化工原理對流傳熱

1、2022-6-7第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱一、對流傳熱過程分析一、對流傳熱過程分析二、對流傳熱速率方程二、對流傳熱速率方程三、影響對流傳熱系數(shù)的因素三、影響對流傳熱系數(shù)的因素四、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式四、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式五、流體無相變時(shí)對流傳熱系五、流體無相變時(shí)對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式第四章第四章傳 熱2022-6-7一、一、對流傳熱過程分析對流傳熱過程分析 1、傳熱邊界層傳熱邊界層【現(xiàn)象現(xiàn)象】流體在平壁上流過時(shí)，如果流體和壁面間將進(jìn)行換熱，將引起壁面法向方向上溫度分布法向方向上溫度分布的變化，形成一定的溫度梯度溫度梯度?！径x定義】靠近壁面處，流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)

2、流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域域，稱為傳熱邊界層或溫度邊界層溫度邊界層。 2022-6-7傳熱邊界層示意圖傳熱邊界層示意圖傳熱邊界層傳熱邊界層流流體溫度發(fā)生顯著變體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域?；膮^(qū)域。法向法向10020222022-6-72、對流傳熱過程流體流動(dòng)的分析對流傳熱過程流體流動(dòng)的分析湍流主體湍流主體湍流主體湍流主體2022-6-7（1）層流內(nèi)（底）層的特點(diǎn)）層流內(nèi)（底）層的特點(diǎn) 層流內(nèi)層內(nèi)層流內(nèi)層內(nèi)，由于流體質(zhì)點(diǎn)只在流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方向上無質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在傳熱方向上無質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是：主要依靠熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)方式來進(jìn)行熱量傳遞；由于流體內(nèi)部存在溫差內(nèi)部存在溫差還會(huì)有少量的自然對流少量的

3、自然對流。傳熱溫差大傳熱溫差大。2022-6-7遠(yuǎn)離壁面；流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫溫度趨于一致度趨于一致（熱阻?。?；傳熱主要以對流方式進(jìn)以對流方式進(jìn)行行。（2）湍流核心（主體）的特點(diǎn)）湍流核心（主體）的特點(diǎn)2022-6-7存在質(zhì)點(diǎn)混合、分子運(yùn)動(dòng)的共同作用，溫度變化不像湍流主體那么平緩平緩均勻，也不像層流底層變化明顯明顯。 傳熱以熱傳導(dǎo)和對流以熱傳導(dǎo)和對流兩種方式兩種方式共同進(jìn)行。（3）過渡區(qū)的特點(diǎn)）過渡區(qū)的特點(diǎn)2022-6-71、什么是、什么是模型法模型法【定義定義】把復(fù)雜問題簡單化、摒棄次要的條件，抓住主要的因素，對實(shí)際問題進(jìn)行理想化處理，構(gòu)建理想化理想化的物理模型，獲得某一過程的有關(guān)規(guī)律。具具

4、體方法體方法為：（1）對過程進(jìn)行合理的簡化合理的簡化；（2）獲得物理模型物理模型（構(gòu)象）；（3）對物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述，獲得有關(guān)規(guī)律。二、二、對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程 2022-6-7（1）流體與固體壁面之間存在一個(gè)厚度為厚度為bt的虛擬膜（流體層流體層），稱之為有效膜；（2）有效膜集中了傳熱過程的全部傳熱全部傳熱溫差溫差的以及全部熱阻熱阻，在有效膜之外無溫差也無熱阻存在（所所有的熱量傳遞均產(chǎn)生在有效膜內(nèi)有的熱量傳遞均產(chǎn)生在有效膜內(nèi)）；（3）在有效膜內(nèi)，傳熱以熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。2、有效膜模型有效膜模型2022-6-7有效膜模型示意圖有效膜模型示意圖【有效膜模型說明有效膜模

5、型說明】（1）厚度厚度為： btbf（2）膜內(nèi)溫度的變化為線性線性關(guān)系，即為傳導(dǎo)傳傳導(dǎo)傳熱熱；（3）膜外無傳熱無傳熱。虛擬層虛擬層有效膜有效膜2022-6-73、有效膜模型的數(shù)學(xué)描述有效膜模型的數(shù)學(xué)描述 （1）有效膜的厚度厚度：bt（2）有效膜的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)： （3）使用傅立葉定律傅立葉定律計(jì)算在有效膜內(nèi)的傳熱速率。 當(dāng)流體被加熱加熱時(shí)： )(wttAbQt 當(dāng)流體被冷卻冷卻時(shí)： )(wtTTAbQbtbt2022-6-74、牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 【說明說明】以上兩式稱為牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律，用于計(jì)算對流傳熱速率。令：tb流體被加熱加熱： )(wttAQ流體被冷卻冷卻： )(wTT

