化工原理對流傳熱

1、2022-4-23第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱一、對流傳熱過程分析一、對流傳熱過程分析二、對流傳熱速率方程二、對流傳熱速率方程三、影響對流傳熱系數(shù)的因素三、影響對流傳熱系數(shù)的因素四、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式四、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式五、流體無相變時對流傳熱系五、流體無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式第四章第四章傳 熱2022-4-23一、一、對流傳熱過程分析對流傳熱過程分析 1、傳熱邊界層傳熱邊界層【現(xiàn)象現(xiàn)象】流體在平壁上流過時，如果流體和壁面間將進行換熱，將引起壁面法向方向上溫度分布法向方向上溫度分布的變化，形成一定的溫度梯度溫度梯度。【定義定義】靠近壁面處，流體溫度發(fā)生顯著變化

2、的區(qū)流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域域，稱為傳熱邊界層或溫度邊界層溫度邊界層。 2022-4-23傳熱邊界層示意圖傳熱邊界層示意圖傳熱邊界層傳熱邊界層流流體溫度發(fā)生顯著變體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域?；膮^(qū)域。法向法向10020222022-4-232、對流傳熱過程流體流動的分析對流傳熱過程流體流動的分析湍流主體湍流主體湍流主體湍流主體2022-4-23（1）層流內(nèi)（底）層的特點）層流內(nèi)（底）層的特點 層流內(nèi)層內(nèi)層流內(nèi)層內(nèi)，由于流體質(zhì)點只在流動方向上作一維運動，在傳熱方向上無質(zhì)點運動在傳熱方向上無質(zhì)點運動。其特點是：主要依靠熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)方式來進行熱量傳遞；由于流體內(nèi)部存在溫差內(nèi)部存在溫差還會有少量的自然

3、對流少量的自然對流。傳熱溫差大傳熱溫差大。2022-4-23遠離壁面；流體質(zhì)點充分混合，溫溫度趨于一致度趨于一致（熱阻?。?；傳熱主要以對流方式進以對流方式進行行。（2）湍流核心（主體）的特點）湍流核心（主體）的特點2022-4-23存在質(zhì)點混合、分子運動的共同作用，溫度變化不像湍流主體那么平緩平緩均勻，也不像層流底層變化明顯明顯。 傳熱以熱傳導(dǎo)和對流以熱傳導(dǎo)和對流兩種方式兩種方式共同進行。（3）過渡區(qū)的特點）過渡區(qū)的特點2022-4-231、什么是、什么是模型法模型法【定義定義】把復(fù)雜問題簡單化、摒棄次要的條件，抓住主要的因素，對實際問題進行理想化處理，構(gòu)建理想化理想化的物理模型，獲得某一過程

4、的有關(guān)規(guī)律。具具體方法體方法為：（1）對過程進行合理的簡化合理的簡化；（2）獲得物理模型物理模型（構(gòu)象）；（3）對物理模型進行數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述，獲得有關(guān)規(guī)律。二、二、對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程 2022-4-23（1）流體與固體壁面之間存在一個厚度為厚度為bt的虛擬膜（流體層流體層），稱之為有效膜；（2）有效膜集中了傳熱過程的全部傳熱全部傳熱溫差溫差的以及全部熱阻熱阻，在有效膜之外無溫差也無熱阻存在（所所有的熱量傳遞均產(chǎn)生在有效膜內(nèi)有的熱量傳遞均產(chǎn)生在有效膜內(nèi)）；（3）在有效膜內(nèi)，傳熱以熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的方式進行。2、有效膜模型有效膜模型2022-4-23有效膜模型示意圖有效膜模型示意圖【有

5、效膜模型說明有效膜模型說明】（1）厚度厚度為： btbf（2）膜內(nèi)溫度的變化為線性線性關(guān)系，即為傳導(dǎo)傳傳導(dǎo)傳熱熱；（3）膜外無傳熱無傳熱。虛擬層虛擬層有效膜有效膜2022-4-233、有效膜模型的數(shù)學(xué)描述有效膜模型的數(shù)學(xué)描述 （1）有效膜的厚度厚度：bt（2）有效膜的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)： （3）使用傅立葉定律傅立葉定律計算在有效膜內(nèi)的傳熱速率。 當流體被加熱加熱時： )(wttAbQt 當流體被冷卻冷卻時： )(wtTTAbQbtbt2022-4-234、牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 【說明說明】以上兩式稱為牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律，用于計算對流傳熱速率。令：tb流體被加熱加熱： )(wttAQ流體

