圓筒與對(duì)流傳熱課堂

1、4.3.5 圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 化工生產(chǎn)中常見的為圓筒壁化工生產(chǎn)中常見的為圓筒壁(圓管圓管)的熱傳導(dǎo)，其特點(diǎn)是的熱傳導(dǎo)，其特點(diǎn)是溫度溫度隨半徑變化隨半徑變化，傳熱面積也隨半徑變化傳熱面積也隨半徑變化，均，均非常量非常量。 單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) Qdrrr1r2t1t2L前提條件：前提條件：圓筒內(nèi)、外半徑分別為圓筒內(nèi)、外半徑分別為r1和和r2，長長度為度為L，內(nèi)外壁溫度內(nèi)外壁溫度t1t2，在圓筒在圓筒壁半徑壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度處沿半徑方向取微元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：的圓筒壁，其傳熱面積：S=2rL圓筒很長，沿軸向散失熱量可

2、以圓筒很長，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。圓筒壁材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)圓筒壁材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)l l為常為常數(shù)數(shù) 求傳熱速率方程求傳熱速率方程說明說明當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時(shí)，傳熱速率當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時(shí)，傳熱速率Q為常量，但由于為常量，但由于S與與r有關(guān)，故熱通量有關(guān)，故熱通量Q/S不再是常量，而不再是常量，而Q/L保持常量；保持常量；在任一半徑在任一半徑r處，溫度表示為處，溫度表示為:表明溫度沿表明溫度沿r方向?yàn)閷?duì)數(shù)曲線分布；方向?yàn)閷?duì)數(shù)曲線分布； 導(dǎo)熱速率導(dǎo)熱速率 推動(dòng)力推動(dòng)力t，導(dǎo)熱熱阻，導(dǎo)熱熱阻R。 誤差不超過

3、誤差不超過4，工程上允許。，工程上允許。2SSS 2SS212rrr 2rr2121m1221m12時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)說明說明多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，總熱阻多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和。為各層熱阻之和。總的導(dǎo)熱速率與總推動(dòng)力成正比，而和總阻力成反比。對(duì)總的導(dǎo)熱速率與總推動(dòng)力成正比，而和總阻力成反比。對(duì)各層，同樣有溫差與熱阻成正比。各層，同樣有溫差與熱阻成正比。不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導(dǎo)熱速率不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導(dǎo)熱速率Q和和Q/L為為常量，但常量，但q不為常量；不為常量；其中每一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同；其中每

4、一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同； 2SSS 2SS212rrr 2rr211iimii1i1iimii1i時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)保溫材料的放置問題保溫材料的放置問題對(duì)于多層平壁，如果每層厚度相等，互換先后順序，則對(duì)于多層平壁，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？保溫效果有何變化？對(duì)于圓直管，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保對(duì)于圓直管，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？溫效果有何變化？4.4 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 4.4.1 對(duì)流傳熱機(jī)理對(duì)流傳熱機(jī)理 對(duì)流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時(shí)的傳熱對(duì)流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時(shí)的傳熱，是流體，是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱

5、兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱速率與流動(dòng)狀的對(duì)流與導(dǎo)熱兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱速率與流動(dòng)狀況有密切關(guān)系。況有密切關(guān)系。 考察湍流流體：考察湍流流體：流體流過固體壁面時(shí)，由于流體的粘性作用，使流體流過固體壁面時(shí)，由于流體的粘性作用，使靠近固體靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層壁面附近存在一薄滯流底層。在此薄層內(nèi)，沿壁面的法線。在此薄層內(nèi)，沿壁面的法線方向沒有熱對(duì)流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于流方向沒有熱對(duì)流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即該層中溫度差較大，即溫度梯度較大溫

6、度梯度較大。在在湍流主體湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿漩渦，因中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿漩渦，因此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，各處的溫度基本相各處的溫度基本相同同。在湍流主體與滯流底層的在湍流主體與滯流底層的過渡層中過渡層中，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起作用，在該層內(nèi)作用，在該層內(nèi)溫度發(fā)生了緩慢的變化溫度發(fā)生了緩慢的變化。TtTwtwTsts圖示即為溫度在湍流流圖示即為溫度在湍流流體中的分布情況。體中的分布情況。1、層流底層、層流底層 對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的流底層中，因此

