代价代价：动力消耗。4.4 表面传热系数的经验关联表面传热系数的经验关联4.4.1 影响表面传热系数的因素影响表面传热系数的因素 （2）流体流动原因）流体流动原因 强制对流强制对流：外部机械作功， 一般流速较大， h也较大。 自然对流自然对流：由流体密度差造成的循环过程, 一般流速较小，h也较小。（1）流体流动状态）流体流动状态（3）流体的物理性质）流体的物理性质 定性温度：定性温度：计算表面传热系数的特征温度 一般，（4）传热面的形状、位置和大小）传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等， 造成边界层分离，增加湍动，使h增大。（5）相变化的影响）相变化的影响 有相变传热有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾， 无相变传热：无相变传热：强制对流、自然对流， 一般地，有相变时表面传热系数较大。 例例：水 强制对流， 蒸汽冷凝，4.4.2 无相变化时对流传热过程的量纲分析无相变化时对流传热过程的量纲分析 （1）量纲分析过程）量纲分析过程优点：优点：减少实验次数；依据：依据：物理方程各项量纲一致；步骤：步骤：（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；通过理论分析和实验观察，确定相关因素；（b）构造函数形式；构造函数形式；（c）列出量纲指数的线性方程组（列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、 ）；）；（d）规定已知量（指数），规定已知量（指数）， 确定余下指数表达式；确定余下指数表达式；（e）整理特征数方程形式。整理特征数方程形式。努赛尔数努赛尔数说明：说明： 反映对流传热的强弱，包含表面传热系数； 努赛尔数恒大于1。 说明：说明： 反映流动状态对 h 的影响。l：特征尺寸特征尺寸，平板 流动方向的板长； 管 管径或当量直径；（2）特征数的物理意义）特征数的物理意义雷诺数雷诺数 普朗特数普朗特数说明：说明： 反映流体物性对传热的影响 反映热扩散和动量扩散的相对大小 反映流动边界层和热边界层的相对厚度使用时注意使用时注意： * 查取定性温度下的物性； * 计算所用单位，SI制。说明：说明： 反映自然对流的强弱程度。 格拉晓夫数格拉晓夫数（浮升力特征数）浮升力特征数）强制对流强制对流自然对流自然对流混合对流混合对流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管内强制对流Nu/Pr0.4与Re的关系Nu / Pr0.4Re14.4.3 无相变化的对流传热无相变化的对流传热（1）管内强制对流传热）管内强制对流传热 一般关系式： 传热流动状态划分（传热流动状态划分（区别于流体流动时规律 ） 流体在圆形直管内流体在圆形直管内湍流时湍流时的表面传热系数的表面传热系数a) 一般流体一般流体流动状态不同，则 c、m、n 值不同流体被加热，n= 0.4流体被冷却，n= 0.3定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管内径di保证流体达到传热湍流；适用条件适用条件：说明说明：避开传热进口段，保证稳态传热。 传热进口段传热进口段：传热正在发展，h不稳定 (随管长增加h减小)OxNux或hxNuxhx Nux或hx的变化趋势tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分发展了的边界层 层流情况下流体在管内温度分布进口段温度分布和局部表面传热系数的变化传热进口段长度传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度。说明：经验公式，有一定误差。说明：经验公式，有一定误差。b)粘度较大粘度较大流体流体近似取：适用条件：适用条件： 定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管内径dic)流体流过流体流过短管短管（l/d80，边界层分离，使h，有一个最低点。 2 2）高雷诺数）高雷诺数（140000219000）有两个最低点： N01： =70-80，层流边界 层湍流边界层； N02： =140（分离点）， 发生边界分离。400300200100500800700600160o120o40o0o80oNu不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化Re=21900018600014000010130070800170000常数C、指数n见下表沿整个管周的平均表面传热系数：沿整个管周的平均表面传热系数：ReCn0.44440404000400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：特征尺寸：管外径 管束的排列方式管束的排列方式 直列（正方形）、 错列（正三角形） b) 流体流体横向横向流过流过管束管束的表面传热系数的表面传热系数x2x1d直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意x1x2d错列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意直列直列第一排管第一排管 直接冲刷 ；第二排管第二排管 不直接冲刷；扰动减弱第二排管以后基本恒定。第二排管以后基本恒定。错列错列第一排管第一排管 错列和直列基本相同； 第二排管第二排管 错列和直列相差较大， 阻挡减弱，冲刷 增强； 第三排管以后基本恒定。