6、被冷卻冷卻： )(wTTAQ)(wttAbQt2022-4-235、幾點說明幾點說明（1）牛頓冷卻定律并非從理論上推導(dǎo)并非從理論上推導(dǎo)的結(jié)果，是根據(jù)有效膜模型建立起來的數(shù)學(xué)方程。 （這種處理問題的方法，在工程中稱之為數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法）tAttATTAQww）（)()(2式中：t傳熱壁與湍流主體湍流主體之間的溫度差； A傳熱壁與流體的接觸面積。2022-4-23（4）復(fù)雜問題簡單化的表示復(fù)雜問題簡單化的表示牛頓冷卻定律雖然給出了給出了計算對流傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達式對流傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達式，但由于對流傳熱一個非常復(fù)雜的物理過程，并未簡化問題本身（有效膜厚度難以測定有效膜厚度難以測定），只

7、是把諸多影響過程的因素都歸結(jié)到了當中。 （3） 對流傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)。表征對流傳熱過程的參數(shù)，影響因數(shù)眾多，不是物性常數(shù)（如 ）。2022-4-23三、影響對流傳熱系數(shù)的因素三、影響對流傳熱系數(shù)的因素 1、引起流動的原因引起流動的原因 【自然對流自然對流】由于流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的液體內(nèi)部環(huán)流液體內(nèi)部環(huán)流，一般u較小較小，也較小?！緩娭茖α鲝娭茖α鳌吭谕饬ψ饔孟乱鸬牧鲃舆\動，一般u較大較大，故較大。因此：自然對流強制對流2022-4-232、流體的物性流體的物性 流體的物性不同，對流傳熱系數(shù)的大小也不同，影響影響 較大的物性常數(shù)較大的物性常數(shù)有：， Cp ，。（1） 的影

8、響的影響 ；（2） 的影響的影響 Re ；（3）Cp的影響的影響 Cp 則單位體積流體的熱容量大，則較大；（4） 的影響的影響 Re 。 2022-4-23 3、流動型態(tài)流動型態(tài) 【結(jié)論結(jié)論】（1）為增大，應(yīng)增大Re； （2）但隨著Re的增大，動力消耗大。 【層流層流】主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大?！就牧魍牧鳌坑捎谫|(zhì)點充分混合且層流底層變薄，較大。即： tb,Re因此層流湍流2022-4-234、傳熱面的形狀、尺寸和位置傳熱面的形狀、尺寸和位置 不同的壁面形狀、尺寸會影響流型；會造成邊界造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動，使層分離，產(chǎn)生旋渦，增

9、加湍動，使 增大增大。（1）形狀形狀 比如管、板、管束等；（2）尺寸尺寸 比如管徑和管長等；（3）位置位置 比如管子的排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。 2022-4-235、是否發(fā)生相變是否發(fā)生相變 【現(xiàn)象現(xiàn)象】主要有蒸汽冷凝蒸汽冷凝和液體沸騰液體沸騰?！咎攸c特點】發(fā)生相變時，汽化或冷凝的潛熱潛熱遠大于溫度變化的顯熱顯熱（r遠大于Cp）?！窘Y(jié)論結(jié)論】一般情況下，有相變化時對流傳熱系數(shù)較大，即：無相變有相變2022-4-23四、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立四、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立 由于影響對流傳熱系數(shù)的因素非常多，因此確定其數(shù)值的大小是一個極為復(fù)雜

10、的問題。目前還不能對對目前還不能對對流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計算式流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計算式，只能通過實驗得到其經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式?！窘?jīng)驗公式的建立方法經(jīng)驗公式的建立方法】（1）通過因次分析因次分析，建立特征數(shù)（準數(shù)）關(guān)系式；（2）通過實驗實驗，測定各準數(shù)的待定系數(shù)。1、基本方法、基本方法 2022-4-232、準數(shù)關(guān)系式（通過因次分析獲得）、準數(shù)關(guān)系式（通過因次分析獲得） 經(jīng)分析可知： f(u，l， ， ，Cp， ，gt)式中 l特性尺寸； u特征流速； 體積膨脹系數(shù) 。 因次分析結(jié)果如下： cbaKGrPrReNu 2022-4-23準數(shù)名稱準數(shù)名稱符號符號準數(shù)式準數(shù)式含義含義努