7、，減薄滯流底層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑。2、有效膜、有效膜 物理模型物理模型 層流層流 過渡過渡 紊流紊流主體溫度可以測量主體溫度可以測量壁面溫度可以測量壁面溫度可以測量但是界面出溫度沒法測量但是界面出溫度沒法測量Tbtb 對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)據(jù)前分析，對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的過程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流據(jù)前分析，對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的過程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及壁面的熱傳導(dǎo)過程，因而影響對(duì)流傳熱速率的因素很多。由于過程及壁面的熱傳導(dǎo)過程，因而影響對(duì)流傳熱速率的因素很多。由于過程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方法復(fù)雜

8、，進(jìn)行純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)內(nèi)。內(nèi)。.1 對(duì)流傳熱速率方程對(duì)流傳熱速率方程將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度曲線延長，其交點(diǎn)與壁面距離為曲線延長，其交點(diǎn)與壁面距離為，此此膜層稱為虛擬膜或有效膜。膜層稱為虛擬膜或有效膜。 湍流主體區(qū) 過渡區(qū)滯流底層虛擬膜 說明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)說明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為 牛頓冷卻定律說明說明1. 取平均值在換熱器中，局部對(duì)流傳熱系數(shù)隨管長而變

9、化，但在工程計(jì)算中，常使用平均對(duì)流傳熱系數(shù)，一般也用h表示，此時(shí)牛頓冷卻定律可表示為： Q= St式中： Q 對(duì)流傳熱速率，W； S 總傳熱面積；m2； t 流體與壁面(或反之)間溫度差平均值，； 平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2 ) 。 2.牛頓冷卻定律的具體表達(dá)方式與實(shí)際換熱情況有關(guān)換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動(dòng)位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如：熱流體、管程：dQ= i(Tb-Ts)dSi熱流體、殼程：dQ= o(Tb-Ts)dSo冷流體、管程：dQ= i(ts-tb)dSi冷流體、殼程：dQ= o(ts-tb)dSo可見，對(duì)流傳熱系數(shù)可見，對(duì)流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度是

10、和傳熱面積及溫度差相對(duì)應(yīng)的差相對(duì)應(yīng)的.2 對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)定義式一：定義式一：據(jù)牛頓冷卻定律得即：在單位溫度差下，對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對(duì)流在單位溫度差下，對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對(duì)流傳熱的熱通量傳熱的熱通量。但該式并未揭示出影響對(duì)流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊蛩?，所以無法通過此式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù) 。定義式二：定義式二： = l/層流底層厚度 l：與流體種類有關(guān)，并與溫度有關(guān)層流底層厚度：與流體狀態(tài)有關(guān)分析第二類保溫?zé)醾鲗?dǎo)問題，臨界直徑的問題。分析第二類保溫?zé)醾鲗?dǎo)問題，臨界直徑的問題。 對(duì)流傳熱的計(jì)算，實(shí)際是如何求對(duì)流傳熱系數(shù)物理意義：當(dāng)溫度差為1時(shí)4.4.4 對(duì)流傳

11、熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 對(duì)流傳熱過程的量綱分析對(duì)流傳熱過程的量綱分析一、對(duì)流傳熱的分類一、對(duì)流傳熱的分類 強(qiáng)制對(duì)流 無相變 自然對(duì)流對(duì)流傳熱 冷凝 有相變 沸騰 4.4.4 對(duì)流傳熱過程的量綱分析對(duì)流傳熱過程的量綱分析 對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素對(duì)流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何形狀、尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)與固體壁面之間的傳熱過程，因此影響的主要因素是：1.流體的種類和相變化情況流體的種類和相變化情況氣體 無相變2.流體的物性流體的物性對(duì)影響較大的流體物性有導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱Cp、密度及對(duì)自然對(duì)流影響較大的體積膨脹系數(shù)。具體地： l 、Cp 、 、 3.流體的溫度流

