化工传递8对流传热ppt课件.ppt

Ch8：对流传热,本章重点讨论对流传热的机理、对流传热系数的定义式，平板壁面上以及管内对流传热的求解,动量传递与热量传递的类似性。,课后学习与作业：,第八章的概念和例题；第八章作业：8-3，8-5，8-6，8-13,1 对流传热机理与对流传热系数 P163,对流传热过程中，除热的流动外，还涉及到流体的运动。 温度场与速度场将会发生相互作用。,牛顿冷却定律,对流传热速率,与传热方向垂直的传热面积,固体壁面ts与流体主体tb之间的温度差,对流传热系数，或称膜系数,tb的选取：,平板壁面边界层中传热时：,取流体的平均温度t0；,管内强制层/湍流时：,取截面上流体的主体温度或平均温度tb,(8-1),对流传热的类型：,对流传热,有相变无相变,蒸气冷凝液体沸腾,强制对流自然对流,强制层流传热强制湍流传热,本课程的对流传热指运动流体与固体壁面之间的热量传递。,一、对流传热机理,当流体流经固体壁面时，将形成(层流或湍流）边界层。湍流边界层由三层组成： 层流内层、缓冲层和湍流核心。由于流体具有粘性 ，故紧贴壁面的一层流体，其速度为零。,（1）层流内层传热方式为热传导；,（2）湍流核心热量传递以旋涡运动引起的传热为主，而分子运动所引起的热传导可以忽略不计；,（3）缓冲层兼有热传导和涡流传热两种传热方式；,二、温度边界层（热边界层）,当流体流过固体壁面，若流体与壁面处的温度不同，则在与壁面垂直的方向上建立起温度梯度，该温度梯度自壁面向流体主体逐渐减小。壁面附近具有较大温度梯度的区域称为温度边界层。,平板壁面的温度边界层,定义：流动流体中存在温度梯度的区域称为温度边界层，亦称热边界层,当流体以 u0、t0流进管道，在进口附近形成温度边界层，其形成过程与速度边界层类似。,管道壁面的温度边界层,传热进口段长度,进口段传热,充分发展的传热,（1）平板边界层厚度：,（2）管内边界层的厚度：,进口段区： 与平板相同；,汇合后：,热边界层厚度的定义,平板壁面的温度边界层,三、对流传热系数 P164,固体壁面与流体之间的对流传热通量可用牛顿冷却定律描述：,对流传热的定义,对流传热通量,对流传热系数,壁面温度,流体温度,J / (m2.s),J / (m2.s.K),（1）平板边界层：,取,（2）管内边界层（充分发展后）,管道壁面的温度边界层,取, 主体平均温度，混合杯 （Mixing-cup)温度。,求解对流传热速率q 的关键是确定对流传热系数h。h 与动量传递系数 CD 的求解方法类似。,对流传热系数的求解途径（以平板为例）：,近壁面的流体层速度为零，则通过该流体层的传热为导热，其传热速率 q 为,稳态下，该热量以对流方式传入流体中，即,式（1）与（2）联立，得,h,壁面处温度梯度,温度分布t = t (x,y,z),解能量方程,速度分布,解运动方程,注意：以上路线仅适合于层流传热。,(8-5),求解湍流传热的对流传热系数的两个途径： （1）应用量纲分析方法并结合实验 ，建立相应的经验关联式； （2）应用动量传递与热量传递的类似性，通过类比法求对流传热系数 h。,2 平壁面上的对流传热,一、平板壁面上层流传热的精确解,二、平板壁面上层流传热的近似解,三、平板壁面上湍流传热的近似解,平板层流传热的对流传热系数可通过理论分析法求算（精确解），亦可通过与卡门边界层积分动量方程类似的热流方程得到。 平板湍流传热系数的求算，则通过热流方程的方法来解决。,一、平板壁面上层流传热的精确解,流体在平板壁面上流过时速度边界层与温度边界层的发展,（a）,（b）,流体在平板壁面上流过时速度边界层与温度边界层的发展的2种情况：,（1）平壁上层流传热边界层的变化方程,普兰德边界层方程,能量方程化简：,(8-10),由于,边界层能量方程,(8-12),（2）平壁上层流传热边界层的解析解,作变量置换，令,比较,t ux,(8-14),令,令,(8-20),令,二次积分并代入B.C.