11、賽爾特數(shù)努賽爾特數(shù)(Nusselt number)Nu表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾數(shù)雷諾數(shù)(Reynolds number)Re表示慣性力與粘性力之比，表示慣性力與粘性力之比，是表征流動狀態(tài)的準數(shù)是表征流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭德數(shù)普蘭德數(shù)(Prandtl number)Pr表示速度邊界層和熱邊界層表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性與傳熱有關(guān)的流體物性格拉斯霍夫數(shù)格拉斯霍夫數(shù)(Grashof number)Gr表示由溫度差引起的浮力與表示由溫度差引起的浮力與粘性力之比粘性力之比llupc223tlg3、特征數(shù)（準數(shù)）的符號及

12、意義、特征數(shù)（準數(shù)）的符號及意義2022-4-234、注意事項、注意事項（1）適用范圍）適用范圍 在測定準數(shù)關(guān)聯(lián)式的各項指數(shù)時，實驗范圍是有限的。因此，準數(shù)關(guān)聯(lián)式的使用范圍也就是有限制的，使用時不能超出適用范圍使用時不能超出適用范圍。（2）定性溫度）定性溫度【定義定義】在處理實驗數(shù)據(jù)時要取一個有代表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，這個確定物性參數(shù)數(shù)值確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度的溫度稱為定性溫度定性溫度。 2022-4-23【定性溫度的有關(guān)說明定性溫度的有關(guān)說明】（1）什么是定性溫度）什么是定性溫度 【定義定義】確定物性參數(shù)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度數(shù)值的溫度稱為定性溫定性溫度度。 T2T1t1t2duR

13、epcPr2022-4-23流體進、出口溫度的平均值平均值膜溫膜溫式中 tw壁面壁面上的溫度； t1、t2流體進、出口進、出口溫度溫度。221tttm2wmttt熱流體冷流體thtcth,wtc,w流體通過間壁的熱交換熱流體冷流體thtcth,wtc,w流體通過間壁的熱交換T1T2t1t2（2）定性溫度的取法）定性溫度的取法 2022-4-23（3）特征（性）尺寸（）特征（性）尺寸（l） 【定義定義】代表換熱面幾何特征的長度量代表換熱面幾何特征的長度量（如長、寬、高及直徑等），是指對流體流動和傳熱有決定性對流體流動和傳熱有決定性影響影響的設(shè)備某一幾何尺寸。工業(yè)上各種設(shè)備的特征尺寸都有規(guī)定，例如

14、：圓形管內(nèi)的對流傳熱，特性尺寸用管內(nèi)徑管內(nèi)徑d；非圓形管的對流傳熱，特性尺寸取當量直徑當量直徑de 。大空間內(nèi)自然對流，取加熱（或冷卻）表面的垂垂直高度直高度為特性尺寸。2022-4-23五、無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式五、無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式 1、流體在管內(nèi)的強制對流、流體在管內(nèi)的強制對流 （1）圓形直管內(nèi)的湍流）圓形直管內(nèi)的湍流(低粘度流體低粘度流體） 狄丟斯狄丟斯（Dittus）公式公式npcdud)()(023. 08 . 0或：nNuPrRe023. 08 . 0lNu2022-4-23【使用范圍使用范圍】 Re10000，0.7Pr120， 60 【注意事項注意事項

15、】 （1）定性溫度取流體進出溫度的算術(shù)平均值算術(shù)平均值tm；（2）特征尺寸為管內(nèi)徑管內(nèi)徑d；（3）流體被加熱加熱時，n0.4； 流體被冷卻冷卻時，n0.3。（4）若l/d60 ，進行校正： 7 . 01ld2022-4-23（2）圓形直管內(nèi)的湍流）圓形直管內(nèi)的湍流（高粘度流體高粘度流體）14. 033. 08 . 0)()()(027. 0wpcdud【使用范圍使用范圍】Re10000，0.7Pr60；【特征尺寸特征尺寸】管內(nèi)徑d；【定性溫度定性溫度】除粘度W 取壁溫壁溫外，其余均取流體進、出口的算術(shù)平均值算術(shù)平均值。 2022-4-23【近似計算近似計算】W 為壁溫壁溫下的粘度，在實際中，由