12、體的溫度流體溫度對(duì)對(duì)流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁面溫度之差t，流體物性隨溫度變化程度及附加自然對(duì)流等方面的綜合影響。故計(jì)算中要修正溫度對(duì)物性的影響。在傳熱計(jì)算過程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)用以確定物性所規(guī)定的溫度稱為定性溫度。4.流體的流動(dòng)狀態(tài)流體的流動(dòng)狀態(tài)流體 呈湍流時(shí)，隨著Re的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低， 增大。流體呈滯流時(shí)，流體在熱流方向上基本沒有混雜作用，故較湍流時(shí)小。即： 滯流 湍流 5.流體流動(dòng)的原因流體流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。強(qiáng)制對(duì)流：由于外來的作用，迫使流體流動(dòng)。 自然對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流 對(duì)流

13、傳熱過程的對(duì)流傳熱過程的l量綱分析量綱分析6.傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小傳熱壁面的幾何因素對(duì)流體沿壁面的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對(duì)流傳熱。如流體流過平板與管內(nèi)的流動(dòng)就不同，在自然對(duì)流時(shí)垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面的流體自然對(duì)流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對(duì)傳熱的影響，一般采用對(duì)對(duì)流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計(jì)算依據(jù)，稱為定性尺寸。 由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此不可能用一個(gè)通式來描述，為此首先進(jìn)行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無量綱數(shù)群(準(zhǔn)數(shù))，然后用實(shí)驗(yàn)的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式

14、。 本節(jié)采用白金漢法處理對(duì)流傳熱問題，適用于變量較多的情況。.1 流體無相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過程流體無相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過程步驟：步驟：1.列出影響該過程的物理量列出影響該過程的物理量據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響a的因素有：定性尺寸的因素有：定性尺寸l，流流體的密度體的密度，粘度粘度，比熱比熱Cp，導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)l l ，流速流速u，可將其可將其表示為：表示為： f(l, ，Cp， l l ，u)2.確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目 定理：任何一個(gè)量綱一致的物理方程都可表示成一個(gè)隱定理：任何一個(gè)量綱一致的物理方程都可表示成一個(gè)隱函數(shù)的形式，即：函數(shù)的形式，

15、即： f(1, 2, 3， ，i)=0其中：其中：i=j-m i無量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目無量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目 j變量數(shù)變量數(shù) m基本量綱數(shù)基本量綱數(shù)(長度長度L、質(zhì)量質(zhì)量M、時(shí)間時(shí)間、溫度溫度T) i=7-4=3 有三個(gè)準(zhǔn)數(shù)有三個(gè)準(zhǔn)數(shù)3.確定各準(zhǔn)數(shù)的形式(1)列出各物理量的量綱(2)選擇m(即4)個(gè)共同物理量LukCplaTM33LMLMTL22TML3L(3)量綱分析將共同物理量與余下的物理量分別組成無量綱數(shù)群，即1231000033M LTM 01111f0L 000330T 01abcdefghijkmpbcdalululu CMLMLMLTLTbcaebabcdcgbcddbl l l 對(duì) ，遵循

16、等式兩邊因次一致性原則：對(duì)質(zhì)量：對(duì)長度 ：同理：對(duì)時(shí)間 ：對(duì)溫度 ：112301 1110RePrNuf(Re,Pr)pijkhmCallulaNulll 據(jù) 定理：流體無相變時(shí)強(qiáng)制對(duì)流傳熱時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式.2 自然對(duì)流傳熱過程自然對(duì)流傳熱過程通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式自然對(duì)流中，引起流動(dòng)的原因是單位體積流體的升力，大小為gt，其它因素與強(qiáng)制對(duì)流相同，故一般函數(shù)表達(dá)式為：af(l, ，Cp， l l ， gt)方法同前，可得：321232PrNuf(Pr,Gr)pCllgtNuGrll即自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：4.確定具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式

