南京工業(yè)大學(xué)傳熱ppt2

1、1第四章 傳 熱4.3 對(duì)流傳熱2湍流流動(dòng)：湍流流動(dòng)：湍流流動(dòng)時(shí)沿徑向分為三層：湍流流動(dòng)時(shí)沿徑向分為三層： 湍流主體、過(guò)渡層、層流底層湍流主體、過(guò)渡層、層流底層3 湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化；徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化； 過(guò)渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；過(guò)渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)； 層流底層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，層流底層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴(lài)分子運(yùn)動(dòng)。徑向傳遞只能依賴(lài)分子運(yùn)動(dòng)。層流底層為傳遞過(guò)程的主要阻力層流底層為傳遞過(guò)程的主要阻力 薄薄 隨湍流程度隨湍流程度(Re)

2、(Re)增大增大， 越來(lái)越薄越來(lái)越薄L Ld/du很大很大 4 對(duì)流傳熱是指運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面之間的熱量傳遞過(guò)程，對(duì)流傳熱與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。 對(duì)流傳熱概述圖4-8 對(duì)流傳熱的溫度分布情況5無(wú)相變有相變強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流對(duì)流傳熱蒸汽冷凝液體沸騰概述6第四章 傳 熱4.3 對(duì)流傳熱4.3.1對(duì)流傳熱機(jī)理和對(duì)流傳熱系數(shù)7圖4-9 對(duì)流傳熱的溫度分布情況一、對(duì)流傳熱機(jī)理8一、對(duì)流傳熱機(jī)理 當(dāng)湍流的流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，將形成湍流邊界層，若流體溫度與壁面不同，則二者之間將進(jìn)行熱交換。 層流內(nèi)層緩沖層湍流核心 湍流邊界層傳熱方式熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)和渦流傳熱渦流傳熱9層流內(nèi)層緩沖層湍流核心 湍流邊界層溫度梯度

3、 較大居中較小熱阻 較大居中較小 對(duì)流傳熱是集熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑。 一、對(duì)流傳熱機(jī)理10假設(shè)把過(guò)渡區(qū)和湍流主體的熱假設(shè)把過(guò)渡區(qū)和湍流主體的熱阻全部疊加至層流底層的熱阻阻全部疊加至層流底層的熱阻中，在靠近壁面處構(gòu)成一層為中，在靠近壁面處構(gòu)成一層為 的流體膜，稱(chēng)為有效膜的流體膜，稱(chēng)為有效膜(effective film)。湍流程度增大，。湍流程度增大，有效膜厚度變薄，在相同溫差有效膜厚度變薄，在相同溫差下，對(duì)流傳熱速率會(huì)增大。下，對(duì)流傳熱速率會(huì)增大。一、對(duì)流傳熱機(jī)理11對(duì)流傳熱速率方程對(duì)流傳熱速率方程(

4、牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式)：Q：對(duì)流傳熱速率，W；A：傳熱面積，m2；t：對(duì)流傳熱溫度差，(對(duì)于熱流體：t=T-Tw，對(duì)于冷流體： t=tw-t)a：對(duì)流傳熱系數(shù)(convective heat-transfer coefficient) 或稱(chēng)為膜系數(shù)，W/m2.K或W/m2. 求得各種具體傳熱條件下的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)a a值是解決對(duì)流傳熱問(wèn)題的關(guān)鍵。AttAQaa1121 流體物理性質(zhì)流體物理性質(zhì) 密度(kg.m-3)、比熱容(J.kg-1.K-1)、熱導(dǎo)率(W.m-1.K-1)、黏度(Pa.s)、體積膨脹系數(shù)(K-1)等。2 流體對(duì)流起因流體對(duì)流起因 強(qiáng)制對(duì)流(流速變化）、自然對(duì)流

5、（浮力）3 流體流動(dòng)狀態(tài)流體流動(dòng)狀態(tài) 層流、湍流、 Re4 流體的相變化流體的相變化 冷凝、沸騰5 傳熱面的形狀、相對(duì)位置與尺寸傳熱面的形狀、相對(duì)位置與尺寸 通常把對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有決定性影響的尺寸稱(chēng)為特征尺寸，在計(jì)算a時(shí)有說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)流傳熱系數(shù)前，采用量綱分析法將影響對(duì)流傳熱系數(shù)的諸因素組成若干個(gè)量綱為一的量(或稱(chēng)為特征數(shù))，再確定各特征數(shù)的關(guān)系，得到a的計(jì)算公式。二、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素二、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素13第四章 傳 熱4.3 對(duì)流傳熱4.3.1 對(duì)流傳熱機(jī)理和對(duì)流傳熱系數(shù)4.3.2 對(duì)流傳熱的量綱分析14一、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素1.流體的種類(lèi)和相變化的情況2.流體的特性

