4.3 硅酸盐工业热工基础-对流换热

上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3对流换热4.3.1对流换热的基本概念4.3.2对流换热的基本定律4.3.3对流换热的特征数方程4.3.4对流换热量的计算上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.1对流换热的基本概念上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.1对流换热的基本概念4.3.1.1对流换热定义：流体和固体壁面直接接触时彼此之间的热交换过程。对流换热①流体的热对流②流体分子间的导热4.3.1.2对流换热的影响因素(1)流体的流动状态①层流：热量传递——热传导②湍流：热量传递——热传导、对流传热上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程(2)流体流动的动力①自然流动：由于流体内部温度不同导致密度不同而引起的流动②强制流动：受外力影响产生的流动(3)流体的物理性质影响因素有：①比热容：比热越大热流量越大②密度：密度越大热流量越大③热导率：热阻小，热流量越大④粘度：粘度越大热流量越小(4)换热面的形状和位置上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.2对流换热的基本定律上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.2对流换热的基本定律(1)牛顿冷却定律换热的热流量q与固体壁面面积和流体之间温度差成正比。()wfQttAtA……(4-40)Q—对流换热量，W；tf—固体壁面温度，℃；tW—周围流体温度，℃；A—流体与固体接触的面积，m2；—对流换热系数，W/(m2·℃)；QtA……(4-41)上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程(2)的意义是代表对流换热能力大小的一个物理量。表示单位时间内，当流体与固体壁面之间温度差为1℃时，通过单位面积的热量。计算中，将影响Q的全部因素归结到，使计算公式简化。牛顿冷却定律也可以写成下面形势：1tQA……(4-42)由该形式看出对流换热热阻为，计算对流换热问题主要是确定换热系数1/A上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.3对流换热特征数方程上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.3对流换热特征数方程(,,,,,,)pflwcgt……(4-40)gt—流体内部的浮升力4.3.3.1对流换热系数的影响因素影响对流换热系数的因素4.3.3.3对流换热特征数方程(,,,,,,)pflwcgt()abcdefipAlwcgt……(4-44)A是比例系数上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程()abcdefipAlwcgt……(4-44)/QtA由公式(4-41)可知的单位是物理量的量纲为W/(m2·℃)MT-3q-1要使等式成立，首先等式两侧量纲要一致，比如：Fma力的单位是牛顿，量纲为：MLT-2质量的单位是千克，量纲为：M加速度的单位是米每二次方秒，量纲为：L/T2等式两侧量纲一致。将(4-44)式各个物理量的量纲带入等式，得3123113112212()()()()()()()bcdefMTALMLLMTLMTLTLTLTqqq上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程3123113112212()()()()()()()bcdefMTALMLLMTLMTLTLTLTqqq根据量纲的和谐型有：对于M：1bcd对于L：032abcdefi对于T：3322cdefi对于q：1df解上面4式消去4个未知数，并代回到原式得：2feipcllwlgtA上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程2feipcllwlgtAReprNu332lgtGr特征数方程式就是：RePrefiNuAGr或者：(Re,Pr,)NufGr……(4-46)……(4-45)上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程①Nu-努赛尔数/1/llNu表示意义：表示对流换热强烈程度的一个准数。又表示传导热阻与对流热阻之比。4.3.3.4特征数的物理意义特征数：具有一定物理意义的无因次数群。上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程②Re-雷诺数Rewl表示意义：表示流体惯性力与粘滞阻力之比，反映流体流态的准数。③Pr-普朗特数Prpc表示意义：是由物理性质参数组成，是流体的物理性质对对流传热的影响。上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程④Gr-格拉晓夫数322lgtGr表示意义：表示流体浮升力与粘性力之比。表示流体自然流动对对流传热的影响。在自然对流中相当于强制对流的雷诺数，Gr越大，自然对流越强烈。(3)定性温度与定性尺寸定性温度：决定准数中物理参数值的所选定温度。常用定性温度选取原则是选有代表性的温度①流体与固体壁平均温度；②固体壁面温度；③流体平均温度；GrPr109为自然对流的湍流状态。上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程定性尺寸：对流体流动有决定意义的壁面与流体接触的几何尺寸。