16、于壁溫難以測得，工程上近似處理工程上近似處理為：對于液體，加熱加熱時： 05. 1)(14. 0w冷卻冷卻時： 95. 0)(14. 0w2022-4-23（3）圓形直管內(nèi)的過渡流圓形直管內(nèi)的過渡流【定義定義】當 2300Re10000時，為過渡流?！痉椒ǚ椒ā肯劝赐牧饔嬎阃牧?，然后乘以校正系數(shù)： 【說明說明】過渡區(qū)內(nèi)流體比劇烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的Re小，流體流動的湍動程度減少，層流底層變厚，減小。 8 . 15Re1060 . 1ff湍流2022-4-23（4）流體在彎管中的對流傳熱系數(shù)流體在彎管中的對流傳熱系數(shù)【方法方法】先按直管直管計算，然后乘以校正系數(shù)校正系數(shù) f：式中 d 管徑； R

17、彎管的曲率半徑。 【說明說明】由于彎管處受離心力的作用，存在二次環(huán)二次環(huán)流流，湍動加劇，增大。 )77. 11 (Rdff直管2022-4-23二次環(huán)流【定義定義】垂直于流動方向的流動稱為二次環(huán)流；【原因原因】流動的流體在彎曲處受到了離心力的作用；【結(jié)果結(jié)果】加強了流體的擾動，帶來換熱的增強。 彎管處的二次環(huán)流彎管處的二次環(huán)流2022-4-23（5）非圓形直管內(nèi)強制對流非圓形直管內(nèi)強制對流【處理方法處理方法】采用圓形圓形管相應(yīng)的公式計算，特征尺寸采用當量直徑當量直徑。 如狄丟斯公式：npecudd)()(023. 08 . 0e【說明說明】（1）方法比較簡便，但計算結(jié)果的準確性欠佳；（2）采用

18、經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式和專用式專用式更為準確。 2022-4-23 對于套管的環(huán)隙套管的環(huán)隙，用空氣和水做實驗，可得如下經(jīng)驗公式： 2123/1Pr8 . 0Re02. 0dded式中 d1、d2分別為套管外管內(nèi)徑和內(nèi)管外徑。適用范圍適用范圍：d1/d2=1.6517，Re1.21042.2105 【非圓形直管內(nèi)強制對流的經(jīng)驗公式非圓形直管內(nèi)強制對流的經(jīng)驗公式】2022-4-23（1）Gr25000時，自然對流影響小可忽略時，自然對流影響小可忽略14. 03/1)()Pr(Re86. 1wldNu【適用范圍適用范圍】Re6010)Pr(Reld【說明說明】 （1）定性溫度、特征尺寸定性溫度、特征尺寸

19、的取法與湍流相同； （2） w按壁溫確定。2、圓形直管內(nèi)的層流、圓形直管內(nèi)的層流 2022-4-23（2）Gr25000時，自然對流的影響不能忽略時時，自然對流的影響不能忽略時 可按前述方法處理，然后乘以校正系數(shù)校正系數(shù) f：)01501 (8031/Gr.f【注意注意】在換熱器設(shè)計中，應(yīng)盡量避免在層流盡量避免在層流條件下進行傳熱，因為此時對流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。2022-4-23【例例】列管冷凝器中，用水冷卻有機物蒸氣，水以0.5m/s的速度在252的管內(nèi)流動，進水溫度為20 ，出水溫度為40 。試求水對管壁的對流傳熱系數(shù)。 2022-4-23【解解】在確定各物理量時，先確定定性溫度。 一般情況下，用進出設(shè)備流體的溫度的平均值（算術(shù)平均值），即：出進30240202ttt 查數(shù)據(jù)手冊，30時水的物性數(shù)據(jù)為： Cp=4183J/(K.kg) =996kg/m3 =8.01104Pa.s =0.618W/(m.K)已知 d=0.021m u=0.5m/s2022-