6、：導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、比熱容、密度以及體積膨脹系數(shù) 3.流體的溫度4.流體的流動(dòng)狀態(tài)5.流體流動(dòng)的原因6.傳熱面的形狀、位置和大小15二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析1.根據(jù)對(duì)問(wèn)題的觀察，找出影響對(duì)流傳熱過(guò)程的因素2.通過(guò)量綱分析確定相應(yīng)的量綱為一數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)）3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式公式。量綱分析步驟16 量綱分析的基本依據(jù)是定理：一個(gè)表示n個(gè)物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包含n-m個(gè)獨(dú)立的量綱為一數(shù)群間的關(guān)聯(lián)式，m指n個(gè)物理量中所涉及的基本量綱的數(shù)目。量綱分析的核心在于確定n和m，并用一定技巧將各個(gè)量綱為一數(shù)群的內(nèi)涵確定下來(lái)。量綱分析基本依據(jù)二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析171.流

7、體無(wú)相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過(guò)程（1）列出影響該過(guò)程的物理量 ( , , )pf lcua 傳熱設(shè)備的特征尺寸二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析18（2）確定量綱為一數(shù)群的數(shù)目 上述7個(gè)變量（物理量）涉及到4個(gè)基本量綱：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123(,) 二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析19通過(guò)量綱分析，可確定1lNua2Relu努賽爾數(shù)(Nusselt number) 雷諾數(shù)(Reynolds number)表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù) 表示慣性力與黏性力之比，是表征流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù) 二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析203Prpc普朗特?cái)?shù)(Prandtl number)表示速度邊

8、界層和熱邊界層相對(duì)厚度的一個(gè)參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性。 (Re,Pr)Nu強(qiáng)制對(duì)流（無(wú)相變）傳熱時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 因此，有二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析212.自然對(duì)流傳熱過(guò)程自然對(duì)流傳熱過(guò)程（1）列出影響該過(guò)程的物理量 傳熱設(shè)備的特征尺寸( ,)pf lcgta 作用在單位體積流體上的浮力ggt 二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析22（2）確定量綱為一數(shù)群的數(shù)目 上述7個(gè)變量（物理量）涉及到4個(gè)基本量綱：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123(,) 二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析23通過(guò)量綱分析，可確定1lNua2Prpc努賽爾數(shù)(Nusselt number) 普朗特

9、數(shù)(Prandtl number)二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析24格拉曉夫數(shù)(Grashof number)3232lgtGr表示由溫度差引起的浮力與黏性力之比 (,Pr)NuGr自然對(duì)流（無(wú)相變）傳熱時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 因此，有二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析253.使用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到的關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問(wèn)題（1）應(yīng)用范圍 關(guān)聯(lián)式中Re、Pr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等；（2）特性尺寸 Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的應(yīng)如何確定；（3）定性溫度 各準(zhǔn)數(shù)中的流體物性應(yīng)按什么溫度查取。二、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析26第四章 傳 熱4.3 對(duì)流傳熱4.3.1 對(duì)流傳熱機(jī)理和對(duì)流傳熱系數(shù)4.3.2 對(duì)流傳熱的量綱分析4.3.3 流體無(wú)

10、相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)27一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流1.流體在光滑圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流（1）低黏度流體可應(yīng)用迪特斯（Dittus）貝爾特（Boelter）關(guān)聯(lián)式0.80.023RePrnNu 0.80.023()()pniiCd uda或或當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=0.3。 28特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：4Re100.7Pr120/60iL d /60iL d 若，可將由上式求得的值乘以0.71 (/ )idL進(jìn)行校正。一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流29（2）高黏度流體可應(yīng)用西德?tīng)枺⊿ieder）泰特（Tate）關(guān)聯(lián)式0.81 30.027

11、RePrNu0.81 30.140.027()() ()piiwCd uda或或壁溫下的黏度0.14()w考慮熱流方向的校正項(xiàng) 一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流30特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：4Re100.7Pr1700/60iL d 一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流311 30.141.86(RePr) ()iWdNuL2.流體在光滑圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流特性尺寸：管內(nèi)徑。 定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：Re23000.7Pr6700RePr/100idL 一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流3251.81 6 10 Re R

