对流传热系数测定实验讲义PPT(共48页)

沸 腾 凝 凝
腾
流体流动排布型式
1.逆流型式 2.并流型式 3.错流型式 4.折流型式
逆流型式
并流型式
错流型式
折流型式
实验目的
1.通过实验掌握总传热系数K及对流传热系数α的 测定方法，并分析影响因素； 2.学习如何用实验方法求出描述过程规律的经验 公式,并检验通用的对流传热系数的准数关联式 NuA或Rm e N； uARm ePnr 3.通过实验提高对关联式的理解，进一步了解影 响对流传热系数的因素和强化传热的途径； 4.掌握测温热电偶的使用方法。
流体在圆形直管内 作湍流时的对流传热系数
其关联式可采用迪图斯-贝尔特公式描述，即 N uARm ePnr （经验式为 N u0.023R e0.8P rn ）
式中：Nu---努塞乐特准数，Nu=αid/λ ；
Re---雷诺准数，Re=duρ/μ ；
Pr---普朗特准数，Pr=CP· μ/λ；
A、m、n---常数。
实验原理
根据传热基本方程、牛顿冷却定律以 及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备 的结构尺寸，只要测得传热速率Ｑ以及 各有关温度，即可算出Ｋ和α等。
间壁式换热装置
对于间壁式传热过程，可以将 其看成是由下述三个传热子过程 串联而成：
（1）热流体与固体壁面之间的对 流传热过程；
（2）热量通过固体壁面的热传导 过程；
3.计算对流传热系数α
依据牛顿冷却定律：
QcActmc 或 QhAhtmh
其中：tmc(tw上lnt2t)w上 (twt2下t1)
tw下t1
tmh(Ttlwn上T)(tTw上tw下) Ttw下
式中： αc、αh ---分别为冷、热流体的平均对流传热系数（W/(m2·℃)）； Ac、Ah---分别为冷、热流体的传热面积，即与流体接触的壁面积（m2）；
1.强化传热：为了使物料达到操作温度的要求进行的加 热或冷却，希望热量以所期望的速率进行传递；
2.削弱传热：为了使物料或设备减少热量散失，而对管 道或设备进行保温或保冷。
对流传热的概念
在工业生产中，传热过程基本方式： 1.直接接触式传热 2.间壁式传热：是一种常用的换热设备，如列管
式换热器。其热流体借助于传热壁面，将热量传递 给冷流体。
3.蓄热式传热。（图例）
影响换热器传热速率的参数有：传热面积、平 均温度和传热系数。
对流传热的概念
不同温度的流体各部分之间，或流体与固体壁 面之间作整体相对位移时所发生的热量传递过程， 称为对流传热。
影响对流传热的因素：
（1）流体的相态变化； （2）引起流动的原因(强制对流传热和自然对流传热)； （3）流体的流动型态(层流和湍流)； （4）流体的物理性质(包括流体的比热容、导热系数、密
（3）固体壁面与冷流体之间的对 流传热过程。
1.计算热负荷（热流量）Ｑ
热量衡算方程式：
ρ Q q c cC p(c t2 t1)
式中：qc---空气的体积流量（m3/h）； ρc---空气的密度（kg/m3); ＣPc---空气的定压比热容（J/(kg·K））或（J/(kg·℃)）； t1---空气进换热器的温度（K或℃）； t2---空气出换热器的温度（K或℃）。
管长与管内径之比l/d≥60。
当液体被加热时，取
0.14
w
1.05
当液体被冷却时，取
0.14
w
0.95
对于短管（管长与管径之比l/d<50）内的强制对流 传热，由于其全部或绝大部分的管段处于热边界层尚 未充分发展的入口段。因此，在计算对流传热系数时 应进行入口效应的修正，即
当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。
上式适用于流体与管壁温差不大的场合，对于气体，其温差不超过50℃ ； 对于水，温差不大于20-30℃ ；对于黏度随温度变化较大的油类其值不超 过10℃ 。上式的其他适用的条件为：Re=1.0×104~1.2×105， Pr=0.7~120,管长与管内径之比l/d≥60。所采用的特征长度为管内径d， 定性温度为流体的平均温度（即管道进、出口截面平均温度的算术平均 值）。
对流传热系数测定实验
实验指导教师：曾明荣
对流传热概述
根据热力学第二定律，凡是存在温度差的地方就会发 生热量传递，并导致热量自发地从高温处向低温处传 递，这一过程称为热量传递过程，简称传热。
热量传递过程分为稳态过程与非稳态过程两大类。
热量传递有三种基本方式：热传导、对流和热辐射。
在化工生产中传热的应用主要是两个方面：
∆tmc、 ∆tmh---分别为冷、热流体与壁面（或反之）间温差的平均值（℃）。
管内强制对流传热
当流体在圆 形直管内作 强制对流传 热时，研究 表明，Nu 与Pr和Re之 间存在如图3-1所示的关 系。
图3-1 流动状况与对流传热系数的关系
由图可见：
管内强制对流存在三个不同的区域： 当Re<2300时，流体的流动为层流状态； 当Re>10000时，流体的流动为完全湍流状态； 一般认为2300<Re<10000区域的流动为过渡 状态，在三个区域风流体的对流传热规律不同。
度和黏度等）； （5）传热面的几何因素(传热面的形状、大小等）。
对流传热分类：
强
制
对
流
传
热
内 部 流 动
外
部
流
动
对
流
传
热
无
相
变
自
然
对
流
传
热
大
有
混 合 对 流 传 热
空 限
间 空
自 间
然对流 自然对
流
有
相
变
沸
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冷
腾 凝
传 传
热 热
大
管
管
管
容 风 外 内
器 沸 冷 冷
当温差超过推荐的温差范围或对于黏度较高的液体，由
于管壁温度与流体的主体温度不同而引起壁面附近与流体主
体处黏度相差较大，如果采用迪图斯--贝尔特公式，则计算
的误差较大，因此可采用齐德-泰特公式进行计算，即
Nu0.02R 70e.8P1r/3w0.14
式中的特征长度为管内径d；定性温度为流体的平均温度；μw 表示是以 管壁温度选取的流体黏度。上式适用范围：Re≥104；Pr=0.7~16700，
通过测定qc、t1、t2可计算出Q。
2.计算总传热系数Ｋ
由传热基本方程式 QKA tm
得：
Q K
Atm
其中：
tm
(T1
t2 ) (T2 lnT1 t2
t1)
T2 t1
式中：Ｋ---基于管内表面积的总传热系数（W/(m2·℃)）； A---换热管内表面积（m2）； ∆tm---换热器冷热流体的对数平均温差。