（1）得,代入B.C.（2）得,温度分布方程,Pohlhausen 采用数值法求解上式其解如图所示：,(8-25),（3）局部对流传热系数,适用条件：所有Pr，,(8-31),对于范围 Pr = 0.615内的层流流动，可以简化：,0,2.0,1.0,3.0,4.0,0.5,5.0,1.0,0.332,由图,适用条件：Pr=0.615，,(8-34a),（4）平均对流传热系数,长度为L、宽为 b 的平板的平均对流传热系数,定性温度：,(8-37),(8-38),（5）热边界层厚度,由图当 时,边界层传热的另一种较简单的求解方法是采用温度边界层的热量流动方程（简称热流方程）。其特点是求解过程简单、结果足够精确、还适用于湍流边界层的传热计算。,首先结合相应的边界条件，由普兰德边界层方程出发，求出边界层内的速度分布，然后将此速度分布代人能量方程中，并结合边界条件解出温度分布，最后通过温度梯度与对流传热系数的关系式，计算对流传热系数h。,求解步骤：,例题：常压下20的空气，以15m/s的速度流过一温度为100的光滑平板壁面，试求临界长度处速度边界层厚度、温度边界层厚度及对流传热系数。设传热由平板前缘开始，试求临界长度一段平扳单位宽度的总传热速率。已知Rexc 5x105。,解：定性温度为,在60oC的温度下，空气的物性值由有关数据表查出为,0.189710-4 m2/s, k2.89310-2 W/(mK),求临界长度,Pr0.698,求速度边界层厚度,求温度边界层厚度t,求对流传热系数hx，hm和传热速率q,通过L=0.63m、宽度为1m平板壁面的传热速率为：,（1）温度边界层热流方程的推导,取一微元控制体,作热量衡算：,1-2面：流入,热量流率：,质量流率：,二、平板壁面上层流传热的近似解 P171,3-4面：流出,质量流率：,热量流率：,2-3面：流入,质量流率：,热量流率：,1-4面（壁面）：导入,热量以导热方式输入控制体，根据傅立叶定律，热流速率为,m4=0,即,仅考虑 x方向的流动，上式写成,边界层热流方程,边界层积分动量方程,(8-45),（2）平板壁面上层流传热的近似解,考察平板壁面上速度边界层与温度边界层不同时发展的情形。,令,积分上式，得,由,得,(8-55),(8-56),如加热由平板前缘开始，x0=0，则,或,（1）对于粘稠油类流体，Pr1000， 假定成立；,（2）对于气体，Pr1（空气为0.7），则假定不成立，但气体 Pr 值最小约为0.6 , 由上式算出=1.16，误差不大；,（3）对于Pr极小的流体，例如液态金属，不成立。,(8-57),局部对流传热系数,(8-58),局部对流传热系数,当加热由平板前缘开始，x0= 0，则,(8-58),(8-59),定性温度：,平均对流传热系数,(8-62),边界层热流方程既可用于层流边界层的传热计算，也可用于湍流边界层的传热计算。但对于后者，应该使用湍流时的速度分布方程和温度分布方程：,三、平板壁面上湍流传热的近似解 P176,(8-45),(8-64),对于湍流，假定速度分布和温度分布均遵循 1/7次方定律：,层流：（ ）,湍流：,由 得,(8-71),实验表明，湍流边界层传热时，Pr 的指数仍为1/3，即相当于 n =1/1.71 = 0.585，故,(8-73),局部对流传热系数,平均对流传热系数,若考虑平板前缘层流边界层的影响时，可作如下修正：,式中,(8-79),3 管内对流传热 P180,一、管内强制层流传热的理论分析,（1）流动边界层与传热边界层同时发展,（2）流动边界层充分发展,（A）传热微分方程,第（1）种情况：稳态、轴对称、进口段二维层流：,第（2）种情况：稳态、轴对称、层流充分发展（长径比大）：,给定出B.C.