南京工業(yè)大學(xué)傳熱ppt2

1、1第四章 傳 熱4.3 對流傳熱2湍流流動：湍流流動：湍流流動時沿徑向分為三層：湍流流動時沿徑向分為三層： 湍流主體、過渡層、層流底層湍流主體、過渡層、層流底層3 湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動而大大強(qiáng)化；徑向傳遞因速度的脈動而大大強(qiáng)化； 過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)； 層流底層：速度脈動較小，以分子粘度為主，層流底層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運動。徑向傳遞只能依賴分子運動。層流底層為傳遞過程的主要阻力層流底層為傳遞過程的主要阻力 薄薄 隨湍流程度隨湍流程度(Re)

2、(Re)增大增大， 越來越薄越來越薄L Ld/du很大很大 4 對流傳熱是指運動流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程，對流傳熱與流體的流動狀況密切相關(guān)。 對流傳熱概述圖4-8 對流傳熱的溫度分布情況5無相變有相變強(qiáng)制對流自然對流對流傳熱蒸汽冷凝液體沸騰概述6第四章 傳 熱4.3 對流傳熱4.3.1對流傳熱機(jī)理和對流傳熱系數(shù)7圖4-9 對流傳熱的溫度分布情況一、對流傳熱機(jī)理8一、對流傳熱機(jī)理 當(dāng)湍流的流體流經(jīng)固體壁面時，將形成湍流邊界層，若流體溫度與壁面不同，則二者之間將進(jìn)行熱交換。 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9層流內(nèi)層緩沖層湍流核心 湍流邊界層溫度梯度

3、 較大居中較小熱阻 較大居中較小 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(qiáng)化對流傳熱的主要途徑。 一、對流傳熱機(jī)理10假設(shè)把過渡區(qū)和湍流主體的熱假設(shè)把過渡區(qū)和湍流主體的熱阻全部疊加至層流底層的熱阻阻全部疊加至層流底層的熱阻中，在靠近壁面處構(gòu)成一層為中，在靠近壁面處構(gòu)成一層為 的流體膜，稱為有效膜的流體膜，稱為有效膜(effective film)。湍流程度增大，。湍流程度增大，有效膜厚度變薄，在相同溫差有效膜厚度變薄，在相同溫差下，對流傳熱速率會增大。下，對流傳熱速率會增大。一、對流傳熱機(jī)理11對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程(

4、牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式)：Q：對流傳熱速率，W；A：傳熱面積，m2；t：對流傳熱溫度差，(對于熱流體：t=T-Tw，對于冷流體： t=tw-t)a：對流傳熱系數(shù)(convective heat-transfer coefficient) 或稱為膜系數(shù)，W/m2.K或W/m2. 求得各種具體傳熱條件下的對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)a a值是解決對流傳熱問題的關(guān)鍵。AttAQaa1121 流體物理性質(zhì)流體物理性質(zhì) 密度(kg.m-3)、比熱容(J.kg-1.K-1)、熱導(dǎo)率(W.m-1.K-1)、黏度(Pa.s)、體積膨脹系數(shù)(K-1)等。2 流體對流起因流體對流起因 強(qiáng)制對流(流速變化）、自然對流

5、（浮力）3 流體流動狀態(tài)流體流動狀態(tài) 層流、湍流、 Re4 流體的相變化流體的相變化 冷凝、沸騰5 傳熱面的形狀、相對位置與尺寸傳熱面的形狀、相對位置與尺寸 通常把對流體流動和傳熱有決定性影響的尺寸稱為特征尺寸，在計算a時有說明。實驗測定對流傳熱系數(shù)前，采用量綱分析法將影響對流傳熱系數(shù)的諸因素組成若干個量綱為一的量(或稱為特征數(shù))，再確定各特征數(shù)的關(guān)系，得到a的計算公式。二、影響對流傳熱系數(shù)的因素二、影響對流傳熱系數(shù)的因素13第四章 傳 熱4.3 對流傳熱4.3.1 對流傳熱機(jī)理和對流傳熱系數(shù)4.3.2 對流傳熱的量綱分析14一、影響對流傳熱系數(shù)的因素1.流體的種類和相變化的情況2.流體的特性

