化工原理第四章对流传热

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,传 热,一、,对流传热过程分析,1,、,传热边界层,【,现象,】,流体在平壁上流过时，如果流体和壁面间将进行换热，将引起壁面,法向方向上温度分布,的变化，形成一定的,温度梯度,。,【,定义,】,靠近壁面处，,流体温度发生显著变化的区域,，称为传热边界层或,温度边界层,。,传热边界层示意图,传热边界层,流体温度发生显著变化的区域。,法向,100,20,22,2,、,对流传热过程流体流动的分析,湍流主体,湍流主体,（,1,）层流内（底）层的特点,层流内层内,，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，,在传热方向上无质点运动,。其特点是：,主要依靠,热传导,方式来进行热量传递,；,由于流体,内部存在温差,还会有,少量的自然对流,。,传热温差大,。,远离壁面；,流体质点充分混合，,温度趋于一致,（热阻小）；,传热主要,以对流方式进行,。,（2）湍流核心（主体）的特点,存在质点混合、分子运动的共同作用，温度变化不像湍流主体那么,平缓,均匀，也不像层流底层变化,明显,。,传热,以热传导和对流两种方式,共同进行。,（,3,）过渡区的特点,1,、什么是,模型法,【,定义,】,把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建,理想化,的物理模型，获得某一过程的有关规律。,具体方法,为：,（,1,）对过程进行,合理的简化,；,（,2,）获得,物理模型,（构象）；,（,3,）对物理模型进行,数学描述,，获得有关规律。,二、,对流传热速率方程,（,1,）,流体与固体壁面之间存在一个,厚度为,b,t,的虚拟膜（,流体层,），称之为,有效膜；,（,2,）有效膜集中了传热过程的,全部传热,温差,的以及全部,热阻,，,在有效膜之外无温差也无热阻存在（,所有的热量传递均产生在有效膜内,）；,（,3,）在有效膜内，传热以,热传导,的方式进行。,2,、,有效膜模型,有效膜模型示意图,【,有效膜模型说明,】,（,1,）,厚度,为：,b,t,b,f,（,2,）膜内,温度的变化为,线性,关系，即,为,传导传热,；,（,3,）膜外,无传热,。,虚拟层,有效膜,3,、,有效膜模型的数学描述,（,1,）有效膜的,厚度,：,b,t,（,2,）有效膜的,导热系数,：,（,3,）使用,傅立叶定律,计算在有效膜内的传热速率。,当流体被,加热,时：,当,流体被,冷却,时：,b,t,b,t,4,、,牛顿冷却定律,【,说明,】,以上两式称为,牛顿冷却定律,，用于计算对流传热速率。,令：,流体被,加热,：,流体被,冷却,：,5,、,几点说明,（1）牛顿冷却定律,并非从理论上推导,的结果，是根据有效膜模型建立起来的数学方程,。,（这种处理问题的方法，在工程中称之为,数学模型法,）,式中：,t,传热壁与,湍流主体,之间的温度差；,A,传热壁与流体的接触面积。,（,4,）,复杂问题简单化的表示,牛顿冷却定律虽然,给出了,计算,对流传热速率简单的数学表达式,，但由于,对流传热一个非常复杂的物理过程，并,未简化问题本身（,有效膜厚度难以测定,）,，只是把诸多影响过程的因素都归结到了,当中。,（3）,对流传热系数、给热系数、膜系数。表征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性常数（如,）。,三、影响对流传热系数的因素,1,、,引起流动的原因,【,自然对流,】,由于流体内部存在温差引起密度差形成的,液体内部环流,，一般,u,较小,，,也较小。,【,强制对流,】,在外力作用下引起的流动运动，一般,u,较大,，故,较大。,因此,：,2,、,流体的物性,流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，,影响,较大的物性常数,有：,，,，,C,p,，,。,（1）,的影响,；,（2）,的影响,Re,；,（3）,C,p,的影响,C,p,则,单位体积流体的热容量大，则,较大；,（4）,的影响,Re,。,3,、,流动型态,【,结论,】,（,1,）为增大,，应增大,Re,；,（,2,）,但随着,Re,的增大，,动力消耗大。,【,层流,】,主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。,【,湍流,】,由于质点充分混合且层流底层变薄，,较大。即：,因此,4,、,传热面的形状、尺寸和位置,不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会,造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使,增大,。,（1）,形状,比如管、板、管束等；,（2）,尺寸,比如管径和管长等；,（3）,位置,比如管子的排列方式（如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。,5,、,是否发生相变,【,现象,】,主要有,蒸汽冷凝,和,液体沸腾,。,【,特点,】,发生相变时，汽化或冷凝的,潜热,远大于温度变化的,显热,（,r,远大于,C,p,）。,【,结论,】,一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，即：,四、对流传热系数经验关联式的建立,由于影响对流传热系数的因素非常多，因此确定其数值的大小是一个极为复杂的问题。,目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式,，只能通过实验得到其,经验公式,。,【,经验公式的建立方法,】,（1）通过,因次分析,，建立特征数（准数）关系式；,（2）通过,实验,，测定各准数的待定系数。