环境工程原理第四章2

1、传热速率方程：总热阻总传热推动力KAttKAQ/1mm2、热传导：（1）单层平壁稳态热传导AbttttAbQ2121)(1212()ttqttbb（2）多层平壁稳态热传导niinniiinRttAbttQ111111＝＝（4-7）（4-5、6）（4-1）（4）多层圆筒壁稳态热传导（3）单层圆筒壁稳态热传导12212()1lnlttQrr12()mtttQbRA推动力热阻1212/lnAAAAAmniinniiiinniiiinRttAbttrrttLQ1111m111111ln1)(2＝＝（4-12、13）（4-9、10、11）121212211()2lnlnttttqqrrrrr；第三节对流传热流体流动时发生，依靠流体质点移动而传热一、对流传热方程与对流传热系数dAt2G1，T1G2，t1T2特点：两流体的传热方向垂直于流动方向•层流底层：热阻大，温度梯度大，热传导方式•湍流核心：热阻小，温度梯度小，对流方式•过渡区域：热传导和对流方式有效膜：假设将过度区和湍流区的传热阻力全部叠加到层流低层的热阻中，用近壁一层厚为δ的层流膜来代替。若湍流程度增加，有效膜减薄，传热速率增大。dtA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体传热推动力不易讨论，为此:对流传热速率方程——牛顿冷却公式对冷流体流体被加热：AtTTAQ1)(w式中Q──对流传热速率，W；──对流传热系数，膜系数，W/(m2·℃)；代替λ/δ（λ/b），因为δ不易测得。Tw──壁温，℃；T──流体平均温度，℃；A──传热面积，m2。（4-14）对热流体，流体被冷却：Δt=T-TW视为有效膜后，对照单层平壁导热速率方程有：二、影响对流传热系数的因素2.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。1.流体的物性，，，cp,β(体积膨胀系数,K-1)强自u强u自空气强为10~250W/m2℃；自可达5~25W/m2℃；3.流动形态层流、湍流湍层5.传热面的形状，大小和位置•形状：如管、板、管束等；•大小：如管径和管长等；•位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。通常将有决定性影响的尺寸称为特征尺寸4.是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾相变无相变为减少获得α关联式的实验工作量，将诸影响因数归结为几个量纲为1的量，即特征数。＝f(u，l，，，cp，，gt)式中l——特性尺寸；gβΔt——浮升力u——特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。hfaGrKNuPrRe三、对流传热中的量纲分析（一）因次分析（4-17）（4-14）21232131://WmKmkgsmKMT11:/umsLT33:/kgmML11231131://WmKmkgsmKMLT1211:/PaskgmssMLT:/lmL112211221://pCJkgKmkgskgKLT1212://gtNkgmkgskgLT311113132212()abcdefhpacdefhbKulCgtMTKLTLMLTMLTMLLTLT103233221McdeLabcdefhTacdfhdf：：：：122dfcafheahb=a+3h-1；；31212aahafhfahfPKulCgth（）lNuduRepcPr223tlgGrNusselt，怒塞尔数对流传热的特征数Reynolds，雷诺数流动型态对对流传热的影响Prandtl，普朗特数流体物性对对流传热的影响Grashof，格拉斯藿夫数自然对流对对流传热的影响322()()()pafhafhcldugtlKNuKRePrGr（4-16）（4-17）21111WmKmWmK22111311msKkgmsmkgsK23262221msmkgmkgms13111mskgmmkgmslnPrlnNuf2．不同Pr的流体在不同的Re下lg(Nu/Prf)＝algRe＋lgK双对数坐标系中得一直线斜率为a，截距为lgK（二）实验安排及结果整理以实验确定K、a、f、h强制湍流为例：Nu＝KReaPrf1．采用不同Pr的流体，固定RelgNu＝flgPr＋lg(KRea)双对数坐标系得一直线，斜率为flgRelgNu/PrblgKa获得特征数K、a、f、h数值后的计算对流传热系数的经验式称为关联式。使用时注意：1、特征数值的适用范围，不能超出。2、特征尺寸：通过实验确定特征数时，所选定的对流体流动和传热有决定影响的尺寸，称为特征尺寸l。如圆管用管内径d；非圆形管取当量直径d等。3、定性温度：确定特征数时，所采用的流体的物性参数如Cp、ρ、μ等所依据的温度。定性温度的取法：（三）定性温度、特性尺寸的确定2．特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。2)1(21tttm2)2(mWtt膜温3．准数关联式的适用范围。1．确定物性参数数值的温度称为定性温度。不同的实验条件产生不同的关联式，对于某一关联式与下述各点紧密连在一起：四、液体无相变时对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内的强制对流1．圆形直管内的湍流（Gr可略）（1）低粘度流体nNuPrRe023.08.0npcdud)()(023.08.0①适用范围：Re10000，0.7Pr120，2mPa·s，l/d60（4-19）（4-18）注意事项：②定性温度取进出口温度平均值③特征尺寸为管内径di④流体被加热时，n＝0.4；被冷却时，n＝0.3。