南京工业大学传热ppt2

1、1 第四章 传 热 4.3 对流传热 2 湍流流动：湍流流动： 湍流流动时沿径向分为三层：湍流流动时沿径向分为三层： 湍流主体、过渡层、层流底层湍流主体、过渡层、层流底层 3 湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主， 径向传递因速度的脉动而大大强化；径向传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当； 层流底层：速度脉动较小，以分子粘度为主，层流底层：速度脉动较小，以分子粘度为主， 径向传递只能依赖分子运动。径向传递只能依赖分子运动。 层流底层为传递过程的主要阻力层流底层为传递过程的主要阻力 薄薄 随湍流程度

2、随湍流程度(Re)(Re)增大，增大， 越来越薄越来越薄 L L d/du很大很大 4 对流传热是 指运动流体与固 体壁面之间的热 量传递过程，对 流传热与流体的 流动状况密切相 关。 对流传热 概述 图4-8 对流传热的温度分布情况 5 无相变 有相变 强制对流 自然对流 对流传热 蒸汽冷凝 液体沸腾 概述 6 第四章 传 热 4.3 对流传热 4.3.1对流传热机理和对流传热系数 7 图4-9 对流传热的温度分布情况 一、对流传热机理 8 一、对流传热机理 当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流 边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将 进行热交换。 层流内层 缓冲层 湍流核心 湍流边

3、界层 传热方式 热传导 热传导和涡流传热 涡流传热 9 层流内层 缓冲层 湍流核心 湍流边 界层 温度梯度 较大 居中 较小 热阻 较大 居中 较小 对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减 薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 一、对流传热机理 10 假设把过渡区和湍流主体的热假设把过渡区和湍流主体的热 阻全部叠加至层流底层的热阻阻全部叠加至层流底层的热阻 中，在靠近壁面处构成一层为中，在靠近壁面处构成一层为 的流体膜，称为有效膜的流体膜，称为有效膜 (effective film)。湍流程度增大，。湍流程度增大， 有效膜厚度变薄，在相同

4、温差有效膜厚度变薄，在相同温差 下，对流传热速率会增大。下，对流传热速率会增大。 一、对流传热机理 11 对流传热速率方程对流传热速率方程(牛顿冷却公式牛顿冷却公式)： Q：对流传热速率，W； A：传热面积，m2； t：对流传热温度差，(对于热流体：t=T-Tw，对于 冷流体： t=tw-t) a：对流传热系数(convective heat-transfer coefficient) 或 称为膜系数，W/m2.K或W/m2. 求得各种具体传热条件下的对流传热系数对流传热系数a a值是解决 对流传热问题的关键。 A t tAQ a a 1 12 1 流体物理性质流体物理性质 密度(kg.m-3

5、)、比热容(J.kg-1.K-1)、热导率(W.m-1.K-1)、 黏度(Pa.s)、体积膨胀系数(K-1)等。 2 流体对流起因流体对流起因 强制对流(流速变化）、自然对流（浮力） 3 流体流动状态流体流动状态 层流、湍流、 Re 4 流体的相变化流体的相变化 冷凝、沸腾 5 传热面的形状、相对位置与尺寸传热面的形状、相对位置与尺寸 通常把对流体流动和传热有决定性影响的尺寸称为特征 尺寸，在计算a时有说明。实验测定对流传热系数前，采 用量纲分析法将影响对流传热系数的诸因素组成若干个量 纲为一的量(或称为特征数)，再确定各特征数的关系，得 到a的计算公式。 二、影响对流传热系数的因素二、影响对

6、流传热系数的因素 13 第四章 传 热 4.3 对流传热 4.3.1 对流传热机理和对流传热系数 4.3.2 对流传热的量纲分析 14 一、影响对流传热系数的因素 1.流体的种类和相变化的情况 2.流体的特性：导热系数、黏度、比热容、密 度以及体积膨胀系数 3.流体的温度 4.流体的流动状态 5.流体流动的原因 6.传热面的形状、位置和大小 15 二、对流传热过程的量纲分析 1.根据对问题的观察，找出影响对流传热过程 的因素 2.通过量纲分析确定相应的量纲为一数群（准 数） 3.通过实验确定相应的经验关联式公式。 量纲分析步骤 16 量纲分析的基本依据是定理：一个表示n个 物理量间关系的量纲一

7、致的方程式，一定可以转 换成包含n-m个独立的量纲为一数群间的关联式， m指n个物理量中所涉及的基本量纲的数目。量纲 分析的核心在于确定n和m，并用一定技巧将各个 量纲为一数群的内涵确定下来。 量纲分析基本依据 二、对流传热过程的量纲分析 17 1.流体无相变时的强制对流传热过程 （1）列出影响该过程的物理量 ( , , ) p f lcua 传热设备的 特征尺寸 二、对流传热过程的量纲分析 18 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲： 长度、质量、时间和温度 依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 123 (,) 二、对流传热过程的量纲分析 19 通过量

8、纲分析，可确定 1 l Nu a 2 Re lu 努赛尔数 (Nusselt number) 雷诺数 (Reynolds number) 表示对流传热系数的准数 表示惯性力与黏性力之比，是表征流动状态的 准数 二、对流传热过程的量纲分析 20 3 Pr p c 普朗特数 (Prandtl number) 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。 (Re,Pr)Nu 强制对流（无相变） 传热时的准数关联式 因此，有 二、对流传热过程的量纲分析 21 2.自然对流传热过程自然对流传热过程 （1）列出影响该过程的物理量 传热设备的 特征尺寸 ( ,) p f lcgt

9、a 作用在单位 体积流体上 的浮力 ggt 二、对流传热过程的量纲分析 22 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲： 长度、质量、时间和温度 依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 123 (,) 二、对流传热过程的量纲分析 23 通过量纲分析，可确定 1 l Nu a 2 Pr p c 努赛尔数 (Nusselt number) 普朗特数 (Prandtl number) 二、对流传热过程的量纲分析 24 格拉晓夫数 (Grashof number) 32 3 2 lgt Gr 表示由温度差引起的浮力与黏性力之比 (,Pr)NuGr 自然对流（无相变）

10、传热时的准数关联式 因此，有 二、对流传热过程的量纲分析 25 3.使用由实验数据整理得到的关联式应注意的 问题 （1）应用范围 关联式中Re、Pr等准数的数值 范围等； （2）特性尺寸 Nu、Re等准数中的应如何确定； （3）定性温度 各准数中的流体物性应按什么 温度查取。 二、对流传热过程的量纲分析 26 第四章 传 热 4.3 对流传热 4.3.1 对流传热机理和对流传热系数 4.3.2 对流传热的量纲分析 4.3.3 流体无相变时的对流传热系数 27 一、流体在管内作强制对流 1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流 （1）低黏度流体可应用迪特斯（Dittus）贝尔 特（Boelter）关联

11、式 0.8 0.023RePr n Nu 0.8 0.023()() pn i i C d u d a 或或 当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 28 特性尺寸：管内径。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围： 4 Re100.7Pr120 /60 i L d /60 i L d 若，可将由上式求得的值乘以 0.7 1 (/ ) i dL 进行校正。 一、流体在管内作强制对流 29 （2）高黏度流体可应用西德尔（Sieder）泰 特（Tate）关联式 0.81 3 0.027RePrNu 0.81 30.14 0.027()() () p i iw C d

12、u d a 或或 壁温下 的黏度 0.14 () w 考虑热流方向的校正项 一、流体在管内作强制对流 30 特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出 口温度的算术平均值。 应用范围： 4 Re100.7Pr1700 /60 i L d 一、流体在管内作强制对流 31 1 30.14 1.86(RePr) () i W d Nu L 2.流体在光滑圆形直管内作强制层流 特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进、 出口温度的算术平均值。 应用范围： Re23000.7Pr6700 RePr/100 i dL 一、流体在管内作强制对流 32 51.8 1 6 10 R

