5-5 对流传热系数

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对流换热公式汇总与分析..

对流换热公式汇总与分析..

对流换热公式汇总与分析【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程,称为对流换热,它已不是基本传热方式。

本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。

【关键词】对流换热 类型 公式 适用范围对流换热的基本计算形式——牛顿冷却公式:)(f w t t h q -= )/(2m W或2Am 上热流量 )(f w t t h -=Φ )(W上式中表面传热系数h 最为关键,表面传热系数是众多因素的函数,即),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ=综上所述,由于影响对流换热的因素很多,因此对流换热的分析与计算将分类进行,本文所涉及的典型换热类型如表1所示。

表1典型换热类型1. 受迫对流换热 1.1 内部流动1.1.1 圆管内受迫对流换热 (1)层流换热公式西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为14.03/13/13/1)()(PrRe86.1wf fff l d Nu μμ= 或写成 14.03/1)()(86.1w f f f l d Pe Nu μμ=式中引用了几何参数准则ld,以考虑进口段的影响。

适用范围:16700Pr 48.0<<,75.9)(0044.0<<wfμμ。

定性温度取全管长流体的平均温度,定性尺寸为管内径d 。

如果管子较长,以致2])()Pr [(Re 14.03/1≤⋅wf l dμμ则f Nu 可作为常数处理,采用下式计算表面传热系数。

常物性流体在热充分发展段的Nu 是)(66.3)(36.4const t Nu const q Nu w f f ====(2)过渡流换热公式对于气体,5.1Pr 6.0<<f ,5.15.0<<wf T T ,410Re 2300<<f 。

45.03/24.08.0)]()(1[Pr )100(Re 0214.0wf f f f T T l dNu +-=对于液体,500Pr 5.1<<f ,20Pr Pr 05.0<<wf ,410Re 2300<<f 。

传热学第五章 对流换热计算

传热学第五章 对流换热计算

2019/11/12
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华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
③短管 当管子的长径比l/d<60时,属于短管内流动换 热,进口段的影响不能忽视。此时亦应在按 照长管计算出结果的基础上乘以相应的修正
系数Cl。 cl 1 d l 0.7
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第五章 对流换热计算
§5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算 §5-2 流体外掠物体的对流换热计算 §5-3 自然对流换热计算
2019/11/12
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华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
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2 管内强制对流换热的准则关系式 ①管内紊流换热准则关系式
迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter)公式
Nu 0.023Re0.8 Prn
特征尺寸为d,特征流速
采用的定性温度是t f tf tf
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大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物 性修正项 。
气体 液体
ct



Tf 1
ct


f f
Tw 0.5
0.11 w
0.25 w

如何计算对流传热系数

如何计算对流传热系数
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?
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。
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
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:

传热系数的测定实验

传热系数的测定实验

实验4 传热系数的测定实验一、实验目的⒈ 测定流体在套管换热器内作强制湍流时的对流传热系数i α。

⒉ 并将实验数据整理成准数关联式Nu=ARe m Pr 0.4形式,确定关联式中常数A 、m 的值。

⒊ 了解强化传热的基本理论和采取的方式。

二、实验原理实验2-1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定⒈ 对流传热系数i α的测定 根据牛顿冷却定律im ii S t Q ⨯∆=α (4-1) 式中:i α—管内流体对流传热系数,W/(m 2·℃); Q i —管内传热速率,W ; S i —管内换热面积,m 2;m t ∆—冷热流体间的平均温度差,℃。

()()221i i w m t t T t +-=∆ (4-2)式中:t i1,t i2—冷流体的入口、出口温度,℃;tw —壁面平均温度,℃;因为换热器内管为紫铜管,其导热系数很大,且管壁很薄,故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等,用t w 来表示,由于管外使用蒸汽,近似等于热流体的平均温度。

管内换热面积:i i i L d S π= (4-3)式中:d i —内管管内径,m ;L i —传热管测量段的实际长度,m 。

由热量衡算式:)(12i i pi i i t t c W Q -= (4-4)其中质量流量由下式求得:3600ii i V W ρ=(4-5)式中:V i —冷流体在套管内的平均体积流量,m 3 / h ; c pi —冷流体的定压比热,kJ / (kg ·℃); ρi —冷流体的密度,kg /m 3。

c pi 和ρi 可根据定性温度t m 查得,221i i m t t t +=为冷流体进出口平均温度。

t i1,t i2, t w , V i 可采取一定的测量手段得到。

⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流,被加热状态,准数关联式的形式为n i mii A Nu Pr Re =. (4-6)其中: i ii i d Nu λα=, i i i i i d u μρ=Re , ii pi i c λμ=Pr 物性数据λi 、c pi 、ρi 、μi 可根据定性温度t m 查得。

