化工原理传热传热_2015_2

1、 Q1对于三层平壁组成的多层平壁稳定热传导而言，若三层的传热推动力Dt1Dt2 Dt3，则三层平壁的传热阻力R1,R2,R3之间的关系为：(1) R1R2R3(2) R1R2R3R2(4) R3R1R2 Q2空气、水、金属固体的导热系数分别为l1， l2，其大小顺序为：，l3（1） l1 l2 l3(2) l2 l3 l1(3) l3 l2 l1(4) l3 l1 l2 对流传热对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程。在对流传热过程中，除热的流动外，还涉及到流体的运动，温度场与速度场将会发生相互作用。故对流传热与流体的流动状况密切相关。 对流传热分析当流体流过固体壁面时，由于流体粘性

2、的作用，使壁面附近的流体形成边界层，边界层内存在速度梯度。处于层流状态下的流体，在与流动方向相垂直的方向上进行热量传递时，由于不存在流体的旋涡运动与混合，故传递方式为热传导。当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层， 假定壁面温度高于流体温度，热流便会由壁面流向运动流体中。 对流传热分析湍流边界层由层流内层、缓冲层和湍流核心三部分组成。固体壁面处的热量首先以热传导方式通过静止的流体层进入层流内层。然后热流经层流内层进入缓冲层，在缓冲层内兼有热传导和涡流传热两种传热方式。热流最后由缓冲层进入湍流核心，湍流核心的热量传递以旋涡运动引起的传热为主，而分子运动所引起的热传导可以忽略不计。 对流传热

3、分析层流内层的热阻占总对流传热热阻的大部分，故该层流体虽然很薄，但热阻却很大。湍流核心的温度则较为均匀，热阻很小。对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 对流传热的温度分布 热边界层当温度为t的流体在表面温度为tw的平板上流过时，流体和平板间进行换热。流体的温度也和速度一样，仅在靠近板面的薄流体层中有显著的变化，即在此薄层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层。热边界层的厚度用dt表示。通常规定tw-t=0.99(tw-t)处为热边 界层的界限，式中t为热边界层的任一局部位置的温度。 热边界层大多数情况动边界层的厚度d大于热边界层的厚度d t。

4、显然，热边界层是进行对流传热的主要区域。若紧靠壁面附近薄层流体（层流内层）中的温度梯度用(dt/dy)w表示，由于通过这一薄层的传热只能是流体间的热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即：q = -l dt dy w 自然对流传热设加热面附近的液体（密度为r）温度和远离加热面处的液体(密度为r）温度差为DT,液体的体积膨胀系数为b。则有：a、b两点的压差为：液体环流速度u Dp gLbDTrDp = r gL - rgL= r gLbDT r gLbDT1 + bDTr = r1 + bDT 自然对流由上式可知，流体中只要存在温差，就会有环流。这种由温差引起的流动称为自然对流。自然对流的强弱

5、与加热面的位置密切相关。液体环流速度u Dp gLbDTr 对流给热的数学描述壁面对流体的加热或冷却由于对流的存在变得非常复 杂。工程上常将对流给热的热流密度写成如下的形式： 上两式称为牛顿冷却定律。流体被加热时:q = a (Tw - T )流体被冷却时:q = a (T - Tw )a - 给热系数,W / m2 C Tw - 壁温,CT - 流体横截面上的平均温度,C 牛顿冷却定律牛顿冷却定律并非理论推导的结果，它只是一种推论，即假设热流密度q与温差DT成正比。牛顿冷却定律并未改变对流传热问题的复杂性，实质上是将矛盾集中到给热系数a。因此研究各种对流传热情况下a的大小、影响因素及a的计算

6、式，成为研究对流传热的核心。 获取给热系数的方法 理论分析法 数学模型法对给热过程作出简化的物理模型和数学描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。 因次分析法将影响给热的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。a = -l dt T - T dy w wq = -l dt = a（T - T) dy ww 给热系数的影响因素及无因次化考察固体表面与不发生相变的流体间的给热过程，影响此过程的因素有：1） 液体的物理性质：m、r、l、cp2） 固体表面的特征尺寸：l3） 强制对流的速度：u4） 自然对流的特征速度：gbDt即a = f (m,r,l,cp, l,u,gbDt)无因次化后，

7、可得：al = frlucp mb gDtl3g 2l(m,l,m 2) 给热系数的无因次化(2) Nu = ARea PrbGrcal = Nu称努塞尔(Nusselt)数lrlu = Re称雷诺(Reynolds)数mcp m = Pr称普朗特(Prandtl)数lb gDtl3g 2 =m 2Gr称格拉晓夫或格拉斯霍夫(Grashof )数al = frlucp mb gDtl3g 2l(m,l,m 2) 定性温度在给热过程中，流体的温度各处不同。以什么温度为基准查取所需的物性数据？选定性温度，应以简单、方便为准，所以流体主体的平均温度便成为一个广为使用的定性温度。使用经验公式时，要注意

