沸 騰 傳 熱 。 加 熱 面 的 布 置 情 況 ， 對 沸 騰 傳 熱 也 有 明 顯 的 影 響 。