环工原理第四章第三节讲.ppt

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1、2023/8/20,第四章 传热,一、对流传热的机理二、对流传热的影响因素,第三节 对流传热,三、对流传热速率四、对流传热系数的计算式五、保温层的临界直径,2023/8/20,一、对流传热的机理,流体沿固体壁面的流动,滞流内层,缓冲层,湍流主体,流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。,热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。,温度梯度很小，各处的温度基本相同。,2023/8/20,传热边界层,速度边界层,温度边界层,冷流体,热壁,u=0.99u0,T=0.99T0,温度边界

2、层的厚度比速度边界层薄。温度边界层越薄，温度梯度越大，传热速率就越高。,2023/8/20,对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,2023/8/20,二、对流传热系数的影响因素,1、流体的相变化2、流体的物性1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。2）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。3）比热和密度,2023/8/20,cp：单位体积流体所具有的热容量。cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。（4）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于

3、自然对流。对强制对流也有一定的影响。3、流体的温度4、流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。,2023/8/20,5、流体流动的原因,强制对流：,自然对流：,由于外力的作用,由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移单位体积的流体所受的浮力为：,6、传热面的性状、大小和位置,2023/8/20,三、壁面和流体间的对流传热速率,1、对流传热速率表达式,据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：,推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。对流传热速率方程可以表示为：,牛顿冷却定律,2023/8/20,在换热器中，局部对流

4、传热系数随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为：,2、对流传热系数对流传热系数a定义式：,表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。单位W/m2.k。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。,2023/8/20,四、对流传热系数的计算,（一）对流传热系数的微分式,此时表明，近壁处温度梯度越大，传热系数越大。,2023/8/20,（二）无量纲准数关联式列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,包括7个变量，涉及4个无量纲准数，,2023/8/20,准数的符号和意义,准数名称,努塞尔特准数（Nusselt）,Nu,雷诺准数（Reynold

5、s）,Re,普兰特准数（Prandtl）,Pr,格拉斯霍夫准数（Grashof）,Gr,2023/8/20,应用准数关联式应注意的问题1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。,2023/8/20,（三）流体无相变时在管内作强制对流的对流传热系数,1、流体在圆形直管内作强制湍流a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体,当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。,2023/8/20,管长与管径比,将计算所得的乘以,应用范围：,定性尺寸：,Nu、Re等准数中的l取为管内径di。,定性温度：

6、,取为流体进、出口温度的算术平均值。,b)高粘度的流体,为考虑热流体方向的校正项。,2023/8/20,应用范围：,定性尺寸：,取为管内径di。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,2、流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时,2023/8/20,应用范围：,定性尺寸：,管内径di。,定性温度：,除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,按上式计算出后，再乘以一校正因子,2023/8/20,3、流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=230010000时的过渡流范围，先按湍流的公式计算，

7、然后再乘以校正系数f。,4、流体在弯管内作强制对流,2023/8/20,5、流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：,应用范围：,Re=12000220000，d1/d2=1.6517,定性尺寸：,当量直径de,定性温度：,流体进出口温度的算术平均值。,2023/8/20,（四）大空间自然对流,对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在表4.3.2中。,定性温度：,取壁温Tw和流体进出口平均温度的算术平

8、均值。,2023/8/20,*提高对流传热系数的途径,1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，并且Re，应力求使流体在换热器内达到湍流流动。2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数,2023/8/20,与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比，在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况,对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次方成反比,2023/8/20,设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。4)不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传

9、热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。,2023/8/20,（五）流体有相变时的对流传热系数,1、蒸汽冷凝时的对流传热系数 1）蒸汽冷凝的方式 a)膜状冷凝：,若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜,b)滴状冷凝：,若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下,2023/8/20,2023/8/20,2）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设：冷凝液的物性为常数，可取平均

10、液膜温度下的数值。一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。,2023/8/20,修正后,定性尺寸：,L取垂直管或板的高度。,定性温度：,蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物性取液膜平均温度。,应用范围：,2023/8/20,若膜层为湍流（Re1800）时,滞流时，Re值增加，减小；湍流时，Re值增加，增大；,2023/8/20,2023/8/20,b)蒸汽在水平管外冷凝,c)蒸汽在水平管束外冷凝,2023/8/20,在条件相同时，对比水平管和垂直管的对流传热系数的计算式,因为L/d通常较大，所

11、以一般情况下水平/垂直1，即水平放置的管子比竖直方式的传热系数要大。,2023/8/20,3）影响冷凝传热的因素a）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。b）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。c)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大；蒸汽和液膜逆向流动，减小，摩擦力超过液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大；,2023/8/20,d)蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。e)冷凝壁面的影响 若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。,2023/8/20,2023/8/20,五、保温层的临界直径,Tci,Tf,d1,d2,Tw,2023/8/20,Q,d2,dc,2023/8/20,Q,d2,dc,