對(duì)流傳熱系數(shù)實(shí)用教案

1、第三節(jié) 對(duì)流傳(lichun)熱 獲得的主要(zhyo)方法：u理論分析法u 解析(ji x)求解、數(shù)值求解u實(shí)驗(yàn)法：u 半理論半經(jīng)驗(yàn)方法，是目前的主要方法。牛頓冷卻定律： wttAQ 第1頁(yè)/共36頁(yè)第一頁(yè)，共37頁(yè)。一、實(shí)驗(yàn)法求 個(gè)個(gè)基基本本因因次次數(shù)數(shù)變變量量數(shù)數(shù)無(wú)無(wú)因因次次數(shù)數(shù)群群個(gè)個(gè)數(shù)數(shù)347 影響的因素(yn s)主要有： 1.引起流動(dòng)的原因：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流 2.流動(dòng)型態(tài)：層流或湍流 3.流體的性質(zhì)：、cp、等 4.傳熱面的形狀、大小、位置：如圓管與平板、垂直與水平、 管內(nèi)與管外等 5.有相變與無(wú)相變： cp或汽化潛熱r tgulrcfp 或或，或或，量綱分析法：回憶(huy)

2、(huy)第一章有關(guān)內(nèi)容 用量綱分析法、再結(jié)合實(shí)驗(yàn)(shyn)，建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。 定理：第2頁(yè)/共36頁(yè)第二頁(yè)，共37頁(yè)。一、實(shí)驗(yàn)法求 lNu pc Pr 223Re tglGrul或或-格垃曉夫數(shù)Gr是雷諾數(shù)的一種 變形(bin xng)，相當(dāng)于自然對(duì)流時(shí)的“雷諾數(shù)”無(wú)因(w yn)次數(shù)群：-努塞爾數(shù)，表示導(dǎo)熱(dor)熱阻與對(duì)流熱阻之比-普朗特?cái)?shù)，反映物性的影響。 一般地，氣體的Pr1 第3頁(yè)/共36頁(yè)第三頁(yè)，共37頁(yè)。一、實(shí)驗(yàn)法求 PrRe，或或GrfNu 故定性(dng xng)(dng xng)溫度：確定物性的溫度，有兩種2出出進(jìn)進(jìn)tttm 2主體主體壁壁tttm 主體(zht)平均

3、溫度 膜溫 lNu pc Pr 223Re tglGrul或或第4頁(yè)/共36頁(yè)第四頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種情形(qng xing)下的經(jīng)驗(yàn)式（一） 無(wú)相變時(shí)1015. 018 . 031 Grf 當(dāng)Gr25000，需考慮自然對(duì)流對(duì)傳熱的影響，式（5-65）乘上一個(gè)(y )大于1的校正系數(shù)： 1、管內(nèi)(un ni)層流時(shí)0.6Pr6700，Gr25000（自然對(duì)流影響可以忽略），溫差（壁溫與流體主體溫度之差）不大。使用范圍為： 管子的進(jìn)口段，恒壁溫、Re2300、思考：思考：為什么需乘上一個(gè)大為什么需乘上一個(gè)大于于1 1的校正系數(shù)？的校正系數(shù)？-傳熱主要以導(dǎo)熱方式為主（有時(shí)有自然對(duì)流）傳熱主要以導(dǎo)

4、熱方式為主（有時(shí)有自然對(duì)流）1/30.141.86(RePr)() (5-65)wdNul第5頁(yè)/共36頁(yè)第五頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種( zhn)情形下的經(jīng)驗(yàn)式2 2、管內(nèi)(un (un ni)ni)湍流（5-63）0.80.40.023RePr0.3nnNun被加熱被冷卻熟記(sh j)、常用 lNu 第6頁(yè)/共36頁(yè)第六頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種( zhn)情形下的經(jīng)驗(yàn)式2 2、管內(nèi)(un (un ni)ni)湍流（式5-63） 被被冷冷卻卻被被加加熱熱3 . 04 . 0PrRe023. 08 . 0nnNun2080.du dNu pc Pr思考思考(sko)1(sko)1：與與u u、d

5、d有何比例關(guān)系？有何比例關(guān)系？思考思考2：為什么加熱時(shí)為什么加熱時(shí)n取取0.4，冷卻時(shí)取，冷卻時(shí)取0.3？氣體的Pr1等溫液體被加熱或氣體被冷卻液體被冷卻或氣體被加熱速度分布速度分布時(shí)，時(shí)， 變大變大時(shí)，時(shí)， 變小變小Redu第7頁(yè)/共36頁(yè)第七頁(yè)，共37頁(yè)。Why？Why？因?yàn)椋汗軆?nèi)未充分發(fā)展，層流底層較薄，熱阻較小。 若不滿足(mnz)(mnz)適用范圍時(shí)，需修正： （1）對(duì)于(duy)短管，L/d100即可達(dá)到湍流。式（5-72）0.412=Re PrnNu C C第9頁(yè)/共36頁(yè)第九頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種( zhn)情形下的經(jīng)驗(yàn)式4 4、自然(zrn)(zrn)對(duì)流 （大空間） nGr

