[4-3]对流传热

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4. 非圆形管强制湍流
① 当量直径法 用de代替圆管内径di计算，但u求解时不用de直接计算，而 要用实际的流通面积计算。 ② 直接实验法 例如对套管环隙：水-空气系统 1 λ d 2 0.5 0.8 3 α = 0.02 ( ) Re Pr d e d1 ★适用范围： •水-空气系统的套管环隙； •12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1为内管外径，d2为外管内径
① 对于低粘度流体：
Nu = 0.023 Re Pr λ duρ 0.8 c p μ n α = 0.023 ( ) ( ) λ d μ
0 .8
n
• 定性温度取 t m ★适用范围：
• 流体被加热时，n＝0.4；被冷却时，n＝0.3。
t1 + t 2 = ，特征尺寸为管内径di 2
Re>104；0.7<Pr<120；μ<2mPa·s(低粘度)；l/d≥60
α＝f(u，l，μ，λ，ρ，cp，gβΔt)=Kualbμcλdρecpf(gβΔt)g 式中：l——特征尺寸； u——特征流速。 基本量纲：长度L，时间T，质量M，温度Θ（4个） 变量总数：8个 由π定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。
αl du ρ a c p μ f β g Δtl 3 ρ 2 g ) ( ) ( ) = K( 化简，可得： 2 λ μ λ μ
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二、管外强制对流的对流传热系数
流体在管外强制对流的α计算较复杂，与管子排列有关。 1. 流体在管束外垂直流过
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西北大学化工原理课件 管束排列分为直列 和错列两种，且： α错>α直 流体在单排管束外 垂直流过时的α为：
Nu = Cε Re n Pr 0.4
★适用范围： 5000 < Re < 70000 x1 x = 1.2 ~ 5, 2 = 1.2 ~ 5 d d t1 + t 2 定性温度： t m = 特征尺寸：管的外径do 对整个管束：
准数符号： Nu Re Pr Gr
准数名称： 努塞尔数 雷诺数 普朗特数 格拉斯霍夫数
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αl λ / δ d = ◆Nusselt准数：Nu = K ⋅ Re Pr Gr = = λ λ /l δ
a f g
四大准数的表示与物理意义
表示管径d(l)与有效膜厚度δ的比值； ◆Reynolds准数： Re =
西北大学化工原理课件 ③ 对短管的α修正式： 对l/d<60的短管,δ↓→ α↑。α应乘以管入口效应修正系数：
⎛d⎞ ε1 = 1 + ⎜ ⎟ > 1 ⎝l⎠
④ 弯管的α修正式： 对弯管，δ↓ →α↑。所乘弯管效应的 校正系数应为： d
0.7
ε R = 1 + 1.77
2. 圆形直管内的过渡流(2000<Re<10000)
电热炉烧水
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西北大学化工原理课件 Ⅱ强制对流：外力作用下的对流。 强制对流
Q
t1
t2
Q
流动的流体与外界的传热 ② 有相变的对流传热：也可分为两类 Ⅰ蒸气冷凝给热：热量g→l Ⅱ液体沸腾给热：热量l→g
3
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二、对流传热过程分析
冷流体
传热壁 δt
热流体
★层流底层 温度梯度大，热传导方式 动画演示 ★湍流核心 温度梯度小，对流方式 ★过渡区域 热传导和对流方式
一、对流传热的含义与分类
1. 对流：指由流体质点移动而引起的热量传递现象。 2. 对流传热：又称对流给热，指间壁式换热器中两侧流体 与固体壁面间的热量传递现象。 自然对流 3. 对流传热的分类： 按传热流体有无相变可分两类 ① 无相变的对流传热：又可分为两类 Ⅰ自然对流： 因流体内部冷热部分密度的不同而产 生，属于静止流体与外界的热量传递。 如：水壶烧水等。
duρ
μ
表示流动与湍动状态对α的影响 ◆Prandtl准数： Pr =
cpμ
λ
表示流体物性对α的影响 βgΔtl 3 ρ 2 ◆Grashof准数： Gr = μ2 表示流体的自然对流情况对α的影响
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二、准数关联式
k 以强制湍流为例，若设努塞尔数为： Nu＝C·ReaPrk Nu 则求取准数关联式的方法是： 1. 采用不同Pr的流体，固定Re，有： lgNu＝klgPr＋lgCRea Pr 利用双对数坐标作图得一直线，可求得其斜率为k； 2. 不同Pr的流体在不同的Re下 a
lgNu/Prk＝algRe＋lgC k 用双对数坐标作图可得到一直线， Nu/Pr 则其斜率为a，截距为C。 C 3. 根据计算的C、a与k值，可写出 强制对流时Nu准数的关联式。
Re
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三、定性温度、特征尺寸的确定 1. 定性温度：
将确定物性参数数值的温度称为定性温度，定性温度是 准数中各物理量取值时的依据。 定性温度的取法：
