化工流體流動與傳熱4.3對流傳熱概述.ppt

1,第 4 章 傳熱,4.1 概述,4.2 熱傳導(dǎo),4.3 對流傳熱概述,2,流體流過固體壁面(流體溫度與壁面溫度不同)時的傳熱過程稱為對流傳熱。,流體無相變的對流傳熱,強制對流傳熱 自然對流傳熱,流體有相變的對流傳熱,蒸氣冷凝 液體沸騰,4.3 對流傳熱概述,根據(jù)流體在傳熱過程中的狀態(tài)：,3,4.3 對流傳熱概述,1. 對流傳熱速率方程,4.3.1 對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù),4,對流傳熱是一復(fù)雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，而且不同的對流傳熱情況又有差別，因此對流傳熱的理論計算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經(jīng)驗方法處理。,1. 對流傳熱速率方程,對流傳熱速率=對流傳熱推動力/對流傳熱阻力 =系數(shù)推動力,5,對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述,溫度差,局部對流傳熱系數(shù),微分對流傳熱通量,1. 對流傳熱速率方程,6,換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)表面積。例如，若熱流體在換熱器的管內(nèi)流動，冷流體在管間(環(huán)隙)流動，則對流傳熱速率方程式可分別表示為,1. 對流傳熱速率方程,7,4.3 對流傳熱概述,1. 對流傳熱速率方程,4.3.1 對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù),2. 對流傳熱系數(shù),8,2. 對流傳熱系數(shù),牛頓冷卻定律也是對流傳熱系數(shù)的定義式，即,對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，其單位為W/(m2)。它反映了對流傳熱的快慢，愈大表示對流傳熱愈快。表4-5列出了幾種對流傳熱情況下的數(shù)值范圍。,9,4.3 對流傳熱概述,4.3.1 對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù),4.3.2 對流傳熱機理簡介,1. 對流傳熱分析,10,對流傳熱是借流體質(zhì)點的移動和混合而完成的，因此對流傳熱與流體流動狀況密切相關(guān)。,對流傳熱,圖4-13 對流傳熱的溫度分布情況,1. 對流傳熱分析,11,當(dāng)流體流過固體壁面時，由于流體黏性的作用，使壁面附近的流體減速而形成流動邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度。,層流內(nèi)層 緩沖層 湍流核心,湍流邊界層,傳熱方式 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)和渦流傳熱 渦流傳熱,1. 對流傳熱分析,12,層流內(nèi)層 緩沖層 湍流核心,湍流邊界層,溫度梯度 較大 居中 較小,熱阻 較大 居中 較小,1. 對流傳熱分析,13,對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。,1. 對流傳熱分析,14,2. 熱邊界層,靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。,熱邊界層,15,圖 4-14 平板上的熱邊界層,o,2. 熱邊界層,16,若緊靠壁面處薄層流體內(nèi)的傳熱只能是熱傳導(dǎo)，則傳熱速率可用傅里葉定律表示，即,緊靠壁面處薄層流體的溫度梯度,2. 熱邊界層,17,根據(jù)牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳熱速率方程為,換熱器任一截面上與熱流體相接觸一側(cè)的壁溫,換熱器任一截面上熱流體的平均溫度,2. 熱邊界層,18,因此有,上式為對流傳熱系數(shù)的另一定義式，該式表明，對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近的流體層的溫度梯度，就可由該式求得。 熱邊界層的厚薄影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。當(dāng)邊界層內(nèi)、外側(cè)的溫度差一定時，熱邊界層愈薄，則(dt/dy)w愈大，因而就愈大。反之，則相反。,2. 熱邊界層,19,流體在管內(nèi)流動時，熱邊界層的發(fā)展過程也和流動邊界層相似。流體進入管口后，邊界層開始沿管長而增厚;在距管入口一定距離處，于管子中心相匯合，邊界層厚度即等于管子的半徑，此時稱為充分發(fā)展流動。 流體在管內(nèi)傳熱時，從開始加熱(或冷卻)到達到基本穩(wěn)定的這一段距離稱為進口段。,2. 熱邊界層,20,4.3 對流傳熱概述,4.3.1 對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù),4.3.2 對流傳熱機理簡介,4.3.3 保溫層的臨界直徑,21,通常，熱損失隨保溫層厚度的增加而減少。但是在小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨保溫層厚度增加，可能反而使熱損失增大。,4.3.3 保溫層的臨界直徑,22,式中R1為保溫層的熱傳導(dǎo)熱阻，R2為保溫層外壁與空氣的對流傳熱熱阻。 當(dāng)保溫層厚度增加(即ri不變，ro增大)時，熱阻R1雖然增大，但是熱阻R2反而下降，因此有可能使總熱阻(R1+R2)下降，導(dǎo)致熱損失增大。