17、各準(zhǔn)數(shù)的名稱、符合、意義如下：準(zhǔn)數(shù)式準(zhǔn)數(shù)式符號(hào)符號(hào)名稱名稱意義意義Nu努寒爾特準(zhǔn)數(shù)(Nusselt)表示對(duì)流傳熱強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù) Re雷諾準(zhǔn)數(shù)(Reynolds)反映流體流動(dòng)湍動(dòng)程度的準(zhǔn)數(shù) Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)(Prandtl)反映物性對(duì)傳熱影響的準(zhǔn)數(shù)Gr格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)(Grashof)反映自然對(duì)流強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù)pCl223tgllu.3 應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題對(duì)應(yīng)各種不同情況下的對(duì)流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系是由實(shí)驗(yàn)確定的，在整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及使用方程式中應(yīng)注意以下問題：1.應(yīng)用范圍關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Gr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。2.定性溫度各準(zhǔn)數(shù)中決定物性參數(shù)的溫度，有

18、3種表示方法：取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2為定性溫度取壁面平均溫度t=(tw+Tw)/2為定性溫度取流體和壁面的平均溫度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2為定性溫度壁溫多為未知數(shù)，需用試差法，故工程上多用第一種方法3.特征尺寸無量綱準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸l。通常選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。4.4.5 流體無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流1.流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制湍流(1)低粘度流體(210-3Pas的氣體及大部分液體)iiii10.023RePr0.0

19、23n0.40.3Re10000(Re10000) 0.7Pr120dLL60.601ddLldtnnpiiNucd udnntll或：值與熱流方向有關(guān)，流體被加熱時(shí)，；被冷卻時(shí)，應(yīng)用范圍：傳熱中規(guī)定為湍流 ，。對(duì)于的短管，需乘修正系數(shù)特征尺寸： 取管內(nèi)徑 。定性溫度：21222tTTT或(2)高粘度流體0.140.81 3w0.141 30.8wiiw12120.027RePr0.027LRe10000 0.7Pr1670060dldt2 t22piiwwNucd udtTttTTTll或：應(yīng)用范圍：，。特征尺寸： 取管內(nèi)徑 。定性溫度：壁溫查取查取冷流體物性參數(shù)查取熱流體物性參數(shù)2.流體在

20、圓形直管內(nèi)強(qiáng)制滯流 查取熱流體物性參數(shù)查取冷流體物性參數(shù)查取定性溫度：。取管內(nèi)徑特征尺寸：。，應(yīng)用范圍：2TTT2ttt 2Tttdl100)LdPr(Re6700Pr6 . 02300ReLdPrRe86. 1Nu2121wwwii14. 0w31i31313流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流 當(dāng)流體在管內(nèi)呈過渡狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，即2300Re100時(shí)即可能形成湍流，對(duì)流傳熱系數(shù)加大。折時(shí)即可能形成湍流，對(duì)流傳熱系數(shù)加大。折流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。(1)換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板(缺口面積為缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面的殼體內(nèi)截面)時(shí)

21、時(shí) ，殼程流體的，殼程流體的a關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)式多諾呼法多諾呼法2TTT2ttt2Tt tdl1023RePrRe23. 0Nu2121Wwo414. 0w310.6定性溫度：道處速度。，流速取管排中最窄通取管外徑特征尺寸：。應(yīng)用范圍：凱恩法(2)無折流擋板按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流公式計(jì)算，將di用管間當(dāng)量直徑de代替即可。2TTT2ttt2Tt tdl101102RePrRe36. 0Nu2121Wwe4314. 0w310.55定性溫度：取當(dāng)量直徑特征尺寸：。應(yīng)用范圍：三、自然對(duì)流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式三、自然對(duì)流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映流體自然對(duì)流狀況的自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系

22、數(shù)僅與反映流體自然對(duì)流狀況的Gr準(zhǔn)數(shù)及準(zhǔn)數(shù)及Pr準(zhǔn)數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為：準(zhǔn)數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為：Nu(rPr)n (147頁頁 )定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術(shù)平均值。定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術(shù)平均值。式中的系數(shù)式中的系數(shù)C和指數(shù)和指數(shù)n值值 加熱表面形狀加熱表面形狀特征尺寸特征尺寸rPrCn水平圓管外徑do1041090.531/410910120.131/3垂直管或板高度L1041090.591/410910120.101/3準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算示例準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算示例例例4-4 一水平蒸汽管，長一水平蒸汽管，長20m，外徑為外徑為159mm，管外壁溫度管外壁溫

