化工原理第四章对流传热.ppt

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1、第三节第三节 对流传热对流传热一、对流传热过程分析一、对流传热过程分析二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程三、影响对流传热系数的因素三、影响对流传热系数的因素四、对流传热的特征数关联式四、对流传热的特征数关联式五、流体无相变时对流传热系五、流体无相变时对流传热系数的经验关联式数的经验关联式第四章第四章传 热2022/12/5一、一、对流传热过程分析对流传热过程分析 1、传热边界层传热边界层【现象现象】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法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度温度梯度。【定义定义】靠近壁面处，流体温度发生显著变化的区流体温度发生显

2、著变化的区域域，称为传热边界层或温度边界层温度边界层。2022/12/5传热边界层示意图传热边界层示意图传热边界层传热边界层流流体温度发生显著变体温度发生显著变化的区域。化的区域。法向法向10020222022/12/52、对流传热过程流体流动的分析对流传热过程流体流动的分析湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体2022/12/5（1）层流内（底）层的特点）层流内（底）层的特点 层层流流内内层层内内，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在传热方向上无质点运动。其特点是：主要依靠热热传传导导方式来进行热量传递；由于流体内内部部存存在在温温差差还会有少量的自然对流少量的自然对流。

3、传热温差大传热温差大。2022/12/5远离壁面；流体质点充分混合，温温度趋于一致度趋于一致（热阻小）；传热主要以对流方式进以对流方式进行行。（2）湍流核心（主体）的特点）湍流核心（主体）的特点2022/12/5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平缓均匀，也不像层流底层变化明显明显。传热以热传导和对流以热传导和对流两种方式两种方式共同进行。（3）过渡区的特点）过渡区的特点2022/12/51、什么是、什么是模型法模型法【定义定义】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，构建理想化理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具具体方法

4、体方法为：（1）对过程进行合理的简化合理的简化；（2）获得物理模型物理模型（构象）；（3）对物理模型进行数学描述数学描述，获得有关规律。二、二、对流传热速率方程对流传热速率方程 2022/12/5（1）流体与固体壁面之间存在一个厚厚度度为为bt的虚拟膜（流体层流体层），称之为有效膜；（2）有效膜集中了传热过程的全全部部传传热热温温差差的以及全部热热阻阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所所有的热量传递均产生在有效膜内有的热量传递均产生在有效膜内）；（3）在有效膜内，传热以热传导热传导的方式进行。2、有效膜模型有效膜模型2022/12/5有效膜模型示意图有效膜模型示意图【有效膜模型说明有效膜模型

5、说明】（1）厚度厚度为：btbf（2）膜内温度的变化为线线性性关系，即为传传导导传传热热；（3）膜外无传热无传热。虚拟层虚拟层有效膜有效膜2022/12/53、有效膜模型的数学描述有效膜模型的数学描述（1）有效膜的厚度厚度：bt（2）有效膜的导热系数导热系数：（3）使用傅立叶定律傅立叶定律计算在有效膜内的传热速率。当流体被加热加热时：当流体被冷却冷却时：btbt2022/12/54、牛顿冷却定律牛顿冷却定律【说说明明】以上两式称为牛牛顿顿冷冷却却定定律律，用于计算对流传热速率。令：流体被加热加热：流体被冷却冷却：2022/12/55、几点说明几点说明（1）牛顿冷却定律并非从理论上推导并非从理论

6、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数学模型法）式中：t传热壁与湍流主体湍流主体之间的温度差；A传热壁与流体的接触面积。2022/12/5（4）复杂问题简单化的表示复杂问题简单化的表示牛顿冷却定律虽然给出了给出了计算对流传热速率简单的数学表达式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）。2022/12/5三、三、影响对流

7、传热系数的因素影响对流传热系数的因素 1、引起流动的原因引起流动的原因【自然对流自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形成的液体内部环流液体内部环流，一般u较小较小，也较小。【强制对流强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u较大较大，故较大。因此：2022/12/52、流体的物性流体的物性 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，影响影响 较大的物性常数较大的物性常数有：，Cp，。（1）的影响的影响 ；（2）的影响的影响 Re ；（3）Cp的影响的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，则较大；（4）的影响的影响 Re 。2022/12/5 3、流动型态流动型态【结论结论】（1）为增大，

8、应增大Re；（2）但随着Re的增大，动力消耗大。【层流层流】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。【湍流湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大。即：因此2022/12/54、传热面的形状、尺寸和位置传热面的形状、尺寸和位置 不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会造成边界造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使层分离，产生旋涡，增加湍动，使 增大增大。（1）形状形状 比如管、板、管束等；（2）尺寸尺寸 比如管径和管长等；（3）位置位置 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。2022/12/55、是否发生相变是否发

9、生相变【现象现象】主要有蒸汽冷凝蒸汽冷凝和液体沸腾液体沸腾。【特点特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热潜热远大于温度变化的显热显热（r远大于Cp）。【结论结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，即：2022/12/5四、四、对流传热系数经验关联式的建立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。目目前前还还不不能能对对对对流流传传热热系系数数从从理理论论上上来来推推导导它它的的计计算算式式，只能通过实验得到其经验公式经验公式。【经验公式的建立方法经验公式的建立方法】（1）通过因次分析因次分析，建立特征数（准数）关系式；（2）通过