,熱損失可表示為,4.3.3 保溫層的臨界直徑,23,解得一個Q為最大值時的臨界半徑,整理得,4.3.3 保溫層的臨界直徑,24,習(xí)慣上以rc表示Q最大時的臨界半徑，故,或,dc為保溫層的臨界直徑。若保溫層的外徑小于dc ，則增加保溫層的厚度反而使熱損失增大。只有在do2/下，增加保溫層的厚度才使熱損失減少。,4.3.3 保溫層的臨界直徑,25,圖4-15 保溫層的臨界直徑,dc,4.3.3 保溫層的臨界直徑,26,第 4 章 傳熱,4.1 概述,4.2 熱傳導(dǎo),4.3 對流傳熱概述,4.4 傳熱過程計算,4.4.1 熱量衡算,27,假設(shè)換熱器的熱損失可忽略，則單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。 對于換熱器的微元面積dS，其熱量衡算式可表示為,對于整個換熱器，其熱量衡算式為,熱平衡方程,28,若換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱容不隨溫度而變或可取平均溫度下的比熱容時,若換熱器中的熱流體有相變化，例如飽和蒸氣冷凝時,熱平衡方程,29,當(dāng)冷凝液的溫度低于飽和溫度時,熱平衡方程,30,第 4 章 傳熱,4.1 概述,4.2 熱傳導(dǎo),4.3 對流傳熱概述,4.4 傳熱過程計算,4.4.1 熱量衡算,4.4.2 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù),31,通過換熱器中任一微元面積dS的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程，可以仿照對流傳熱速率方程寫出，即,1.總傳熱速率微分方程,32,總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。,總傳熱速率微分方程,1.總傳熱速率微分方程,33,顯然有,管內(nèi)徑,管外徑,平均管徑,工程上大多以外表面積為基準(zhǔn)，故后面討論中，除非特別說明，都是基于外表面積的總傳熱系數(shù)。,1.總傳熱速率微分方程,34,2. 總傳熱系數(shù),1.總傳熱系數(shù)的計算 總傳熱系數(shù)(簡稱傳熱系數(shù))K是評價換熱器性能的一個重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計算所需的基本數(shù)據(jù)。 K的數(shù)值與流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等諸多因素有關(guān)，因此K值的變動范圍較大。 K值的來源：K值的計算；實驗查定；經(jīng)驗數(shù)據(jù)。,35,兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程: 熱流體在流動過程中將熱量傳給管壁的對 流傳熱； 通過管壁的熱傳導(dǎo)； 管壁與流動中的冷流體之間的對流傳熱。,2. 總傳熱系數(shù),36,對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率必然相等，即,或,2. 總傳熱系數(shù),37,移項后相加，得,2. 總傳熱系數(shù),38,比較,2. 總傳熱系數(shù),39,基于管內(nèi)表面積的 局部總傳熱系數(shù),基于平均表面積的 局部總傳熱系數(shù),基于管外表面積的 局部總傳熱系數(shù),得,2. 總傳熱系數(shù),40,設(shè)計中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響，即,管壁外表面污垢熱阻,管壁內(nèi)表面污垢熱阻,總傳熱系數(shù)計算式,某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗值可查附錄。,污垢熱阻(又稱污垢系數(shù)),2. 總傳熱系數(shù),41,提高總傳熱系數(shù)途徑的分析,總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻,壁阻,總熱阻,管內(nèi)熱阻,管內(nèi)垢阻,管外垢阻,管外熱阻,2. 總傳熱系數(shù),42,若傳熱面為平壁或薄管壁，則,當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時,若,管壁外側(cè)對流傳熱控制,，則,2. 總傳熱系數(shù),43,管壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制,若,管壁內(nèi)、外側(cè)對流傳熱控制,相當(dāng),若管壁兩側(cè)對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大,污垢熱阻控制,2. 總傳熱系數(shù),44,欲提高K值，強化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。,K值總是接近且永遠小于 中的小者。 當(dāng)兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時，K近似等于 中小者。,2. 總傳熱系數(shù),45,2.K的實驗查定,對現(xiàn)有的換熱器，通過實驗測取有關(guān)的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后用總傳熱速率方程式計算得到K值。 實測的K值不僅可以為換熱器的設(shè)計提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設(shè)備傳熱能力的途徑。,2. 總傳熱系數(shù),46,3.總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值,某些情況下管殼式換熱器的總傳熱系