对流传热

对流传热

表示自然对流影 响的准数
4、流体无相变时的对流传热系数 对在圆形直管内作强制湍流且无相变,其 粘度小于2倍常温水的粘度的流体,可用 下式求取给热系数。
0.8 n Nu=0.023Re Pr
0.023d Re

0.8
Pr
n
式中 n值随热流方向而异,当流体被加热 时,n=0.4;当流体被冷却时,n=0.3。 应用范围:Re>10000, 0.7 < Pr < 120, L/di ≥60 。 若L/di <60,需将上式算得的α乘以 [1+(di/L)0.7]加以修正。
沸腾: 沸腾时,液体内部有气泡产生,
气泡产生和运动情况,对α 影响极大。 沸腾分类: ① 按设备尺寸和形状不同 池式沸腾(大容积饱和沸腾); 强制对流沸腾(有复杂的两相流)。 ② 按液体主体温度不同
液体主体
t
液体主体
t < ts
过冷沸腾:液体主体温度t < ts,
气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾:t≥ts动,沿壁面法向没 有质点的移动和混合,即没有对流传热,传热 方式仅是热传导。因为液体导热系数小,因此 热阻较大,温度梯度大。 2、缓冲层:流体流动介于滞流和湍流之间,热 传导和对流传热同时起作用,热阻较小。 3、湍流主体:质点剧烈运动,完全混合,温度 基本均匀,无温度梯度。 因此,对流传热的热阻主要集中在滞流内层, 减薄其厚度是强化传热过程的关键。
2) 大容积饱和沸腾曲线 曲线获得:
实验,并以 t 作图
(t tw ts,即过热度)
实验条件: 大容积、饱和沸腾。
自然对流
h
核状沸腾
C
膜状沸腾
不稳 定膜 状
稳 定 区

5-5-自然对流

5-5-自然对流

管束的排列方式有顺排和叉排两种形式。叉排中的 流动扰动比顺排时要剧烈,因此换热也较强。此外, 管束的间距s1和s2及管排数也影响换热强度。
顺排 叉排
最小截面
高正阳
传热学 Heat Transfer
2. 平均表面传热系数 h 计算的关联式
Nu C Re
m
式中C、m 之值见教材表,上式主要用于气体,因此Pr 数的影响归到了系数 C 中。
2 2
高正阳
传热学 Heat Transfer
三、大空间自然对流换热的实验关联式
自然对流换热分类:
大空间 有限空间
常用的关联式: Nu C (Gr Pr)
n
Gr
g v tl
2
3
Ra Gr Pr
高பைடு நூலகம்阳
传热学 Heat Transfer
t w t
t w t
水平大平板上下不同的自然对流状态示意图
Nu C Re Pr
n 1/ 3
式中C、n 之值见教材表5-5 定性温度取
tr 1 2
t
w
tf

特征长度取管外径d
特征流速取来流速度
u
对于高温气流冲刷的管子,若 壁温过高,可能发生爆管现象, 在管子的那一点易发生?
高正阳
传热学 Heat Transfer
二、外掠管束换热实验关联式
1. 流动和换热的特征
高正阳
传热学 Heat Transfer
1. 在对流温差大小相同的情况下,在夏季与冬季, 屋顶天花板内侧的对流换热是否相同?为什么? 2. 在地球上设计的一个自然对流换热实验装置,是 否同样可以在宇宙飞船上进行实验?
高正阳

(化工原理)第五节 对流传热系数关联式

(化工原理)第五节 对流传热系数关联式

Nu=0.26Re0.6Pr0.33
应用范围 Re>3000
特错列征管尺距寸最狭管处外的径距do,离流应速在取(流x1-体do通)和过2每(排t2-管d0 子)中二最者狭之窄中通取小道者处。的速度。 管束排数应为10,若不是10,上述公式的计算结果应乘以下表的系数
流体无相变时的对流传热系数-12
流体有相变时的传热系数-12
二、液体的沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
流体有相变时的传热系数-13
1.液体沸腾曲线
气化核心 泡核沸腾 或泡状沸腾 临界点 膜状沸腾
流体有相变时的传热系数-14
2.沸腾传热系数的计算
泡核沸腾传热系数的计算式
α=1.163Z(Δt)2.33 (Eq. Mostinki) 式中 Δt——壁面过热度,℃。
上式应用条件为: pc>3O00KPa, R = 0.01~0.9,q<qc 式中 Z——与操作压强及临界压强有关的参数,W/(m2•℃),其计
算式为:
流体有相变时的传热系数-16
3.影响沸腾传热的因素
(1)液体性质 (2)温度差Δt (3)操作压强 (4)加热壁面
4-5-5 壁温的估算
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下:
应用范围 Re =2×1O3~10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列 :
管子为正三角形排列 :
(2)高粘度的液体
应用范围 Re>10000,0.7<Pr<16700,L/d>60 特征尺寸 取为管内径di 定性温度 除μw取壁温外,均取为液体进、出

