化工原理傳熱2

1、4.3.2 對(duì)流傳熱速率方程和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)流傳熱速率方程和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（1）牛頓冷卻定律）牛頓冷卻定律thAhAt1thq或：。：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，KW/m2h：流體與壁溫之差。t熱流體冷流體thtcth,wtc,w 流體通過(guò)間壁的熱交換th1th2tc1tc2說(shuō)明說(shuō)明： 實(shí)驗(yàn)定律； 對(duì)壁兩側(cè)流體(冷、熱)均適用。熱流體：熱流體： 冷流體冷流體： )(wh,hhhttAh)(cwc,ccttAhAhttccwc,1 h h是計(jì)算關(guān)鍵，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。是計(jì)算關(guān)鍵，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。Ahtthwh,h1（2）對(duì)流傳熱過(guò)程的簡(jiǎn)化模型）對(duì)流傳熱過(guò)程的簡(jiǎn)化模型 真實(shí)模型真實(shí)模型 流體主體 過(guò)渡層 層流內(nèi)層

2、對(duì)流 對(duì)流，導(dǎo)熱 導(dǎo)熱 研究方法研究方法：計(jì)算各層的熱流量。thmtcmL1thwL212tCW簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型 有效膜（虛擬膜）：有效膜（虛擬膜）：集中全部溫差，以熱傳導(dǎo)方式傳熱。)/(11wh,hAtt由傅里葉定律：（有利于傳熱），則，一定時(shí)，hRet優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：對(duì)流傳熱問(wèn)題 導(dǎo)熱問(wèn)題。，層流內(nèi)層厚度減薄，湍動(dòng)程度h代價(jià)代價(jià)：動(dòng)力消耗。4.4 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)4.4.1 影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素 （2）流體流動(dòng)原因）流體流動(dòng)原因 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流：外部機(jī)械作功， 一般流速較大， h也較大。 自然對(duì)流自然對(duì)流：由流體密度差造成的循環(huán)過(guò)程, 一般

3、流速較小，h也較小。（1）流體流動(dòng)狀態(tài)）流體流動(dòng)狀態(tài)h，：hRe，：。，單位體積流體的熱容量：C)kJ/(m3 ppcchcp，hRe，：（3）流體的物理性質(zhì)）流體的物理性質(zhì) 定性溫度：定性溫度：計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的特征溫度 一般，)(2121mttt（4）傳熱面的形狀、位置和大?。﹤鳠崦娴男螤睢⑽恢煤痛笮?壁面的形狀，尺寸，位置、管排列方式等， 造成邊界層分離，增加湍動(dòng)，使h增大。（5）相變化的影響）相變化的影響 有相變傳熱有相變傳熱：蒸汽冷凝、液體沸騰， 無(wú)相變傳熱：無(wú)相變傳熱：強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流， 一般地，有相變時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 例例：水 強(qiáng)制對(duì)流， 蒸汽冷凝，K)W/(m100002

4、502：hK)W/(m1500050002：h4.4.2 無(wú)相變化時(shí)對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析無(wú)相變化時(shí)對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析 （1）量綱分析過(guò)程）量綱分析過(guò)程優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)；依據(jù)：依據(jù)：物理方程各項(xiàng)量綱一致；步驟：步驟：（a）通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察，確定相關(guān)因素；）通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察，確定相關(guān)因素；（b）構(gòu)造函數(shù)形式；）構(gòu)造函數(shù)形式；hfedcbatgclKuh)(pifpatglcluKhl)()()(223)(pctglufh，無(wú)相變：（c）列出量綱指數(shù)的線(xiàn)性方程組（）列出量綱指數(shù)的線(xiàn)性方程組（M、L、T、 ）；）；（d）規(guī)定已知量（指數(shù)），）規(guī)定已知量（指數(shù)）， 確定余下指數(shù)

5、表達(dá)式；確定余下指數(shù)表達(dá)式；（e）整理特征數(shù)方程形式。）整理特征數(shù)方程形式。注意：注意：（1）適用范圍）適用范圍 不能超出適用范圍（2）定性溫度）定性溫度 2;221WmWmtttttt（3）特征尺寸）特征尺寸 d; de（4 4）計(jì)量單位）計(jì)量單位 統(tǒng)一單位制)(GrPrRefNu，無(wú)相變對(duì)流傳熱：努賽爾數(shù)努賽爾數(shù)hlNu ltyty0)dd(平均溫度梯度壁面處溫度梯度無(wú)量綱溫度梯度說(shuō)明：說(shuō)明： 反映對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱，包含表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； 努賽爾數(shù)恒大于1。粘滯力慣性力duuduRe2 說(shuō)明：說(shuō)明： 反映流動(dòng)狀態(tài)對(duì) h 的影響。l：特征尺寸：特征尺寸，平板 流動(dòng)方向的板長(zhǎng)； 管 管徑或當(dāng)量直徑；

