化工原理第四章对流传热

化工原理第四章对流传热2023/7/31第1页，课件共40页，创作于2023年2月一、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。

2023/7/31第2页，课件共40页，创作于2023年2月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℃2023/7/31第3页，课件共40页，创作于2023年2月2、对流传热过程流体流动的分析湍流主体湍流主体2023/7/31第4页，课件共40页，创作于2023年2月（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：①主要依靠热传导方式来进行热量传递；②由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流。③传热温差大。2023/7/31第5页，课件共40页，创作于2023年2月①远离壁面；②流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小）；③传热主要以对流方式进行。（2）湍流核心（主体）的特点2023/7/31第6页，课件共40页，创作于2023年2月①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。

②传热以热传导和对流两种方式共同进行。（3）过渡区的特点2023/7/31第7页，课件共40页，创作于2023年2月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

2023/7/31第8页，课件共40页，创作于2023年2月（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt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2023/7/31第9页，课件共40页，创作于2023年2月有效膜模型示意图【有效膜模型说明】（1）厚度为：

bt＝δb＋δf（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2023/7/31第10页，课件共40页，创作于2023年2月3、有效膜模型的数学描述

（1）有效膜的厚度：bt（2）有效膜的导热系数：λ（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：

btbt’2023/7/31第11页，课件共40页，创作于2023年2月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：

2023/7/31第12页，课件共40页，创作于2023年2月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：Δt——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。2023/7/31第13页，课件共40页，创作于2023年2月（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λ）。2023/7/31第14页，课件共40页，创作于2023年2月三、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：2023/7/31第15页，课件共40页，创作于2023年2月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：，，Cp，。（1）的影响

；（2）的影响

Re；（3）Cp的影响

Cp则单位体积流体的热容量大，则较大；（4）的影响

Re。

2023/7/31第16页，课件共40页，创作于2023年2月

3、流动型态

【结论】（1）为增大α，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2023/7/31第17页，课件共40页，创作于2023年2月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。

2023/7/31第18页，课件共40页，创作于2023年2月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Cp）。【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，即：2023/7/31第19页，课件共40页，创作于2023年2月四、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2023/7/31第20页，课件共40页，创作于2023年2月2、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；

β——体积膨胀系数。

因次分析结果如下：

2023/7/31第21页，课件共40页，创作于2023年2月准数名称符号准数式含义努赛尔特数(Nusseltnumber)Nu表示对流传热系数的准数雷诺数(Reynoldsnumber)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(Prandtlnumber)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(Grashofnumber)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2023/7/31第22页，课件共40页，创作于2023年2月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。

2023/7/31第23页，课件共40页，创作于2023年2月【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。

T2T1t1t22023/7/31第24页，课件共40页，创作于2023年2月①流体进、出口温度的平均值②膜温式中tw——壁面上的温度；t1、t2——流体进、出口温度。T1T2t1t2（2）定性温度的取法

2023/7/31第25页，课件共40页，创作于2023年2月（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：①圆形管内的对流传热，特性尺寸用管内径d；②非圆形管的对流传热，特性尺寸取当量直径de

。③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。2023/7/31第26页，课件共40页，创作于2023年2月五、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：2023/7/31第27页，课件共40页，创作于2023年2月【使用范围】

Re>10000，0.7<Pr<120，<2×10-3Pa.s，l/d>60

【注意事项】

（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm；（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：2023/7/31第28页，课件共40页，创作于2023年2月（2）圆形直管内的湍流（高粘度流体）【使用范围】Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>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。

2023/7/31第29页，课件共40页，创作于2023年2月【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：

2023/7/31第30页，课件共40页，创作于2023年2月（3）圆形直管内的过渡流【定义】当2300<Re<10000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。

2023/7/31第31页，课件共40页，创作于2023年2月（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。

2023/7/31第32页，课件共40页，创作于2023年2月二次环流【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2023/7/31第33页，课件共40页，创作于2023年2月（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。

2023/7/31第34页，课件共40页，创作于2023年2月对于套管的环隙，用空气和水做实验，可得如下经验公式：

式中

d1、d2——分别为套管外管内径和内管外径。适用范围：d1/d2=1.65～17，Re＝1.2×104～2.2×105

【非圆形直管内强制对流的经验公式】2023/7/31第35页，课件共40页，创作于2023年2月（1）Gr<25000时，自然对流影响小可忽略【适用范围】Re<2300，，l/d>60【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

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