化工流體流動與傳熱 對流傳熱概述

化工流體流動與傳熱對流傳熱概述1第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月流體流過固體壁面(流體溫度與壁面溫度不同)時的傳熱過程稱為對流傳熱。流體無相變的對流傳熱①強(qiáng)制對流傳熱②自然對流傳熱流體有相變的對流傳熱①蒸氣冷凝②液體沸騰

4.3對流傳熱概述根據(jù)流體在傳熱過程中的狀態(tài)：2第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.3對流傳熱概述1.對流傳熱速率方程4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)3第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

對流傳熱是一復(fù)雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，而且不同的對流傳熱情況又有差別，因此對流傳熱的理論計(jì)算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經(jīng)驗(yàn)方法處理。1.對流傳熱速率方程對流傳熱速率=對流傳熱推動力/對流傳熱阻力=系數(shù)×推動力4第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述溫度差局部對流傳熱系數(shù)微分對流傳熱通量1.對流傳熱速率方程5第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)表面積。例如，若熱流體在換熱器的管內(nèi)流動，冷流體在管間(環(huán)隙)流動，則對流傳熱速率方程式可分別表示為1.對流傳熱速率方程6第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.3對流傳熱概述1.對流傳熱速率方程4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)2.對流傳熱系數(shù)7第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.對流傳熱系數(shù)牛頓冷卻定律也是對流傳熱系數(shù)的定義式，即對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，其單位為W/(m2·℃)。它反映了對流傳熱的快慢，α愈大表示對流傳熱愈快。表4-5列出了幾種對流傳熱情況下α的數(shù)值范圍。8第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.3對流傳熱概述4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)4.3.2

對流傳熱機(jī)理簡介1.對流傳熱分析9第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月對流傳熱是借流體質(zhì)點(diǎn)的移動和混合而完成的，因此對流傳熱與流體流動狀況密切相關(guān)。對流傳熱圖4-13對流傳熱的溫度分布情況1.對流傳熱分析10第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)流體流過固體壁面時，由于流體黏性的作用，使壁面附近的流體減速而形成流動邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度。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1.對流傳熱分析11第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月層流內(nèi)層緩沖層湍流核心湍流邊界層溫度梯度較大居中較小熱阻較大居中較小1.對流傳熱分析12第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。對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)化對流傳熱的主要途徑。1.對流傳熱分析13第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.熱邊界層靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層14第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-14平板上的熱邊界層o2.熱邊界層15第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月若緊靠壁面處薄層流體內(nèi)的傳熱只能是熱傳導(dǎo)，則傳熱速率可用傅里葉定律表示，即緊靠壁面處薄層流體的溫度梯度2.熱邊界層16第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳熱速率方程為換熱器任一截面上與熱流體相接觸一側(cè)的壁溫?fù)Q熱器任一截面上熱流體的平均溫度2.熱邊界層17第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月因此有上式為對流傳熱系數(shù)的另一定義式，該式表明，對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近的流體層的溫度梯度，就可由該式求得α。熱邊界層的厚薄影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。當(dāng)邊界層內(nèi)、外側(cè)的溫度差一定時，熱邊界層愈薄，則(dt/dy)w愈大，因而α就愈大。反之，則相反。2.熱邊界層18第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月流體在管內(nèi)流動時，熱邊界層的發(fā)展過程也和流動邊界層相似。流體進(jìn)入管口后，邊界層開始沿管長而增厚;在距管入口一定距離處，于管子中心相匯合，邊界層厚度即等于管子的半徑，此時稱為充分發(fā)展流動。流體在管內(nèi)傳熱時，從開始加熱(或冷卻)到α達(dá)到基本穩(wěn)定的這一段距離稱為進(jìn)口段。2.熱邊界層19第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.3對流傳熱概述4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)4.3.2

對流傳熱機(jī)理簡介4.3.3保溫層的臨界直徑20第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

通常，熱損失隨保溫層厚度的增加而減少。但是在小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨保溫層厚度增加，可能反而使熱損失增大。4.3.3保溫層的臨界直徑21第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月式中R1為保溫層的熱傳導(dǎo)熱阻，R2為保溫層外壁與空氣的對流傳熱熱阻。當(dāng)保溫層厚度增加(即ri不變，ro增大)時，熱阻R1雖然增大，但是熱阻R2反而下降，因此有可能使總熱阻(R1+R2)下降，導(dǎo)致熱損失增大。熱損失可表示為4.3.3保溫層的臨界直徑22第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月解得一個Q為最大值時的臨界半徑整理得4.3.3保溫層的臨界直徑23第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月習(xí)慣上以rc表示Q最大時的臨界半徑，故或dc為保溫層的臨界直徑。若保溫層的外徑小于dc