221tttm⑤CP：/Jkg-1K-1（kJ要化成J）(2)高粘度流体14.0318.0)(PrRe027.0wNu（4-20）Re10000，0.7Pr16700，l/d60定性温度取tm（算术平均值），而μw取壁温特征尺寸为din0.1)(95.005.1)(14.0冷却或加热气体液体被冷却液体被加热不易获得）（Ww14.033.08.0)(027.0wPCdud）（）（(4)弯曲管内：扰动增大，d，乘以弯管效应校正系数177.11RdR117.0ldl(3)短管：l/d60，入口处扰动较大，d，乘以管入口效应校正系数例4-6，P1442.圆形直管内过渡流（2000Re10000)d，乘以校正系数1Re10618.15f（4-21）例4-7，P1453.圆形管内强制层流特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数应提高。14.031)()Pr(Re86.1wldNu适用范围：25000Gr10)Pr(Reld6700Pr6.02300Re)015.01(8.0,2500031GrfGr当：定性温度：221tttm（4-22）4、非圆形管强制湍流当量直径法用de代替di计算（上述各式），注：计算u不能用de，要用实际的流通面积计算润湿周边流体流动截面积4ed（二）管外强制对流的对流传热系数流体在管束外垂直流过分垂直流过单管和垂直流过管束，因一般换热器为管束，所以仅讨论流过管束的情况。在换热器内单排管：4.0PrRenCNu（4-24）错列式的对流传热系数大于直列式。C、ε、n由实验决定，具体见表4-3（147页）整个管束：iiiAA定性温度：适用范围：70000Re50005~2.11dx5~2.12dx特性尺寸：管的外径do221tttm（4-25）流速：流动方向上最窄处的流速（三）大空间的自然对流传热Pr),(GrfNunGrCNuPr),(注意：c,n与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。定性温度：膜温tm=(tW+t)/2；Δt=tW–t；tW，壁温，t，流体温度特征尺寸：垂直的管或板为高度水平管为管外径具体见147页表4-4，例4-9nptlgcC)(l223（4-26）五、有相变时的对流传热系数（一）蒸汽冷凝时的对流传热1.冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝滴膜实际以膜状冷凝为主，仅讨论纯饱和蒸汽膜状冷凝情况。2.蒸汽在水平管束外膜状冷凝413/232725.0tlngr式中n——水平管束在垂直列上的管子数；r——汽化潜热（ts饱和温度下），kJ/kg；ρ——冷凝液密度，kg/m3μ——冷凝液粘度，Pa·sλ——冷凝液的导热系数，W/（m·K）Δt——饱和温度ts与壁面温度tw之差，=ts-tw特性尺寸l：管外径do2Wsttt定性温度：膜温（4-27）3.蒸汽在竖壁或竖管上的膜状冷凝液膜流动为层流：413213.1tlgr适用条件：Re液膜流动1800湍流4.031232Re0077.0g适用条件：Re液膜流动1800特性尺寸l：管或板高H定性温度：膜温（4-29）（4-30）上述计算应先确定流型再选择相应公式，获得α后必须要校验。校验：冷凝液的液膜沿壁面流动的Re：rtl4Re（4-32）α：对流传热系数，W/m2℃l：壁面高度，mΔt：蒸汽的饱和温度ts与壁面温度tW之差，℃r：比汽化热，取饱和温度ts的数据，J/kgμ：冷凝液的粘度，取膜温下数据，Pa·s例4-10，P1504．冷凝传热的影响因素和强化措施1)流体物性冷凝液d,；冷凝液,；潜热rd,2)温差液膜层流流动时，t=ts－tW，d,3)不凝气体不凝气体存在，导致，定期排放。4）蒸汽流速与流向（u10m/s）u与液膜流动同向时，d；反向时，d。5)蒸汽过热包括冷却和冷凝两个过程。仍用此关联式，但汽化热r需加上成过热蒸汽的热量6)冷凝面的形状和位置目的：减少冷凝液膜的厚度垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列沸腾种类1）大容积沸腾2）管内沸腾1.汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？过热度大：t=tW－ts有汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层（二）液体沸腾时的对流传热对同一种液体，沸腾传热系数远大于无相变时的值。2.沸腾曲线1）自然对流阶段t5C2）核状沸腾阶段25Ct5C3）不稳定膜状沸腾25Ct5C工业上：核状沸腾4）稳定膜状沸腾250Ct25C优点：大，tW小临界点水在常压下饱和沸腾的临界点温度差Δtc=25K，临界热流密度q≈1.25×106W/m23、沸腾传热的影响因素及强化措施1）液体的性质,,,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2）温差在核状沸腾阶段温差提高，3）操作压强stp饱和温度4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面，大强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒六、选用对流传热系数关联式的注意事项（1）根据问题类型，选择适用的关联式；（2）各关联式的