4.3 对流传热ppt课件

1、化化 工工 基基 础础An Introduction to Chemical An Introduction to Chemical Industry and EngineeringIndustry and Engineering4.3 4.3 对流传热对流传热(convection (convection of heat)of heat)教学目的：教学目的：课课 型：型：重点难点：重点难点：了解对流传热的机理了解对流传热的机理掌握对流传热的基本方程以及各种情况下给掌握对流传热的基本方程以及各种情况下给热系数的准数关联式热系数的准数关联式对流传热的机理和对流传热的基本方程对流传热的机理和对流传

2、热的基本方程新理论知识新理论知识了解沸腾和冷凝时传热膜系数了解沸腾和冷凝时传热膜系数4.3 4.3 对流传热对流传热(convection (convection of heat)of heat)机理机理: :由于流体质点变动位置并相互碰撞，热量由于流体质点变动位置并相互碰撞，热量由能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而由能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而使热量传播。使热量传播。 因流体质点位置变动而形成的对流有两种形式：自然对流自然对流(natural convection)：因流体本身各点温度不：因流体本身各点温度不同，引起密度差异而形成的流体质点移动，称为自然对流。同，引起密度差

3、异而形成的流体质点移动，称为自然对流。强制对流强制对流(forced convection)：借助于机械搅拌或机：借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流。械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流。NOTENOTE：强制对流比自然对流有较好的传热效果。：强制对流比自然对流有较好的传热效果。什么情况下会发生对流传热？流动流体中流动流体中对流传热过程对流传热过程流流体体主主体体t1滞滞流流内内层层固固体体壁壁面面t2过渡层过渡层靠近壁面存在滞流层，该层的传热主要依靠流体分子传导传热。流体的导热系数一般都比较小，因而在这层中有较大的温度梯度。流体主体中的传热主要依靠流体质点的位移和

4、混合，基本不存在温度梯度。过渡层中的传热既有传导传热，也有流体质点位移而碰撞的传热，该层中存在较小的温度梯度。对流传热包括以下几部分：对流传热包括以下几部分：在对流传热中将有明显温度梯度的区域滞流内层和过渡层称为传热边界层。Q Q（给热）（给热）thtcL1thwL212tCW)/(11,Attwhh由傅立叶定律：（有利于传热），则，一定时，hRte对流传热问题对流传热问题 传导传热问题传导传热问题1/h=/1hAt1对流传热虚拟膜模型优点：对流传热虚拟膜模型优点：对流传热的速率对流传热的速率Newtons equation of heat Newtons equation of heat t

5、ransfertransferNewtons equation of heat transfer:Newtons equation of heat transfer:AtthQ)(21dAtthQdd)()(21对微元而言:h表面传热系数表面传热系数(对流传热系数，给热系数，传热膜对流传热系数，给热系数，传热膜系数，系数，convective heat-transfer coefficient)，W.m-2.K-1。thq或：流体与壁温之差tthA 牛顿冷却定律牛顿冷却定律热流体热流体:)(,whhhhttAh)(,cwcccttAh h是计算关键。是计算关键。热流体冷流体thtcth,wtc

6、,w 流体通过间壁的热交换冷流体冷流体:对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素流体的流动形态流体的流动形态( (滞流或湍流滞流或湍流) )和对流情况和对流情况( (自然对流或强制对自然对流或强制对流流):):湍流程度越大，滞流内层厚度越小，湍流程度越大，滞流内层厚度越小，h h的值越大。的值越大。流体的导热系数、比热容、密度、膨胀系数、粘度等物理流体的导热系数、比热容、密度、膨胀系数、粘度等物理性质：膨胀系数越大，稍有温差就会形成明显的自然对流。性质：膨胀系数越大，稍有温差就会形成明显的自然对流。传热的温度：温度对流体的物理性质有显著的影响，对传热传热的温度：温度对流体的物理性质有显著的

7、影响，对传热膜系数有间接的、明显的作用。膜系数有间接的、明显的作用。流体传热时的相变化：传热过程伴随有相变化，则有很高的流体传热时的相变化：传热过程伴随有相变化，则有很高的h h。壁面的形状、排列方式和尺寸：设备的结构越能使流体形成壁面的形状、排列方式和尺寸：设备的结构越能使流体形成湍流，湍流，h h越大，但输送的动力消耗也有所增加。越大，但输送的动力消耗也有所增加。.),(vcuthh)(.几个特征数h对流传热中的特征数对流传热中的特征数特征数特征数特征数形式特征数形式特征数的物理意义特征数的物理意义努塞尔数(Nu)表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导热系数与换热器壁几何尺寸的作用。雷诺数