23、度為為120，周圍空氣溫度為，周圍空氣溫度為20，計(jì)算該管段由于自然對(duì)流，計(jì)算該管段由于自然對(duì)流散失的熱量。散失的熱量。定性溫度：定性溫度：t(120+20)/27070下空氣物性：下空氣物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pasl l 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694 323272521724ow9.81 (12020) 0.1591.03PrPr0.6942.01 10340 (2.06 10 )1C0.53,n40.02970.53(2.01 10 )6.63/( )0.159Qd L(t -t)6.630.159 20 (12020)

24、6621og tdGrWm KW查表，得：散熱量4.4.8 流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 蒸汽冷凝和液體沸騰都是伴有相變化的對(duì)流傳熱過程。這類傳熱過程的特點(diǎn)是相變流體要放出或吸收大量的潛熱，但流體溫度基本不變。因此在壁面附近流體層中的溫度梯度較高，從而對(duì)流傳熱系數(shù)比無相變時(shí)的更大。 蒸汽冷凝傳熱其優(yōu)點(diǎn)是：(1)飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時(shí)易于控制；(2)蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)較無相變時(shí)大得多。這是因?yàn)檎羝诒诿嫔侠淠耐瑫r(shí)，蒸汽將迅速流到壁面補(bǔ)充空位，汽相主體與壁面間溫差極小，因此飽和蒸汽冷凝時(shí)汽相中幾乎無溫差存在。1.蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式蒸氣冷凝時(shí)

25、，根據(jù)其冷凝液是否能夠潤濕壁面分成兩種方式：(1)膜狀冷凝：膜狀冷凝：若冷凝液能夠完全潤濕壁面，則將在壁面上形成一層連續(xù)的液膜，并向下流動(dòng)。壁面完全被冷凝液所覆蓋，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，與壁面不進(jìn)行直接接觸，冷凝潛熱只能以導(dǎo)熱和對(duì)流的方式通過液膜傳給壁面。因蒸汽冷凝時(shí)有相的變化，一般熱阻很小，因蒸汽冷凝時(shí)有相的變化，一般熱阻很小，故冷凝液膜就成為冷凝的主要熱阻。故冷凝液膜就成為冷凝的主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動(dòng)，若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動(dòng)，則所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越則所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高，則整個(gè)壁面的平均對(duì)流傳熱系數(shù)也越高，則整個(gè)壁面的

26、平均對(duì)流傳熱系數(shù)也越小。小。冷凝液潤濕壁面的能力取決于其表面張力冷凝液潤濕壁面的能力取決于其表面張力和對(duì)壁面附著力的關(guān)系，當(dāng)附著力大于表和對(duì)壁面附著力的關(guān)系，當(dāng)附著力大于表面張力時(shí)則會(huì)形成膜狀冷凝。面張力時(shí)則會(huì)形成膜狀冷凝。(2)滴狀冷凝滴狀冷凝 若冷凝液不能夠潤濕壁面，則由于表面張力的作用，在壁面上形成液滴，液滴長大到一定程度后而脫落壁面，這種形式稱為滴狀冷凝。此時(shí)壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接觸，由于沒有液膜阻礙熱流，所以其熱阻很小，由于沒有液膜阻礙熱流，所以其熱阻很小，因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝高出因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝高出510倍。倍。 滴狀冷凝雖然比膜狀冷凝傳熱效果好