6、AQ)(wttAbQt2022-6-75、幾點(diǎn)說明幾點(diǎn)說明（1）牛頓冷卻定律并非從理論上推導(dǎo)并非從理論上推導(dǎo)的結(jié)果，是根據(jù)有效膜模型建立起來的數(shù)學(xué)方程。 （這種處理問題的方法，在工程中稱之為數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法）tAttATTAQww）（)()(2式中：t傳熱壁與湍流主體湍流主體之間的溫度差； A傳熱壁與流體的接觸面積。2022-6-7（4）復(fù)雜問題簡單化的表示復(fù)雜問題簡單化的表示牛頓冷卻定律雖然給出了給出了計(jì)算對流傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式對流傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但由于對流傳熱一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，并未簡化問題本身（有效膜厚度難以測定有效膜厚度難以測定），只是把諸多影響過程的因素都?xì)w結(jié)

7、到了當(dāng)中。 （3） 對流傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)。表征對流傳熱過程的參數(shù)，影響因數(shù)眾多，不是物性常數(shù)（如 ）。2022-6-7三、三、影響對流傳熱系數(shù)的因素影響對流傳熱系數(shù)的因素 1、引起流動(dòng)的原因引起流動(dòng)的原因 【自然對流自然對流】由于流體內(nèi)部存在溫差引起密度差形成的液體內(nèi)部環(huán)流液體內(nèi)部環(huán)流，一般u較小較小，也較小?！緩?qiáng)制對流強(qiáng)制對流】在外力作用下引起的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，一般u較大較大，故較大。因此：自然對流強(qiáng)制對流2022-6-72、流體的物性流體的物性 流體的物性不同，對流傳熱系數(shù)的大小也不同，影響影響 較大的物性常數(shù)較大的物性常數(shù)有：， Cp ，。（1） 的影響的影響 ；（2） 的影響的影響

8、 Re ；（3）Cp的影響的影響 Cp 則單位體積流體的熱容量大，則較大；（4） 的影響的影響 Re 。 2022-6-7 3、流動(dòng)型態(tài)流動(dòng)型態(tài) 【結(jié)論結(jié)論】（1）為增大，應(yīng)增大Re； （2）但隨著Re的增大，動(dòng)力消耗大。 【層流層流】主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大?！就牧魍牧鳌坑捎谫|(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，較大。即： tb,Re因此層流湍流2022-6-74、傳熱面的形狀、尺寸和位置傳熱面的形狀、尺寸和位置 不同的壁面形狀、尺寸會(huì)影響流型；會(huì)造成邊界造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使 增大增大。（1）形狀形狀

9、 比如管、板、管束等；（2）尺寸尺寸 比如管徑和管長等；（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）；管或板是垂直放置還是水平放置。 2022-6-75、是否發(fā)生相變是否發(fā)生相變 【現(xiàn)象現(xiàn)象】主要有蒸汽冷凝蒸汽冷凝和液體沸騰液體沸騰?！咎攸c(diǎn)特點(diǎn)】發(fā)生相變時(shí)，汽化或冷凝的潛熱潛熱遠(yuǎn)大于溫度變化的顯熱顯熱（r遠(yuǎn)大于Cp）。【結(jié)論結(jié)論】一般情況下，有相變化時(shí)對流傳熱系數(shù)較大，即：無相變有相變2022-6-7四、四、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立 由于影響對流傳熱系數(shù)的因素非常多，因此確定其數(shù)值的大小是一個(gè)極為復(fù)雜的問題。目前還不能對對目前還不能對對流傳

