環(huán)境工程原理2課件

1、環(huán)境工程原理21、傳熱速率方程：總熱阻總傳熱推動(dòng)力KAttKAQ/1mm2、熱傳導(dǎo)：（1）單層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)AbttttAbQ2121)(1212()ttqttbb（2）多層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)niinniiinRttAbttQ111111（4-7）（4-5、6）（4-1）環(huán)境工程原理2（4）多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)（3）單層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)12212()1lnl ttQrr12()mtttQbRA推動(dòng)力熱阻1212/lnAAAAAmniinniiiinniiiinRttAbttrrttLQ1111m111111ln1)(2（4-12、13）（4-9、10、11）121212211()2lnlntttt

2、qqrrrrr；環(huán)境工程原理2第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱流體流動(dòng)時(shí)發(fā)生，依靠流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)而傳熱一、一、對(duì)流傳熱方程與對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱方程與對(duì)流傳熱系數(shù)dA t2G1，T1G2，t1 T2特點(diǎn)：兩流體的傳熱方向垂直于流動(dòng)方向環(huán)境工程原理2層流底層：層流底層：熱阻大，溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式湍流核心：湍流核心：熱阻小，溫度梯度小，對(duì)流方式過渡區(qū)域：過渡區(qū)域：熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式有效膜：假設(shè)將過度區(qū)和湍流區(qū)的傳熱阻力全部疊加到層流低層的熱阻中，用近壁一層厚為的層流膜來代替。若湍流程度增加，有效膜減薄，傳熱速率增大。d dt tA2A1tWtTWT傳熱壁冷流體熱流體傳熱推動(dòng)力不易討論傳熱推動(dòng)力不易討

3、論，為此為此:環(huán)境工程原理2 對(duì)流傳熱速率方程對(duì)流傳熱速率方程牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式對(duì)冷流體流體被加熱：AtTTAQ1)(w式中 Q 對(duì)流傳熱速率，W； 對(duì)流傳熱系數(shù)，膜系數(shù)，W/(m2)；代替/（/b），因?yàn)椴灰诇y(cè)得。 Tw 壁溫，； T 流體平均溫度，； A 傳熱面積，m2。（4-14）對(duì)熱流體，流體被冷卻：t=T - TW視為有效膜后，對(duì)照單層平壁導(dǎo)熱速率方程有：環(huán)境工程原理2二、二、 影響對(duì)流傳熱系數(shù)影響對(duì)流傳熱系數(shù) 的因素的因素2.2.引起流動(dòng)的原因引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。1.1.流體的物性流體的物性 ，cp

4、 ,(體積膨脹系數(shù),K-1) 強(qiáng) 自 u強(qiáng) u自 空氣強(qiáng)為10250W/m2； 自可達(dá)525W/m2；環(huán)境工程原理23.3.流動(dòng)形態(tài)流動(dòng)形態(tài) 層流、湍流 湍 層 5. 傳熱面的形狀，大小和位置傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大小：如管徑和管長等；位置：如管子的排列方式（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。 通常將有決定性影響的尺寸稱為特征尺寸特征尺寸4. 是否發(fā)生相變是否發(fā)生相變 蒸汽冷凝、液體沸騰 相變 無相變?yōu)闇p少獲得關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)工作量，將諸影響因數(shù)歸結(jié)為幾個(gè)量綱為1的量，即特征數(shù)。環(huán)境工程原理2f(u，l，cp，gt)式中 l特性尺寸；gt浮升力

5、u特征流速?；疽虼危洪L度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無因次數(shù)群。hfaGrKNuPrRe三、三、 對(duì)流傳熱中的量綱分析對(duì)流傳熱中的量綱分析（一）因次分析（一）因次分析（4-17）（4-14）環(huán)境工程原理221232131: /WmKmkg smKMT11: /um sLT33: / kg mML11231131: /WmKmkg smKMLT1211: / Pa skg mssML T: /lmL112211221: /pCJkgKmkgskgKL T1212: /gtNkgm kg skgLT 311113132212()abcdefhpacdef

6、hbK ulCg tMTK LTLML TMLTMLLTLT 103233221McdeLabcdefhTacdfhdf ：122dfcafheahb= a+3h-1 ；31212aahafhfahfPK ulCg t h（）環(huán)境工程原理2lNu duRepcPr223tlgGrNusselt，怒塞爾數(shù) 對(duì)流傳熱的特征數(shù)Reynolds，雷諾數(shù) 流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Prandtl，普朗特?cái)?shù) 流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Grashof，格拉斯藿夫數(shù)自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響 322() () ()pafhafhcldug tlKNuK RePrGr（4-16）（4-17）21111Wm KmWm

7、K22111311m s Kkgm smkgs K23262221msm kg mkg m s13111mskgmmkgm s環(huán)境工程原理2lnPrlnNuf2不同Pr的流體在不同的Re下 lg(Nu/Prf)a lgRelgK雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中得一直線 斜率為a，截距為lgK（二）實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果整理（二）實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果整理以實(shí)驗(yàn)確定K、a、f、h強(qiáng)制湍流為例：NuKReaPrf1采用不同Pr的流體，固定Re lgNuf lgPrlg(KRea)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系得一直線，斜率為flgRelgNu/PrblgKa環(huán)境工程原理2獲得特征數(shù)K、a、f、h數(shù)值后的計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式稱為關(guān)聯(lián)式。使用時(shí)注意

