如何计算对流传热系数

tmlt1nt1t2
653045.3C ln65
t2
30
t 15 → 90 △t 65 30
Q m s 1 c p 1 ( T 1 T 2 ) m s 2 c p 2 ( t2 t 1 ) K tm A
4 m s 1 0 c p 1 7 m s 2 5 c p 2 4 .8 8 4 .3 5 A (1)
2
T
Q' Q ?
1
T1=63℃
t2 mh1=30000kg/h
m’h1=15000kg/h
T1=63℃
mh1=15000kg/h
t3
2 1
T’2 t2
t1 mh2=20000kg/h
单独进行计算
Q'Q1Q2 ?
Q1 KAtm
16
二、管外强制对流
1、流体绕单根圆管的流动情况
（a）流动情况 （b）对流传热系数变化情况 （图中αp表示局部对流传热系数，α表示平均对流传热系数）
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
u 0.8
d 0.2
12
【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自 -5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与 流体间的对流传热系数。
8
§4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数
一、流体在圆形直管内强制对流传热
经验关联式为： Nu0.02Re30.8prn
或
0.02d3du0.8cpn
使用范围： Re 104 0.6pr 160
从分发展段以后： 管长与管径之比 l d 50
α值 实验测定
因数多 因次分析方法 无因次数群 再实验 确定关系
一、无相变化时强制湍流下的α
fl,,u ,,c p ,, 0
七个物理量四个基本因次（质量M、长度L、时间θ、温度T ）
π定理
3个无因次数群
1,2,30
5
1 cp pr
2 luRe
流体物性对对流传热的影响
t twtm2
tmt1t22
定性尺寸见表5-6
26
§4-18 蒸汽冷凝时的对流传热系数
导热系数 W/m·K
0.172 0.621
粘度 pa·s
1×10-3 0.742×10-3
? 分析： 满足工艺要求 K? αi? αo?
Q'QKA tm A=nπdl
Ri? Ro?
Δtm?
T1 t1 T2? t2?
ε-NTU NTU
KA
msc p
15
mh2=20000kg/h t1=28℃
分析： QKAtm
Q ' m s 1 c p 1 ( T 1 T 2 ) m s 2 c p 2 ( t2 t1 )
原工况下 T1 T2 t1 t2 Δtm α1 α2 K? A?
ms1cp1? ms2cp2?
Q = Q’
新工况下 ms2↑ m’s2=2ms2 α’1=α1 α’2 =20.8α2 K?
49 .0W 2/m 2oC
14
【例5-16】已知Q’=4×105kJ/h，两个单程换热器： D=270mm，n=48，φ25×2.5mm，l=3m
液体
温度℃ 质量流量 比热 密度
入口 出口 kg/h
kJ/kg· K
kg/m3
有机液 63 T2 30000 2.261 950
问水：（1）28两个t2换热器200能00否满足4.1要87 求？1000 （2）是并还是串？
13
d
0 .015
而 R eP rl182 4 0 82 2.7 8 6 10
在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小， 粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故α可用式(5-65)计 算，即
1.86dRePr dl 13W0.14
1.8 60 0 ..0 51 7 5 27 .86 13 24 .5 110 3 0 3 0.14
T '2 15
(1)/(2)得：
40 75
120T'2 2(t'215)
t'2158705(120T'2)
(3)
40
48.845.3

120T'2 49.312l0n1t'220Tt'2'215
(4)
T'215
24
(3)代入(4)，得： ln120t'2 0.0558
如果 t1< t2 , 则 ρ1=ρ2 （1+β△t）
单位体积流体所产生的升力为
(ρ1 - ρ2)g= ρ2 g β △ t
α与流动的类型有关
火
2
二、流体的流动型态：层流和湍流
层流：流体在热流方向上基本没有混合流动 α↓
湍流：有混合流动，Re↑层流内层厚度δ↓
α↑
三、流体的性质
对α影响较大的物性主要有 cp 、λ、μ和ρ
20
三、提高对流传热系数的途径
力求使流体在换热器中达到湍流 α↑
管内


0.8
Au
d0.2
管外 Bu0.55de0.45
u↑ α ↑ ∑hf↑
动力↑
最佳流速
也可装置添加物
21
【补例】某车间有一台运转中的单程列管式换热器，热空气走 管程，由120℃降至80℃，其对流传热系数α1=50W/ m2·℃。壳 程的水被加热，水进口温度为15℃，出口升至90℃，其对流传 热系数α2=2000 W/ m2·℃。管壁热阻及污垢热阻皆可不计，换 热器系逆流操作。试计算水量增加增加一倍时，水和空气的出 口温度t2’和T2’为若干。
解：定性温度=(-5+15)/2=5 ℃
有关手册查得5℃时25% CaCl2的物性为
12k3g0/m3
cp 2 .8k 5 /J ko g C
0 .5W 7 /m oC
41 03pas
20℃时， 2.51 0 3pas
则 R edu 0.04 1 0 1 .5 4 3 0 123 10 84 25 4（0层0流） prc p2.8 5 10.3 5 0 47 13 020
2．实验方法* ： 用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。
3．类比方法： 把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比
到热量传递过程。
1
§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
乘以校正系数 1 1.77 d