6、CNu，Pr C、n為經(jīng)驗(yàn)(jngyn)常數(shù)。 式（5-75）第10頁(yè)/共36頁(yè)第十頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種( zhn)情形下的經(jīng)驗(yàn)式（二）有相變 滴狀冷凝滴狀冷凝膜狀冷凝膜狀冷凝 熱流方向 蒸汽 ts 熱流方向 蒸汽 ts 膜膜滴滴 豎直壁面：先層流(cn li)，后湍流 層流(cn li)：式（5-79）、式（5-79 b ） 湍流：式（5-82）1 1、冷凝(lngnng)(lngnng)傳熱 沸騰沸騰冷凝冷凝膜狀冷凝：膜狀冷凝：液膜是主要熱阻液膜是主要熱阻水平圓管外： 層流：式（5-80）第11頁(yè)/共36頁(yè)第十一頁(yè)，共37頁(yè)。why？水平(shupng)管束：膜狀冷凝傳熱的強(qiáng)化： 減薄冷

7、凝液液膜厚度；選擇正確的蒸汽流動(dòng)方向；在傳熱面上垂直方向上刻槽或安裝若干條金屬絲等；用過熱蒸汽；及時(shí)(jsh)排放不凝性氣體。第一排的與單管相似(xin s)，第二排的比第一排小，第三排的比第二排小，若干排后，基本上不變。平均比單排的小（式5-80與5-80a對(duì)比） 。膜狀冷凝：膜狀冷凝：第12頁(yè)/共36頁(yè)第十二頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種( zhn)情形下的經(jīng)驗(yàn)式2 2、沸騰(fitng)(fitng)傳熱（大容積）（1）產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象(xinxing)的必要條件： 液體過熱、 有汽化核心（2 2）沸騰傳熱機(jī)理：）沸騰傳熱機(jī)理：氣泡的不斷形成、長(zhǎng)大、脫離壁面，熱量隨氣氣泡的不斷形成、長(zhǎng)大、脫離壁面，

8、熱量隨氣泡被帶入液體內(nèi)部；同時(shí)引起液體的攪動(dòng)。泡被帶入液體內(nèi)部；同時(shí)引起液體的攪動(dòng)。第13頁(yè)/共36頁(yè)第十三頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種( zhn)情形下的經(jīng)驗(yàn)式（3 3）大容積沸騰(fitng)(fitng)傳熱的沸騰(fitng)(fitng)曲線加加熱熱t(yī)wts氣 泡 產(chǎn)生和 脫 離頻率很快大量氣泡在加熱面上匯合，形成蒸汽膜沸騰(fitng)曲線 log 過熱度（tw-ts） 過熱度不大，氣泡沒有； 輻射影響加強(qiáng)膜狀沸騰 自然對(duì)流核狀沸騰工業(yè)上常用工業(yè)上常用第14頁(yè)/共36頁(yè)第十四頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種( zhn)情形下的經(jīng)驗(yàn)式（4）核狀沸騰傳熱系數(shù)的主要影響(yngxing)因素： 表面粗糙

9、度：粗糙表面大，但粗糙度達(dá)到一定(ydng)(ydng)極限后， 就基本上沒影響了。過熱度： 與 t t的2 23 3次方成正比。第15頁(yè)/共36頁(yè)第十五頁(yè)，共37頁(yè)。二、各種情形(qng xing)下的經(jīng)驗(yàn)式對(duì)流(duli)(duli)傳熱系數(shù)小結(jié) 有相變有相變無(wú)相變無(wú)相變 自然對(duì)流自然對(duì)流管束外管束外水平圓管外水平圓管外外壁外壁湍流湍流層流層流管內(nèi)管內(nèi) 沸騰傳熱沸騰傳熱冷凝傳熱冷凝傳熱注意(zh y)(zh y)經(jīng)驗(yàn)式的適用范圍、定性溫度、定性尺寸第16頁(yè)/共36頁(yè)第十六頁(yè)，共37頁(yè)。 的數(shù)量級(jí) KmWKmW22/30030/255強(qiáng)強(qiáng)制制對(duì)對(duì)流流：自自然然對(duì)對(duì)流流： KmWKmWKmWK