8、实际测定和关联时所选用的定性温度。如考虑到给热过程的热阻主要集中于层流内层，可选壁温和流体主体温度的算术平均值平均膜温为定性温度。t= tw + tm2 特征尺寸特征尺寸是指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。对管内强制对流给热，如为圆管，特征尺寸取管径d，对非圆形管，取当量直径。对大空间内自然对流，取加热（冷却）表面的垂直高度为特征尺寸。 无相变的对流给热系数的经验关联式 1. 光滑圆形直管内强制湍流的给热系数 Nu = 0.023Re0.8Prb对于强制湍流，自然对流的影响可以不计。Nu = ARea Prb当满足以下条件时:(1)Re 10000;(2)0.7 Pr 3040A = 0.0

9、23, a = 0.8,流体被加热时,b= 0.4,流体被冷却时,b=0.3。特征尺寸为管内径,定性温度为流体进、出口温度的算术平均值。 无相变的对流给热系数的经验关联式 Nu = 0.023Re0.8Prb增加流速能提高对流给热系数，但同时阻力也随之增加。因此在压降允许的范围内，才可能增加流体的流速来提高给热系数。l dur 0.8 cm bu0.8a = 0.023p= Ad mld 0.2 例题2有一列管式换热器，由38根F25mm 2.5 mm的钢管组成。通过该换热器用饱和水蒸气加热苯。苯在管内流动，由20oC被加热到80oC，苯的流量为8.32kg/s。试求苯在管内的对流传热系数。若

10、苯的流量提高一倍，假设仍维持原来的出口温度，问此时的对流传热系数又为多少？ 解答Re = udir = 3.096 104 , Pr = cpm = 5.79mla= 0.023 l Re0.8Pr0.4 = 1272W /(m2 K )idi管内苯的流速：u =4qm= 0.81m / s,rpd 2nir = 860kg / m3 , c= 1.80kJ /(kg K ),pm = 0.45 10-3 Pa s, l = 0.14W /(m K ).定性温度: t = 1 (20 + 80) = 50 C,苯在50 C的物性数据:2a =1272 20.8 = 2215W /(m2 K)i

11、a u 0.8流量增加1倍, i = ai u ld urcmc0.4l0.6 (ru)0.8a= 0.023( i)0.8 (p)0.4 = 0.023pidmlm0.4 d 0.2ii 管外强制对流的给热系数流体在圆管外部垂直流过时，在管子圆周各点的流动情况是不同的，因而各点的热阻或给热系数也不同。自驻点开始，管外边界层厚逐渐增厚，热阻逐渐增大，a 逐渐减小；边界层脱体以后因产生了旋涡，给热系数a逐渐增大。在一般换热器中，需要的只是整个圆周的平均给热系数，故在下面讨论的都是平均给热系数的计算。 沸腾给热和冷凝给热液体沸腾和冷凝必然伴随着流体的流动，故沸腾给热和冷凝给热同样属于对流给热。由于

12、相变化的存在，使给热过程有其特有的规律。 沸腾给热按设备的尺寸和形状分，液体在加热面上的沸腾可分为大容积沸腾和管内沸腾两种。大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的自然对流，一方面又存在着因气泡运动所导致的液体运动。管内沸腾时，管壁上产生的气泡不能自由上浮，而是被管内液体所裹挟与其一起流动，造成复杂的两相流动。 沸腾给热按液体的主体温度是否达到饱和温度分，沸腾可分为过冷沸腾和饱和沸腾两种。过冷沸腾时，在加热面上产生的气泡在脱离之前或脱离之后在液流主体中可重新凝结。饱和沸腾时，离开加热面的气泡将不再重新凝结。 气泡的生成和过热度沸腾给热的主要特征是液体内部有气泡产生。小气泡产生会使液体产生凹

13、面，为弥补由于凹面而引起的蒸汽压降低，液体的温度必须高于相应的饱和温度。 液体沸腾沸腾给热气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，这些点称为汽化核心。目前比较一致的看法认为，粗糙表面的细小凹缝易于成为汽化核心。加热面比较光滑时，必须有很大的过热度才能使气泡生成。一旦气泡长大，过热液体在气泡表面迅速蒸发产生大量蒸汽，此过程进行得非常激烈，称为暴沸。沸腾给热时，气泡的产生和脱离对紧贴加热表面的液体薄层液体产生强烈的扰动，使热阻大为降低。 沸腾曲线当过热度很小（a2 a3(3) a3 a2 a1(2) a2 a3 a1(4) a2 a1 a3 练习题一套管换热器，由f76mm3mm和f45mm2.5mm钢管制成。两种低粘度的流体，分别在该换热器的内管和环隙中流过。若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所造成的影响，将内管改用f38mm2.5mm后，环隙中的对流给热系