R
（6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算
p227式5-70
11
0.02d3du0.8cpn
分析式中各项物理参数对对流传热系数α带来的影响：
①其他参数一定， α与u的0.8次方成正比，说明增大流速有 利于α的提高，但随u↑，阻力∑hf ↑，故应适当增大动力。
（3）管内层流
当液体被冷却时

w
0.14

0.95
层流 导热 自然对流 α↓ p226式5-65和式5-66
对流传热→要求强化→避免层流
10
（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f
f 16105 Re1.5 （5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧 α↑
定性尺寸： L取管内径 di 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值
流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3
9
若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（1）对于短管 当 ld 30~40时 尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小
乘以1.02~1.07的系数加以修正
（2）壁温与主体温度相差较大
在壁考温虑未壁知温近的对似情粘计况度算下的影响当液体被Nu加热0时.02R w7e00..184pr10..3035w0.14
Q m ' s 1 c p 1 ( T 1 T ' 2 ) m ' s 2 c p 2 ( t ' 2 t 1 ) K ' A t ' m
m s1cp 1(1 2 T '2 0 ) 2 m s2cp 2(t'2 1) 5 4.3 9 A 1l 2 n 1 t'2 0 T 2 t'2 '2 0 15(2)
△t↑→冷凝速率↑→δ↑→α↓⑴液膜两侧温差⑵凝液物性见公式⑶蒸气的流向与速度⑷蒸气中不凝性气体含量的影响p↑→不凝性气体含量↑→冷凝时形成
第四节 对流与对流传热系数
的获得主要有三种方法：
1．理论分析法：
建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确 解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简 单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。
A不变 Q 和Q’均要变 Q = Q’ 对新旧工况进行比较来进行计算
22
解：①旧工况下
T1=120℃，T2=80℃，t1=15℃，t2=90℃
α1=50W/（m2·K），α2=2000W/（m2·K），
K 1 1 4.8W/2(K m)
1112
1 1 5 02 0 0 0
T 80←120
新工况下 α’2 =20.8α2
K ' 1
1
4.3 9W/2(K m )
1120.1 8 2 5 1 020.8 12000
23
t'mlt1n tt1 2t2
120t'2 T'215 ln120t'2 T'215
T T’2 ← 120 t 15 → t’2 △t T’2-15 120-t’2
流体的流动状态和湍动程度对对流传热 的影响
3 lNu 对流系数的准数
N ufpr,R e
二、无相变化时自然对流下的α
Nu pr
gtl32 Gr 2
自然对流对对流传热的影响
N ufpr,G r
准数关联式是一种经验公式
6
准数的符号与意义
准数名称
符号
准数式
意义
努塞尔特准数 Nusselt
流体垂直流过单根圆管的流动情况
17
2、流体在管束外横向流过的对流传热
NuC1C2Renpr0.4
式中常数C1C2和指数n见表5-5 错列的α比直列时大
适用范围 平均 α
1A 12A23A3
A 1A2A3
18
3、列管式换热器
19
图5-30 α
或 Nu0.36Re0.55pr13w0.14
Nu
L/
表示对流传热 系数的准数
雷诺准数 Reynolds
Re
Lu/
确定流动状态 的准数
普兰特准数 Prandtl
Pr
cp /
表示物性影响 的准数
格拉斯霍夫准数 Grashof
Gr
g△tL3 2/2
表示自然对流 影响的准数
L—传热面的特征尺寸 m
7
经验公式的应用应注意以下四点： 1、应用范围 2、定性尺寸（特性尺寸）
四、传热面的型状、大α小和位置
影响α值的有：传热管、板、管束等不同，传热面的形状， 管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高 度等
影响α的因数很多
3
化工上常见的对流传热
强制对流传热 流体无热
液体沸腾传热
4
§4-16 因次分析在对流传热中的应用
各准数Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一个尺寸，应遵照 所选用的关联式中规定尺寸
3、定性温度
确定准数中流体的物性参数cp、μ、ρ等所依据的温度即为 定性温度。
有的用流体进、出口温度的算术平均值 有的用膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度 平均值，再取两者的算术平均值） 主要取决于建立关联式时采用什么方法而定
T'215
120t'2 1.057
(5)
T'215
联立(3)和(5)，得：
t‘2=61.9℃， T '2=69.9℃
25
§4-17 流体作自然对流时的对流传热系数
大容积自然
Nu=f(Pr,Gr)
两种方法：
①由图5-33和图5-34→ α ②式子系数C与指数n可由表5-6选取。
定性温度用平均温度（膜温）
使用范围：Re 213 0~160
特征尺寸：当量直径de ，根据管子排列形式分别计算；
正方形：
de
4t20.78d502
d0

三角形：de 4
2 2
t
2


4
d02

d0
流速，可由
ShD1d0
t

f 0.6~0.8 流体走短路
4、无折流板，平流流动， α可用管内强制对流。