6、：導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、比熱容、密度以及體積膨脹系數(shù) 3.流體的溫度4.流體的流動狀態(tài)5.流體流動的原因6.傳熱面的形狀、位置和大小15二、對流傳熱過程的量綱分析1.根據(jù)對問題的觀察，找出影響對流傳熱過程的因素2.通過量綱分析確定相應(yīng)的量綱為一數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)）3.通過實驗確定相應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式公式。量綱分析步驟16 量綱分析的基本依據(jù)是定理：一個表示n個物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包含n-m個獨立的量綱為一數(shù)群間的關(guān)聯(lián)式，m指n個物理量中所涉及的基本量綱的數(shù)目。量綱分析的核心在于確定n和m，并用一定技巧將各個量綱為一數(shù)群的內(nèi)涵確定下來。量綱分析基本依據(jù)二、對流傳熱過程的量綱分析171.流

7、體無相變時的強(qiáng)制對流傳熱過程（1）列出影響該過程的物理量 ( , , )pf lcua 傳熱設(shè)備的特征尺寸二、對流傳熱過程的量綱分析18（2）確定量綱為一數(shù)群的數(shù)目 上述7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱：長度、質(zhì)量、時間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123(,) 二、對流傳熱過程的量綱分析19通過量綱分析，可確定1lNua2Relu努賽爾數(shù)(Nusselt number) 雷諾數(shù)(Reynolds number)表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù) 表示慣性力與黏性力之比，是表征流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù) 二、對流傳熱過程的量綱分析203Prpc普朗特數(shù)(Prandtl number)表示速度邊

8、界層和熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性。 (Re,Pr)Nu強(qiáng)制對流（無相變）傳熱時的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 因此，有二、對流傳熱過程的量綱分析212.自然對流傳熱過程自然對流傳熱過程（1）列出影響該過程的物理量 傳熱設(shè)備的特征尺寸( ,)pf lcgta 作用在單位體積流體上的浮力ggt 二、對流傳熱過程的量綱分析22（2）確定量綱為一數(shù)群的數(shù)目 上述7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱：長度、質(zhì)量、時間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123(,) 二、對流傳熱過程的量綱分析23通過量綱分析，可確定1lNua2Prpc努賽爾數(shù)(Nusselt number) 普朗特

9、數(shù)(Prandtl number)二、對流傳熱過程的量綱分析24格拉曉夫數(shù)(Grashof number)3232lgtGr表示由溫度差引起的浮力與黏性力之比 (,Pr)NuGr自然對流（無相變）傳熱時的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 因此，有二、對流傳熱過程的量綱分析253.使用由實驗數(shù)據(jù)整理得到的關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題（1）應(yīng)用范圍 關(guān)聯(lián)式中Re、Pr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等；（2）特性尺寸 Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的應(yīng)如何確定；（3）定性溫度 各準(zhǔn)數(shù)中的流體物性應(yīng)按什么溫度查取。二、對流傳熱過程的量綱分析26第四章 傳 熱4.3 對流傳熱4.3.1 對流傳熱機(jī)理和對流傳熱系數(shù)4.3.2 對流傳熱的量綱分析4.3.3 流體無

10、相變時的對流傳熱系數(shù)27一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流1.流體在光滑圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流（1）低黏度流體可應(yīng)用迪特斯（Dittus）貝爾特（Boelter）關(guān)聯(lián)式0.80.023RePrnNu 0.80.023()()pniiCd uda或或當(dāng)流體被加熱時，n=0.4；當(dāng)流體被冷卻時，n=0.3。 28特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：4Re100.7Pr120/60iL d /60iL d 若，可將由上式求得的值乘以0.71 (/ )idL進(jìn)行校正。一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流29（2）高黏度流體可應(yīng)用西德爾（Sieder）泰特（Tate）關(guān)聯(lián)式0.81 30.027

11、RePrNu0.81 30.140.027()() ()piiwCd uda或或壁溫下的黏度0.14()w考慮熱流方向的校正項 一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流30特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：4Re100.7Pr1700/60iL d 一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流311 30.141.86(RePr) ()iWdNuL2.流體在光滑圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流特性尺寸：管內(nèi)徑。 定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：Re23000.7Pr6700RePr/100idL 一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流3251.81 6 10 Re R

12、e2300 10000 當(dāng) 時，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的公式計算，然后把算得的結(jié)果乘以校正系數(shù)。3. 流體在光滑圓形直管中呈過渡流一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流33(1 1.77)idRaa 4. 流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對流 流體在彎管內(nèi)流動時，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大 管子的彎曲半徑一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流345. 流體在非圓形管內(nèi)作強(qiáng)制對流將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流傳熱傳熱傳熱周邊流道截面積 4edooiddD )(4422 流動流動潤濕周邊潤濕周邊流道截面積流道截面積 4edoioioidDdDdD )()(4422 35一、流體在管