，可用变量分离法求解。,一、管内强制层流传热的理论分析,(3-50),通常的 B.C.为：,（=常数，恒壁温）,或（3）r = ri ，对流边界,（B）流动与传热边界层均充分发展后的层流传热,传热均充分发展的定义 ,(8-84),(8-83),壁面热通量 =常数；,两种常见的壁面边界条件：,壁温恒定，ts =常数。, 壁面热通量 =常数,在此情况下，可以推出：,(8-91),(8-92),第一次积分，得：,由B.C.（1）得：,再积分，得,借助管壁面温度 r ri ，t=ts 得：,注意： 为常数使边界条件（2）自动满足。,在管内层流传热过程中，当速度边界层和温度边界层均充分发展后， hz 或 Nu 为常数。,(8-97),(8-98), 壁温恒定，ts =常数,Greatz 分析求解的结果为,可以证明， 不再为常数而是径向距离 r 的函数。,(8-99),（C）管内强制层流传热的普遍解,图为努塞尔 ( Nusselt )和凯斯（Kays)的结果,传热进口段长度 Lt 可用下式估算,将图中曲线拟合，用下式表示为,(8-101),(8-100),传递机理的类似；,动量与热量传递类似的体现：,数学模型类似；,求解方法类似；,两个传递系数（ f 与h）可用一定的关系式相联系。,类似律,二、圆管湍流传热的类似律 P191,根据动量与热量传递的类似性，对两种传递过程进行类比分析，建立传递系数间的定量关系，该过程即动量与热量传递的类比。,意义,由已知传递过程系数求另一传递过程系数。,动量传递系数 f,热量传递系数 h,雷诺类比模型图,设流体以湍流流过壁面，流体与壁面间进行动量、热量传递。,Reynolds假定：湍流主体一直延伸到壁面。,设单位时间单位面积上，流体与壁面间所交换的质量为 M 。,1.雷诺类似律,一层模型,单位时间单位面积上交换的动量为,由,故,又,单位时间单位面积上交换的热量为,故,由,联立得,故,令,故,雷诺类似律,雷诺类似律,雷诺类似律把整个边界层作为湍流处理，故雷诺类似律有一定的局限性。,适用条件,传热斯坦顿(Stanton)数,(8-132),假定：湍流边界层由湍流主体和层流内层组成：,两层模型,推导得,普兰德泰勒类似律,修正项,2.普兰德-泰勒类似律,(8-143),卡门（Karman）假定，湍流边界层由湍流主体、缓冲层和层流内层组成：,三层模型,卡门类似律,修正项,3.卡门类似律,(8-144),整理得,令,传热 j 因数,故,柯尔本类似律,适用条件,4.科尔本类似律,(8-147),各类似律的适用条件,物性参数可视为常数或取平均值；,无内热源；,无辐射传热；,无边界层分离，无形体阻力。,各类似律的定性温度,1. 某油类液体以1m/s 的均匀流速沿一热平板壁面流过。油类液体的均匀温度为293K，平板壁面维持353K。设临界雷诺数 。已知在边界层的膜温度下，液体密度 ，黏度 ，比热 ，导热系数 试求 ：,习 题,（1）临界点处的局部对流传热系数 hx及壁面处的温度梯度；（2）由平板前缘至临界点段平板壁面的对流传热通量。,2. 温度为 tb、速度为 ub 的不可压缩牛顿型流体进入一半径为 ri 的光滑圆管与壁面进行稳态对流传热，设管截面的速度分布均匀为ub、热边界层已在管中心汇合且管壁面热通量恒定，试推导流体与管壁间对流传热系数的表达式。,3. 常压下水以 ub 的流速流过直径为 d 、管长为 L 的光滑水平圆管。已知水的进口温度为 t1 ，管壁维持恒壁温 ts 。设传热进口段的影响可忽略不计，水的各项物性参数均可取算术平均温度下的值。 试证：当采用传热的柯尔本类似律计算时，水的出口温度的表达式为,式中：f 为管内流动的范宁摩擦系数。,4. 