6、thytq0y)dd(（2）特征數(shù)的物理意義）特征數(shù)的物理意義雷諾數(shù)雷諾數(shù) 普朗特?cái)?shù)普朗特?cái)?shù)ppccPr/熱擴(kuò)散系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘度)()(av說(shuō)明：說(shuō)明： 反映流體物性對(duì)傳熱的影響。 反映熱擴(kuò)散和動(dòng)量擴(kuò)散的相對(duì)大小。 反映流動(dòng)邊界層和熱邊界層的相對(duì)厚度。t1，avPrt1，avPrt1，avPr使用時(shí)注意使用時(shí)注意： * 查取定性溫度下的物性； * 計(jì)算所用單位，SI制。說(shuō)明：說(shuō)明： 反映自然對(duì)流的強(qiáng)弱程度。 格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)（浮升力特征數(shù)）浮升力特征數(shù)）223tlgGr化。：?jiǎn)挝惑w積流體浮力變tg )(PrRefNu，1 . 0/2ReGr)(PrGrfNu，10/2ReG

7、r)(PrGrRefNu，10/1 . 02ReGr22)(bbRelu。：體積膨脹系數(shù)，C/ 1數(shù)。：表示自然對(duì)流的雷諾bRe強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流自然對(duì)流混合對(duì)流混合對(duì)流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流Nu/Pr0.4與Re的關(guān)系Nu / Pr0.4Re14.4.3 無(wú)相變化的對(duì)流傳熱無(wú)相變化的對(duì)流傳熱（1）管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱）管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱 一般關(guān)系式： nmPrCReNu 傳熱流動(dòng)狀態(tài)劃分（傳熱流動(dòng)狀態(tài)劃分（區(qū)別于流體流動(dòng)時(shí)規(guī)律 ）2300Re層流：10000Re湍流：100002300 Re過(guò)渡流： 流體在圓形直管內(nèi)

8、流體在圓形直管內(nèi)湍流時(shí)湍流時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)nPrReNu8 . 0023. 0npcuddh8 . 0ii023. 0或：a) 一般流體一般流體流動(dòng)狀態(tài)不同，則 c、m、n 值不同流體被加熱，n= 0.4流體被冷卻，n= 0.310000Re1606 . 0 Pr50/dlsPa1023定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管內(nèi)徑di10000RenrP保證流體達(dá)到傳熱湍流；適用條件適用條件：說(shuō)明說(shuō)明：50/dl避開(kāi)傳熱進(jìn)口段，保證穩(wěn)態(tài)傳熱。 傳熱進(jìn)口段傳熱進(jìn)口段：傳熱正在發(fā)展，h不穩(wěn)定 (隨管長(zhǎng)增加h減小)OxNux或hxNuxhx Nux或hx的變

9、化趨勢(shì)tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分發(fā)展了的邊界層 層流情況下流體在管內(nèi)溫度分布進(jìn)口段溫度分布和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化傳熱進(jìn)口段長(zhǎng)度傳熱進(jìn)口段長(zhǎng)度：進(jìn)口到傳熱邊界層匯合點(diǎn)間的長(zhǎng)度。說(shuō)明：經(jīng)驗(yàn)公式，有一定誤差。說(shuō)明：經(jīng)驗(yàn)公式，有一定誤差。dx50ent湍流：b)粘度較大粘度較大流體流體14. 0w33. 08 . 0)/(027. 0PrReNu 近似取：05. 1)(14. 0w流體被加熱：95. 0)(14. 0w流體被冷卻：RePrdx05. 0ent層流：適用條件：適用條件： 10000Re1677 . 0Pr60/ dl定性溫度：定性溫度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：

