戴鍋生思考題對流部分

《傳熱學》戴鍋生（二）思考題2PAGE5第五章對流傳熱原理５－１對流傳熱是貼壁層流體導(dǎo)熱和邊界層流體熱對流的綜合影響，流體熱導(dǎo)率和攜熱量能力影響著對流體傳熱系數(shù)?？諝?、氫氣和水的物性詳見下表。冷卻介質(zhì)空氣氫氣水相對值空氣氫氣水λ(w/(mk))0.02780.19420.64316.9923.1ρ(kg/m3)1.0930.075598810.069904c(J/kgk)0.2413.991.161116.54.8(J/m2k)0.2630.301114711.144361由λ和都可看出：水優(yōu)于氫氣，更優(yōu)于空氣。電機冷卻情況證實了這一點。５－２流動邊界層是由于流體粘度造成速度變化的區(qū)域，熱邊界層是由于流體的熱擴散率造成溫度變化的區(qū)域，它們的厚度之比應(yīng)與形成流動邊界層和熱邊界層的流體粘度和熱擴散率a比有關(guān)，即與普朗特數(shù)有關(guān)，理論上已證明：。５－３圖中a為粘性油的分布圖，b為液態(tài)金屬的。因粘性油的普朗特數(shù)較大，所以。5-4開始時，隨著層流邊界層厚度的增加，局部對流傳熱系數(shù)下降，過渡區(qū)，由于層流向紊流邊界層過渡，擾動增加，雖然邊界層厚度增加更快，但局部對流傳熱系數(shù)由于流體橫向（垂直壁面方向）摻合，hx反而增加。以后由于層流底層厚度和流邊界層厚度的增加，hx稍有下降，并逐步接近于一恒定值h∞。５－５邊界層中貼壁層溫度梯度最大，由，對于一定的流體，熱導(dǎo)率為常數(shù)，在壁溫和流體溫度不變的情況下，所以，對于同一對流傳熱溫差的同一流體，可用的大小來判斷上對流傳熱系數(shù)的大小。５－６對流傳熱是先通過貼壁層流體的導(dǎo)熱，以后由流體持熱量攜帶走，所以對流傳熱與流動的熱導(dǎo)率以及流體攜帶熱量的能力有關(guān)。對流傳熱與流體流動情況有關(guān)，而流動情況與雷諾數(shù)有關(guān)，雷諾數(shù)與粘度有關(guān)，所以對流傳熱與粘度有關(guān)，自然對流傳熱時，同一溫度下流體流動狀況還與體膨脹系數(shù)有關(guān)。５－７它們都是能量微分方程，但邊界層能量微分方程考慮了流體對流攜帶的熱量，而固體導(dǎo)熱微分方程不考慮對流攜帶的熱量，如邊界層內(nèi)流體速度均為零，則邊界層能量微分方程變?yōu)楣腆w的導(dǎo)熱微分方程。５－８粘性油δ與x在同一數(shù)量級，液態(tài)金屬，δt與x在同一數(shù)量級，不符合邊界層理論，。所以，邊界層對流傳熱微分方程組不適用于粘性的，也不適用于液態(tài)金屬。５－９雷諾數(shù)太大，動能轉(zhuǎn)變成熱能必須計算，即要考慮耗散項，而該方程組在推導(dǎo)過程中未考慮，又雷諾數(shù)太大，滯止溫度較高，邊界層內(nèi)溫度變化顯著，引起物性值變化較大，而推導(dǎo)方程組所按常物性處理。5-10略5-11分析后得出實驗中要測量：（１）試驗管的外徑d0，長度l,表面溫度tw,（多點平均，不僅沿長度分布，還要沿不同周向角分布），表面發(fā)射率ε；（２）流體（空氣）的溫度t∞（壓力為大氣壓，變化不大，如要考慮氣壓變化的影響。可測大氣壓力，（３）加熱電源供給管中加熱器的電壓U和電流強度I。５－１２差別：（１）lc都是定型尺寸，但前者指流體通道尺寸，如當量直徑de或流體流過的壁長等，后者指固體某一尺寸如肋片厚度之半，與流體沒有直接關(guān)系。（２）前者λf為流體熱導(dǎo)率，而后者λs為固體壁材料的熱導(dǎo)率。（３）大多數(shù)情況下前者h為待求值，后者h為已知值。５－１３hx仍受流速v的影響，因為v影響著流動邊界層厚度δ，從而影響熱邊界層厚度δt，以及貼壁層y=0，溫度變化率。５－１４無論是層流還是湍流，從入口起，邊界層形成并發(fā)展，到充分發(fā)展段邊界層厚度均為管道半徑R，所以影響對流傳熱系數(shù)的尺寸是管子內(nèi)徑，而不是管長，雖然入口段管長也影響hx，但與管徑相比，仍是次要的影響因素，所以定型尺寸用管子內(nèi)徑，不用管長。５－１５ν↑，Pr↑,但Re↓，，由于n<m，n-m為負值，所以ν增加h減小。５－１６，Ａ為流動截面積，它比管道橫截面積更恰切，當管道未被流體充滿時，Ａ只能為流動截面積，不能為管道橫截面積，一般情況下，二者一致，另外，此式是在壁面上沿流動截面切應(yīng)力τ均勻的情況下推導(dǎo)出來的，對于層流和截面上有橫向二次環(huán)流者均不適用，流道有尖角時即使是湍流也不適用。第六章單相流體對流傳熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式６－１（１）流速增加一部，（２）直徑縮小一半（速度不變），（３）直徑縮小一半（體積流量不變），６－２短管：入口段邊界層厚度從零開始增加，到很大時，，由于入口段邊界層較薄，hx較大，使，即短管修正系數(shù)〉1。彎管：二次環(huán)流使彎曲處hx↑管排：由于尾流的作用，渦旋強化傳熱，使h1<h2<h3……<hz，當管排數(shù)〉20時，增加不多基本上穩(wěn)定達到最大值，管排修正系數(shù)〈1。６－３湍流時層流底層很薄，粗糙管突起物露出層流底層，使體流過時產(chǎn)生擾動，強化了傳熱，所以粗糙管湍流強迫對流傳熱系數(shù)與粗糙程度有關(guān)，且比光滑管大。６－４由圖６－８和式（６－２２）可見，流體沖刷單管時處最大，鍋爐過熱器第一排管束受沖刷情況與煙氣沖刷單管相仿，所以Ａ點對流傳熱強烈，加上過熱器前煙氣空間中煙氣的輻射傳熱，使第一排管Ａ點熱流密度很大而引起超溫，甚至爆管而被迫停爐。最后一排管子的Ｂ點對流傳熱系數(shù)也較大，后面的煙氣空間也大，雖然煙溫有所下降，最后一排管子的Ｂ點也有超溫的可能性。所以，鍋爐設(shè)計中必須對過熱器第一排管子Ａ點（前駐）和最后一排管束Ｂ點進行過熱器壁溫度核，檢查是否超溫，如有超溫現(xiàn)象，必須采取措施或重新設(shè)計。６－５進入流動充分發(fā)展段后，速度v(r,x)不沿軸向Ｘ變化，但此刻流體一邊流動一邊吸熱或放熱，流體溫度t(r,x)不僅沿徑向r變化，而且沿軸向x變化，但由于截面平均溫度也在作同樣的變化，所以其相對過余溫度不沿x方向變化，稱為熱定型段或熱充分發(fā)展段。６－６流體斜向沖刷（斜掠）單管或管束時，前部管子受到流體垂直沖擊作用減小，使前半部局部對流傳熱系數(shù)減少，斜向沖刷相當于垂直沖刷橢圓管，橢圓管曲率變小，圓管后半部流體分離作用減弱，后半部也減小，總之，與垂直沖刷圓管相比，平均對流傳熱系數(shù)減小，斜掠時修正系數(shù)〈1。６－７橫掠管束：。由于，所以上式改為，強化橫掠管束對流傳熱的措施①②do↓③φ↓，垂直沖刷④加隔板（如殼管式換熱器），減少流體縱掠，同時可使⑤選用λ、ρ、c大的流體⑥選用粘度小的流體，n<m⑦增加管排數(shù)，使Cz↑⑧改用叉排（一般雷諾數(shù)范圍內(nèi)，叉排好于順排）。６－８在豎管內(nèi)流體如自上向下流動且被加熱時，壁面附近流體由于變熱而有上升的趨勢，使這些流體向下流動的速度減慢，如流體在管內(nèi)自下而上流動且被管子冷卻，也使壁面附近流體流速減小，這兩種情況都減少了流體的沖刷作用而使混合對流傳熱系數(shù)小于純強迫對流時對流傳熱系數(shù)。流全在管內(nèi)自上向下流動且被冷卻或流體自下上流動且被加熱，自然對流方向與強迫流動方向一致，使流體在壁面附近速度增加，混合對流傳熱時對流傳熱系數(shù)大于純強迫對流時對流傳熱系數(shù)。流體在水平管內(nèi)流動時流動方向與自然對流方向垂直，流體自然對流不會使壁面處流體流速減慢混合對流傳熱系數(shù)總大于純強迫對流傳熱系數(shù)，如，二者近似相等。６－９流體邊界層溫度場影響著流體的物性值，對于液體，主要影響著動力粘度，對密度影響不大，所以對于液體進行粘度修正，即溫度修正系數(shù)用粘度來修正。對于氣體，邊界層溫度場不但影響其粘度，而且引起密度，熱導(dǎo)率等變化，而這些變化與其絕對溫度都有一定的函數(shù)關(guān)系，所以用溫度來修正。６－１０摩托車開動后，空氣縱掠內(nèi)燃車氣缸肋片，這是流體縱掠平壁，由于肋片不大，空氣在肋片上基本上只形成層流邊界層，沿著空氣流動方向上層流邊界層厚度增加，使局部對流體熱系數(shù)減小。將肋片割開后，形成幾道縫，相當于使平壁長度減小，邊界層厚度減小，對流傳熱系數(shù)增加，另外，裂縫處空氣產(chǎn)生一定程度的擾動，也強化了對流傳熱。6－11，即使不考慮輻射熱，總傳熱量也大于僅靠導(dǎo)熱傳遞的熱量，如仍用傅立葉定律來計算φ，則，式中λe為當量熱導(dǎo)率，顯然，λe大于其真實熱導(dǎo)率λ，而有限空間自然對流傳熱時，，所以Nu>1，如自然對流作用小到可以忽略，Nu將等于1，但無論如何都不會小于1。第七章凝結(jié)和沸騰傳熱7－1豎壁傾斜后，凝結(jié)液向下流動變慢，使液膜加厚，液膜熱阻增加凝結(jié)傳熱系數(shù)減小。7－2空氣自上而下橫掠管束，隨著管排數(shù)增加，擾動強度增加，各排管對流傳熱系數(shù)增加。蒸汽在水平管束外凝結(jié)時，自上向下隨著管排數(shù)的增加，凝結(jié)液膜越來越厚，凝結(jié)傳熱熱阻越來越大，凝結(jié)熱系數(shù)逐漸減少，平均凝結(jié)傳熱系數(shù)越來越小。7－3由于管長L?d，而層流時＊（L為定型尺），水平放置時管徑〈〈管長，所以h水平＞h豎直。在同樣情況下要凝結(jié)同樣數(shù)量蒸汽，管子水平放置所需對流傳熱面比豎直放置時小，所以蒸汽在管外凝結(jié)時管束應(yīng)盡量水平放置。7－4泄液盤使豎管高度H下降，液膜厚變變小，熱阻變小，凝結(jié)傳熱系數(shù)h增加，泄液板使豎直方向上管排數(shù)nm減少h增大。7－5由于冷凝器處于真空狀態(tài)，易漏入空氣，加上蒸汽中原來帶有極少空氣，在冷凝器內(nèi)隨著蒸汽凝結(jié)，空氣濃度增加，使h大大減少，為此，在冷凝器上裝上抽氣器，及時將空氣抽掉，以保證冷凝器維持較高的凝結(jié)傳熱系數(shù)。7－6120℃鍋上的水滴先被燒干。大氣壓下鍋表面過熱度（tw－ts）分別為20℃和300℃7－7大空間水沸騰傳熱時，汽泡在極短的時間內(nèi)成千倍地長大，有人稱之為“爆炸式”的成長，成長后汽泡脫離加熱面，這些都強烈地擾動著壁面附近的水，使沸騰傳熱系數(shù)較大。這時如再設(shè)法使水振動，效果將不會太好，沸騰傳