10、mW2222/300001500/150005000/80001000/1000200水沸騰：水沸騰：蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流：自然對(duì)流：自然對(duì)流：空氣(kngq)中水中無(wú)無(wú)相相變變有有相相變變 自自然然強(qiáng)強(qiáng)制制 gl 總之： KmWKmW22/3000500/1500500蒸蒸汽汽冷冷凝凝：強(qiáng)強(qiáng)制制對(duì)對(duì)流流：油類中返回(fnhu)(fnhu)目錄第17頁(yè)/共36頁(yè)第十七頁(yè)，共37頁(yè)。第六節(jié) 輻射(fsh)傳熱一、基本概念 Q（投入） QR（反射） QA（吸收） QD（透過） DRAQQQQ 吸收率吸收率 QQAA反射率反射率 QQRR透透過過率率 QQDD1、什么是輻射(fsh

11、)傳熱？2、吸收率、發(fā)射率、透過(tu u)率1 DRA熱輻射線波長(zhǎng)在0.4 m40 m，主要有可見光、紅外線靠電磁波傳熱的方式，稱為?？侩姶挪▊鳠岬姆绞?，稱為。 自然界中凡是溫度在0 0 K K以上的物體，都會(huì)不停地向四周發(fā)射熱輻射能。第18頁(yè)/共36頁(yè)第十八頁(yè)，共37頁(yè)。3黑體(hit)、白體、透熱體、灰體灰體-以相同的吸收率吸收所有(suyu)波長(zhǎng)的熱輻射能的物體。工業(yè)用的大多數(shù)固體材料可近似為灰體。-透熱體，如單原子(yunz)或?qū)ΨQ雙原子(yunz)構(gòu)成的氣 體（ He ， H2，O2 等）吸收率吸收率A1 1反射率反射率R1 1透過率透過率D1 1-絕對(duì)黑體，如沒有光澤的黑漆-絕對(duì)

12、白體或鏡體，如十分光亮的金屬 如圖可見，實(shí)際物體的輻射特性曲線過于復(fù)雜，工程上為方便處理，以灰體近似替代實(shí)際物體。！注意：！注意：灰體是一種假想體。灰體是一種假想體。第19頁(yè)/共36頁(yè)第十九頁(yè)，共37頁(yè)。二、物體的輻射(fsh)（發(fā)射）能力 0 dEEbb4040100 TCTEb 輻射能力：?jiǎn)挝粫r(shí)間(shjin)、單位面積上對(duì)所有波長(zhǎng)輻射線的輻射 能量，用E表示，單位W/m2。又稱發(fā)射能力。根據(jù)普朗克量子(lingz)理論，有 1251 TCbeCE 1、黑體的輻射能力Eb所有物體中，黑體的發(fā)射能力最強(qiáng)。所有物體中，黑體的發(fā)射能力最強(qiáng)。-斯蒂芬波爾茨曼定律 第20頁(yè)/共36頁(yè)第二十頁(yè)，共37

13、頁(yè)。二、物體的輻射（發(fā)射(fsh)）能力bEE bbEAEE)1( bEEA A -黑度(hi d)（或輻射率）屬物性(w xn)，與材料性質(zhì)和溫度、濃度等有關(guān)3、 與A的關(guān)系-克希霍夫定律2 2、灰體的輻射能力E灰體 黑體 T1T2EEbAEbbEA)1 ( T TbEE 比黑體的小。比黑體的小。對(duì)虛線所示面能量衡算：對(duì)虛線所示面能量衡算：如圖兩壁面無(wú)限大且相距很近。如圖兩壁面無(wú)限大且相距很近。注意：只是數(shù)值上相等發(fā)射能力強(qiáng)的吸收能力也強(qiáng)第21頁(yè)/共36頁(yè)第二十一頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉體系(tx)的輻射傳熱速率 B A 如圖兩物體之間的輻射傳熱量如圖兩物體之間的輻射傳熱量QAB不

14、僅與兩物不僅與兩物體的發(fā)射能力有關(guān)體的發(fā)射能力有關(guān)(yugun)，還與兩者的相互位置，還與兩者的相互位置、周圍環(huán)境的對(duì)其輻射有關(guān)、周圍環(huán)境的對(duì)其輻射有關(guān)(yugun)，很復(fù)雜。本，很復(fù)雜。本節(jié)重點(diǎn)討論兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱速率節(jié)重點(diǎn)討論兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱速率的計(jì)算。的計(jì)算。QAB環(huán)境(hunjng)環(huán)境第22頁(yè)/共36頁(yè)第二十二頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉(fngb)體系的輻射傳熱速率 j j r i i 影響角系數(shù)的因素： 兩物體間的距離r、兩物體表面積A、兩物體的放置(fngzh)角度等。1、角系數(shù)(xsh)輻射能被攔截的百分?jǐn)?shù)，用 12、 21表示 jiijA