传热过程5

传热过程5
4-2 传热的平均温度差
传热可分为恒温传热和变温传热两种,其平均温 差各不相同。 恒温传热是指两种流体经过壁面进行热量交换时, 在任何时间内两种流体的温度都不发生变化,即热流 体始终保持一个温度 T ,冷流体也始终保持一个温度 t。 例如蒸发器中间壁的一侧是用饱和蒸汽加热,另 一侧是沸腾的液体,两种流体的温度都是保持不变的, 所以它们之间的传热温差可以简单地表示为:
一定,则温差越大,传热速率也越大。
在Hale Waihona Puke 产上常用增大温差的办法来强化传热,例如用
水蒸气加热时增加水蒸气压力来提高温度,但要注意,
蒸气压力增高时,设备材料即气密性就要求高,而且
热损失会因之加大。此外,在冷、热流体进出口温度
相同的情况下,尽量采用逆流操作,因为逆流操作有 较大的平均温差。

提高传热系数 K
热交换器的材料一般使用钢材,但对某些有特殊 工艺要求的,可采用有色金属,如铜、钛,也可采用 非金属材料如耐磨腐蚀的石墨材料等等。
5-1 夹套式热交换器
广泛应用于反应物 料的加热或冷却。优点: 构造简单。加热时,蒸 气由上口进入,冷凝水 从下口流出;冷却时, 冷却水由下部连接口进 入,由上部流出。缺点: 传热面积小,传热系数 小。
t1 t 2 t m 2
( 2 20a )
§5 热交换设备
工业上最常见的热交换器,按热交换的目的不同, 可以分为加热器、冷却器和冷凝器等三类。但从构造 上来看并不多大区别,较为主要的、应用比较广泛的 热交换器不外有下列几种:夹套式热交换器;蛇管式 热交换器;套管式热交换器;列管式热交换器;板式 热交换器。
a2 A2
( 4)增加给热系数小的一方的传热面积,这相当于增大给热 系数小的一方的给热系数。

实验五对流传热系数

实验五对流传热系数
• 1.把蒸汽发生器加蒸馏水至恒定水位,然后关闭蒸汽 阀,打开总电源开关,给温控仪设定适当温度 (105~108°C)。
• 2.待蒸汽发生器内温度接近设定温度时,打开蒸汽阀 门至最大,阀门14;使蒸汽进入套管环隙。(空气走 管内,空气不易产生污垢,以清洁;水蒸气走管间, 易排除不凝气体和清洁)
• 3.打开放气阀排除不凝性气体,打开放气阀7; • 4.微开排液阀,以便冷凝水及时排除。一直保持打开
2020/4/9
4
二、基本原理
从上式推倒出管内空气对流传热系数的计算式
i
WC p (t出 t进 ) Stm
Vs C p (t出 t进 )
Stm
所以当传热达到稳定后,用蒸汽温度可计算出
tm,利用仪器测出各数据,就能计算出实测 值i。
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5
二、基本原理
2.准数关联式 对流传热系数是研究传热过程及换热器 性能的一个很重要的参数。这种传热过 程是冷热流体通过固体壁面(传热元件) 进行的热量交换,由热流体对固体壁面 的对流传热、固体壁面的热传导和固体 壁面对冷流体的对流传热所组成。
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二、基本原理
• 由传热速率方程式知,单位时间、单位传热面 所传递的热量为

Q=K(T-t)
• 而对流传热所传递的热量,对于冷热流体可由 牛顿定律表示
• Q=h·(T-Tw 不能通过解析法得到对流传热系数的关系式,
它必须由实验加以测定获得。
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实验五 对流传热系数的测定
• 一、实验目的 • 1.学会对流传热系数的测定方法。(换热器的
性能参数,决定换热器的尺寸) • 2.测定空气在圆形直管内(或螺旋槽管内)的强
制对流传热系数,并把数据整理成准数关联式, 以检验通用的对流传热准数关联式。 • 3.了解影响对流传热系数的因素和强化传热的 途径。

第五节 对流传热系数chuanre-5

第五节 对流传热系数chuanre-5

1/3
四. 蒸汽冷凝传热系数
1. 蒸汽冷凝的方式
⑴膜状冷凝:若冷凝液能润湿壁面,在壁面上形成一层
完整的液膜 — 膜状冷凝
特点:冷凝膜是蒸汽冷凝
传热的主要热阻
⑵滴状冷凝:冷凝不能润湿壁面,
则在壁面上形成液膜
滴状冷凝的传热系数较膜状
冷凝要大的多
2. ⑴蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝
α
=
1.13(
rg
ρ
由 Q = α iπ di L(tw − tm )
L
=
α iπ
Q di L(tw

tm )
=
270 47.3 × 3.14 × 0.02(140

20 ×100)
= 1.2
m
2
判 断 L = 1.12 = 60 di 0.02
2. 圆形直管内的强制层流
α
= 1.86 λ
1
Re3
1
Pr 3
( di
1
例:常压空气在内径为20mm管内由20o C被加热到100o C,
空气的流速为10m/s,试求管壁对空气的对流传热系

α

i






为140
o
C,





求:⑴ αi ⑵ L
解:⑴
定性温度
tm
=
20
+ 100 2
=
60o C
查常压空气 ρ = 1.06kg / m3, μ = 2.01×10−2 cP
∴ (ρ1 − ρ2 )g = [ρ2 + ρ2βΔt − ρ2 ]g = ρ2βΔtg

第五章对流换热

第五章对流换热

第五章对流换热思考题1、在对流换热过程中,紧靠壁面处总存在一个不动的流体层,利用该层就可以计算出交换的热量,这完全是一个导热问题,但为什么又说对流换热是导热与对流综合作用的结果。

答:流体流过静止的壁面时,由于流体的粘性作用,在紧贴壁面处流体的流速等于零,壁面与流体之间的热量传递必然穿过这层静止的流体层。

在静止流体中热量的传递只有导热机理,因此对流换热量就等于贴壁流体的导热量,其大小取决于热边界层的厚薄,而它却受到壁面流体流动状态,即流动边界层的强烈影响,故层流底层受流动影响,层流底层越薄,导热热阻越小,对流换热系数h也就增加。

所以说对流换热是导热与对流综合作用的结果。

2、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

答:依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。

层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。

紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。

导热系数越大,将使边界层导热热阻越小,对流换热强度越大;粘度越大,边界层(层流边界层或紊流边界层的层流底层)厚度越大,将使边界层导热热阻越大,对流换热强度越小。

3、由对流换热微分方程知,该式中没有出现流速,有人因此得出结论:表面传热系数h与流体速度场无关。

试判断这种说法的正确性?答:这种说法不正确,因为在描述流动的能量微分方程中,对流项含有流体速度,即要获得流体的温度场,必须先获得其速度场,“流动与换热密不可分”。

因此表面传热系数必与流体速度场有关。

4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

答:依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。

层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。

紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。

导热系数越大,将使边界层导热热阻越小,对流换热强度越大;粘度越大,边界层(层流边界层或紊流边界层的层流底层)厚度越大,将使边界层导热热阻越大,对流换热强度越小。

5、对管内强制对流换热,为何采用短管和弯管可以强化流体的换热?答:采用短管,主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄,因而换热强的特点,即所谓的“入口效应”,从而强化换热。

各种对流换热过程的特征及其计算公式

各种对流换热过程的特征及其计算公式

多取截面平均流速。
定性温度:计算物性的定性温度多为截面
上流体的平均温度(或进出口截面平均温
度)。
1 ' " t f (t f t f ) 2
1。管内层流换热关联式
实际工程换热设备中,层流时的换热
常常处于入口段的范围。可采用下列齐德
-泰特公式:
Re f Pr f Nu f 1.86 l/d
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时,将汽化
潜热释放给固体壁面,并在壁面上形成凝结液的
过程,称凝结换热现象。有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
定义:凝结液体能很好地湿润壁面,并 能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式, 称膜状凝结。
du y 时, dy

0, t t s
求解上面方程可得: (1) 液膜厚度
4l l ( ts tw )x 2 g l r
1/ 4
ts tw 定性温度: t m 2
注意:r
按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
gr hx 4l ( t s t w )x
对流换热那样朝同一方向流动。
一般情况下,不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层 之内。在贴壁处,流体温度等于壁面壁面温度tW,在离开壁面
的方向上逐步降低至周围环境温度。
定义: 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。 工程应用: 暖汽管道的散热 不用风扇强制冷却的电器元件的散热 事故条件下核反应堆的散热 产生原因: 不均匀温度场造成了不均匀密度场,浮升力成为运 动的动力。