不可压缩型流体以均匀速度u0在相距为2b的两无限大平板间做平推流流动，上下两板分别以恒定热通量 向流体传热，假定两板间的温度边界层已充分发展，有关的物性为常数，试从直角坐标系的能量方程出发，写出本题情况下的能量方程特定形式及相应的定解条件并求出温度分布及对流传热系数的表达式。,热量传递复习,第六章 热量传递概论与能量方程,热量传递的基本形式,热传导、对流传热、辐射传热,能量方程的特定形式,（一）无热内源不可压缩流体的对流传热,（二）固体中的导热,有内热源固体中的导热,稳态导热,无内热源固体中的导热,稳态导热,热扩散系数或导温系数：,k：导热系数：,cp：定压比热容：,（一）无热内源不可压缩流体的对流传热,（二）固体中的导热,有内热源固体中的导热：,无内热源固体中的导热：,傅立叶第二导热定律,稳态导热：,稳态导热：,ux，uy，uz = 0,可写成,定义：热量依靠物体内部粒子的微观运动而不依靠宏观混合运动从物体中的高温区向低温区移动的过程称为热传导，简称导热。,气体导热：气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；,液体导热：导热机理与气体类似；,固体导热：自由电子的迁移和晶格振动；,第七章 热传导复习,基本能量微分方程：,直角坐标：,柱坐标：,忽略内热源不稳态热传导边界条件：,第一类边界条件是：给出任何时刻物体端面的温度分布(t)；,第二类边界条件是：给出所有时刻物体端面处的导热通量(q/A)；,第三类边界条件是：物体端面与周围流体介质进行热交换，端面处的导热速率等于端面与流体之间对流传热速率；,忽略内热源一维稳态导热：,直角坐标,柱坐标,重点,忽略内部热阻的热传导 - 集总热容法,条件,定义：假设物体内部热阻与外部热阻相比，可忽略不计的一种分析方法。,固体的导热系数很大或热内阻很小，而环境流体与该固体表面之间的对流传热热阻有比较大时，便可忽略热内阻，即认为在任一时刻固体内部各处的温度均匀一致。,毕渥数（Biot number）,即，毕渥数表示了物体内部的导热热阻与表面对流热阻之比。,当Bi0.1时，系统的传热可采用集总热容法处理,忽略物体热内阻情况下，物体温度与时间呈指数的定量关系式,流体的主体温度,物体的初始温度,任一时刻物体的温度,流体与物体表面的对流传热系数,物体的表面积,导热时间,物体密度,物体体积,物体的比热容,忽略表面热阻的热传导 - 半无限大固体的不稳态导热,（1）地面气温突然变化时土壤温度随之变化的问题；（2）大建筑物表面温度变化时内部温度随之变化的问题；（3）大块钢锭的热处理问题等等：,其中,初始温度,某一端面的温度,误差函数（高斯误差积分）,总热量：,截面面积,导热系数,时间,温度分布：,内部热阻和表面均不能忽略时的大平板的的不稳态导热,简易图算法：,相对位置,平板的半厚度或由绝热面算起的厚度,某一瞬时由平板中心面或绝热面至某点的距离,两平板端面与周围介质有热交换时的不稳态导热，第三类边界条件。,适用于：无限大平板、无限长圆柱体、球体；,一维导热；,x1,x1,多维不稳态导热,纽曼（Newman）法则：将一维分析解推广到二维或三维导热的问题。,定义：二维或三维不稳态导热，称为多维不稳态导热。,e.g 长方体：三维导热问题（x,y,z）,纽曼法则：三个无限大平板的一维不稳态导热；,e.g 短圆柱体：二维导热问题（径向和轴向）,纽曼法则：无限长圆柱和无限大平板两个一维不稳态导热,第八章 对流传热复习,定义：由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，因而对流传热只能发生在有流体流动的场合。温度场与速度场将会发生相互作用。