8、：關(guān)聯(lián)式。使用時(shí)注意：1、特征數(shù)值的適用范圍，不能超出。2、特征尺寸：通過實(shí)驗(yàn)確定特征數(shù)時(shí)，所選定的對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有決定影響的尺寸，稱為特征尺寸l。如圓管用管內(nèi)徑d；非圓形管取當(dāng)量直徑d等。3、定性溫度：確定特征數(shù)時(shí)，所采用的流體的物性參數(shù)如Cp、等所依據(jù)的溫度。環(huán)境工程原理2定性溫度的取法：（三）定性溫度、特性尺寸的確定（三）定性溫度、特性尺寸的確定2特性尺寸 取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。2) 1 (21tttm2)2(mWtt膜溫3準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。1確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。不同的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生不同的關(guān)聯(lián)式，對(duì)于某一關(guān)聯(lián)式與下述各點(diǎn)緊密連在一起：環(huán)境工程原理2四

9、、四、 液體無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式液體無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（一）流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流（一）流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流1圓形直管內(nèi)的湍流（Gr可略）（1）低粘度流體nNuPrRe023.08 .0npcdud)()(023. 08 . 0適用范圍： Re 10000，0.7 Pr 120， 60（4-19）（4-18）環(huán)境工程原理2注意事項(xiàng)：定性溫度取進(jìn)出口溫度平均值 特征尺寸為管內(nèi)徑di 流體被加熱時(shí)，n0.4；被冷卻時(shí)，n0.3。221tttm CP：/Jkg-1K-1（kJ要化成J）環(huán)境工程原理2(2)高粘度流體 14. 0318 . 0)(PrRe027. 0wNu（4-

10、20）Re 10000，0.7 Pr 60定性溫度取 tm（算術(shù)平均值），而w取壁溫特征尺寸為 din0 .1)(95.005.1)(14.0冷卻或加熱氣體液體被冷卻液體被加熱不易獲得）（Ww14. 033. 08 . 0)(027. 0wPCdud）（）（環(huán)境工程原理2(4) 彎曲管內(nèi)：擾動(dòng)增大， d ，乘以彎管效應(yīng)校正系數(shù)177. 11RdR117 . 0ldl(3) 短管：l / d 60，入口處擾動(dòng)較大，d ，乘以管入口效應(yīng)校正系數(shù)例4-6，P144環(huán)境工程原理22.圓形直管內(nèi) 過渡流（2000Re膜 實(shí)際以膜狀冷凝為主，僅討論純飽和蒸汽膜狀冷凝情況。環(huán)境工程原理22. 蒸汽在水平管束

11、外膜狀冷凝413/232725. 0tlngr式中 n水平管束在垂直列上的管子數(shù)； r汽化潛熱（ts飽和溫度下），kJ/kg； 冷凝液密度，kg/m3 冷凝液粘度，Pas 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m K） t飽和溫度ts與壁面溫度tw之差，= ts - tw特性尺寸l：管外徑do2Wsttt定性溫度：膜溫 （4-27）環(huán)境工程原理23. 蒸汽在豎壁或豎管上的膜狀冷凝液膜流動(dòng)為層流：413213. 1tlgr適用條件：Re液膜流動(dòng) 1800特性尺寸l：管或板高H定性溫度：膜溫 （4-29）（4-30）環(huán)境工程原理2 上述計(jì)算應(yīng)先確定流型再選擇相應(yīng)公式，獲得后必須要校驗(yàn)。校驗(yàn)：冷凝液的液膜沿壁面流

12、動(dòng)的Re：rtl4Re（4-32）：對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2l：壁面高度，mt：蒸汽的飽和溫度ts與壁面溫度tW之差，r：比汽化熱，取飽和溫度ts的數(shù)據(jù)，J/kg：冷凝液的粘度，取膜溫下數(shù)據(jù)，Pas例4-10，P150環(huán)境工程原理24冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施1) 流體物性 冷凝液 d, ；冷凝液,；潛熱r d, 2) 溫差 液膜層流流動(dòng)時(shí)，t=tstW，d,3) 不凝氣體 不凝氣體存在，導(dǎo)致 ，定期排放。4）蒸汽流速與流向 （u10m/s ）u 與液膜流動(dòng)同向時(shí)，d ；反向時(shí)， d 。5) 蒸汽過熱 包括冷卻和冷凝兩個(gè)過程。仍用此關(guān)聯(lián)式，但汽化熱r需加上成過熱蒸汽

13、的熱量6) 冷凝面的形狀和位置 目的：減少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯(cuò)列環(huán)境工程原理2沸騰種類沸騰種類 1）大容積沸騰大容積沸騰 2）管內(nèi)沸騰 1. 汽泡產(chǎn)生的條件問題：為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生？過熱度大過熱度大：t=tWts有汽化核心有汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處汽化核心生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動(dòng)液層 （二）（二） 液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱對(duì)同一種液體，沸騰傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于無相變時(shí)的對(duì)同一種液體，沸騰傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于無相變時(shí)的值。值。環(huán)境工程原理22. 沸騰曲線沸騰曲線 1）自然對(duì)流階段 t t5C3）不穩(wěn)定膜狀沸騰 25C

14、 t5C工業(yè)上：核狀沸騰4）穩(wěn)定膜狀沸騰 250C t25C 優(yōu)點(diǎn)：大，tW小臨界點(diǎn)水在常壓下飽和沸騰的臨界點(diǎn)溫度差tc=25K，臨界熱流密度q1.25106W/m2環(huán)境工程原理23、沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施、沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施1）液體的性質(zhì) ,強(qiáng)化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）2）溫差 在核狀沸騰階段溫差提高， 3）操作壓強(qiáng)stp飽和溫度環(huán)境工程原理24）加熱面 新的、潔凈的、粗糙的加熱面，大 強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒環(huán)境工程原理2六、六、 選用對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項(xiàng)選用對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項(xiàng)（1）根據(jù)問題類型，選擇適用的關(guān)聯(lián)式；（2）各關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用范圍、特性尺寸