10、特征尺寸：管內(nèi)徑dic)流體流過(guò)流體流過(guò)短管短管（l/d80，邊界層分離，使h，有一個(gè)最低點(diǎn)。 2 2）高雷諾數(shù)）高雷諾數(shù)（140000219000）有兩個(gè)最低點(diǎn)： N01： =7080，層流邊界 層湍流邊界層； N02： =140（分離點(diǎn)）， 發(fā)生邊界分離。400300200100500800700600160o120o40o0o80oNu不同Re下流體橫向流過(guò)圓管時(shí)局部努塞爾數(shù)的變化Re=219000186000140000101300708001700003/1PrCReNun常數(shù)C、指數(shù)n見(jiàn)下表沿整個(gè)管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：沿整個(gè)管周的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：ReCn0.4444040400

11、0400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：特征尺寸：管外徑 管束的排列方式管束的排列方式 直列（正方形）、 錯(cuò)列（正三角形） b) 流體流體橫向橫向流過(guò)流過(guò)管束管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)x2x1d直列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)特性的示意x1x2d錯(cuò)列管束中管子的排列和流體在管束中運(yùn)動(dòng)特性的示意直列直列第一排管第一排管 直接沖刷 ；第二排管第二排管 不直接沖刷，擾動(dòng)減弱；第二排管以后基本恒定。第二排管以后基本恒定。錯(cuò)列錯(cuò)列第一排管第一排管 錯(cuò)列和直列基本相同； 第二排管第

12、二排管 錯(cuò)列和直列相差較大， 阻擋減弱，沖刷增強(qiáng)； 第三排管以后基本恒定。第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d各排管各排管h的變化規(guī)律的變化規(guī)律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oNu2.01.8150o180o0o90o180o直列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣）1237Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60o2.01.8150o180o0o90o180o錯(cuò)列管束中，不同排數(shù)的圓管上局部h沿周向的變化（Re=1.4104，空氣） 可以看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好?？梢?/p>

13、看出，錯(cuò)列傳熱效果比直列好。傳熱系數(shù)的計(jì)算方法傳熱系數(shù)的計(jì)算方法 任一排管子任一排管子：4 .0PrReCNunC、n 取決于管排列方式和管排數(shù)。特征尺寸：特征尺寸：管外徑700005000Re52 . 1/1dx52 . 1/2dx適用范圍：適用范圍：iiiAAhh/整個(gè)管束平均：3/16 . 033. 0PrReNu 大致估算： c) 流體在列管換熱器管殼間的傳熱流體在列管換熱器管殼間的傳熱裝有圓缺折流板的列管換熱器 圓缺折流板管板折流擋板折流擋板 ： 殼程流體的流動(dòng)方向不斷改變， 較小Re（Re = 100），即可達(dá)到湍流。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：流動(dòng)阻力，殼程壓降的重要因素。作用作用： 提高湍動(dòng)程

14、度，h，強(qiáng)化傳熱； 加固、支撐殼體。 圓缺折流板示意圖管板1010210310410102114. 0w31管殼式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算曲線(xiàn)ReNuPr有折流擋板時(shí)殼程流體有折流擋板時(shí)殼程流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：14. 0w3/155. 0)/(36. 0PrReNu 14. 0w3/155. 0e)/(36. 0PrRedh 或：6102000 Re適用條件：擋板切割度：25%D。2/ )(21mttt定性溫度：特征尺寸：特征尺寸：流道的當(dāng)量直徑。o2o2e)4(4ddtd正方形排列正方形排列dot也可采用關(guān)聯(lián)式：o2o2e)423(4ddtd正三角形排列正三角形排列 流速的確定流速

15、的確定：按最大流通截面 (最小流速) 計(jì)算。 12SS 一般地，)1 (otdBDSDS1S2B 說(shuō)明：說(shuō)明： 無(wú)折流板時(shí)，無(wú)折流板時(shí)，流體平行流過(guò)管束， 按管內(nèi)公式計(jì)算，特征尺寸為當(dāng)量直徑。當(dāng)量直徑。dot(3) 自然對(duì)流傳熱自然對(duì)流傳熱 溫度差引起流體密度不均，導(dǎo)致流體流動(dòng)。 分類(lèi)：分類(lèi)：大空間自然對(duì)流傳熱大空間自然對(duì)流傳熱：邊界層發(fā)展不受限制和干擾。 有限空間自然對(duì)流傳熱：有限空間自然對(duì)流傳熱：邊界層發(fā)展受到限制和干擾。大空間自然對(duì)流傳熱大空間自然對(duì)流傳熱：大空間內(nèi)流體沿垂直壁面進(jìn)行自然對(duì)流：大空間內(nèi)流體沿垂直壁面進(jìn)行自然對(duì)流：豎直壁面上表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分布近壁處溫度與流速的分布 沿豎壁自

