环境工程原理2课件

1、环境工程原理21、传热速率方程：总热阻总传热推动力KAttKAQ/1mm2、热传导：（1）单层平壁稳态热传导AbttttAbQ2121)(1212()ttqttbb（2）多层平壁稳态热传导niinniiinRttAbttQ111111（4-7）（4-5、6）（4-1）环境工程原理2（4）多层圆筒壁稳态热传导（3）单层圆筒壁稳态热传导12212()1lnl ttQrr12()mtttQbRA推动力热阻1212/lnAAAAAmniinniiiinniiiinRttAbttrrttLQ1111m111111ln1)(2（4-12、13）（4-9、10、11）121212211()2lnlntttt

2、qqrrrrr；环境工程原理2第三节第三节 对流传热对流传热流体流动时发生，依靠流体质点移动而传热一、一、对流传热方程与对流传热系数对流传热方程与对流传热系数dA t2G1，T1G2，t1 T2特点：两流体的传热方向垂直于流动方向环境工程原理2层流底层：层流底层：热阻大，温度梯度大，热传导方式湍流核心：湍流核心：热阻小，温度梯度小，对流方式过渡区域：过渡区域：热传导和对流方式有效膜：假设将过度区和湍流区的传热阻力全部叠加到层流低层的热阻中，用近壁一层厚为的层流膜来代替。若湍流程度增加，有效膜减薄，传热速率增大。d dt tA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体传热推动力不易讨论传热推动力不易讨

3、论，为此为此:环境工程原理2 对流传热速率方程对流传热速率方程牛顿冷却公式牛顿冷却公式对冷流体流体被加热：AtTTAQ1)(w式中 Q 对流传热速率，W； 对流传热系数，膜系数，W/(m2)；代替/（/b），因为不易测得。 Tw 壁温，； T 流体平均温度，； A 传热面积，m2。（4-14）对热流体，流体被冷却：t=T - TW视为有效膜后，对照单层平壁导热速率方程有：环境工程原理2二、二、 影响对流传热系数影响对流传热系数 的因素的因素2.2.引起流动的原因引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。1.1.流体的物性流体的物性 ，cp

4、 ,(体积膨胀系数,K-1) 强 自 u强 u自 空气强为10250W/m2； 自可达525W/m2；环境工程原理23.3.流动形态流动形态 层流、湍流 湍 层 5. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。 通常将有决定性影响的尺寸称为特征尺寸特征尺寸4. 是否发生相变是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 无相变为减少获得关联式的实验工作量，将诸影响因数归结为几个量纲为1的量，即特征数。环境工程原理2f(u，l，cp，gt)式中 l特性尺寸；gt浮升力

5、u特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。hfaGrKNuPrRe三、三、 对流传热中的量纲分析对流传热中的量纲分析（一）因次分析（一）因次分析（4-17）（4-14）环境工程原理221232131: /WmKmkg smKMT11: /um sLT33: / kg mML11231131: /WmKmkg smKMLT1211: / Pa skg mssML T: /lmL112211221: /pCJkgKmkgskgKL T1212: /gtNkgm kg skgLT 311113132212()abcdefhpacdef

6、hbK ulCg tMTK LTLML TMLTMLLTLT 103233221McdeLabcdefhTacdfhdf ：122dfcafheahb= a+3h-1 ；31212aahafhfahfPK ulCg t h（）环境工程原理2lNu duRepcPr223tlgGrNusselt，怒塞尔数 对流传热的特征数Reynolds，雷诺数 流动型态对对流传热的影响Prandtl，普朗特数 流体物性对对流传热的影响Grashof，格拉斯藿夫数自然对流对对流传热的影响 322() () ()pafhafhcldug tlKNuK RePrGr（4-16）（4-17）21111Wm KmWm

7、K22111311m s Kkgm smkgs K23262221msm kg mkg m s13111mskgmmkgm s环境工程原理2lnPrlnNuf2不同Pr的流体在不同的Re下 lg(Nu/Prf)a lgRelgK双对数坐标系中得一直线 斜率为a，截距为lgK（二）实验安排及结果整理（二）实验安排及结果整理以实验确定K、a、f、h强制湍流为例：NuKReaPrf1采用不同Pr的流体，固定Re lgNuf lgPrlg(KRea)双对数坐标系得一直线，斜率为flgRelgNu/PrblgKa环境工程原理2获得特征数K、a、f、h数值后的计算对流传热系数的经验式称为关联式。使用时注意