12、e2300 10000 當(dāng) 時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的公式計(jì)算，然后把算得的結(jié)果乘以校正系數(shù)。3. 流體在光滑圓形直管中呈過(guò)渡流一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流33(1 1.77)idRaa 4. 流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流 流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度，使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大 管子的彎曲半徑一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流345. 流體在非圓形管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑一、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流傳熱傳熱傳熱周邊流道截面積 4edooiddD )(4422 流動(dòng)流動(dòng)潤(rùn)濕周邊潤(rùn)濕周邊流道截面積流道截面積 4edoioioidDdDdD )()(4422 35一、流體在管

13、內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流3637二、 流體在管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱38二、 流體在管外強(qiáng)制對(duì)流傳熱流體在管束外垂直流過(guò)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：流體在管束外垂直流過(guò)時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：管束的平均對(duì)流傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：管束的平均對(duì)流傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：39三、自然對(duì)流(Pr)nNuc Gr通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的c和n值列于表4-4中。 40第四章 傳 熱4.3 對(duì)流傳熱4.3.1 對(duì)流傳熱機(jī)理和對(duì)流傳熱系數(shù)4.3.2 對(duì)流傳熱的量綱分析4.3.3 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)4.3.4 流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)41一、蒸汽冷凝傳熱1.蒸汽冷凝方式滴狀冷凝膜狀冷凝a a滴滴 a a膜膜 冷凝過(guò)程的熱阻冷

14、凝過(guò)程的熱阻冷凝液膜冷凝液膜422. 膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（1）水平管束外）水平管束外41032327250 tdngr a a/.2Wsttt 定性溫度：定性溫度：t tS Sr r，其它其它膜溫膜溫 n水平管束在垂直列上的管數(shù)水平管束在垂直列上的管數(shù)r比汽化熱比汽化熱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）冷凝層流層流413213. 1 tlgr a aRe1800湍流湍流4 . 0312320077. 0Reg a a44（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artl4Re冷凝液液膜沿壁面流動(dòng)的冷凝

15、液液膜沿壁面流動(dòng)的ReRe表達(dá)式表達(dá)式: :t: 蒸汽的飽和溫度蒸汽的飽和溫度ts與壁面溫度與壁面溫度tw之差之差,即即: t= ts tw定性溫度定性溫度: t=(ts + tw)/245壁面可能為氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很小）層所遮蓋而增加一層附加熱阻，使對(duì)流傳熱系數(shù)急劇下降。故在冷凝器的設(shè)計(jì)和操作中，必須考慮排除不凝氣。 一、蒸汽冷凝傳熱(3) (3) 影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素b.蒸汽流速和流向的影響c.蒸汽過(guò)熱的影響d.傳熱面的形狀與布置a.不凝性氣體的影響冷凝液膜為膜狀冷凝傳熱的主要熱阻,減薄液膜厚度降低熱阻是強(qiáng)化膜狀冷凝傳熱的關(guān)鍵.46二、液體沸騰傳熱所謂液體沸騰是指在液體的對(duì)流

16、傳熱過(guò)程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過(guò)程。液體沸騰47液體沸騰的方式過(guò)冷沸騰飽和沸騰 二、液體沸騰傳熱池內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰(流動(dòng)沸騰或強(qiáng)制對(duì)流沸騰)481 大容器飽和沸騰現(xiàn)象過(guò)熱度過(guò)熱度 t=t1-ts汽化核心汽化核心二、液體沸騰傳熱492 2 沸騰曲線沸騰曲線核狀沸騰核狀沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰二、液體沸騰傳熱503 液體沸騰傳熱的影響因素（1）液體性質(zhì)的影響 通常，凡是有利于氣泡生成和脫離的因素均有助于強(qiáng)化沸騰傳熱。aa二、液體沸騰傳熱51（2）溫度差的影響 溫度差是控制沸騰傳熱過(guò)程的重要參數(shù)。一定條件下，多種液體進(jìn)行泡核沸騰傳熱時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)與的關(guān)系可用下式表達(dá)，即()nkta二、液體沸騰傳熱52（3）操作壓力的影響 提高沸騰操作的壓力相當(dāng)于提高液體的飽和溫度，使液體的表面張力和黏度均下降，有利于氣泡的生成和脫離。 二、液體沸騰傳熱53（4）加熱壁面的影響 加熱壁面的材質(zhì)和粗糙度對(duì)沸騰傳熱有重要影響。清潔而粗糙的加熱壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高。加熱壁面的布置情況，也對(duì)沸騰傳熱有明顯的影響。二、液體沸騰傳熱543.液體沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算1 3Pr()LsfnLLvctQ SCr