蒸汽换热器的传热系数

蒸汽换热器的传热系数

蒸汽换热器的传热系数
蒸汽换热器的传热系数是指单位面积换热器表面上的传热功率与温度差的比值。

传热系数通常用符号h表示,单位为
W/(m2·K)。

蒸汽换热器的传热系数受到多种因素的影响,包括流体的性质、流速、换热器表面的形态以及流体之间的传热方式(对流、辐射、传导)等。

以下是一些常见的蒸汽换热器的传热系数范围:
1. 干式换热器(干壁换热器):干式换热器的传热系数相对较低,一般在5-50 W/(m2·K)之间。

2. 汽水换热器(冷凝器):汽水换热器由于水膜的形成可以提高传热系数,一般在1000-20000 W/(m2·K)之间。

3. 管壳式换热器:管壳式换热器的传热系数较高,通常在
5000-10000 W/(m2·K)之间。

需要注意的是,具体的传热系数还会受到换热器的设计和操作条件的影响,因此以上数值仅供参考。

在实际应用中,通常需要进行换热器的设计和评估,以确定具体的传热系数。

化工原理 传热3

化工原理 传热3
代入数据得 = 66.3 (W/m2℃) (二) 流体在圆形直管内作强制滞流 1/ 3 1/ 3 d i 1/ 3 0.14 Nu 1.86 Re Pr ( ) ( ) L w 应用范围:Re<2300,0.6<Pr<6700;(RePrdi / L>100 。 特征尺寸:管内径di。定性温度:除w取壁温外,均取流 体进、出口温度的算术平均值。 13
7
f (l, , , c p , , gt )
式中包括7个物理量,涉及4个基本因次,故自然对流的 准数关系可表示为:
1 ( 2 , 3 )
与前述同样的方法可得 l 1 Nu
cp 2 Pr l 3 2 gt 3 Gr 2
Nu 0.023Re0.8 Prn

diu 0.8 c p n 0.023 ( ) ( ) di
式中n值随热流方向而异,当流体被加热时,n=0.4;当流 体被冷却时,n=0.3。 应用范围:Re>10000,0.7<Pr<120;管长与管径比 L/di>60 。
10
若 L/di<60时,可将上式计算得到的结果的α乘以短 管修正系数 [1+ (di / L)0.7]予以修正。 特征尺寸:管内径di。 定性温度:流体进、出口温度的算术平均值。 (2)高粘度流体
T0 P 273 200 0 1.293 2.379kg / m3 T P0 273 20 101.3
空气的质量流量G=u =8.49×2.379=20.2 kg/(m2s)
12
所以,雷诺数 Re = dG/ = 0.05×20.2/1.96×10-5 = 51530 且 L/di = 3/0.05 >=60 所以 0.8 n 0.023 Re Pr di

第五章 对 流 换 热

第五章 对 流 换 热

第五章 对 流 换 热本章内容要求:1 、重点内容: 对流换热及其影响因素;牛顿冷却公式;用分析方法求解对流换热问题的实质边界层概念及其应用相似原理无相变换热的表面传热系数及换热量的计算2 、掌握内容:对流换热及其影响因素;用分析方法求解对流换热问题的实质3 、讲述基本的内容:对流换热概述; 对流换热的数学描写; 对流换热的边界层微分方程组; 边界层积分方程组的求解及比拟理论; 相似原理及量纲分析; 相似原理的应用; 内部流动强制对流换热实验关联式; 外部流动强制对流换热实验关联式; 自然对流换热实验关联式在绪论中已经指出, 对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程, 是发生在流体中的热量传递过程的特例。

由于流体系统中流体的运动,热量将主要以热传导和热对流的方式进行,这必然使热量传递过程比单纯的导热过程要复杂得多。

本章将在对换热过程进行一般性讨论的基础上,将质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本定律应用于流体系统,导出支配流体速度场和温度场的场方程-对流换热微分方程组。

由于该方程组的复杂性,除少数简单的对流换热问题可以通过分析求解微分方程而得出相应的速度分布和温度分布之外,大多数对流换热问题的分析求解是十分困难的。

因此,在对流换热的研究中常常采用实验研究的方法来解决复杂的对流换热问题。

在这一章,我们将 通过方程的无量纲化和实验研究方法的介绍而得到常用的准则及准则关系式。

讨论的重点放在工程上常用的管内流动、平行流过平板以及绕流圆管的受迫对流换热,大空间和受限空间的自然对流换热,以及蒸汽凝结与液体沸腾换热。

§5-1 对流换热概述本节要求:1。

对流换热的概念:流体−−→−温差固体壁面; 2.对流换热中,导热核对流通式汽作用;3.对流换热的影响因素:)(f w t t hA -=Φ,h ——过程量;4.对流换热系数如何确定:0=∂∂∆-=y y tt h λ1 对流换热过程对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程 ,( 直接接触是与辐射换热的区别),是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。

化工原理第四章对流传热

化工原理第四章对流传热
3/24/2020
【解】在确定各物理量时,先确定定性温度。
一般情况下,用进出设备流体的温度的平均值
(算术平均值),即:
t t进+t出 =20+40=30℃
2
2
查数据手册,30℃时水的物性数据为:
Cp=4183J/(K.kg) ρ=996kg/m3 μ=8.01×10-4Pa.s λ=0.618W/(m.K)
【注意事项】
(1)定性温度取流体进出温度的算术平均值tm; (2)特征尺寸为管内径d;
(3)流体被加热时,n=0.4;
流体被冷却时,n=0.3。
(4)若l/d<60 ,进行校正:
'
1
d
0.7
l
3/24/2020
(2)圆形直管内的湍流(高粘度流体)
0.027 ( du )0.8 ( c p )0.33 ( )0.14
(1)什么是定性温度 【定义】确定物性参数 数值的温度称为定性温 度。
Re du
T1
t2
Pr c p
T2
t1
3/24/2020
(2)定性温度的取法 ①流体进、出口温度的平均值
②膜温
tm
t1
t2 2
t tm tw 2
th T1
热Φ 流 体
th,w
t2
Φ
冷 流 tc,w 体
式中 tw——壁面上的温度;
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时:
Q
bt'
A(T
Tw )
bt’
3/24/2020
4、牛顿冷却定律
令:
bt
Q
bt
A(t w
t)
流体被加热: Q A(tw t)

对流换热系数的测定方法

对流换热系数的测定方法

对流换热系数的测定方法实验传热学对流换热系数测定方法总结对流换热系数测定方法总结目录一、前言...................................................................... ...................................... 2 二、管内对流换热系数的瞬态测量法 ........................................................... 3 三、窄环隙流道强迫对流换热实验 (4)四、双侧加热窄环隙流道强迫对流换热实验 (5)五、无相变流体在内斜齿螺旋槽管内强化对流换热实验 (6)六、基于集总参数法的瞬态对流换热系数测定 (8)七、总结...................................................................... .................................... 10 八、参考文献 ..................................................................... .. (11)1一、前言工程上把流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程称为对流传热。

对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式,及分别为q,h(t,t)ttwwff 2壁面温度和流体温度,即为表面传热系数,单位是。

表面传热系数W/(m,K)h 的大小与对流换热过程中的许多因素有关。

它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置,而且还与流速有密切的关系。

牛顿冷却公式并不是揭示影响表面传热系数的种种复杂因素的具体关系式,而仅仅给出了表面传热系数的定义。

确定对流换热系数h有两条途径:一是理论解法;一是实验解法。

理论解法是在所建立的边界层对流传热微分方程的基础上,通过教学分析解法、积分近似解法、数值解法和比拟解法求得对流传热系数h的表达式或数值。

化工原理:5_4对流传热系数关联式

化工原理:5_4对流传热系数关联式

3.流动形态 层流、湍流
湍 > 层
4. 传热面的形状,大小和位置 •形状:如管、板、管束等; •大小:如管径和管长等; •位置:如管子的排列方式(管束有正四方形和三角 形排列);管或板是垂直放置还是水平放置。
5. 是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾
3
相变 > 无相变
返回
5-14 对流传热系数经验关联式的建立
(2.585
)0.8 (6.04)0.3
1320w /
m2
?C

0.02
(d2 de d1
)0.5 Re0.8
Pr1/ 3
0.02
0.128 0.013
( 0.051)(2.585 )0.8(6.04)1/3 0.038
1410w / m2 ºC
19
返回
P198 (5-21) 解:
tm
27
50 2
38.5ºC时,查得苯的物性为:
CP 1.77kJ / kg?ºC, .5 Pa • s, Wm•?C
ms1c p1 (T1
T2 )
ms2cp2 (t2
t1)⇒
ms2
2730
4195kg
/
h
Re = d2u
d2G
0.033
4195 / 0.785
3600
9
104
返回无相变有相变一强制对流时的对流传热系数管内管外二自然对流时的对流传热系数管束外换热器管间湍流层流reprnuprnugr三蒸汽冷凝时的对流传热系数四液体沸腾时的对流传热系数返回三实验安排及结果整理以强制湍流为例
第四节 对流传热系数关联式
5-13 对流传热系数的影响因素 5-14 对流传热系数经验关联式的建立

传热学5-对流换热分析

传热学5-对流换热分析

Mx
M x dx x
M y vdx
单位时间内、沿x轴方向、 经x表面流入微元体的质量 单位时间内、沿x轴方向、经 x+dx表面流出微元体的质量
M x udy
M x M x dx M x dx x
单位时间内、沿x轴方向流入微元体的净质量:
M x M x dx