15、AjiijjjiA AijjiiijdAdArAdAdArA22coscos1coscos1 可以證明：jijijiAA 第23頁(yè)/共36頁(yè)第二十三頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱(chun r)速率 11 Nkik 12112 4 5 3 1 2 思考思考2：如圖，兩相距很近的無(wú)限大平板：如圖，兩相距很近的無(wú)限大平板(pngbn)，角系數(shù)為多少？，角系數(shù)為多少？思考思考(sko)1(sko)1：如圖，由：如圖，由N N個(gè)面組成的閉合體，個(gè)面組成的閉合體，任一面的所有角系數(shù)之和為多少？任一面的所有角系數(shù)之和為多少？第24頁(yè)/共36頁(yè)第二十四頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉體系

16、的輻射(fsh)傳熱速率GEJ)1( -投入(tur)輻射,W/m2-有效(yuxio)輻射， W/m22、幾個(gè)概念物體與環(huán)境交換的熱量JGq 物體物體環(huán)境環(huán)境GJq 或或第25頁(yè)/共36頁(yè)第二十五頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成(z chn)的封閉體系的輻射傳熱速率 1 2 T1 T2 3、對(duì)兩灰體組成的封閉(fngb)體系的輻射傳熱速率Q1-2： 2 1 1 2 T1 T211111111)1 ()1 (GEGEJb 111111 bEJG22222222)1 ()1 (GEGEJb 222221 bEJG 111121AGJQQ 環(huán)境環(huán)境 2222AGJQ 環(huán)境環(huán)境GEJ)1 ( 對(duì)灰體對(duì)灰

17、體1 1（灰體（灰體2 2）表面）表面(biomin)(biomin)作熱量衡算，有：作熱量衡算，有：J J1 1G G1 1第26頁(yè)/共36頁(yè)第二十六頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉體系(tx)的輻射傳熱速率2222221111112111AEJJAEJJQbb 22222222222111111111111111AEJAJEAJEAJEbbbb 212121 AA 1211 AJ12121211 AJJQ 212211 AJJ 2122 AJ 21Q對(duì)灰體對(duì)灰體1 1與灰體與灰體2 2之間的任一面之間的任一面(y min)(y min)作熱量衡算，有：作熱量衡算，有： 1 2 T1 T2

18、 表面(biomin)(biomin)熱阻表面熱阻J J1 1J J2 2空間熱阻加和定理第27頁(yè)/共36頁(yè)第二十七頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成(z chn)的封閉體系的輻射傳熱速率輻射熱阻輻射熱阻推動(dòng)力推動(dòng)力 2221112112121111AAAEEQbb 空間熱阻表面熱阻輻射熱阻輻射熱阻推動(dòng)力推動(dòng)力 2221112112121111AAAEEQbb 424121100100TTAC小小（式（式5-985-98，式，式5-1025-102）第28頁(yè)/共36頁(yè)第二十八頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱(chun r)速率 424121100100TTAC小小空間熱阻表面熱阻輻射

19、熱阻輻射熱阻推動(dòng)力推動(dòng)力 2221112112121111AAAEEQbb （式（式5-985-98，式，式5-1025-102） 11121021 CC 1-2=1，A1=A2=A小0121CC 1 2 T1 T2 1-2=1，021 AA（式5-975-97）具體(jt)(jt)地： 1 2 T1 T2 1-2=1，212211211AAAAC （式5-1015-101）A1=A小第29頁(yè)/共36頁(yè)第二十九頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉體系(tx)的輻射傳熱速率 1 322222333232331313211111212222333232323313132111113123312111

20、1111111111AAAAAAEEAAAEEAAAEEQQQbbbbbb 思考：如圖所示，寫出兩無(wú)限大平行平板之間平行插入第三塊板時(shí)的輻思考：如圖所示，寫出兩無(wú)限大平行平板之間平行插入第三塊板時(shí)的輻射射(fsh)傳熱量計(jì)算式。傳熱量計(jì)算式。表面表面(biomin)(biomin)熱阻熱阻空間熱阻空間熱阻空間熱阻空間熱阻表面熱阻表面熱阻表面熱阻表面熱阻表面熱阻表面熱阻32123211AAA 第30頁(yè)/共36頁(yè)第三十頁(yè)，共37頁(yè)。三、兩灰體組成的封閉體系的輻射傳熱(chun r)速率2121 QQ顯顯然然， 1 32 223131212112111 AEEQbb對(duì)照：兩無(wú)限大平行平板之間的輻射對(duì)照：兩無(wú)限大平行平板之間的輻射(fsh)(fsh)傳熱傳熱 111212121 AEEQbb熱屏第31頁(yè)/共36頁(yè)第三十一頁(yè)，共37頁(yè)。2221112112121111AAAEEQbb 影響(yngxing)(yngxing)輻射傳熱的因素： QT, Q, u溫度(wnd)：與T4有關(guān)，u表面(biomin)黑度：u介質(zhì)：如插入熱屏，增大熱阻，減小Qu幾何位置： 1-21-2第3