,牛顿冷却定律,对流传热速率,与传热方向垂直的传热面积,固体壁面(ts)与流体主体(tb)之间的温度差,对流传热系数，或称膜系数,tb的选取：,平板壁面边界层中传热时：,取流体的平均温度t0；,管内强制层/湍流时：,取截面上流体的主体温度或平均温度tb；,h是关键,热阻分布（根据对流传热机理）：,层流内层的热阻占总对流传热热阻的大部分；,湍流核心的温度则较为均匀，热阻很小；,温度边界层(热边界层）：流动流体中存在温度梯度的区域称为温度边界层。,光滑平板壁面上层流边界层的稳态传热：,局部对流传热系数：,局部努塞尔数：,平均对流传热系数：,平均努塞尔数：,温度边界层（层流）：,适用于恒壁温条件下光滑平板壁面上层流边界层的稳态传热的计算，应用范围为0.6Pr15ReL5x105。各式中的物性值采用平均温度tf下的值，tf可表示为,温度边界层热流方程：,必须知道速度分布方程和温度分布方程,速度分布方程：,温度分布方程：,层流：,层流：,湍流：,湍流：,圆管湍流传热的类似律,类比法：基本原理是利用动量传递与热量传递的类似性，通过动量传递中易于求得的摩擦系数求取对流传热系数。,（一）雷诺(Reynolds)类似律,雷诺假设，当湍流流体与壁面间进行动量、热量传递时，湍流中心一直延伸至壁面，故雷诺类似律为一层模型。,（二）普兰德(Prandtl) - 泰勒(Taylor)类似律,普兰德和泰勒认为湍流边界层内湍流主体和层流内层组成，此即所谓的二层模型。,（三）冯卡门(von Karman)类似律,卡门认为，湍流边界层由湍流主体、缓冲层和层流内层组成。此即所谓的三层模型。,（四）柯尔本(Colburn)类似律,契尔顿(Chilton)和柯尔本(Colburn)采用实验方法，关联了对流传热系数与范宁摩擦系数之间的关系，得到了以实验为基础的类似律，称为柯尔本类似律或jH因数类似法。,一、选择题直接给出边界上的值属于（ ） P141A. 第一类边界条件 B. 第二类边界条件 C. 第三类边界条件 D. 初始条件2. 分子导热之所以发生是由于体系内部存在着（ ）A. 动量梯度 B. 浓度梯度 C. 温度梯度 D. 速度梯度3. 测量温度的热电偶（球形），其球形内的温度变化可以用什么函数或方法来描绘P141A. 球形非稳定导热法 B. 高斯误差函数 C. 球形稳定导热法 D. 集总热容法4. 方程 为（ ） P130A. 傅里叶方程 B. 傅里叶第二定律 C. 傅里叶第三定律 D. 导热定律,5. 测量人体温度的水银温度计，其圆柱形水银泡内的温度变化用什么函数或方法来描绘？（ ） P141A.圆柱的稳定导热法 B.集总热容法 C.高斯误差函数 D.无穷级数函数6. 将温度为200，直径为40cm，长度为40cm的圆柱形棒置于50的环境中冷却，可以通过查下面哪种类型的不稳态导热算图，求棒内的温度分布？（ ）P156A.一维不稳定导热 B. 二维不稳定导热 C.三维稳定导热 D.三维稳定导热7. 将温度为200，长度为5cm，宽度为4cm，高为80cm的长方形金属棒置于50的环境中冷却，可通过查下面哪种类型的不稳态导热算图，求棒内的温度分布（ ）P147A.无限长圆柱和无限大平板 B.无限长圆柱 C.球体 D.无限大平板8. 在火灾现场处于上风处的油罐发生了爆炸，其主要原因可能是（ ）A.热传导 B.热对流 C.热传导和热对流的联合作用 D.热辐射,二、填空题写出沿平板传热的努赛尔数Nu与对流传热系数h的关系式 P170 根据Newman法则，长方体不稳定导热可采用 个 解的乘积来求解。P156大平板厚度18mm，采用图算法求离板平面3mm处的温度，查图时x应取为 P152对于忽略内部热阻的导热过程，准数温度分布与时间呈 的函数关系。P142,三、名词解释1、气体导热 P1232、多维不稳态流动 P1553、Newman法则 P155,四、问答题写出毕渥数Bi的定义和物理意义，并说明为何Bi0.1可按集总热容法处理。P142,P171,