第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d各排管各排管h的变化规律的变化规律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oNu2.01.8150o180o0o90o180o直列管束中，不同排数的圆管上局部h沿周向的变化（Re=1.4104，空气）1237Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60o2.01.8150o180o0o90o180o错列管束中，不同排数的圆管上局部h沿周向的变化（Re=1.4104，空气） 可以看出，错列传热效果比直列好。可以看出，错列传热效果比直列好。传热系数的计算方法传热系数的计算方法 任一排管子任一排管子：C、n 取决于管排列方式和管排数。特征尺寸：特征尺寸：管外径适用范围：适用范围： c) 流体在列管换热器管壳间的传热流体在列管换热器管壳间的传热装有圆缺折流板的列管换热器 圆缺折流板管板折流挡板折流挡板 ： 壳程流体的流动方向不断改变， 较小Re（Re=100），即可达到湍流。 缺点缺点：流动阻力，壳程压降的重要因素。作用作用： 提高湍动程度，h，强化传热； 加固、支撑壳体。 圆缺折流板示意图管板10102103104101021管壳式换热器表面传热系数计算曲线ReRePr有折流挡板时壳程流体有折流挡板时壳程流体表面传热系数：表面传热系数：挡板切割度：25%D。特征尺寸：特征尺寸：流道的当量直径。正方形排列正方形排列d0t也可采用关联式：正三角形排列正三角形排列 流速的确定流速的确定：按最大流通截面 (最小流速) 计算。 DS1S2B 说明：说明： 无折流板时，无折流板时，流体平行流过管束， 按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。当量直径。d0t(3) 自然对流传热自然对流传热 温度差引起流体密度不均，导致流体流动。 分类：分类：大空间自然对流传热大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰。 有限空间自然对流传热：有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰。大空间自然对流传热大空间自然对流传热：竖直壁面上表面传热系数的分布近壁处温度与流速的分布 沿竖壁自然对流的流动和换热特征大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：表面传热系数的求取：表面传热系数的求取：查图求解查图求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流体沿垂直壁面垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流体沿水平壁面水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时：定性温度：定性温度：膜温 定型尺寸：定型尺寸：竖板，竖管，L； 水平管，外径 do影响因素：影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式；系数系数C和指数和指数n的取值见下表：的取值见下表： 经验关联经验关联doL传热面的形状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板及圆柱面10-1104104 109109 1013查图4.1.15(a) 0.59 0.1查图4.1.15(a)1/41/3高度L水平圆柱面 010-510-510410410910910110.4查图4.1.15(b)0.530.130查图4.1.15(b)1/41/3外径d0水平板热面朝上或水平板冷面朝下21048106 810610110.540.151/41/3矩形取两边平均值圆盘0.9d狭长条取短边水平板热面朝下或水平板冷面朝上10510110.581/5有相变对流传热的特点有相变对流传热的特点相变过程中产生大量相变热（潜热）；相变过程中产生大量相变热（潜热）；例例：水 4.4.4 有相变化的对流传热有相变化的对流传热相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。(1) 蒸汽冷凝机理蒸汽冷凝机理 优点优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制 蒸汽冷凝的表面传热系数较大。 冷凝方式：冷凝方式： 膜状冷凝膜状冷凝 凝液呈液膜状（附着力大于表面张力）， 热量：蒸汽相液膜表面固体壁面。 滴状冷凝滴状冷凝 凝液结为小液滴（附着力小于表面张力）， 有裸露壁面，直接传递相变热。比较两种冷凝方式的表面传热系数比较两种冷凝方式的表面传热系数 h滴状冷凝滴状冷凝h h膜状冷凝膜状冷凝，相差几倍到几十倍， 但工业操作工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝(2) 膜状冷凝表面传热系数膜状冷凝表面传热系数 努塞尔方程的理论推导努塞尔方程的理论推导 研究：研究：垂直管外或壁面的膜状膜状冷凝；方法：方法：真实模型简化模型数学模型求解。 膜状冷凝的真实过程膜状冷凝的真实过程 hx 简化的物理模型简化的物理模型 液膜很薄，层流层流流动，传热方式为导热导热，温度分布为线性； 蒸汽静止，汽-液界面无粘性应力 ；汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度t=ts；冷凝液为饱和液体。yx努塞尔特膜状冷凝简化模型 建立数学模型求解建立数学模型求解 按假设， 推导膜厚推导膜厚： 做受力分析、质量衡算、热量衡算，得： 特征尺寸：L（竖壁或圆管壁高度）倾斜壁面：倾斜壁面： 蒸气在斜壁上的冷凝 努塞尔方程的无量纲化努塞尔方程的无量纲化 液膜流动雷诺数S 为流通面积 ；b 为周边长度 ；qm/S=G 质量流速。