11hx化工基础(教案)-第三章3打

13.3对流传热本节重点：牛顿冷却定律，对流传热计算本节难点：对流传热机理对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。3.3.1对流传热过程分析给热----流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的状况有关。在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有层流和湍流。层流流动时，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流，此时传热速率小，应尽量避免此种情况。流体在换热器内的流动大多数情况下为湍流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情况。流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。湍流核心（湍流区）：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。过渡区域（过渡层）：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。传热边界层或温度边界层：沿热流方向上，流体温度发生显著变化的区域或形成显著的温度梯度的虚拟流体层。传热边界层:=层流底层+过渡层2对流传热（给热）机理:热量通过传热边界层外对流传热+热量通过传热边界层的热传导(传热的主要矛盾)传热边界层和流动边界层温度梯度和速度梯度根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。3.3.2对流传热基本方程对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。建立膜模型：te式中t──总有效膜厚度；e──湍流区虚拟膜厚度；──层流底层膜厚度。使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：流体被冷却：)T(1,Wt,1TAq流体被加热：)TT(w,22,Aqt设t,对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述：流体被冷却：A1TT)(11,WW,11TTAq（3-7a）3流体被加热：A1TT)TT(22Ww,22，Aq(3-7b)式中q──对流传热速率，W；1,2──对流传热（给热）系数，W/(m2·℃)；Tw，1，Tw，2──壁温，℃；T,T′──流体（平均）温度，℃；A──对流传热面积，m2。---流体导热系数与传热边界层之比称为对流给热系数又称为传热分系数。物理意义：p40对流传热一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中──复杂问题简单化表示。3.3.3对流给热系数1、影响对流给热的因素对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。（1）.引起流动的原因自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u（流速）较小，也较小。强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。自强（2）.流体的物性当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响较大的物性有：，，，cp。的影响：；的影响：Re；cp的影响：cp单位体积流体的热容量大，则较大；的影响:Re（3）.流动型态层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。,Re；但Re动力消耗大。层湍4（4）.传热面的形状、大小和位置不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。（1）形状：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管径和管长等；（3）位置：比如管子排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。（5）.是否发生相变主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于cp）。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同复杂。无相变相变2、对流传热过程中的特征数lNuNusselt（努塞尔）待定准数（包含对流传热系数）duReReynolds（雷诺）表流体流动型态对对流传热的影响。pcPrPrandtl（普兰特）反映流体物性对对流传热的影响223tlgGrGrashof（格拉斯霍夫）表自然对流对对流传热影响3.3.4对流传热系数的经验关联式流体在圆形直管内无相变强制对流时的表面传热系数的经验关联式m8.0PrRe023.0Nu（3-8）无相变，低粘度流体，2×10-5Pa.sm8.0)()(023.0pcdud（3-9）5粘性流体两式使用范围：Re10000，0.7Pr120，l/d≥60注意事项：（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm；（2）特征尺寸为管内径di；（3）流体被加热时，m＝0.4，流体被冷却时，m＝0.3；某平壁厚0.40m，内外表面温度为1500℃和300℃，壁材料的导热系数λ=0.815+0.00076t[Wm-1℃-1]求：通过每平方米壁面的导热速率。（g=4500W/m2）有一列管式换热器，由38根φ25X2.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20℃被加热至80℃，苯的流量为10.2Kg/s，试求：1管壁对苯的对流传热系数；2若苯的流量提高一倍，对流传热系数有何变化（1a=1492Wm-2℃-12a`=2598Wm-2℃-1）若忽略定性温度的变化，当苯流量增大一倍时，管内流速为原来2倍。由于8.0Rea8.0u所以a`=a(ReRe`)80.=1492X28.0=2598Wm2℃1