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第二章傳熱第三次課2023/6/22第一頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四流體強制對流傳熱外界機械能強迫流體流過固體壁面的傳熱。流體自然對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。對流傳熱類型第二頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四流體沿固體壁面的流動層流內(nèi)層湍流主體流體分層運動,相鄰層間沒有流體的宏觀運動。在垂直于流動方向上不存在熱對流,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。

對流傳熱分析一、對流傳熱機理簡介第三頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四在靠近壁的層流內(nèi)層中流動為層流,熱量傳遞通過導(dǎo)熱進行。溫度分布曲線的斜率大(溫度梯度大)。在緩沖層內(nèi),由于對流傳熱的作用,溫度梯度變小。在湍流核心,質(zhì)點湍動強烈,對流很快,溫度梯度更小。第四頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四二、對流傳熱方程和對流傳熱系數(shù)

1、對流傳熱方程

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

第五頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四2、對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)α定義式:

表示單位溫度差下,單位傳熱面積的對流傳熱速率。單位W/(m2·k)。反映了對流傳熱的快慢,對流傳熱系數(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參數(shù),反映對流傳熱熱阻的大小。

第六頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四第二章

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

對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

第七頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四一、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、流體的物性1)導(dǎo)熱系數(shù)

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

流體的粘度愈大,對流傳熱系數(shù)愈低。3)比熱和密度第八頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四

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,對流傳熱的強度愈強。(4)體積膨脹系數(shù)

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

湍流的對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比層流時的大。第九頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四5、流體流動的原因

強制對流:自然對流: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

第十頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四二、對流傳熱過程的關(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、強制對流特征、自然對流特征。第十一頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四表2-7準(zhǔn)數(shù)的符號和意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾準(zhǔn)數(shù)(Nusselt)Nu表示對流傳熱的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)(Reynolds)Re確定流動狀態(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表示自然對流影響的準(zhǔn)數(shù)第十二頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四2、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。第十三頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四三、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)1、流體在管內(nèi)作強制對流1)流體在圓形管內(nèi)作強制湍流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n=0.4,流體被冷卻時,n=0.3。第十四頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四管長與管徑比

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、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)。

第十五頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四應(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、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。已知空氣的進口溫度為150℃,出口溫度為250℃,求空氣的對流傳熱系數(shù)。第十六頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四解

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可用下式計算α,因空氣被加熱取n=0.4第十七頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四四、流體有相變時的對流傳熱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,并沿壁面落下第十八頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四第十九頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四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。在進行冷凝計算時,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,對流傳熱膜系數(shù)很大第二十頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四2、液體沸騰時的對流傳熱系數(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,液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對流,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。

第二十一頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四第二十二頁,共二十三頁,編輯于2023年,星期四

當(dāng)△t再增大,加熱面的氣化核心數(shù)進一步增多,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C稱為臨界點。臨界點所對應(yīng)的溫差、

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