10、熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計(jì)算式流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計(jì)算式，只能通過實(shí)驗(yàn)得到其經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式?！窘?jīng)驗(yàn)公式的建立方法經(jīng)驗(yàn)公式的建立方法】（1）通過因次分析因次分析，建立特征數(shù)（準(zhǔn)數(shù)）關(guān)系式；（2）通過實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，測定各準(zhǔn)數(shù)的待定系數(shù)。1、基本方法、基本方法 2022-6-72、準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式（通過因次分析獲得）、準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式（通過因次分析獲得） 經(jīng)分析可知： f(u，l， ， ，Cp， ，gt)式中 l特性尺寸； u特征流速； 體積膨脹系數(shù) 。 因次分析結(jié)果如下： cbaKGrPrReNu 2022-6-7準(zhǔn)數(shù)名稱準(zhǔn)數(shù)名稱符號符號準(zhǔn)數(shù)式準(zhǔn)數(shù)式含義含義努賽爾特?cái)?shù)努賽爾特?cái)?shù)(Nusselt numb

11、er)Nu表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)雷諾數(shù)(Reynolds number)Re表示慣性力與粘性力之比，表示慣性力與粘性力之比，是表征流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)是表征流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭德數(shù)普蘭德數(shù)(Prandtl number)Pr表示速度邊界層和熱邊界層表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個(gè)參數(shù)，反映相對厚度的一個(gè)參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性與傳熱有關(guān)的流體物性格拉斯霍夫數(shù)格拉斯霍夫數(shù)(Grashof number)Gr表示由溫度差引起的浮力與表示由溫度差引起的浮力與粘性力之比粘性力之比llupc223tlg3、特征數(shù)（準(zhǔn)數(shù)）的符號及意義、特征數(shù)（準(zhǔn)數(shù)）的符號及意義2022-6

12、-74、注意事項(xiàng)、注意事項(xiàng)（1）適用范圍）適用范圍 在測定準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的各項(xiàng)指數(shù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)范圍是有限的。因此，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的使用范圍也就是有限制的，使用時(shí)不能超出適用范圍使用時(shí)不能超出適用范圍。（2）定性溫度）定性溫度【定義定義】在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)要取一個(gè)有代表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，這個(gè)確定物性參數(shù)數(shù)值確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度的溫度稱為定性溫度定性溫度。 2022-6-7【定性溫度的有關(guān)說明定性溫度的有關(guān)說明】（1）什么是定性溫度）什么是定性溫度 【定義定義】確定物性參數(shù)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度數(shù)值的溫度稱為定性溫定性溫度度。 T2T1t1t2duRepcPr2022-6-7流體進(jìn)、出口溫度的平均

13、值平均值膜溫膜溫式中 tw壁面壁面上的溫度； t1、t2流體進(jìn)、出口進(jìn)、出口溫度溫度。221tttm2wmttt熱流體冷流體thtcth,wtc,w流體通過間壁的熱交換熱流體冷流體thtcth,wtc,w流體通過間壁的熱交換T1T2t1t2（2）定性溫度的取法）定性溫度的取法 2022-6-7（3）特征（性）尺寸（）特征（性）尺寸（l） 【定義定義】代表換熱面幾何特征的長度量代表換熱面幾何特征的長度量（如長、寬、高及直徑等），是指對流體流動(dòng)和傳熱有決定性對流體流動(dòng)和傳熱有決定性影響影響的設(shè)備某一幾何尺寸。工業(yè)上各種設(shè)備的特征尺寸都有規(guī)定，例如：圓形管內(nèi)的對流傳熱，特性尺寸用管內(nèi)徑管內(nèi)徑d；非圓

14、形管的對流傳熱，特性尺寸取當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑de 。大空間內(nèi)自然對流，取加熱（或冷卻）表面的垂垂直高度直高度為特性尺寸。2022-6-7五、五、無相變時(shí)對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式無相變時(shí)對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 1、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對流、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對流 （1）圓形直管內(nèi)的湍流）圓形直管內(nèi)的湍流(低粘度流體低粘度流體） 狄丟斯狄丟斯（Dittus）公式公式npcdud)()(023. 08 . 0或：nNuPrRe023. 08 . 0lNu2022-6-7【使用范圍使用范圍】 Re10000，0.7Pr120， 60 【注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)】 （1）定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值算術(shù)平均值t

15、m；（2）特征尺寸為管內(nèi)徑管內(nèi)徑d；（3）流體被加熱加熱時(shí)，n0.4； 流體被冷卻冷卻時(shí)，n0.3。（4）若l/d60 ，進(jìn)行校正： 7 . 01ld2022-6-7（2）圓形直管內(nèi)的湍流）圓形直管內(nèi)的湍流（高粘度流體高粘度流體）14. 033. 08 . 0)()()(027. 0wpcdud【使用范圍使用范圍】Re10000，0.7Pr60；【特征尺寸特征尺寸】管內(nèi)徑d；【定性溫度定性溫度】除粘度W 取壁溫壁溫外，其余均取流體進(jìn)、出口的算術(shù)平均值算術(shù)平均值。 2022-6-7【近似計(jì)算近似計(jì)算】W 為壁溫壁溫下的粘度，在實(shí)際中，由于壁溫難以測得，工程上近似處理工程上近似處理為：對于液體，加