27、，但在工業(yè)上很難實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)中大多為膜狀冷凝。 75. 0z75. 0275. 01z21z21nnnnnnn:n,n,nZnZ1n 的排數(shù)為各列管子在垂直方向上列管子：互相平行的單管：2.膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)冷凝液膜的流動(dòng)也可分為滯流和湍流兩種流型，判斷流型也可用Re，而Re常常表示為冷凝負(fù)荷M的函數(shù)，即：Re=f(M)。冷凝負(fù)荷M：單位時(shí)間單位長度潤濕周邊上流過的冷凝液量，kg/(ms) 設(shè)液膜流通截面積為A m2，潤濕周邊長為b m,冷凝液質(zhì)量流量為W kg/s，則：(1)蒸汽在水平管(或管束)外冷凝 M4bW4AWbA4udRee管子數(shù)水平管束在垂直列上的:ntd

28、ngr725. 041o3223l(2)蒸汽在垂直管外蒸汽在垂直管外(或板上或板上)冷凝冷凝 計(jì)算步驟(試差法)假設(shè)一種流型選擇公式計(jì)算h計(jì)算熱負(fù)荷q=hoSo(ts-tw)12341233(Re2100)1.13(Re2100)0.068Lt2swrgkL trgkL ttt液膜為滯流：液膜為湍流：特征尺寸： 取垂直管或板的高度定性溫度：取膜溫wsttt計(jì)算質(zhì)量流量W=q/r計(jì)算冷凝負(fù)荷M=W/b計(jì)算Re并校核3.影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 液膜兩側(cè)的溫度差：液膜兩側(cè)的溫度差：t，a 流體的物性：流體的物性：傳熱冷凝液的密度越大，粘度越小，則液膜的厚度越小，因而冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)a越

29、大。導(dǎo)熱系數(shù)大也有利于傳熱，冷凝潛熱大，則在同樣的熱負(fù)荷下冷凝液減少，液膜變薄，a增大 蒸汽的流速和流向：蒸汽的流速和流向：當(dāng)蒸汽流速較大時(shí)，蒸汽與液膜間的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，這種作用將使液膜減薄并促使其產(chǎn)生一定波動(dòng)，因而使a增大。若逆向流動(dòng)，這種作用會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使其增厚導(dǎo)致傳熱惡化。但當(dāng)這種作用超過重力作用時(shí)液膜會(huì)被蒸汽帶動(dòng)而脫離壁面，反而使a急劇增大。不凝性氣體的影響：不凝性氣體的影響：蒸汽冷凝時(shí)不凝性氣體將在液膜表面形成一層氣體膜，由于其導(dǎo)熱系數(shù)很小，使熱阻增大，a大為降低。當(dāng)蒸汽中不凝性氣體含量為1%時(shí)，可使冷凝時(shí)a降低60%左右。因此在冷凝器的設(shè)計(jì)和操作中，

30、都必須考慮不凝氣的排除。冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響： 冷凝液膜為膜狀冷凝的主要熱阻，設(shè)法減薄其厚度是強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵，最直接的方法是從冷凝壁的高度和布置方式上著手。對(duì)水平放置的列管式冷凝器，應(yīng)減少垂直方向上管排的數(shù)目。在垂直壁面上，開若干縱向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以減薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)提高。 液體沸騰傳熱液體沸騰傳熱 液體與高溫壁面接觸時(shí)被加熱，并產(chǎn)生大量氣泡變?yōu)檎羝后w與高溫壁面接觸時(shí)被加熱，并產(chǎn)生大量氣泡變?yōu)檎羝倪^程稱為液體沸騰。的過程稱為液體沸騰。這種傳熱方式由于在加熱面上不斷經(jīng)歷著汽泡的形成、長大和脫離的過程，造成對(duì)壁面處流造成對(duì)壁面

