化工原理第四章第三节

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1、2022-5-23第第第第第第四四四四四四章章章章章章 传热传热传热传热传热传热第第第第第第三三三三三三节节节节节节 对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热一、对流传热的分析一、对流传热的分析二、壁面和流体对流传热速率二、壁面和流体对流传热速率三、对流传热系数三、对流传热系数四、流体无相变时对流传热四、流体无相变时对流传热 系数系数五、流体有相变时对流传热五、流体有相变时对流传热 系数系数2022-5-23一、对流传热的分析一、对流传热的分析 流体沿固体流体沿固体壁面的流动壁面的流动 层流底层层流底层过渡区过渡区湍流主体湍流主体流体分层运动,相邻层间没有流体的流体分层运动,相邻层间没

2、有流体的宏观运动。宏观运动。在垂直于流动方向上不存在垂直于流动方向上不存在对流传热,在对流传热,仅为流体的热传导。流仅为流体的热传导。流体的热导率较小,该层热阻较大,体的热导率较小,该层热阻较大,温温度差较大,即温度梯度较大。度差较大,即温度梯度较大。对流和热传导共同作用,在该层内温度对流和热传导共同作用,在该层内温度变化较缓慢。变化较缓慢。 热阻很小,温度梯度很小,热阻很小,温度梯度很小,各处的温度各处的温度基本相同。基本相同。 2022-5-23 对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的对流传热的热阻主要集中在层流底层。热阻主要集中在

3、层流底层。减薄层流底层的厚减薄层流底层的厚度是强化对流传热的主要途径。度是强化对流传热的主要途径。 2022-5-23二、壁面和流体间的对流传热速率二、壁面和流体间的对流传热速率 1、对流传热速率方程、对流传热速率方程tdttdQdAdAdx 傅里叶定律:t对流传热温差,对流传热温差,(热流体热流体tTTw;冷流体;冷流体ttwt)局部对流传热系数,局部对流传热系数,W/(m2K)或或W/(m2)。dQtdA牛顿冷却定律牛顿冷却定律 2022-5-23平均对流传热系数,平均对流传热系数,W/(m2K)或或W/(m2) A总传热面积,总传热面积,m2;QA t 在换热器中,局部对流传热系数在换热

4、器中,局部对流传热系数随管长而变化,但在随管长而变化,但在工程计算中,常使用平均对流传热系数和平均温度差,此工程计算中,常使用平均对流传热系数和平均温度差,此时牛顿冷却定律可以表示为:时牛顿冷却定律可以表示为:2022-5-232、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数对流传热系数定义式:定义式: QA t 表示表示单位温度差下,单位传热面积的对流传热速率。单位温度差下,单位传热面积的对流传热速率。 反映了反映了对流传热的快慢,对流传热的快慢,对流传热系数大,则传热快。对流传热系数大,则传热快。 2022-5-23三、对流传热系数的影响因素三、对流传热系数的影响因素 (一)对流传热系数的影响因

5、素(一)对流传热系数的影响因素 1、流体的种类:、流体的种类:液体的对流传热系数大于气体液体的对流传热系数大于气体 2、流体的物性、流体的物性1)导热系数)导热系数 流体的导热系数愈大,热阻就愈小,对流传热系数愈大。流体的导热系数愈大,热阻就愈小,对流传热系数愈大。2)粘度)粘度 流体的粘度愈小,对流传热系数愈高。流体的粘度愈小,对流传热系数愈高。3)比热容和密度)比热容和密度2022-5-23 cp:单位体积流体所具有的热容量。单位体积流体所具有的热容量。 cp值值愈大,愈大,流体携带热量的能力愈强,流体携带热量的能力愈强,对流传热强度对流传热强度愈大。愈大。4)体积膨胀系数)体积膨胀系数