，則增加保溫層的厚度反而使熱損失增大。只有在do>2λ/α下，增加保溫層的厚度才使熱損失減少。4.3.3保溫層的臨界直徑24第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-15保溫層的臨界直徑dc4.3.3保溫層的臨界直徑25第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章傳熱4.1概述

4.2熱傳導(dǎo)

4.3對流傳熱概述4.4傳熱過程計(jì)算4.4.1熱量衡算26第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月假設(shè)換熱器的熱損失可忽略，則單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。對于換熱器的微元面積dS，其熱量衡算式可表示為對于整個換熱器，其熱量衡算式為熱平衡方程27第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月若換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱容不隨溫度而變或可取平均溫度下的比熱容時若換熱器中的熱流體有相變化，例如飽和蒸氣冷凝時熱平衡方程28第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)冷凝液的溫度低于飽和溫度時熱平衡方程29第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章傳熱4.1概述

4.2熱傳導(dǎo)

4.3對流傳熱概述4.4傳熱過程計(jì)算4.4.1熱量衡算4.4.2總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)30第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月通過換熱器中任一微元面積dS的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程，可以仿照對流傳熱速率方程寫出，即1.總傳熱速率微分方程31第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同?？倐鳠崴俾饰⒎址匠?.總傳熱速率微分方程32第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月顯然有管內(nèi)徑管外徑平均管徑工程上大多以外表面積為基準(zhǔn)，故后面討論中，除非特別說明，都是基于外表面積的總傳熱系數(shù)。1.總傳熱速率微分方程33第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.總傳熱系數(shù)1.總傳熱系數(shù)的計(jì)算總傳熱系數(shù)(簡稱傳熱系數(shù))K是評價換熱器性能的一個重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)。

K的數(shù)值與流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等諸多因素有關(guān)，因此K值的變動范圍較大。

K值的來源：①K值的計(jì)算；②實(shí)驗(yàn)查定；③經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。34第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程:①熱流體在流動過程中將熱量傳給管壁的對流傳熱；②通過管壁的熱傳導(dǎo)；③管壁與流動中的冷流體之間的對流傳熱。2.總傳熱系數(shù)35第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率必然相等，即或2.總傳熱系數(shù)36第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月移項(xiàng)后相加，得上式兩邊均除以，并利用，得2.總傳熱系數(shù)37第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月比較2.總傳熱系數(shù)38第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基于管內(nèi)表面積的局部總傳熱系數(shù)基于平均表面積的局部總傳熱系數(shù)基于管外表面積的局部總傳熱系數(shù)得2.總傳熱系數(shù)39第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響，即管壁外表面污垢熱阻管壁內(nèi)表面污垢熱阻總傳熱系數(shù)計(jì)算式某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查附錄。污垢熱阻(又稱污垢系數(shù))2.總傳熱系數(shù)40第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月提高總傳熱系數(shù)途徑的分析總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻壁阻總熱阻管內(nèi)熱阻管內(nèi)垢阻管外垢阻管外熱阻2.總傳熱系數(shù)41第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月若傳熱面為平壁或薄管壁，則當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時若管壁外側(cè)對流傳熱控制，則2.總傳熱系數(shù)42第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月管壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制若管壁內(nèi)、外側(cè)對流傳熱控制相當(dāng)若管壁兩側(cè)對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大污垢熱阻控制若，則2.總傳熱系數(shù)43第43頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月欲提高K值，強(qiáng)化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。

K值總是接近且永遠(yuǎn)小于中的小者。當(dāng)兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時，K近似等于中小者。2.總傳熱系數(shù)44第44頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.K的實(shí)驗(yàn)查定對現(xiàn)有的換熱器，通過實(shí)驗(yàn)測取有關(guān)的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后用總傳熱速率方程式計(jì)算得到K值。實(shí)測的K值不僅可以為換熱器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設(shè)備傳熱能力的途徑。2.總傳熱系數(shù)45第45頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3.總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值某些