8、（Re）确定传热时流体的流动形态，并表明对换热的影响。普朗特数（Pr）表明流体的某些物理性质对传热的影响。格拉晓数数（Gr）表明因受热引起的自然对流对传热的影响。物理量h传热膜系数；导热系数；l传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)；Cp流体的比定压热容；流体的膨胀系数。lhdupc223tgl无相变对流传热系数的特征关联式无相变对流传热系数的特征关联式流体以湍流形态在圆管中的传热膜系数流体以湍流形态在圆管中的传热膜系数狄丢斯狄丢斯(Dittus)公式公式当流体被加热时:当流体被冷却时:4 . 08 . 0PrRe023. 0dh3 . 08 . 0PrRe023. 0dhNOTE:NOTE

9、:适用于大多数气体和粘度小于适用于大多数气体和粘度小于2 2倍水粘度的液体倍水粘度的液体. .流体的传热膜系数与热流有关流体的传热膜系数与热流有关:液体被加热，温度升高液体粘度液体被加热，温度升高液体粘度降低，并使滞流内层减薄，而导热系数随之变化不大，其总效降低，并使滞流内层减薄，而导热系数随之变化不大，其总效果使果使h变大。气体被加热，粘度随温度升高而增大，滞流内层变大。气体被加热，粘度随温度升高而增大，滞流内层厚度增大，虽然导热系数随温度升高而稍有增大，但总效果使厚度增大，虽然导热系数随温度升高而稍有增大，但总效果使h变小。变小。大多数液体：大多数液体：Pr1大多数气体：大多数气体：Pr1

10、流体与蛇管或器壁以自然对流传热时：流体与蛇管或器壁以自然对流传热时：GrPr500(滞流滞流)31Pr)(18. 1GrdhGrPr2 107(湍流湍流)500GrPr 2 107(过渡流过渡流)31Pr)(135. 0Grdh41Pr)(54. 0Grdh涡轮式搅拌器附夹套的圆筒容器涡轮式搅拌器附夹套的圆筒容器(如常见的反应釜如常见的反应釜):312Pr)(Re36.0DhD容器内径，mRe中的d为搅拌桨叶直径，mNOTE:NOTE:粘度小的流体，自然对流的传热较多地在湍流形态下进行。粘度小的流体，自然对流的传热较多地在湍流形态下进行。 定性温度取壁面与流体温度的平均值。定性温度取壁面与流体

11、温度的平均值。无相变对流传热系数的特征关联式无相变对流传热系数的特征关联式沸腾沸腾(boiling)和冷凝和冷凝(condensing)时的传热膜系数时的传热膜系数沸腾沸腾温度差小温度差小形成气泡核心形成气泡核心泡核沸腾泡核沸腾强烈泡核沸腾强烈泡核沸腾膜状沸腾膜状沸腾h泡核沸腾泡核沸腾h膜膜状沸腾状沸腾沸腾沸腾(boiling)和冷凝和冷凝(condensing)时的传热膜系数时的传热膜系数冷凝冷凝h滴状冷凝滴状冷凝 h膜膜状冷凝状冷凝膜状冷凝膜状冷凝滴状冷凝滴状冷凝饱和蒸气冷凝时释放出气化潜热而凝结成液体，冷凝液的饱和蒸气冷凝时释放出气化潜热而凝结成液体，冷凝液的 温度与蒸气温度相同。温度与

12、蒸气温度相同。当饱和水蒸气中含有不凝性气体如空气时，其当饱和水蒸气中含有不凝性气体如空气时，其h h随不凝性随不凝性 气体含量增大而显著下降。因此用水蒸气加热的设备总附有气体含量增大而显著下降。因此用水蒸气加热的设备总附有 排气阀，随时或定期地将积累的不凝性气体排空。排气阀，随时或定期地将积累的不凝性气体排空。过热水蒸气是以其显热传热的，过热水蒸气是以其显热传热的，h h接近一般气体的值。接近一般气体的值。对流传热膜系数的值对流传热膜系数的值传热情况h /W.m-2.K-1h常用值备注水蒸气滴状冷凝水蒸气膜状冷凝40000 40000 120000 1200005000 5000 15000 150004000010000氨的冷凝苯蒸气冷凝C3 C4的冷凝93009300700 1600930 1240卧式冷凝器水的沸腾水的加热或冷