16、熱加熱時(shí)： 05. 1)(14. 0w冷卻冷卻時(shí)： 95. 0)(14. 0w2022-6-7（3）圓形直管內(nèi)的過渡流圓形直管內(nèi)的過渡流【定義定義】當(dāng) 2300Re10000時(shí)，為過渡流?！痉椒ǚ椒ā肯劝赐牧饔?jì)算湍流，然后乘以校正系數(shù)： 【說明說明】過渡區(qū)內(nèi)流體比劇烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的Re小，流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度減少，層流底層變厚，減小。 8 . 15Re1060 . 1ff湍流2022-6-7（4）流體在彎管中的對流傳熱系數(shù)流體在彎管中的對流傳熱系數(shù)【方法方法】先按直管直管計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)校正系數(shù) f：式中 d 管徑； R 彎管的曲率半徑。 【說明說明】由于彎管處受離心力的作用，存在二次

17、環(huán)二次環(huán)流流，湍動(dòng)加劇，增大。 )77. 11 (Rdff直管2022-6-7二次環(huán)流【定義定義】垂直于流動(dòng)方向的流動(dòng)稱為二次環(huán)流；【原因原因】流動(dòng)的流體在彎曲處受到了離心力的作用；【結(jié)果結(jié)果】加強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，帶來換熱的增強(qiáng)。 彎管處的二次環(huán)流彎管處的二次環(huán)流2022-6-7（5）非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對流非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對流【處理方法處理方法】采用圓形圓形管相應(yīng)的公式計(jì)算，特征尺寸采用當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑。 如狄丟斯公式：npecudd)()(023. 08 . 0e【說明說明】（1）方法比較簡便，但計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性欠佳；（2）采用經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式和專用式專用式更為準(zhǔn)確。 2022-6-7 對于套管

18、的環(huán)隙套管的環(huán)隙，用空氣和水做實(shí)驗(yàn)，可得如下經(jīng)驗(yàn)公式： 2123/1Pr8 . 0Re02. 0dded式中 d1、d2分別為套管外管內(nèi)徑和內(nèi)管外徑。適用范圍適用范圍：d1/d2=1.6517，Re1.21042.2105 【非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對流的經(jīng)驗(yàn)公式非圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對流的經(jīng)驗(yàn)公式】2022-6-7（1）Gr25000時(shí)，自然對流影響小可忽略時(shí)，自然對流影響小可忽略14. 03/1)()Pr(Re86. 1wldNu【適用范圍適用范圍】Re6010)Pr(Reld【說明說明】 （1）定性溫度、特征尺寸定性溫度、特征尺寸的取法與湍流相同； （2） w按壁溫確定。2、圓形直管內(nèi)的層流、圓形直管

19、內(nèi)的層流 2022-6-7（2）Gr25000時(shí)，自然對流的影響不能忽略時(shí)時(shí)，自然對流的影響不能忽略時(shí) 可按前述方法處理，然后乘以校正系數(shù)校正系數(shù) f：)01501 (8031/Gr.f【注意注意】在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在層流盡量避免在層流條件下進(jìn)行傳熱，因?yàn)榇藭r(shí)對流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。2022-6-7【例例】列管冷凝器中，用水冷卻有機(jī)物蒸氣，水以0.5m/s的速度在252的管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)水溫度為20 ，出水溫度為40 。試求水對管壁的對流傳熱系數(shù)。 2022-6-7【解解】在確定各物理量時(shí)，先確定定性溫度。 一般情況下，用進(jìn)出設(shè)備流體的溫度的平均值（算術(shù)平均值），即：出進(jìn)30240202ttt 查數(shù)據(jù)手冊，30時(shí)水的物性數(shù)據(jù)為： Cp=4183J/(K.kg) =996kg/m3 =8.01104Pa.s =0.618W/(m.K)已知 d=0.021m u=0.5m/s2022-6-7求得： 130561001. 89965 . 0021