13、e Re2300 10000 当 时，对流传热系数可先用 湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正 系数。 3. 流体在光滑圆形直管中呈过渡流 一、流体在管内作强制对流 33 (1 1.77) i d R aa 4. 流体在弯管内作强制对流 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作 用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数 较直管内的大 管子的弯 曲半径 一、流体在管内作强制对流 34 5. 流体在非圆形管内作强制对流将管内径改 为当量直径 一、流体在管内作强制对流 传热传热 传热周边 流道截面积 4 e d o oi d dD )( 4 4 22 流动流动 润湿周边润湿周边 流道截面积流道截面

14、积 4 e d oi oi oi dD dD dD )( )( 4 4 22 35 一、流体在管内作强制对流 36 37 二、 流体在管外强制对流传热 38 二、 流体在管外强制对流传热 流体在管束外垂直流过时的对流传热系数可按下式计算：流体在管束外垂直流过时的对流传热系数可按下式计算： 管束的平均对流传热系数可按下式计算：管束的平均对流传热系数可按下式计算： 39 三、自然对流 (Pr) n Nuc Gr 通过实验测得的c和n值列于表4-4中。 40 第四章 传 热 4.3 对流传热 4.3.1 对流传热机理和对流传热系数 4.3.2 对流传热的量纲分析 4.3.3 流体无相变时的对流传热系

15、数 4.3.4 流体有相变时的对流传热系数 41 一、蒸汽冷凝传热 1.蒸汽冷凝方式 滴状 冷凝 膜状 冷凝 a a滴 滴 a a膜膜 冷凝过程的热阻冷凝过程的热阻冷凝液膜冷凝液膜 42 2. 膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝时的对流传热系数 （1）水平管束外）水平管束外 4 1 0 32 32 7250 tdn gr a a / . 2 Ws tt t 定性温度：定性温度：t tS Sr r，其它，其它膜温膜温 n水平管束在垂直列上的管数水平管束在垂直列上的管数 r比汽化热比汽化热 43 （2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝 层流层流 4 1 32 13.

16、1 tl gr a a Re1800湍流湍流 4 . 0 3 1 2 32 0077. 0Re g a a 44 （2）蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝 a r tl 4 Re 冷凝液液膜沿壁面流动的冷凝液液膜沿壁面流动的ReRe表达式表达式: : t: 蒸汽的饱和温度蒸汽的饱和温度ts与壁面温度与壁面温度tw之差之差,即即: t= ts tw 定性温度定性温度: t=(ts + tw)/2 45 壁面可能为气体（导热系数很小）层所遮盖而增加一层 附加热阻，使对流传热系数急剧下降。故在冷凝器的设 计和操作中，必须考虑排除不凝气。 一、蒸汽冷凝传热 (3) (3)

17、 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 b.蒸汽流速和流向的影响 c.蒸汽过热的影响 d.传热面的形状与布置 a.不凝性气体的影响 冷凝液膜为膜状冷凝传热的主要热阻, 减薄液膜厚度降低热阻是强化膜状冷凝传热的关键. 46 二、液体沸腾传热 所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，伴 有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气 膜的过程。 液体沸腾 47 液体沸腾的方式 过冷沸腾 饱和沸腾 二、液体沸腾传热 池内沸腾 管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾) 48 1 大容器饱和沸腾现象 过热度过热度 t=t1-ts 汽化核心汽化核心 二、液体沸腾传热 49 2 2 沸腾曲线沸腾曲线 核状沸腾核状沸腾

18、膜状沸腾膜状沸腾 二、液体沸腾传热 50 3 液体沸腾传热的影响因素 （1）液体性质的影响 通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有 助于强化沸腾传热。 a a 二、液体沸腾传热 51 （2）温度差的影响 温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。 一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的 对流传热系数与的关系可用下式表达，即 () n kta 二、液体沸腾传热 52 （3）操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和 温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于 气泡的生成和脱离。 二、液体沸腾传热 53 （4）加热壁面的影响 加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影 响。 清洁而粗糙的加热壁面传热系数较高。 加热壁面的布置情况，也对沸腾传热有明显的 影响。 二、液体沸腾传热 54 3.液体沸腾传热系数的计算 1 3 Pr() L sf n LL