第二章傳熱第三次課

第二章傳熱第三次課2023/5/3第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三流體強(qiáng)制對(duì)流傳熱外界機(jī)械能強(qiáng)迫流體流過固體壁面的傳熱。流體自然對(duì)流傳熱蒸汽冷凝傳熱液體沸騰傳熱前二者是無相變傳熱，后二者是有流體相變的傳熱。對(duì)流傳熱類型第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三流體沿固體壁面的流動(dòng)層流內(nèi)層湍流主體流體分層運(yùn)動(dòng)，相鄰層間沒有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。在垂直于流動(dòng)方向上不存在熱對(duì)流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。溫度梯度很小，各處的溫度基本相同。

對(duì)流傳熱分析一、對(duì)流傳熱機(jī)理簡介第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三在靠近壁的層流內(nèi)層中流動(dòng)為層流，熱量傳遞通過導(dǎo)熱進(jìn)行。溫度分布曲線的斜率大（溫度梯度大）。在緩沖層內(nèi)，由于對(duì)流傳熱的作用，溫度梯度變小。在湍流核心，質(zhì)點(diǎn)湍動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)流很快，溫度梯度更小。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三二、對(duì)流傳熱方程和對(duì)流傳熱系數(shù)

1、對(duì)流傳熱方程

據(jù)傳遞過程速率的普遍關(guān)系，壁面和流體間的對(duì)流傳熱速率：對(duì)流傳熱速率方程可以表示為：——牛頓冷卻定律

第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三2、對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)α定義式：

表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率。單位W/(m2·k)。反映了對(duì)流傳熱的快慢，對(duì)流傳熱系數(shù)大，則傳熱快。它不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個(gè)參數(shù)，反映對(duì)流傳熱熱阻的大小。

第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三第二章

傳熱一、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素二、流體無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)三、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)第二節(jié)

對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三一、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素

1、流體的種類和相變化的情況

2、流體的物性1）導(dǎo)熱系數(shù)

層流內(nèi)層的溫度梯度一定時(shí)，流體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，對(duì)流傳熱系數(shù)也愈大。2）粘度

流體的粘度愈大，對(duì)流傳熱系數(shù)愈低。3）比熱和密度第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

ρcp：單位體積流體所具有的熱容量。ρcp值愈大，流體攜帶熱量的能力愈強(qiáng)，對(duì)流傳熱的強(qiáng)度愈強(qiáng)。（4）體積膨脹系數(shù)

體積膨脹系數(shù)β值愈大，密度差愈大，有利于自然對(duì)流。對(duì)強(qiáng)制對(duì)流也有一定的影響。3、流體的溫度4、流體流動(dòng)狀態(tài)

湍流的對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比層流時(shí)的大。第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三5、流體流動(dòng)的原因

強(qiáng)制對(duì)流：自然對(duì)流：由于外力的作用由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的位移單位體積的流體所受的浮力為：6、傳熱面的型狀、大小和位置

第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三二、對(duì)流傳熱過程的關(guān)聯(lián)式1、用關(guān)聯(lián)式法確定有關(guān)的準(zhǔn)數(shù)列出影響該過程的物理量，并用一般函數(shù)關(guān)系表示。

影響因素：流體的物性、固體表面的特征尺寸、強(qiáng)制對(duì)流特征、自然對(duì)流特征。第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三表2-7準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)和意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾準(zhǔn)數(shù)（Nusselt）Nu表示對(duì)流傳熱的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynolds）Re確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普朗特準(zhǔn)數(shù)（Prandtl）Pr表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)（Grashof）Gr表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三2、應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題：1）定性溫度：各準(zhǔn)數(shù)中的物理性質(zhì)按什么溫度確定

取流體進(jìn)出口的平均溫度；取壁面的平均溫度；取流體和壁面的平均溫度。

2）特征尺寸：Nu，Re數(shù)中L應(yīng)如何選定。3）特征速度。4）熱流方向的影響。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三三、流體無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流1）流體在圓形管內(nèi)作強(qiáng)制湍流①低粘度流體大約低于2倍常溫水的粘度流體

式中：當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4，流體被冷卻時(shí)，n=0.3。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三管長與管徑比

應(yīng)用范圍：

特征尺寸：

Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的l取為管內(nèi)徑di。定性溫度：

取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。②高粘度的液體為考慮黏度校正系數(shù)。

第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)用范圍：

特征尺寸：

取為管內(nèi)徑di。定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。例常壓空氣以15m/s的平均流速流過內(nèi)徑為53mm，長為4m的直管道。已知空氣的進(jìn)口溫度為150℃，出口溫度為250℃，求空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三解

特征尺寸di=53mm，定性溫度t=由附錄查得定性溫度下空氣物性：λ=3.92×10-2W/(m·℃)Pr=0.680，μ=2.60×10-5Pa·s，ρ=0.746kg/m3可用下式計(jì)算α，因空氣被加熱取n=0.4第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三四、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱1、蒸汽冷凝蒸汽冷凝的方式

膜狀冷凝：

若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完整的液膜滴狀冷凝：

若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三膜狀冷凝壁面被液膜所覆蓋，冷凝液膜是膜狀冷凝的主要熱阻工程上要保持滴狀冷凝很困難。即使在開始階段為滴狀冷凝，但經(jīng)過一段時(shí)間后，由于液珠的聚集，大部分都要變成膜狀冷凝。為保持滴狀冷凝，可采用各種不同的壁面涂層和蒸汽添加劑。在進(jìn)行冷凝計(jì)算時(shí)，為安全起見一般按膜狀冷凝來處理。膜狀冷凝和滴狀冷凝的比較滴狀冷凝壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，對(duì)流傳熱膜系數(shù)很大第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三2、液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

液體沸騰大容積沸騰

管內(nèi)沸騰

1）沸騰曲線

當(dāng)溫度差較小時(shí)，液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對(duì)流，α較小，且隨溫度升高較慢。當(dāng)△t逐漸升高，在加熱表面的局部位置產(chǎn)生氣泡，該局部位置稱為氣化核心。氣泡產(chǎn)生的速度△t隨上升而增加，α急劇增大。稱為泡核沸騰或泡狀沸騰。

第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)△t再增大，加熱面的氣化核心數(shù)進(jìn)一步增多，且氣泡產(chǎn)生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接起來，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜。

由核狀沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C稱為臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫差