第04章热量传递(060529-3对流传热6)

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1、 第三节 对流传热典型方式：流体与固体壁 面之间的传热传热过程 高温流体 湍流主体 壁面两侧 层流底层 湍流主体 低温流体q湍流主体 对流传热 温度分布均匀 p层流底层 导热 温度梯度大 p壁面 导热(导热系数较 流体大) 有温度梯度不同区域的 传热特性：传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层 。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此 层中。温度距离TTw twt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流 底层层流 底层传热方向对流传热示意图第三节 对流传热.流对然自温度差引起密度差异.流对制强泵、风机、搅拌等外力所致第三节 对流传热二、对流传热

2、的机理 (一)流动边界层内的传热机理及温度分布 层流：无流动垂直方向质点运动，壁面处的热通量较静止大； 湍流：(1)流动边界层层流底层 *无流动垂直方向质点运动 *热传导、符合傅里叶定律、 * 温度梯度大缓冲层 * 流动垂直方向质点运动较弱， * 热传导热对流同时存在 * 温度梯度较层流底层小湍流中心 * 流动垂直方向质点运动强烈、 * 热对流、 * 温度梯度小第三节 对流传热二、对流传热的机理 (一)流动边界层内的传热机理及温度分布(2)传热速率层流：* 热量传递分子传热，导热；湍流： * 稳定串联传热过程， * 传热热阻为各层热阻之和； * 热阻主要集中在层流底层； * 层流底层厚度薄、热

3、阻小； * 传热速率大 (二)传热边界层定义： * 壁面附近因传热而使流体温度发生变化的区域； * 边界层界限，(T-Tw) = 0.99(T0-Tw)第三节 对流传热二、对流传热的机理 (二)传热边界层 性质： * 温度变化大； * 传热过程阻力由厚度决定 传热边界层厚度：Pr无量纲数，分子动量传递能力与分子热量传递能力之比； 运动粘度；导温系数； 流动边界层厚度()与传热边界层厚度(T)的关系： * T时* Pr =1时= TPr很大的高粘度液体， T ，温度变化主要发生在层流底 层区，热阻主要在层流底层区 。反映流体流 动的特征反映热量传 递的特征第三节 对流传热三、对流传热速率 (一)

4、牛顿冷却定律 微分形式(因对流传热系数沿程变化)：dQ = dAT 平均值形式：Q = AT 传热速率的传热推动力与传热热阻的关系形式：(二)对流传热系数 影响因素：流体物性、壁面性质、流动状况、有无相变等； 各种常见传热方式对流传热系数值范围(见表4.3.1)同一流体，强制对流传热系数高于自然对流传热系数； 有相变的对流传热系数高于无相变的对流传热系。如密度、比热cp、导 热系数、粘度等第三节 对流传热三、对流传热速率 (一)牛顿冷却定律 微分形式(因对流传热系数沿程变化)：dQ = dAT 平均值形式：Q = AT 传热速率的传热推动力与传热热阻的关系形式：(二)对流传热系数 影响因素：流

5、体物性、壁面性质、流动状况、有无相变等； 各种常见传热方式对流传热系数值范围(见表4.3.1)同一流体，强制对流传热系数高于自然对流传热系数； 有相变的对流传热系数高于无相变的对流传热系。传热表面的形状、位置及大 小：如管、板、管束、管径 、管长、管子排列方式、垂 直放置或水平放置第三节 对流传热三、对流传热速率 (一)牛顿冷却定律 微分形式(因对流传热系数沿程变化)：dQ = dAT 平均值形式：Q = AT 传热速率的传热推动力与传热热阻的关系形式：(二)对流传热系数 影响因素：流体物性、壁面性质、流动状况、有无相变等； 各种常见传热方式对流传热系数值范围(见表4.3.1)同一流体，强制对

6、流传热系数高于自然对流传热系数； 有相变的对流传热系数高于无相变的对流传热系。层流、过渡流 或湍流第三节 对流传热例题1-2 一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为 tw = 50，和温度为20的室内空气之间自然对流 换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2K)。试问该暖气 片相当于多大功率的电暖气?解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50- 20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖气。 第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (一)微分形式 微分形式(因对流传热系数沿程变化)：dQ

7、 = - dA确定两途径 ： u量纲分析+试验 u动量传递与热量传递相似性 范宁摩擦因子 对流传热系数(二)无量纲准数方程改善流动状态，使层流 底层厚度减少：强化对 流传热的主要途径。第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (二)无量纲准数方程无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度L，时间T，温度。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即1、传热面类型相同 2、Re、Pr、Gr范围相同第三节 对流传热四、对流传热系数经验式准数符号及意义准数名称符号意义努塞尔特准数（ Nusselt）Nu=l/ 反映对流换热强度雷诺准数 （Reynold