13、內(nèi)作強(qiáng)制對流3637二、 流體在管外強(qiáng)制對流傳熱38二、 流體在管外強(qiáng)制對流傳熱流體在管束外垂直流過時的對流傳熱系數(shù)可按下式計算：流體在管束外垂直流過時的對流傳熱系數(shù)可按下式計算：管束的平均對流傳熱系數(shù)可按下式計算：管束的平均對流傳熱系數(shù)可按下式計算：39三、自然對流(Pr)nNuc Gr通過實驗測得的c和n值列于表4-4中。 40第四章 傳 熱4.3 對流傳熱4.3.1 對流傳熱機(jī)理和對流傳熱系數(shù)4.3.2 對流傳熱的量綱分析4.3.3 流體無相變時的對流傳熱系數(shù)4.3.4 流體有相變時的對流傳熱系數(shù)41一、蒸汽冷凝傳熱1.蒸汽冷凝方式滴狀冷凝膜狀冷凝a a滴滴 a a膜膜 冷凝過程的熱阻冷

14、凝過程的熱阻冷凝液膜冷凝液膜422. 膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)（1）水平管束外）水平管束外41032327250 tdngr a a/.2Wsttt 定性溫度：定性溫度：t tS Sr r，其它其它膜溫膜溫 n水平管束在垂直列上的管數(shù)水平管束在垂直列上的管數(shù)r比汽化熱比汽化熱43（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝層流層流413213. 1 tlgr a aRe1800湍流湍流4 . 0312320077. 0Reg a a44（2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝artl4Re冷凝液液膜沿壁面流動的冷凝

15、液液膜沿壁面流動的ReRe表達(dá)式表達(dá)式: :t: 蒸汽的飽和溫度蒸汽的飽和溫度ts與壁面溫度與壁面溫度tw之差之差,即即: t= ts tw定性溫度定性溫度: t=(ts + tw)/245壁面可能為氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很?。铀谏w而增加一層附加熱阻，使對流傳熱系數(shù)急劇下降。故在冷凝器的設(shè)計和操作中，必須考慮排除不凝氣。 一、蒸汽冷凝傳熱(3) (3) 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素b.蒸汽流速和流向的影響c.蒸汽過熱的影響d.傳熱面的形狀與布置a.不凝性氣體的影響冷凝液膜為膜狀冷凝傳熱的主要熱阻,減薄液膜厚度降低熱阻是強(qiáng)化膜狀冷凝傳熱的關(guān)鍵.46二、液體沸騰傳熱所謂液體沸騰是指在液體的對流

16、傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程。液體沸騰47液體沸騰的方式過冷沸騰飽和沸騰 二、液體沸騰傳熱池內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰(流動沸騰或強(qiáng)制對流沸騰)481 大容器飽和沸騰現(xiàn)象過熱度過熱度 t=t1-ts汽化核心汽化核心二、液體沸騰傳熱492 2 沸騰曲線沸騰曲線核狀沸騰核狀沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰二、液體沸騰傳熱503 液體沸騰傳熱的影響因素（1）液體性質(zhì)的影響 通常，凡是有利于氣泡生成和脫離的因素均有助于強(qiáng)化沸騰傳熱。aa二、液體沸騰傳熱51（2）溫度差的影響 溫度差是控制沸騰傳熱過程的重要參數(shù)。一定條件下，多種液體進(jìn)行泡核沸騰傳熱時的對流傳熱系數(shù)與的關(guān)系可用下式表達(dá)，即()nkta二、液體沸騰傳熱52（3）操作壓力的影響 提高沸騰操作的壓力相當(dāng)于提高液體的飽和溫度，使液體的表面張力和黏度均下降，有利于氣泡的生成和脫離。 二、液體沸騰傳熱53（4）加熱壁面的影響 加熱壁面的材質(zhì)和粗糙度對沸騰傳熱有重要影響。清潔而粗糙的加熱壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高。加熱壁面的布置情況，也對沸騰傳熱有明顯的影響。二、液體沸騰傳熱543.液體沸騰傳熱系數(shù)的計算1 3Pr()LsfnLLvctQ SCr