无论流体流动与否, p 都存在;而 ii只存在于流动时

同一点处各方向的 p 都相同;而 ii与表面方向有关
推导过程见P110 动量微分方程 — Navier-Stokes方程(N-S方程)
u u u p u u ( u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y
M x ( u ) dx dxdy x x
单位时间内、沿 y 轴方向流入微元体的净质量:
M y M y dy
单位时间内微元体 内流体质量的变化:
( v) dy dxdy y y
M y
( dxdy) dxdy
Mx
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定: 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程
2 质量守恒方程(连续性方程) 流体的连续流动遵循质量守恒规律
(x, y) 处取出边长为 dx、dy 的微元体(z方向为单位长度),M 为质量 流量 [kg/s]
从流场中
Mx
M x dx x
M y vdx
热的核心问题

研究对流换热的方法:
(1)分析法 (2)实验法 (3)比拟法 (4)数值法
传热系数大致范围
5 对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式 共同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面: (1)流动起因 (2)流动状态 (3)流体有无相变
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3.流体的性质:、、cp、等
4.传热面的形状、大小、位置:如圆管与平板、垂直与水平、 管内与管外等 5.有相变与无相变: cp或汽化潜热r
f ,,c p 或r,,l,u或tg
定理:
无因次数群个数 变量数 7 基本因次数 4 3个
一、实验法求
无因次数群:
Nu
Pr c p
l
-----努塞尔数,表示导热热阻与对流热阻之比

ul
-----普朗特数,反映物性的影响。 一般地,气体的Pr<1,液体的Pr>1
Re
tgl 3 2 ------格垃晓夫数Gr是雷诺数的一种 或Gr 2 变形,相当于自然对流时的“雷诺数
ik 1
k 1
N
3
1 2
思考2:如图,两相距很近的无限大平板, 角系数为多少?
12 21 1
三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率
2、几个概念
物体 环境
G ----投入辐射,W/m2 (1-)G E
J
-----有效辐射, W/m2
J E (1 )G
物体与环境交换的热量
的数量级
2 自 然 对 流 : 5 ~ 25 W / m K 空气中 2 强 制 对 流 : 30 ~ 300 W / m K
自 然 对 流 : 200 ~ 1000 W / m2 K 2 强 制 对 流 : 1000 ~ 8000 W / m K 水中 2 蒸 汽 冷 凝 : 5000 ~ 15000 W / m K 水 沸 腾 : 2 1500 ~ 30000 W / m K
1 ij Ai 1 ji Aj
Ai A j
j

cos i cos j
r
2
dA j dAi dAi dA j
i r
θj
A j Ai

cos j cos i
r
2
θi
Ai ij A j ji
三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率
4 5
思考1:如图,由N个面组成的闭合体, 任一面的所有角系数之和为多少?
d