10、实验实验，测定各准数的待定系数。1、基本方法、基本方法 2022/12/52、准数关系式（通过因次分析获得）、准数关系式（通过因次分析获得）经分析可知：f(u，l，Cp，gt)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：2022/12/5准数名称准数名称符号符号准数式准数式含义含义努赛尔特数努赛尔特数(Nusselt number)Nu表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数雷诺数雷诺数(Reynolds number)Re表示惯性力与粘性力之比，表示惯性力与粘性力之比，是表征流动状态的准数是表征流动状态的准数普兰德数普兰德数(Prandtl number)Pr表示速度边

11、界层和热边界层表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物性与传热有关的流体物性格拉斯霍夫数格拉斯霍夫数(Grashof number)Gr表示由温度差引起的浮力与表示由温度差引起的浮力与粘性力之比粘性力之比3、特征数（准数）的符号及意义、特征数（准数）的符号及意义2022/12/54、注意事项、注意事项（1）适用范围）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使用时不能超出适用范围。（2）定性温度）定性温度【定义定义】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

12、数的数值，这个确定物性参数数值确定物性参数数值的温度的温度称为定性温度定性温度。2022/12/5【定性温度的有关说明定性温度的有关说明】（1）什么是定性温度）什么是定性温度【定义定义】确定物性参数确定物性参数数值的温度数值的温度称为定性温定性温度度。T2T1t1t22022/12/5流体进、出口温度的平均值平均值膜温膜温式中 tw壁面壁面上的温度；t1、t2流体进、出口进、出口温度温度。T1T2t1t2（2）定性温度的取法）定性温度的取法 2022/12/5（3）特征（性）尺寸（）特征（性）尺寸（l）【定定义义】代代表表换换热热面面几几何何特特征征的的长长度度量量（如长、宽、高及直径等），是

13、指对对流流体体流流动动和和传传热热有有决决定定性性影影响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，特性尺寸用管内径管内径d；非圆形管的对流传热，特性尺寸取当量直径当量直径de。大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的垂垂直高度直高度为特性尺寸。2022/12/5五、五、无相变时对流传热系数的经验关联式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、流体在管内的强制对流（1）圆形直管内的湍流）圆形直管内的湍流(低粘度流体低粘度流体）狄丢斯狄丢斯（Dittus）公式公式或：2022/12/5【使用范围使用范围】Re10000，0.7Pr120，6

14、0【注意事项注意事项】（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值算术平均值tm；（2）特征尺寸为管内径管内径d；（3）流体被加热加热时，n0.4；流体被冷却冷却时，n0.3。（4）若l/d60，进行校正：2022/12/5（2）圆形直管内的湍流）圆形直管内的湍流（高粘度流体高粘度流体）【使用范围使用范围】Re10000，0.7Pr60；【特征尺寸特征尺寸】管内径d；【定定性性温温度度】除粘度W 取壁壁温温外，其余均取流体进、出口的算术平均值算术平均值。2022/12/5【近近似似计计算算】W 为壁壁温温下的粘度，在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理工程上近似处理为：对于液体，加热加热时：冷

15、却冷却时：2022/12/5（3）圆形直管内的过渡流圆形直管内的过渡流【定义定义】当 2300Re10000时，为过渡流。【方法方法】先按湍流计算湍流，然后乘以校正系数：【说明说明】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。2022/12/5（4）流体在弯管中的对流传热系数流体在弯管中的对流传热系数【方法方法】先按直管直管计算，然后乘以校正系数校正系数 f：式中 d 管径；R 弯管的曲率半径。【说明说明】由于弯管处受离心力的作用，存在二次环二次环流流，湍动加剧，增大。2022/12/5二次环流【定义定义】垂直于流动方向的流动称为二次环流；【原因原因

16、】流动的流体在弯曲处受到了离心力的作用；【结果结果】加强了流体的扰动，带来换热的增强。弯管处的二次环流弯管处的二次环流2022/12/5（5）非圆形直管内强制对流非圆形直管内强制对流【处理方法处理方法】采用圆形圆形管相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径当量直径。如狄丢斯公式：【说明说明】（1）方法比较简便，但计算结果的准确性欠佳；（2）采用经验公式经验公式和专用式专用式更为准确。2022/12/5 对于套管的环隙套管的环隙，用空气和水做实验，可得如下经验公式：式中 d1、d2分别为套管外管内径和内管外径。适用范围适用范围：d1/d2=1.6517，Re1.21042.2105【非圆形直管内强制

17、对流的经验公式非圆形直管内强制对流的经验公式】2022/12/5（1）Gr25000时，自然对流影响小可忽略时，自然对流影响小可忽略【适用范围适用范围】Re60【说明说明】（1）定性温度、特征尺寸定性温度、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、圆形直管内的层流 2022/12/5（2）Gr25000时，自然对流的影响不能忽略时时，自然对流的影响不能忽略时 可按前述方法处理，然后乘以校正系数校正系数 f：【注注意意】在换热器设计中，应尽尽量量避避免免在在层层流流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。2022/12/5【例例】列管冷凝器中，用水冷却有机物蒸气，水以0.5m/s的速度在252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。2022/12/5【解解】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：Cp=4183J/(K.kg)=996kg/m3 =8.01104Pa.s =0.618W/(m.K)已知 d=0.021m u=0.5m/s2022/12/5求得：表明对流传热在湍流湍流条件下进行，并求得：因为水在管内被加热水在管内被加热，故n=0.4，采用狄丢斯（Dittus）公式：2022/12/5