,1、基本方法,2,、准数关系式（通过因次分析获得）,经分析可知：,f,(,u,，,l,，,，,，,C,p,，,，,g,t,),式中,l,特性尺寸；,u,特征流速；,体积膨胀系数,。,因次分析结果如下：,准数名称,符号,准数式,含义,努赛尔特数,(Nusselt number),Nu,表示对流传热系数的准数,雷诺数,(Reynolds number),Re,表示惯性力与粘性力之比，是表征流动状态的准数,普兰德数,(Prandtl number),Pr,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,格拉斯霍夫数,(Grashof number),Gr,表示由温度差引起的浮力与粘性力之比,3,、特征数（准数）的符号及意义,4,、注意事项,（,1,）适用范围,在测定准数关联式的各项指数时，,实验范围是有限,的。因此，准数关联式的使用范围也就是有限制的，,使用时不能超出适用范围,。,（,2,）定性温度,【,定义,】,在处理实验数据时要取一个,有代表性的温度以确定物性参数的数值,，这个,确定物性参数数值的温度,称为,定性温度,。,【,定性温度的有关说明,】,（,1,）什么是定性温度,【,定义,】,确定物性参数数值的温度,称为,定性温度,。,T,2,T,1,t,1,t,2,流体进、出口温度的,平均值,膜温,式中,t,w,壁面,上的温度；,t,1,、,t,2,流体,进、出口,温度,。,T,1,T,2,t,1,t,2,（,2,）定性温度的取法,（,3,）特征（性）尺寸（,l,）,【,定义,】,代表换热面几何特征的长度量,（如长、宽、高及直径等），是指,对流体流动和传热有决定性影响,的设备某一几何尺寸。工业上各种设备的特征尺寸都有规定，例如：,圆形,管内的对流传热，特性尺寸用,管内径,d,；,非圆形管的对流传热，特性尺寸取,当量直径,d,e,。,大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的,垂直高度,为特性尺寸。,五、无相变时对流传热系数的经验关联式,1、流体在管内的强制对流,（1）圆形直管内的湍流(,低粘度流体,）,狄丢斯,（,Dittus,）,公式,或：,【,使用范围,】,Re,10000,，,0.7,Pr,120,，,60,【,注意事项,】,（1）定性温度取流体进出温度的,算术平均值,t,m,；,（2）,特征尺寸为,管内径,d,；,（,3,）,流体被,加热,时，,n,0.4,；,流体被,冷却,时，,n,0.3,。,（,4,）若,l,/,d,60,，,进行校正：,（2）圆形直管内的湍流,（,高粘度流体,）,【,使用范围,】,Re,10000，0.7,Pr,60,；,【,特征尺寸,】,管内径,d,；,【,定性温度,】,除粘度,W,取,壁温,外，其余均取流体进、出口的,算术平均值,。,【,近似计算,】,W,为,壁温,下的粘度，在实际中，由于壁温难以测得，,工程上近似处理,为：,对于液体，,加热,时：,冷却,时：,（3）,圆形直管内的过渡流,【,定义,】,当,2300,Re10000,时，为过渡流。,【,方法,】,先按湍流计算,湍流,，然后乘以校正系数：,【,说明,】,过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的,Re,小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，,减小。,（4）,流体在弯管中的对流传热系数,【,方法,】,先按,直管,计算，然后乘以,校正系数,f,：,式中,d,管径；,R,弯管的曲率半径。,【,说明,】,由于弯管处受离心力的作用，存在,二次环流,，湍动加剧，,增大。,二次环流,【,定义,】,垂直于流动方向的流动称为二次环流；,【,原因,】,流动的流体在弯曲处受到了离心力的作用；,【,结果,】,加强了流体的扰动，带来换热的增强。,弯管处的二次环流,（5）,非圆形直管内强制对流,【,处理方法,】,采用,圆形,管相应的公式计算，特征尺寸采用,当量直径,。,如狄丢斯公式：,【,说明,】,（,1,）方法比较简便，但计算结果的准确性欠佳；,（,2,）采用,经验公式,和,专用式,更为准确。,对于,套管的环隙,，用空气和水做实验，可得如下经验公式：,式中,d,1,、,d,2,分别为套管外管内径和内管外径。,适用范围,：,d,1,/,d,2,=1.65,17,，Re,1.210,4,2.210,5,【,非圆形直管内强制对流的经验公式,】,（1）,Gr25000,时，自然对流影响小可忽略,【,适用范围,】Re60,【,说明,】,（,1,）,定性温度、特征尺寸,的取法与湍流相同；,（,2,）,w,按壁温确定。,2,、圆形直管内的层流,（,2,）,Gr25000,时，自然对流的影响不能忽略时,可按前述方法处理，然后,乘以,校正系数,f,：,【,注意,】,在换热器设计中，应,尽量避免在层流,条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。,【,例,】,列管冷凝器中，用水冷却有机物蒸气，水以,0.5,m/s,的速度在,25,2,的管内流动，进水温度为,20,，,出水温度为,40,。,试求水对管壁的对流传热系数。,【,解,】,在确定各物理量时，先确定,定性温度,。,一般情况下，用进出设备流体的温度的平均值（,算术平均值,），即：,查数据手册，,30,时水的物性,数据为：,C,p,=4183J/(K.kg),=996kg/m,3,=8.01,10,4,Pa.s,=0.618W/(m.K),已知,d,=0.021m,u,=0.5m/s,求得：,表明对流传热在,湍流,条件下进行，并求得：,因为,水在管内被加热,，故,n,=0.4,，,采用狄丢斯（,Dittus,）,公式：,