化工原理傳熱2

1、4.3.2 對流傳熱速率方程和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對流傳熱速率方程和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（1）牛頓冷卻定律）牛頓冷卻定律thAhAt1thq或：。：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，KW/m2h：流體與壁溫之差。t熱流體冷流體thtcth,wtc,w 流體通過間壁的熱交換th1th2tc1tc2說明說明： 實驗定律； 對壁兩側(cè)流體(冷、熱)均適用。熱流體：熱流體： 冷流體冷流體： )(wh,hhhttAh)(cwc,ccttAhAhttccwc,1 h h是計算關(guān)鍵，一般由實驗測定。是計算關(guān)鍵，一般由實驗測定。Ahtthwh,h1（2）對流傳熱過程的簡化模型）對流傳熱過程的簡化模型 真實模型真實模型 流體主體 過渡層 層流內(nèi)層

2、對流 對流，導(dǎo)熱 導(dǎo)熱 研究方法研究方法：計算各層的熱流量。thmtcmL1thwL212tCW簡化模型簡化模型 有效膜（虛擬膜）：有效膜（虛擬膜）：集中全部溫差，以熱傳導(dǎo)方式傳熱。)/(11wh,hAtt由傅里葉定律：（有利于傳熱），則，一定時，hRet優(yōu)點：優(yōu)點：對流傳熱問題 導(dǎo)熱問題。，層流內(nèi)層厚度減薄，湍動程度h代價代價：動力消耗。4.4 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)4.4.1 影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素 （2）流體流動原因）流體流動原因 強制對流強制對流：外部機械作功， 一般流速較大， h也較大。 自然對流自然對流：由流體密度差造成的循環(huán)過程, 一般

3、流速較小，h也較小。（1）流體流動狀態(tài)）流體流動狀態(tài)h，：hRe，：。，單位體積流體的熱容量：C)kJ/(m3 ppcchcp，hRe，：（3）流體的物理性質(zhì)）流體的物理性質(zhì) 定性溫度：定性溫度：計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的特征溫度 一般，)(2121mttt（4）傳熱面的形狀、位置和大?。﹤鳠崦娴男螤?、位置和大小 壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等， 造成邊界層分離，增加湍動，使h增大。（5）相變化的影響）相變化的影響 有相變傳熱有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰， 無相變傳熱：無相變傳熱：強制對流、自然對流， 一般地，有相變時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 例例：水 強制對流， 蒸汽冷凝，K)W/(m100002

4、502：hK)W/(m1500050002：h4.4.2 無相變化時對流傳熱過程的量綱分析無相變化時對流傳熱過程的量綱分析 （1）量綱分析過程）量綱分析過程優(yōu)點：優(yōu)點：減少實驗次數(shù)；依據(jù)：依據(jù)：物理方程各項量綱一致；步驟：步驟：（a）通過理論分析和實驗觀察，確定相關(guān)因素；）通過理論分析和實驗觀察，確定相關(guān)因素；（b）構(gòu)造函數(shù)形式；）構(gòu)造函數(shù)形式；hfedcbatgclKuh)(pifpatglcluKhl)()()(223)(pctglufh，無相變：（c）列出量綱指數(shù)的線性方程組（）列出量綱指數(shù)的線性方程組（M、L、T、 ）；）；（d）規(guī)定已知量（指數(shù)），）規(guī)定已知量（指數(shù)）， 確定余下指數(shù)

5、表達式；確定余下指數(shù)表達式；（e）整理特征數(shù)方程形式。）整理特征數(shù)方程形式。注意：注意：（1）適用范圍）適用范圍 不能超出適用范圍（2）定性溫度）定性溫度 2;221WmWmtttttt（3）特征尺寸）特征尺寸 d; de（4 4）計量單位）計量單位 統(tǒng)一單位制)(GrPrRefNu，無相變對流傳熱：努賽爾數(shù)努賽爾數(shù)hlNu ltyty0)dd(平均溫度梯度壁面處溫度梯度無量綱溫度梯度說明：說明： 反映對流傳熱的強弱，包含表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； 努賽爾數(shù)恒大于1。粘滯力慣性力duuduRe2 說明：說明： 反映流動狀態(tài)對 h 的影響。l：特征尺寸：特征尺寸，平板 流動方向的板長； 管 管徑或當(dāng)量直徑；

6、thytq0y)dd(（2）特征數(shù)的物理意義）特征數(shù)的物理意義雷諾數(shù)雷諾數(shù) 普朗特數(shù)普朗特數(shù)ppccPr/熱擴散系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)動量擴散系數(shù)運動粘度)()(av說明：說明： 反映流體物性對傳熱的影響。 反映熱擴散和動量擴散的相對大小。 反映流動邊界層和熱邊界層的相對厚度。t1，avPrt1，avPrt1，avPr使用時注意使用時注意： * 查取定性溫度下的物性； * 計算所用單位，SI制。說明：說明： 反映自然對流的強弱程度。 格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)（浮升力特征數(shù)）浮升力特征數(shù)）223tlgGr化。：單位體積流體浮力變tg )(PrRefNu，1 . 0/2ReGr)(PrGrfNu，10/2ReG