常见定性尺寸①流体在管道中流动——管道直径或当量直径；②横向掠过单管或管道族——管道外径；③纵向掠过单管或管道族——管道流动方向的长度；上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.4对流换热的计算上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.4对流换热的计算强制对流换热自然对流换热圆管内掠过平板①湍流②层流③过渡流①湍流②层流一些经验公式自然对流特征数方程平面散热的经验公式对流换热计算××流体外掠单管√√√√√简化公式垂直平壁及直圆筒水平圆筒×√√√上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程4.3.4.1强制对流换热(1)流体在圆管内湍流流动0.80.40.023RePrfffNu……(4-49)f表示选用流体温度作为定性温度。将努赛尔数、普朗特数表达式代入(4-49)得，0.40.80.023pcwdd……※(4-50)※Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程0.40.80.023pcwdd……※(4-49)※适用条件：①湍流区Ref104。②Prf=0.6--120。③l/d50（l为管长，d为管内径），l/d50，需乘以校正系数el过渡区需乘以校正系数f51.86101ReffBackto定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程另外，管内强制流动有时可利用简化公式计算：0.800.2nwAd……※(4-49)※w0—标况下，流体在管道内的流速，m/sd—管道内径或当量直径，mAn—因流体种类而异的系数Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程某水泥厂从窑抽风供煤磨使用，已知热风管长30m，直径0.4m，热风管内的平均流速为12m/s，热风进口温度为400℃，出口温度为360℃，求热风管内平均对流换热系数，热风散热量及管壁平均温度。例题：4-8解：管道中热风平均温度为4003603802ft℃空气在380℃时的物性参数为Cp=1063J/kg·℃=0.0508W/m·℃n=59.5×10-6m2/s=0.54kg/m3Pr0.677pfc46120.4Re8.081059.510fwdn湍流Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程所以0.80.40.023RePrfffNu40.80.40.023(8.0810)(0.677)165.52165.55.081021.00.40fNudW/(m2·℃)热风散失热量1pQAwct23.14(0.4)120.541063(400360)348004W热风散失热量Q1=热风传给管壁的热量Q212()fwQQttF所以13480038033621.03.140.430wfQttF℃Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程例题：4-7一套管换热器，套管为φ89×3.5mm钢管，内管为φ25×2.5mm钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。解：此题为水在圆形直管内流动定性温度t=(15+35)/2=25℃查25℃时水的物性数据如下：Cp=4.179×103J/kg·℃=0.608W/m·℃=90.27×10-3N·s/m2=997kg/m3由于换热是在内管内表面，所以定性尺寸选内管内径89mm25mmd=25mm-2×2.5mm=20mm=0.02m所以50.029970.4Re883690.2710dw过渡流Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程校正系数551.81.8610610110.953Re8836ff管壁对水的对流换热系数为0.40.80.023pcwddf0.4530.820.60890.27104.179100.02388360.9530.0260.8101981W/(m2·℃)Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程(2)流体在圆管内层流流动计算公式为：10.1430.331.86(RePr)ffffwdNul……(4-53)修正系数。0.14fw适用条件：RePr10,Re132030fffdl不适合长管Backto定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程(3)流体在圆管内过渡流流动计算公式为：20.4530.80.40.0214(Re100)Pr1ffffwTdNulT……(4-54)修正系数。0.45fwTT适用条件：62300Re10;0.6Pr1.5,0.51.5fffwTT①对气体Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程计算公式为：20.1130.870.4Pr0.012(Re280)Pr1PrffffwdNul……(4-55)修正系数。0.11PrPrfw适用条件：4Pr2300Re10;1.5Pr500,0.0520Prfffw②对液体Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程(4)流体掠过平板湍流流动计算公式为：0.81/3(0.037Re850)PrmmmNu……(4-56)适用条件：57510Re10;Pr0.550f定性条件：定性温度一般取流体与平壁的平均温度，定性尺寸取板长Backto上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程(5)流体掠过平板层流流动计算公式为：1/21/30.664RePrmmmNu……(4-57)适用条件：5Re510;Pr1fBackto定性条件：定性温度一般取流体与平壁的平均温度，定性尺寸取板长上一内容下一内容回主目录返回热工基础—4传热过程(6)流体外掠单管计算公式为：1/3RePr