6、体积膨胀系数体积膨胀系数值愈大,值愈大,密度差愈大,密度差愈大,有利于自然对流有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。对强制对流也有一定的影响。3、流体对流的起因、流体对流的起因强制对流的对流传热系数大于自然对流。强制对流的对流传热系数大于自然对流。2022-5-234、流体流动状态流体流动状态 湍流的对流传热系数远比层流时的大。湍流的对流传热系数远比层流时的大。5、流体的相态变化、流体的相态变化相变时的相变时的比无相变时的大。比无相变时的大。6、传热面的结构、传热面的结构传热面的形状(管、板、环隙、管束等)、位置(管子排传热面的形状(管、板、环隙、管束等)、位置(管子排列方式、垂直放置或水

7、平放置)和流道尺寸(管径、管长列方式、垂直放置或水平放置)和流道尺寸(管径、管长等)等)2022-5-23准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数Nul表示对流传热系数表示对流传热系数 雷诺准数雷诺准数Relu流体流动状态的影响流体流动状态的影响普朗特准数普朗特准数Prpc 流体物性的影响流体物性的影响格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数Gr223tlg 自然对流的影响自然对流的影响(二)对流传热系数的一般准数关联式(二)对流传热系数的一般准数关联式2022-5-23(,)abcNuf Re Pr GrKRe Pr Gr流体无相变时的强制对流:流体无相变时的强制对流:流体无

8、相变时的自然对流:流体无相变时的自然对流:(,)Nuf Re Pr(,)Nuf Pr Gr2022-5-23应用准数关联式应注意的问题应用准数关联式应注意的问题1)定性温度:定性温度:各准数中流体的物性参数所依据的温度各准数中流体的物性参数所依据的温度 如:流体进、出口温度的算术平均值;如:流体进、出口温度的算术平均值; 壁面的平均温度;壁面的平均温度; 流体与壁面的平均温度(膜温)流体与壁面的平均温度(膜温)2)特征尺寸:特征尺寸:对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。3)适用范围:适用范围:关联式中关联式中Re,Pr等准数的数值范围。等准数的数值范围。 2

9、022-5-23四、流体无相变时的对流传热系数四、流体无相变时的对流传热系数传热计算中,一般规定:传热计算中,一般规定: Re2300,层流层流 2300 Re10000,过渡流过渡流 Re10000,湍流湍流2022-5-231、流体在管内作强制对流、流体在管内作强制对流1)流体在圆形直管内作强制湍流)流体在圆形直管内作强制湍流a)低黏度(低黏度(210-3Pas)流体)流体 nreuPRN8 . 0023. 00.80.023npiicd ud或当流体被当流体被加热时加热时n=0.4,流体被流体被冷却时,冷却时,n=0.3。 特征尺寸:特征尺寸:Nu、Re等特征数中的等特征数中的l取管内径

10、取管内径di。2022-5-23,1207 . 0 ,104rePR管长与管径比管长与管径比 /60iL d 应用范围:应用范围:定性温度:定性温度:取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进、出口温度的算术平均值。 b) 高黏度的液体(高黏度的液体(210-3Pas)0.141/30.8w0.027piicd ud 应用范围:应用范围: 4Re10 ,0.716700 ,60riLPd特征尺寸:特征尺寸: 取管内径取管内径di。/60iLd若时,将计算所得的将计算所得的乘以乘以)(1 7 . 0Ldi2022-5-23定性温度:定性温度:除除w取取壁温壁温以外,其余均取液体进、出口温度以外

11、,其余均取液体进、出口温度的算术平均值。的算术平均值。 0.14wa.1.05 当液体被加热时,取0.14wb.0.95 当液体被冷却时,取0.14wc.1 气体,取2022-5-232)流体在圆形直管内呈过渡流)流体在圆形直管内呈过渡流 对于对于Re=230010000时的过渡流范围,时的过渡流范围,先按湍流的先按湍流的公式计算公式计算,然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数f。 8 . 151061eRf3) 流体在圆形直管内作强制层流流体在圆形直管内作强制层流 当管径较小、水平管、流体与壁面间的温度差较小,流当管径较小、水平管、流体与壁面间的温度差较小,流速较低才有严格的层流传热。其他情况

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