31、處流體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比無相變時(shí)大。體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比無相變時(shí)大?；ぶ谐Ｓ玫恼舭l(fā)器、再沸器、蒸汽鍋爐等，都是通過液體沸騰而產(chǎn)生蒸汽。液體在加熱表面上沸騰時(shí)，按其沸騰所處的空間可分為大大容器沸騰和管內(nèi)沸騰。容器沸騰和管內(nèi)沸騰。大容器沸騰是指加熱面被沉浸在無宏觀流動(dòng)的液體表面下所產(chǎn)生的沸騰，這種情況下汽泡脫離表面后能自由浮升，液體的運(yùn)動(dòng)只是由自然對(duì)流和氣泡體的運(yùn)動(dòng)只是由自然對(duì)流和氣泡擾動(dòng)引起。擾動(dòng)引起。當(dāng)液體以一定流速在加熱管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的沸騰稱為管內(nèi)沸騰，管內(nèi)沸騰，此時(shí)產(chǎn)生的汽泡不能自由浮升，被迫與液體一起流動(dòng)，也稱為強(qiáng)制對(duì)流沸騰強(qiáng)制對(duì)流沸騰。1大容器飽和沸騰曲線大容

32、器飽和沸騰曲線 at=tw-tsA自然對(duì)流B B泡狀沸騰CDEF膜狀沸騰(2)BC段 當(dāng)t繼續(xù)加大，加熱表面上開始形成汽泡，在汽泡形成和脫離壁面的過程中，壁面附近流體產(chǎn)生大的擾動(dòng)，故a隨t急劇上升。隨著t的進(jìn)一步增大，汽化核心數(shù)增多，傳熱增強(qiáng)。但汽泡的增多，使部分汽泡在脫離加熱面之前便相互連接，形成一片片汽膜，把加熱面和液體隔開，產(chǎn)生附加熱阻削弱了傳熱。因此a隨t增大達(dá)到C點(diǎn)時(shí)，由于汽化核心增多加強(qiáng)傳熱的影響與汽泡覆蓋表面削弱傳熱的影響相互抵消，在該點(diǎn)出現(xiàn)a的最大值。BC段的沸騰稱為泡狀沸騰，C點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。 (1)AB段當(dāng)t0K)就會(huì)不斷向空間輻射出各種波長的輻射能。物體在一定溫度下，單位表

33、面積、單位時(shí)間內(nèi)所能發(fā)射出物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所能發(fā)射出的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度下物體的輻射能力，的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度下物體的輻射能力，用用E表示，單位表示，單位W/m2。確定物體的輻射能力先需確定物體輻射某一波長的能力，物體發(fā)射特定波長的能力稱為單色輻射能力，用物體發(fā)射特定波長的能力稱為單色輻射能力，用Ek表示，表示，單位單位W/m2m。E的大小不僅與波長及溫度有關(guān)，而且與物體的性質(zhì)有關(guān)，于是在一定溫度下物體的輻射能力可表示為：對(duì)于黑體，其輻射能力Eb則可表示為： 0dEE0bbdEE.2 普朗克普朗克(MPlanck)定律定律 普朗

34、克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長的分配規(guī)律，即表示黑體單色輻射能力Eb和波長、熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算式為：式中： k 波長，m； T 黑體的絕對(duì)溫度，K； C1普朗克第一常數(shù)，3.74310-16 m2； C2普朗克第二常數(shù)，1.438710-2 mK。 1ecETc51b2 不同溫度下，Eb作圖，如圖示，每個(gè)溫度有一條能量分布曲線。在指定溫度下，黑體輻射各種波長的能量是不同的。但在某一波長可達(dá)到 Eb的最大值。在不太高的溫度下，輻射主要集中在波長為0.810m的范圍內(nèi)。.3 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼波爾茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律定律 斯蒂芬-波爾

35、茨曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系：式中： 0黑體的輻射常數(shù)，5.6710-8 W/(m2K4) C0黑體的輻射系數(shù)，5.67 W/(m2K4)。上式稱為斯蒂芬-波爾茨曼定律，它說明黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正比，故又稱為四次方定律。4o40bTc51b0bb100TCTE1ecEdEE2實(shí)驗(yàn)證明，斯蒂芬-波爾茨曼定律也可以應(yīng)用到灰體，此時(shí)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中：C灰體的輻射系數(shù)，W/(m2K4)，不同物體的C值不同，它取決于物體性質(zhì)，表面狀況和溫度，且總是小于C0，因此在同一溫度下，灰體的輻射能力總是小于黑體同一溫度下，灰體的輻射能力總是小于黑體，其比值稱為物體的黑