α′ = ⎜
d2
(3)当苯的流量提高一倍，对流传热系数 α″变为： 0.8
α ′′ = ⎜
⎛ 2u ⎞ 0.8 2 ⎟ ⋅ α = 2 × 1.27 = 2.21kW /( m ⋅ °C ) ⎝ u ⎠
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⎛d⎞ ⎛ 0.02 ⎞ 2 ⎟ × 1.27 = 1.35kW /(m ⋅ °C ) ⎟ ⋅α = ⎜ ⎝ 0.015 ⎠ ⎝ d′ ⎠
对湍流不充分的过渡流，δ ↑→ α ↓。 α的校正系数为： 6 × 10 5 f = 1− <1 1.8 Re
R
>1
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3. 圆形直管内的强制层流
特点： ① 物性(特别是粘度)受管内温度不均匀 性的影响，导致速度分布受热流方向影响； ② 因受热而产生的自然对流对层流的α 影响大，使得对流传热系数提高； ③ 层流要求的进口段长度长，实际进 口段长度小时，对流传热系数提高。 d μ 0.14 修正式： Nu = 1.86(Re⋅ Pr⋅ ) ( ) l μw ★适用范围： Re < 2300 Gr < 25000 d 热流方向对层流速度分布的影响 (Re⋅ Pr⋅ ) > 10, 0.6 < Pr < 6700 1 l 当Gr > 25000 时, 校正系数 f = 0.8(1 + 0.015Gr 3 )
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西北大学化工原理课件 n 1− n 0 .8 0 .8 ρ cp λ λ duρ 0.8 c p μ n u α = 0.023 ( ) ( ) = 0.023 0.2 ⋅ λ μ 0 .8 − n d μ d ★强化对流传热的措施： • u↑,α∝u0.8⇒ α ↑ • d↓, α∝1/d0.2 ⇒ α ↑ • 流体物性的影响，选λ、ρ较大或μ较小的流体⇒ α ↑ ② 对高粘度流体α的修正式： 1 1 μ λ μ 0.14 0.8 0 . 14 0 . 8 3 3 Nu = 0.027 Re Pr ( ) ⇒ α = 0.027 Re Pr ( ) μw d μw ★适用范围： ⎧液体被加热 = 1.05 Re>104,0.7<Pr<160,l/d≥60; μ 0.14 ⎪ ( ) ⎨液体被冷却 = 0.95 定性温度取 tm，特征尺寸为di， μ w ⎪气体(冷却或加热) = 1.0 ⎩ μ 取壁温下的粘度。
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4.3 对流传热★
4.3.1 对流传热过程分析 4.3.2 对流传热速率 4.3.3 影响对流传热系数α的因素 4.3.4 对流传热中的量纲分析与关联式 4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式☆ 4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式
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4.3.1 对流传热过程分析
W
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例题4-3 一列管换热器由38根 φ 25×2.5 mm的无缝钢管组成，苯在管内流动， 由20℃加热到80 ℃，苯的流量为8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求： （1）管壁对苯的对流传热系数； （2）管子换为φ19×2mm，管壁对苯的对流传热系数； （3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？ 3 已知：苯的物性 ρ = 850kg / m , c p = 1.80kJ /(kg ⋅ °C ), μ = 0.45cP, λ = 0.14W /(m ⋅ °C ) V 8.32 / 850 = = = 0.82m / s u 解：(1)加热管内苯的流速为： nπ 0.785 × 38 × 0.022
ρ′ =
m ρ = <ρ V ′ 1 + βΔt
故存在浮升力使流体完成自然对流
二、流体的物性
包括ρ，μ，λ，cp， β等
三、流动形态
层流、湍流： α湍 > α层
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四、流体的相变
因流体的气化潜热一般远大于其显热，即：r>>cp； 故对于有相变的传热方式（蒸汽冷凝、液体沸腾给热）， 其对流传热系数α满足： α相变 > α无相变
c p μ 1.80 × 0.45 0.02 × 0.82 × 850 4 = ∴ Re = = 31000, Pr = = = 5.79 −3 0.45 × 10 0.14 μ λ 符合圆管内强制湍流α的计算式，故管壁对苯的对流传热系数α为： 0.14 λ 0.8 0.4 α = 0.023 Re ⋅ Pr = 0.023 × × 310000.8 × 5.790.4 = 1.27 kW /(m 2 ⋅ °C ) d 0.02 (2)管子换为φ19 ×2mm时，管壁对苯的对流传热系数 α′变为： 0.2 0.2 duρ
1 αA 1 αA
R= 传热推动力： Δt = T − TW = tW − t 热阻：