16、然對(duì)流的流動(dòng)和換熱特征ut,hw,htht1htuyxxh00表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求?。罕砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求?。翰閳D求解查圖求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流體沿垂直壁面垂直壁面作自然對(duì)流時(shí)lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線(xiàn)lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流體沿水平壁面水平壁面作自然對(duì)流時(shí)lg(Nu)與lg(GrPr)的關(guān)系曲線(xiàn)lg(GrPr)lg(Nu)nGrPrCNu)(大空間內(nèi)流體沿垂直或水平壁面進(jìn)行自然對(duì)流傳熱時(shí)：定性溫度：定性溫度：膜溫 2/ )2(w21mtttt定

17、型尺寸：定型尺寸：豎板，豎管，L； 水平管，外徑 do影響因素：影響因素：物性，傳熱面積、形狀、放置方式；系數(shù)系數(shù)C和指數(shù)和指數(shù)n的取值見(jiàn)下表：的取值見(jiàn)下表： 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)doL傳熱面的形狀及位置GrPrCn特征長(zhǎng)度垂直的平板及圓柱面10-1104104 109109 1013查圖4.1.15(a) 0.59 0.1查圖4.1.15(a)1/41/3高度L水平圓柱面 010-510-510410410910910110.4查圖4.1.15(b)0.530.130查圖4.1.15(b)1/41/3外徑d0水平板熱面朝上或水平板冷面朝下21048106 810610110.540.151/41

18、/3矩形取兩邊平均值圓盤(pán)0.9d狹長(zhǎng)條取短邊水平板熱面朝下或水平板冷面朝上10510110.581/5有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn)有相變對(duì)流傳熱的特點(diǎn)相變過(guò)程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；相變過(guò)程中產(chǎn)生大量相變熱（潛熱）；例例：水 4.4.4 有相變化的對(duì)流傳熱有相變化的對(duì)流傳熱kJ/kg4 .2258 C100r時(shí)，汽化潛熱C)kg/(187. 4C1000 kJcp，比熱無(wú)相變相變一般：hh相變過(guò)程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；相變過(guò)程有其特殊傳熱規(guī)律，傳熱更為復(fù)雜；分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況分為蒸汽冷凝與液體沸騰兩種情況。(1) 蒸汽冷凝機(jī)理蒸汽冷凝機(jī)理 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作

19、時(shí)易于控制 蒸汽冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。 冷凝方式：冷凝方式： 膜狀冷凝膜狀冷凝 凝液呈液膜狀（附著力大于表面張力）， 熱量：蒸汽相液膜表面固體壁面。 滴狀冷凝滴狀冷凝 凝液結(jié)為小液滴（附著力小于表面張力）， 有裸露壁面，直接傳遞相變熱。比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比較兩種冷凝方式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h滴狀冷凝滴狀冷凝h膜狀冷凝膜狀冷凝，相差幾倍到幾十倍， 但工業(yè)操作工業(yè)操作上，多為膜狀冷凝。膜狀冷凝滴狀冷凝(2) 膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)膜狀冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 努塞爾方程的理論推導(dǎo)努塞爾方程的理論推導(dǎo) 研究：研究：垂直管外或壁面的膜狀膜狀冷凝；方法：方法：真實(shí)模型簡(jiǎn)化模型數(shù)學(xué)模型求解。 膜狀冷凝的真實(shí)過(guò)程膜狀冷凝的真實(shí)過(guò)程 hx汽、液相物性為常數(shù)，壁面溫度恒定，膜表面溫度t=ts；冷凝液為飽和液體。 簡(jiǎn)化的物理模型簡(jiǎn)化的物理模型 液膜很薄，層流層流流動(dòng)，傳熱方式為導(dǎo)熱導(dǎo)熱，溫度分布為線(xiàn)性； 蒸汽靜止，汽-液界面無(wú)粘性應(yīng)力 ；0|yyuxxbyuxdddxbygd)(bstsh,tWh,tyth,x,yuyxxd0yuxyx努塞爾特膜狀冷凝簡(jiǎn)化模型 建立數(shù)學(xué)模型求解建立數(shù)學(xué)模型求解 按假設(shè)， xh推導(dǎo)膜厚推導(dǎo)膜厚： 412x)4(grtxh壁溫膜表面溫