c p
n 0.4 被 加 热 Nu 0.023Re Pr (式5-63) n 0 . 3 被 冷 却
思考1:与u、d有何比例关系? Re
du

u 0.8 0.2 d
思考2:为什么加热时n取0.4,冷却时取0.3?
∵气体的Pr<1,液体的Pr>1 等温 液体被冷却 或气体被加热 时,变小 液体被加热 或气体被冷却 时,变大 速度分布
E Eb
和温度、浓度等有关
3、与A的关系-----克希霍夫定律 如图两壁面无限大且相距很近。 对虚线所示面能量衡算:
注意: •只是数值上相等 •发射能力强的吸收 能力也强
E Eb
(1 A) Eb
AEb
Eb E (1 A) Eb E A A Eb
三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率
(一) 无相变时 1、管内层流 ---传热主要以导热方式为主(有时有自然对流) 时
使用范围为: 管子的进口段, 0.6<Pr<6700, 恒壁温、 Gr<25000(自然对流影响可以忽略), 温差(壁温与流体主体温度之差)不大。 Re<2300、
d 1/3 0.14 Nu 1.86(Re Pr ) ( ) l w
若不满足适用范围时,需修正: (1)对于短管,L/d<50
乘上一个大于1的校正系数,见图5-25 Why?
因为:管内未充 分发展,层流底 层较薄,热阻较 小。
(2)当壁面与流体主体温差较大时,需引入一个校正项:
教材式(5-64)
(3)过渡流:
乘上一个小于1的校正系数:式(5-67) Why?
(4)弯管内:
(5-65)
当Gr>25000,需考虑自然对流对传热的影响,式(565)乘上一个大于1的校正系数:
1 3 f 0.8 1 0.015Gr 1
思考:为什么需乘上一 个大于1的校正系数?二、各Fra bibliotek情形下的经验式
2、管内湍流
n 0.4 被加热 Nu 0.023Re Pr n 0.3 被冷却
I II III
式(5-71)
I II III IV
(3)流体在管壳间的对流传热:
有挡板,Re>100即可达到湍流。式(5-72)
二、各种情形下的经验式
4、自然对流 (大空间)
Nu C Pr,Gr
n
式(5-75)
C、n为经验常数。
二、各种情形下的经验式
qGJ
或q J G
三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率
3、对两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率Q1-2:
1 2
G
1 T1 2 T2
1 T1
G1 J1
2 T2
(1-)G E
J E (1 )G
J
对灰体1(灰体2)表面作热量衡算,有:
Q1 2 Q1环境 J 1 G1 A1 Q2环境 J 2 G2 A2
牛顿冷却定律:
Q At t w
获得的主要方法:
理论分析法
解析求解、数值求解
实验法: 半理论半经验方法,是目前的主要方法。
一、实验法求
量纲分析法:回忆第一章有关内容
影响的因素主要有: 1.引起流动的原因:自然对流和强制对流 2.流动型态:层流或湍流 用量纲分析法、 再结合实验,建立 经验关系式。
J 1 E1 (1 1 )G1 1 E b1 (1 1 )G1
J 2 E 2 (1 2 )G2 2 E b 2 (1 2 )G2
J 1 1 E b1 G1 1 1 J 2 2 E b2 G2 1 2
2 强 制 对 流 : 500 ~ 1500 W / m K 油类中 2 蒸 汽 冷 凝 : 500 ~ 3000 W / m K 总之:
l
g
有相变
无相变
强制
自然
返回目录
第六节 辐射传热
一、基本概念
1、什么是辐射传热? 靠电磁波传热的方式,称为~。
乘上一个大于1的校正系数:式(5-68)Why?
(5)非圆形管的强制湍流:
上式仍可使用,但需将d 换成 de
二、各种情形下的经验式
3、管外强制对流 (1)流体横向流过单管传热:见图5-27 处处不同,需平均。 (2)流体横向流经管束(管簇)的传热:
Nu=C1C2 Ren Pr0.4
并 排 : 管子排布方式 错 排 :
QD(透过)
A R D 1
3.黑体、白体、透热体、灰体
吸收率A=1 ----绝对黑体,如没有光泽的黑漆 反射率R=1 ----绝对白体或镜体,如十分光亮的金属 透过率D=1 ---- 透 热 体 , 如 单 原 子 或 对 称 双 原 子 构 成 的 气 体( He , H2,O2 等) 如图可见,实际物体的辐射特性曲线过 于复杂,工程上为方便处理,以灰体近似替 代实际物体。 灰体----以相同的吸收率吸收所有波长的 热辐射能的物体。工业用的大多数固体 材料可近似为灰体。 !!!注意:灰体是一种假想体。
冷凝 (二)有相变 沸腾
热流方向
热流方向
1、冷凝传热
膜 状 冷 凝 滴 状 冷 凝
滴 膜
蒸汽 ts
液膜是主要热阻 水平圆管外:
蒸汽 ts
膜状冷凝:
竖直壁面:先层流,后湍流
层流:式(5-79)、式(5-79 b )
湍流:式(5-82)
层流:式(5-80)
膜状冷凝:
水平管束:
第一排的与单管相似, 第二排的比第一排小, 第三排的比第二排小, why? …… 若干排后,基本上不变。 平均比单排的小(式5-80与5-80a对比) 。

一、实验法求

Nu
Pr
Re
l
Nu f Re 或Gr ,Pr
定性温度:确定物性的温度,有两种
t 进 t出 主体平均温度 t m 2
膜温
c p

ul
tgl 3 2 或Gr 2
tm
t壁 t主体 2
二、各种情形下的经验式
膜状冷凝传热的强化:
减薄冷凝液液膜厚度; 选择正确的蒸汽流动方向; 在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等; 用过热蒸汽; 及时排放不凝性气体。
二、各种情形下的经验式
2、沸腾传热(大容积) (1)产生沸腾现象的必要条件: 液体过热、 有汽化核心
(2)沸腾传热机理:气泡的不断形成、长大、脱离壁面, 热量随气泡被带入液体内部;同时引起液体的搅动。
三、两灰体组成的封闭体系的辐射传热速率
J 1 1 E b1 Q1 2 J 1 1 1 A1
1 E b1 1 J 1 E b1 J 1 A1 1 1 1 1 1 A1
二、物体的辐射(发射)能力
辐射能力:单位时间、单位面积上对所有波长辐射线的辐射 能量,用E表示,单位W/m2。又称发射能力。 所有物体中,黑体的发射能力最强。 1、黑体的辐射能力Eb
E b E b d
根据普朗克量子理论,有 E b
0

C 1 5 C 2 T e 1
4
T 4 E b 0T C 0 ---斯蒂芬—波尔茨曼定律 100
如图两物体之间的辐射传热量QAB不仅与两物体 的发射能力有关,还与两者的相互位置、周围环境 的对其辐射有关,很复杂。本节重点讨论两灰体组 成的封闭体系的辐射传热速率的计算。
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