化工原理 上册 天津大学柴诚敬 39－40学时.ppt

1,第五章传热,5.4对流传热,2,对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，对流传热与流体的流动状况密切相关。,对流传热,概述,图5-12对流传热的温度分布情况,3,无相变,有相变,强制对流,自然对流,对流传热,蒸汽冷凝,液体沸腾,概述,4,第五章传热,5.4对流传热5.4.1对流传热机理和对流传热系数,5,图5-12对流传热的温度分布情况,一、对流传热机理,6,一、对流传热机理,当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将进行热交换。,层流内层缓冲层湍流核心,湍流边界层,传热方式热传导热传导和涡流传热涡流传热,7,温度梯度较大居中较小,热阻较大居中较小,对流传热是集热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层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,一、对流传热机理,8,二、热边界层及对流传热系数,靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。,热边界层,9,图5-13平板上的热边界层,二、热边界层及对流传热系数,10,若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即,紧靠壁面处薄层流体的温度梯度,二、热边界层及对流传热系数,11,根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为,换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温,换热器任一截面上热流体的平均温度,二、热边界层及对流传热系数,12,因此有,对流传热系数的另一定义式，它表明了对流传热系数与壁面温度梯度之间的关系。,二、热边界层及对流传热系数,13,二、热边界层及对流传热系数,当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成和发展。对于一定的管长，破坏边界层的发展也能强化对流传热。对于同一种流体，强制对流传热的对流传热系数要大于自然对流的，有相变化的要大于无相变化的。,14,第五章传热,5.4对流传热5.4.1对流传热机理和对流传热系数,5.4.2对流传热的量纲分析,15,一、影响对流传热系数的因素,1.流体的种类和相变化的情况2.流体的特性：导热系数、黏度、比热容、密度以及体积膨胀系数3.流体的温度4.流体的流动状态5.流体流动的原因6.传热面的形状、位置和大小,16,二、对流传热过程的量纲分析,1.根据对问题的观察，找出影响对流传热过程的因素2.通过量纲分析确定相应的量纲为一数群（准数）3.通过实验确定相应的经验关联式公式。,量纲分析步骤,17,量纲分析的基本依据是定理：一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含n-m个独立的量纲为一数群间的关联式，m指n个物理量中所涉及的基本量纲的数目。量纲分析的核心在于确定n和m，并用一定技巧将各个量纲为一数群的内涵确定下来。,量纲分析基本依据,二、对流传热过程的量纲分析,18,1.流体无相变时的强制对流传热过程,（1）列出影响该过程的物理量,传热设备的特征尺寸,二、对流传热过程的量纲分析,19,（2）确定量纲为一数群的数目,上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量、时间和温度,依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3,二、对流传热过程的量纲分析,20,通过量纲分析，可确定,努赛尔特数(Nusseltnumber),雷诺数(Reynoldsnumber),表示对流传热系数的准数,表示惯性力与黏性力之比，是表征流动状态的准数,二、对流传热过程的量纲分析,21,普兰德数(Prandtlnumber),表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物性。,强制对流（无相变）传热时的准数关联式,因此，有,二、对流传热过程的量纲分析,22,2.自然对流传热过程,（1）列出影响该过程的物理量,传热设备的特征尺寸,作用在单位体积流体上的浮力,二、对流传热过程的量纲分析,23,（2）确定量纲为一数群的数目,上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量、时间和温度,依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3,二、对流传热过程的量纲分析,24,通过量纲分析，可确定,努赛尔特数(Nusseltnumber),普兰德数(Prandtlnumber),二、对流传热过程的量纲分析,25,格拉斯霍夫数(Grashofnumber),表示由温度差引起的浮力与黏性力之比,自然对流（无相变）传热时的准数关联式,因此，有,二、对流传热过程的量纲分析,26,3.使用由实验数据整理得到的关联式应注意的问题,（1）应用范围关联式中Re、Pr等准数的数值范围等；（2）特性尺寸Nu、Re等准数中的应如何确定；（3）定性温度各准数中的流体物性应按什么温度查取。,二、对流传热过程的量纲分析,27,第五章传热,5.4对流传热5.4.1对流传热机理和对流传热系数5.4.2对流传热的量纲分析,5.4.3流体无相变时的对流传热系数,28,一、流体在管内作强制对流,1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流（1）低黏度流体可应用迪特斯（Dittus）贝尔特（Boelter）关联式,或,当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。,29,特性尺寸：管内径。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,应用范围：,一、流体在管内作强制对流,30,（2）高黏度流体可应用西德尔（Sieder）泰特（Tate）关联式,或,壁温下的黏度,考虑热流方向的校正项,一、流体在管内作强制对流,31,特性尺寸：管内径。定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。,应用范围：,一、流体在管内作强制对流,32,2.流体在光滑圆形直管内作强制层流,特性尺寸：管内径。定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。,应用范围：,一、流体在管内作强制对流,33,当时，对流传热系数可先用湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正系数。,3.流体在光滑圆形直管中呈过渡流,一、流体在管内作强制对流,34,4.流体在弯管内作强制对流,流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大,管子的弯曲半径,一、流体在管内作强制对流,35,5.流体在非圆形管内作强制对流流体在非圆形管内作强制对流时，只要将管内径改为当量直径，则仍可采用上述各关联式。传热当量直径定义：,究竟采用哪个当量直径，由具