8、s）Re=lu/ 反映流体流动状态普兰特准数 （Prandtl）Pr=cp/ 反映流体流动与热量传递影响的相 对大小格拉斯霍夫准数 （Grashof）Gr=gtl32/2 反映自然对流换热强度第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (二)无量纲准数方程准数关联式由实验求得，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条 件范围。应用条件： 应用范围与试验一致 特征尺寸一致无因次准数中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动 和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。 定性温度一致流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温 度称为定性温度。一般定性温度有三种取法：进、

9、出口流体的平均温度， 壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (三)管内强制对流传热(无相变) 1. 流体在圆形直管内紊流流动 低粘度流体(低于2倍于常温水的粘度)Nu=0.023Re0.8Prf *式中f值视热流方向而定，当流体被加热时，f=0.4，被冷却时，f=0.3 。 *应用范围 ： Re10000，0.760。(若 L/di10000，0.760。 * 特性尺寸取管内径 * 定性温度 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值 。* 式中/w当液体被加热时（/w）0.14=1.05当液体被冷却时（/w）0.14=0.95 对于气体，不论

10、加热或冷却皆取1。第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (三)管内强制对流传热 2. 流体在圆形直管内层流流动当自然对流的影响比较小且可被忽略时当Gr25000，自然对流的影响不可被忽略修正系数 流体在圆形直管内作强制滞流时，受自然对流及热流方向对对流传热的影响。Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14* 应用范围： Re100。* 特性尺寸：取管内径di* 定性温度： 除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术 平均值。*小管径； *流体和壁面温差不大； *Gr50 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5)=2.28 104 104(湍流

11、)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68本题中空气被加热，f=0.4代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (三)管内强制对流传热解(续)：W/(m2 K)例：一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管为 252.5mm钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝， 冷却水在内管中渡过，进口温度为15，出口为85。冷却 水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。 解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25

12、第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (三)管内强制对流传热解(续)：查25时水的物性数据（见附录）如下 ：Cp=4.179103J/kg =0.608W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在230010000之间，为过渡流区第三节 对流传热四、对流传热系数经验式 (三)管内强制对流传热解(续)： Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2a可按式 Nu=0.023Re0.8Prf 进行计算，水被加 热，f=0.4。校正系数 f 第三节 对流传

13、热四、对流传热系数经验式 (四)大空间自然对流传热 自然对流：因流体温度差引起密度差流体流动 准数关联式C、n影响因素：传热表面形状、位置、(GrPr) 定性温度: 取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算术平均值。 常见大空间自然对流C、n值Nu=C（GrPr）n加热表面形状特征尺寸GrPr 范围cn 水平圆管外径d01041090.531/4 10910120.131/3 垂直管或板高度L1041090.591/4 10910120.101/3第三节 对流传热 四、对流传热系数经验式 (五)蒸气冷凝传热膜状冷凝的热阻主要集中在冷凝液膜上1. 垂直管或垂直板上作膜状冷凝 液膜呈层流(Re

14、2000)式中 l垂直板或管的高度，m冷凝液的密度，kg/m3导热系数，W/(mK)粘度，Pasr饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kgt蒸汽饱和温度和壁面温度差，K第三节 对流传热 四、对流传热系数经验式 (五)蒸气冷凝传热2. 水平管外的冷凝 *单管*列管式中 l垂直板或管的高度，m冷凝液的密度，kg/m3导热系数，W/(mK)粘度，Pasr饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kgt蒸汽饱和温度和壁面温度差，Kn 水平管束在垂直列上的管数第三节 对流传热 四、对流传热系数经验式 (五)蒸气冷凝传热 3. 影响冷凝传热的因素流体物性冷凝液密度、粘度，则液膜厚度、 冷凝传热系数a ；冷凝潜热，则同样热负荷下冷凝

15、液、液膜厚度 、 冷凝传热系数a . 冷凝器壁面若冷凝器凝结壁面粗糙、有锈层或有油膜时，将增加液膜流动的阻力，从 而使液膜加厚，增大热阻，降低对流换热系数。因此，要注意保持冷凝器凝 结壁面的光滑和清洁，注重冷凝器的排油操作。 蒸汽流速和流向蒸汽流动会在汽液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会 加速液膜的流动，使液膜减薄，传热加快。 不凝性气体不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除 不凝性气体至关重要。水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。第三节 对流传热 五、保温层的临界直径 保温层厚度与热损失* 通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少；* 小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，热损失随保温层 厚度的增加，可能反而增大。 保温层热损失关系式r0增大时，对热阻R1、R2的影响效应相反，对总热阻（ R1+R2）影响效应存在极值，上式对r0求导：第三节 对流传热 五、保温层的临界直径 保温层热损失关系式临界半径为 rc=/ 或 dc=2/ dc对Q影响 d02/，增加保温层的厚度才使热损失减少。 对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，要