冷凝负荷冷凝负荷: M= qm /b 单位润湿周边上凝液的质量流率，kg/ms；由热量衡算得，说明：说明：若为垂直管外冷凝，亦可采用上述努塞尔特方程，只 是Re中的润湿周边b需用d0代替，d0为竖管外径。 将上式代入努塞尔方程，则有： 量纲为一努塞尔方程。 实验结果实验结果：实测值高于理论值（约20%） 原因原因：液膜的波动、假设的不确切性(3) 膜状冷凝传热膜系数的经验关联膜状冷凝传热膜系数的经验关联 垂直管外或壁面上的冷凝垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液膜层流液膜层流 （b）液膜湍流液膜湍流 注意：壁温未知时，计算应采用试差法。注意：壁温未知时，计算应采用试差法。完全由实验获得 水平圆管外膜状冷凝说明：说明：此式计算值和实验结果基本一致。 水平管冷凝表面传热系数水平管冷凝表面传热系数 （a）水平单管外冷凝水平单管外冷凝 理论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0-1800）。 层流时层流时， 水平管外膜状冷凝水平管外膜状冷凝 （b）水平管束外冷凝水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和错排两种 ：12342123第一排管子：第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。其他各排管子：其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的 影响，表面传热系数依次下降。 水平管束的排列及其对冷凝液膜厚度的影响管排数不同时，管排数不同时， 采用平均管排数： 近似取壳体直径上的管根数NTc（c）水平管内冷凝水平管内冷凝 特点特点：考虑蒸汽流速对h的影响 （1）蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出， 可采用管外冷凝公式计算。（2）当蒸汽速度较大时，可能形成两相流动， 应参考有关公式。蒸汽蒸汽凝液凝液不凝气不凝气(4) 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 冷凝液膜两侧的温度差：冷凝液膜两侧的温度差： 流体物性的影响流体物性的影响： 不凝性气体的影响不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。 蒸气过热的影响蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。 蒸气流速的影响蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，h增大； 流速较大时，且与液膜反向，h减小。 沸腾沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生， 气泡产生和运动情况，对h影响极大。 沸腾分类沸腾分类： 按设备尺寸和形状不同 池式沸腾池式沸腾（大容积饱和沸腾）； 强制对流沸腾强制对流沸腾（有复杂的两相流）。 按液体主体温度不同 过冷沸腾：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：饱和沸腾：tts， 气泡进入液体主体后不会冷凝。（5）液体沸腾传热）液体沸腾传热液体主体 t液体主体液体主体 tts 液体主体液体主体 t ts 1) 大容积饱和沸腾传热机理大容积饱和沸腾传热机理 a） 汽泡能够存在的条件：汽泡能够存在的条件： abcd气泡的生成过程 气泡的力平衡plpvr 必须有汽化核心必须有汽化核心b） 汽泡产生的条件汽泡产生的条件 液体必须过热液体必须过热 提供必须的汽化热量 说明：说明： 因此无汽化核心，气泡不会产生； 液体过热度增大，汽化核心数增多。汽化核心汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒， 气泡能附着在其周围生长。气泡的产生过程沸腾过程沸腾过程： 过热度，汽化核心数，气泡产生和长大的速度，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数。说明：说明：由于气泡产生，使液体扰动 因此：0.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区不稳定膜状沸腾温度差和表面传热系数关系t = (tw-ts)/实验条件实验条件: 大容积、饱和沸腾。 2) 大容积饱和沸腾曲线大容积饱和沸腾曲线 曲线获得曲线获得：AB段段 ：无相变自然对流，无汽泡产生，h 缓慢增加 BC段段 ：核状沸腾核状沸腾 一方面， 另一方面，汽膜覆盖，又使h h； 当两者作用相抵消，出现转折点临界点临界点（C点）。 临界值临界值：t、q、Q CD段段 ：核状、膜状共存，膜覆盖为主，t，h； DEF段段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖， t，h； 而后辐射作用加强， t，h。沸腾曲线意义沸腾曲线意义:说明说明：工业上，应严格控制在核状沸腾区内操作。 3) 影响的因素影响的因素 加热壁面的影响：加热壁面的影响： 粗糙壁面, h，光滑的壁面, h； 被油脂污染的壁面, h，清洁表面, h； 水平管束沸腾传热，上排管 h 。 4 ) 沸腾传热膜系数沸腾传热膜系数 参看有关手册，管外沸腾传热更为常用。 （a）水在105 4105Pa 压力下的核状沸腾（b）不同液体在不同清洁面上的核状沸腾