7、r)(PrGrRefNu，10/1 . 02ReGr22)(bbRelu。：體積膨脹系數(shù)，C/ 1數(shù)。：表示自然對流的雷諾bRe強制對流強制對流自然對流自然對流混合對流混合對流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管內(nèi)強制對流Nu/Pr0.4與Re的關(guān)系Nu / Pr0.4Re14.4.3 無相變化的對流傳熱無相變化的對流傳熱（1）管內(nèi)強制對流傳熱）管內(nèi)強制對流傳熱 一般關(guān)系式： nmPrCReNu 傳熱流動狀態(tài)劃分（傳熱流動狀態(tài)劃分（區(qū)別于流體流動時規(guī)律 ）2300Re層流：10000Re湍流：100002300 Re過渡流： 流體在圓形直管內(nèi)

8、流體在圓形直管內(nèi)湍流時湍流時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)nPrReNu8 . 0023. 0npcuddh8 . 0ii023. 0或：a) 一般流體一般流體流動狀態(tài)不同，則 c、m、n 值不同流體被加熱，n= 0.4流體被冷卻，n= 0.310000Re1606 . 0 Pr50/dlsPa1023定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管內(nèi)徑di10000RenrP保證流體達到傳熱湍流；適用條件適用條件：說明說明：50/dl避開傳熱進口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。 傳熱進口段傳熱進口段：傳熱正在發(fā)展，h不穩(wěn)定 (隨管長增加h減小)OxNux或hxNuxhx Nux或hx的變

9、化趨勢tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分發(fā)展了的邊界層 層流情況下流體在管內(nèi)溫度分布進口段溫度分布和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化傳熱進口段長度傳熱進口段長度：進口到傳熱邊界層匯合點間的長度。說明：經(jīng)驗公式，有一定誤差。說明：經(jīng)驗公式，有一定誤差。dx50ent湍流：b)粘度較大粘度較大流體流體14. 0w33. 08 . 0)/(027. 0PrReNu 近似取：05. 1)(14. 0w流體被加熱：95. 0)(14. 0w流體被冷卻：RePrdx05. 0ent層流：適用條件：適用條件： 10000Re1677 . 0Pr60/ dl定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：

10、特征尺寸：管內(nèi)徑dic)流體流過流體流過短管短管（l/d80，邊界層分離，使h，有一個最低點。 2 2）高雷諾數(shù)）高雷諾數(shù)（140000219000）有兩個最低點： N01： =7080，層流邊界 層湍流邊界層； N02： =140（分離點）， 發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oNu不同Re下流體橫向流過圓管時局部努塞爾數(shù)的變化Re=219000186000140000101300708001700003/1PrCReNun常數(shù)C、指數(shù)n見下表沿整個管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：沿整個管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：ReCn0.4444040400

11、0400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：特征尺寸：管外徑 管束的排列方式管束的排列方式 直列（正方形）、 錯列（正三角形） b) 流體流體橫向橫向流過流過管束管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意x1x2d錯列管束中管子的排列和流體在管束中運動特性的示意直列直列第一排管第一排管 直接沖刷 ；第二排管第二排管 不直接沖刷，擾動減弱；第二排管以后基本恒定。第二排管以后基本恒定。錯列錯列第一排管第一排管 錯列和直列基本相同； 第二排管第

12、二排管 錯列和直列相差較大， 阻擋減弱，沖刷增強； 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的變化規(guī)律的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oNu2.01.8150o180o0o90o180o直列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣）1237Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60o2.01.8150o180o0o90o180o錯列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣） 可以看出，錯列傳熱效果比直列好?？梢?/p>

13、看出，錯列傳熱效果比直列好。傳熱系數(shù)的計算方法傳熱系數(shù)的計算方法 任一排管子任一排管子：4 .0PrReCNunC、n 取決于管排列方式和管排數(shù)。特征尺寸：特征尺寸：管外徑700005000Re52 . 1/1dx52 . 1/2dx適用范圍：適用范圍：iiiAAhh/整個管束平均：3/16 . 033. 0PrReNu 大致估算： c) 流體在列管換熱器管殼間的傳熱流體在列管換熱器管殼間的傳熱裝有圓缺折流板的列管換熱器 圓缺折流板管板折流擋板折流擋板 ： 殼程流體的流動方向不斷改變， 較小Re（Re = 100），即可達到湍流。 缺點缺點：流動阻力，殼程壓降的重要因素。作用作用： 提高湍動程

14、度，h，強化傳熱； 加固、支撐殼體。 圓缺折流板示意圖管板1010210310410102114. 0w31管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算曲線ReNuPr有折流擋板時殼程流體有折流擋板時殼程流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：14. 0w3/155. 0)/(36. 0PrReNu 14. 0w3/155. 0e)/(36. 0PrRedh 或：6102000 Re適用條件：擋板切割度：25%D。2/ )(21mttt定性溫度：特征尺寸：特征尺寸：流道的當(dāng)量直徑。o2o2e)4(4ddtd正方形排列正方形排列dot也可采用關(guān)聯(lián)式：o2o2e)423(4ddtd正三角形排列正三角形排列 流速的確定流速

15、的確定：按最大流通截面 (最小流速) 計算。 12SS 一般地，)1 (otdBDSDS1S2B 說明：說明： 無折流板時，無折流板時，流體平行流過管束， 按管內(nèi)公式計算，特征尺寸為當(dāng)量直徑。當(dāng)量直徑。dot(3) 自然對流傳熱自然對流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導(dǎo)致流體流動。 分類：分類：大空間自然對流傳熱大空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。 有限空間自然對流傳熱：有限空間自然對流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。大空間自然對流傳熱大空間自然對流傳熱：大空間內(nèi)流體沿垂直壁面進行自然對流：大空間內(nèi)流體沿垂直壁面進行自然對流：豎直壁面上表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分布近壁處溫度與流速的分布 沿豎壁自

16、然對流的流動和換熱特征ut,hw,htht1htuyxxh00表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求?。翰閳D求解查圖求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流體沿垂直壁面垂直壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流體沿水平壁面水平壁面作自然對流時lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線lg(GrPr)lg(Nu)nGrPrCNu)(大空間內(nèi)流體沿垂直或水平壁面進行自然對流傳熱時：定性溫度：定性溫度：膜溫 2/ )2(w21mtttt定

17、型尺寸：定型尺寸：豎板，豎管，L； 水平管，外徑 do影響因素：影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；系數(shù)系數(shù)C和指數(shù)和指數(shù)n的取值見下表：的取值見下表： 經(jīng)驗關(guān)聯(lián)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)doL傳熱面的形狀及位置GrPrCn特征長度垂直的平板及圓柱面10-1104104 109109 1013查圖4.1.15(a) 0.59 0.1查圖4.1.15(a)1/41/3高度L水平圓柱面 010-510-510410410910910110.4查圖4.1.15(b)0.530.130查圖4.1.15(b)1/41/3外徑d0水平板熱面朝上或水平板冷面朝下21048106 810610110.540.151/41

18、/3矩形取兩邊平均值圓盤0.9d狹長條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上10510110.581/5有相變對流傳熱的特點有相變對流傳熱的特點相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；相變過程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例例：水 4.4.4 有相變化的對流傳熱有相變化的對流傳熱kJ/kg4 .2258 C100r時，汽化潛熱C)kg/(187. 4C1000 kJcp，比熱無相變相變一般：hh相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；相變過程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1) 蒸汽冷凝機理蒸汽冷凝機理 優(yōu)點優(yōu)點：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作

19、時易于控制 蒸汽冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 冷凝方式：冷凝方式： 膜狀冷凝膜狀冷凝 凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力）， 熱量：蒸汽相液膜表面固體壁面。 滴狀冷凝滴狀冷凝 凝液結(jié)為小液滴（附著力小于表面張力）， 有裸露壁面，直接傳遞相變熱。比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h滴狀冷凝滴狀冷凝h膜狀冷凝膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍， 但工業(yè)操作工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。膜狀冷凝滴狀冷凝(2) 膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 努塞爾方程的理論推導(dǎo)努塞爾方程的理論推導(dǎo) 研究：研究：垂直管外或壁面的膜狀膜狀冷凝；方法：方法：真實模型簡化模型數(shù)學(xué)模型求解。 膜狀冷凝的真實過程膜狀冷凝的真實過程 hx汽、液相物性為常數(shù)，壁面溫度恒定，膜表面溫度t=ts；冷凝液為飽和液體。 簡化的物理模型簡化的物理模型 液膜很薄，層流層流流動，傳熱方式為導(dǎo)熱導(dǎo)熱，溫度分布為線性； 蒸汽靜止，汽-液界面無粘性應(yīng)力 ；0|yyuxxbyuxdddxbygd)(bstsh,tWh,tyth,x,yuyxxd0yuxyx努塞爾特膜狀冷凝簡化模型 建立數(shù)學(xué)模型求解建立數(shù)學(xué)模型求解 按假設(shè)， xh推導(dǎo)膜厚推導(dǎo)膜厚： 412x)4(grtxh壁溫膜表面溫