36、度，以表示：因而只要知道物體的黑度，就可通過上式求得該物體的輻射能力。物體的黑度取決于物體的性質(zhì)、溫度以及表面狀況(表面粗糙度及氧化程度)，是物體本身的特性，與外界情況無關(guān)，一般通過實(shí)驗(yàn)測定。常用工業(yè)材料的黑度列于書中表5-6。 4100TCE4oob100TCECCEE.4 克?；舴蚩讼；舴?Kirchhoff)定律定律 克?；舴蚨山沂玖宋矬w的輻射能力克?；舴蚨山沂玖宋矬w的輻射能力E與吸與吸收率收率A之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。設(shè)有相距很近的平行平板1和2，從一板發(fā)射的輻射能可全部投射到另一平板上。板1：實(shí)際物體(灰體)，E1、A1、T1板2：黑體，Eb、A2(=1)、T2T1

37、T2,板間介質(zhì)為透熱體，系統(tǒng)與外界絕熱12E1EbA1Eb(1A1)Eb因板2為黑體，板1發(fā)射出的E1被板2全部吸收。板2發(fā)射出的Eb被板1吸收A1Eb，其余(1-A1)Eb被反射至板2，并被其全部吸收。對(duì)板1，輻射傳熱的結(jié)果為： q/s=q發(fā)射/s-q接收/s=E1+(1-A1)Eb-Eb=E1-A1Eb輻射傳熱達(dá)到平衡時(shí)，即T1=T2 A時(shí)，q/s=0b11b11EAEEAE實(shí)際上板1可用任何板代替，則上式可寫成：上式稱為克希霍夫定律，它表明任何物體的輻射能力與其吸任何物體的輻射能力與其吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物體收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物

38、體的絕對(duì)溫度有關(guān)。的絕對(duì)溫度有關(guān)。根據(jù)克?；舴蚨桑?物體的吸收率A愈大，其輻射能力E也愈大； 由AE/Eb與式E/Eb比較，A，即灰體的吸收率在數(shù)灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該物體的黑度值上等于同溫度下該物體的黑度。因此若測定出了物體的黑度，即可知其吸收率和輻射能力。但A、物理意義不同 ：A：吸收率，表示由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物體吸收的分?jǐn)?shù)；：黑度，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分?jǐn)?shù)因物體的A測定比較困難，工程計(jì)算中常用代替。)T(f100TCEAEAEAEAE40b332211 4.5.2 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱 工業(yè)上常遇到兩固體間的相互熱輻射，可近似按灰體

39、處理，故較復(fù)雜。兩固體間輻射傳熱的凈傳熱量與兩物體的溫度、形狀、相對(duì)位置以及物體本身性質(zhì)有關(guān)。 不考慮幾何因素面積很大，距離很近，兩大平行灰體平板間的相互輻射。平板1：T1、E1、A1平板2：T2、E2、A2 12E1板1輻射總能量： (q/s)1=(E1+R2R1E1+R22R12E1+ )- (R2E1+R22R1E1+R23R12E1+ ) = (E1-E1R2) (1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) = E1A2(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + )R2E1R22R12E1R2R1E1R22R1E1R23R12E1R23R13E1R24R13

40、E1板2輻射總能量： (q/s)2=(E2+R2R1E2+R22R12E2+ )- (R1E2+R2R12E2+R22R13E2+ ) = (E2-E2R1)(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) =E2A1(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + )板1向板2傳遞的凈輻射熱通量：12E2R2R12E2R1E2R2R1E2R22R12E2R22R13E2R23R13E2R23R14E22121122121122121122121222121122221212121AAAAAEAE)A1)(A1 (1AEAERR1AERR1AE)RRRR1 (AE)RRRR1 (AE) s/q( 42412121424121424111o21221142022410112121122121100T100TSCqS100T100TC100T100T111C)sq(AA100TCE100TCEAAAAAEAE)sq(，則輻射傳熱速率為：若平行平板的面積均為 考慮幾何因素考慮幾何因素當(dāng)兩壁面間距離與表面