8、：关联式。使用时注意：1、特征数值的适用范围，不能超出。2、特征尺寸：通过实验确定特征数时，所选定的对流体流动和传热有决定影响的尺寸，称为特征尺寸l。如圆管用管内径d；非圆形管取当量直径d等。3、定性温度：确定特征数时，所采用的流体的物性参数如Cp、等所依据的温度。环境工程原理2定性温度的取法：（三）定性温度、特性尺寸的确定（三）定性温度、特性尺寸的确定2特性尺寸 取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。2) 1 (21tttm2)2(mWtt膜温3准数关联式的适用范围。1确定物性参数数值的温度称为定性温度。不同的实验条件产生不同的关联式，对于某一关联式与下述各点紧密连在一起：环境工程原理2四

9、、四、 液体无相变时对流传热系数的经验关联式液体无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内的强制对流（一）流体在管内的强制对流1圆形直管内的湍流（Gr可略）（1）低粘度流体nNuPrRe023.08 .0npcdud)()(023. 08 . 0适用范围： Re 10000，0.7 Pr 120， 60（4-19）（4-18）环境工程原理2注意事项：定性温度取进出口温度平均值 特征尺寸为管内径di 流体被加热时，n0.4；被冷却时，n0.3。221tttm CP：/Jkg-1K-1（kJ要化成J）环境工程原理2(2)高粘度流体 14. 0318 . 0)(PrRe027. 0wNu（4-

10、20）Re 10000，0.7 Pr 60定性温度取 tm（算术平均值），而w取壁温特征尺寸为 din0 .1)(95.005.1)(14.0冷却或加热气体液体被冷却液体被加热不易获得）（Ww14. 033. 08 . 0)(027. 0wPCdud）（）（环境工程原理2(4) 弯曲管内：扰动增大， d ，乘以弯管效应校正系数177. 11RdR117 . 0ldl(3) 短管：l / d 60，入口处扰动较大，d ，乘以管入口效应校正系数例4-6，P144环境工程原理22.圆形直管内 过渡流（2000Re膜 实际以膜状冷凝为主，仅讨论纯饱和蒸汽膜状冷凝情况。环境工程原理22. 蒸汽在水平管束

11、外膜状冷凝413/232725. 0tlngr式中 n水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（ts饱和温度下），kJ/kg； 冷凝液密度，kg/m3 冷凝液粘度，Pas 冷凝液的导热系数，W/（m K） t饱和温度ts与壁面温度tw之差，= ts - tw特性尺寸l：管外径do2Wsttt定性温度：膜温 （4-27）环境工程原理23. 蒸汽在竖壁或竖管上的膜状冷凝液膜流动为层流：413213. 1tlgr适用条件：Re液膜流动 1800特性尺寸l：管或板高H定性温度：膜温 （4-29）（4-30）环境工程原理2 上述计算应先确定流型再选择相应公式，获得后必须要校验。校验：冷凝液的液膜沿壁面流

12、动的Re：rtl4Re（4-32）：对流传热系数，W/m2l：壁面高度，mt：蒸汽的饱和温度ts与壁面温度tW之差，r：比汽化热，取饱和温度ts的数据，J/kg：冷凝液的粘度，取膜温下数据，Pas例4-10，P150环境工程原理24冷凝传热的影响因素和强化措施冷凝传热的影响因素和强化措施1) 流体物性 冷凝液 d, ；冷凝液,；潜热r d, 2) 温差 液膜层流流动时，t=tstW，d,3) 不凝气体 不凝气体存在，导致 ，定期排放。4）蒸汽流速与流向 （u10m/s ）u 与液膜流动同向时，d ；反向时， d 。5) 蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。仍用此关联式，但汽化热r需加上成过热蒸汽

13、的热量6) 冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列环境工程原理2沸腾种类沸腾种类 1）大容积沸腾大容积沸腾 2）管内沸腾 1. 汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？过热度大过热度大：t=tWts有汽化核心有汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层 （二）（二） 液体沸腾时的对流传热液体沸腾时的对流传热对同一种液体，沸腾传热系数远大于无相变时的对同一种液体，沸腾传热系数远大于无相变时的值。值。环境工程原理22. 沸腾曲线沸腾曲线 1）自然对流阶段 t t5C3）不稳定膜状沸腾 25C

14、 t5C工业上：核状沸腾4）稳定膜状沸腾 250C t25C 优点：大，tW小临界点水在常压下饱和沸腾的临界点温度差tc=25K，临界热流密度q1.25106W/m2环境工程原理23、沸腾传热的影响因素及强化措施、沸腾传热的影响因素及强化措施1）液体的性质 ,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2）温差 在核状沸腾阶段温差提高， 3）操作压强stp饱和温度环境工程原理24）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒环境工程原理2六、六、 选用对流传热系数关联式的注意事项选用对流传热系数关联式的注意事项（1）根据问题类型，选择适用的关联式；（2）各关联式的应用范围、特性尺寸