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：總熱阻總傳熱推動力KAttKAQ/1mm2、熱傳導：（1）單層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導AbttttAbQ2121)(1212()ttqttbb（2）多層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導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（3）單層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導12212()1lnl ttQrr12()mtttQbRA推動力熱阻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) 對流傳熱對流傳熱流體流動時發(fā)生，依靠流體質點移動而傳熱一、一、對流傳熱方程與對流傳熱系數(shù)對流傳熱方程與對流傳熱系數(shù)dA t2G1，T1G2，t1 T2特點：兩流體的傳熱方向垂直于流動方向環(huán)境工程原理2層流底層：層流底層：熱阻大，溫度梯度大，熱傳導方式湍流核心：湍流核心：熱阻小，溫度梯度小，對流方式過渡區(qū)域：過渡區(qū)域：熱傳導和對流方式有效膜：假設將過度區(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力不易討論傳熱推動力不易討

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

4、 ,(體積膨脹系數(shù),K-1) 強 自 u強 u自 空氣強為10250W/m2； 自可達525W/m2；環(huán)境工程原理23.3.流動形態(tài)流動形態(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?。喝绻軓胶凸荛L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少獲得關聯(lián)式的實驗工作量，將諸影響因數(shù)歸結為幾個量綱為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，時間T，質量M，溫度變量總數(shù)：8個由定律（8-4）=4，可知有4個無因次數(shù)群。hfaGrKNuPrRe三、三、 對流傳熱中的量綱分析對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) 對流傳熱的特征數(shù)Reynolds，雷諾數(shù) 流動型態(tài)對對流傳熱的影響Prandtl，普朗特數(shù) 流體物性對對流傳熱的影響Grashof，格拉斯藿夫數(shù)自然對流對對流傳熱的影響 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雙對數(shù)坐標系中得一直線 斜率為a，截距為lgK（二）實驗安排及結果整理（二）實驗安排及結果整理以實驗確定K、a、f、h強制湍流為例：NuKReaPrf1采用不同Pr的流體，固定Re lgNuf lgPrlg(KRea)雙對數(shù)坐標系得一直線，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)值后的計算對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式稱為關聯(lián)式。使用時注意

8、：關聯(lián)式。使用時注意：1、特征數(shù)值的適用范圍，不能超出。2、特征尺寸：通過實驗確定特征數(shù)時，所選定的對流體流動和傳熱有決定影響的尺寸，稱為特征尺寸l。如圓管用管內徑d；非圓形管取當量直徑d等。3、定性溫度：確定特征數(shù)時，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 取對流動與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。2) 1 (21tttm2)2(mWtt膜溫3準數(shù)關聯(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。不同的實驗條件產(chǎn)生不同的關聯(lián)式，對于某一關聯(lián)式與下述各點緊密連在一起：環(huán)境工程原理2四

9、、四、 液體無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式液體無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式（一）流體在管內的強制對流（一）流體在管內的強制對流1圓形直管內的湍流（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：定性溫度取進出口溫度平均值 特征尺寸為管內徑di 流體被加熱時，n0.4；被冷卻時，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：擾動增大， d ，乘以彎管效應校正系數(shù)177. 11RdR117 . 0ldl(3) 短管：l / d 60，入口處擾動較大，d ，乘以管入口效應校正系數(shù)例4-6，P144環(huán)境工程原理22.圓形直管內 過渡流（2000Re膜 實際以膜狀冷凝為主，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為層流：413213. 1tlgr適用條件：Re液膜流動 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 上述計算應先確定流型再選擇相應公式，獲得后必須要校驗。校驗：冷凝液的液膜沿壁面流

12、動的Re：rtl4Re（4-32）：對流傳熱系數(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化措施冷凝傳熱的影響因素和強化措施1) 流體物性 冷凝液 d, ；冷凝液,；潛熱r d, 2) 溫差 液膜層流流動時，t=tstW，d,3) 不凝氣體 不凝氣體存在，導致 ，定期排放。4）蒸汽流速與流向 （u10m/s ）u 與液膜流動同向時，d ；反向時， d 。5) 蒸汽過熱 包括冷卻和冷凝兩個過程。仍用此關聯(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液層 （二）（二） 液體沸騰時的對流傳熱液體沸騰時的對流傳熱對同一種液體，沸騰傳熱系數(shù)遠大于無相變時的對同一種液體，沸騰傳熱系數(shù)遠大于無相變時的值。值。環(huán)境工程原理22. 沸騰曲線沸騰曲線 1）自然對流階段 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：大，tW小臨界點水在常壓下飽和沸騰的臨界點溫度差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化措施、沸騰傳熱的影響因素及強化措施1）液體的性質 ,強化措施：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 強化措施：將表面腐蝕，燒結金屬粒環(huán)境工程原理2六、六、 選用對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式的注意事項選用對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式的注意事項（1）根據(jù)問題類型，選擇適用的關聯(lián)式；（2）各關聯(lián)式的應用范圍、特性尺寸