大学课件-化工原理-第4章传热2

小结:1.概述◆传热的基本方式:热传导、对流、辐射◆稳态传热与非稳态传热2.热传导①基本概念：温度场、等温面、温度梯度、②傅立叶定律：ntA③热导率：实验方法测定气体液体非金属金属一般：④热传导计算dndtA一维稳态导热：iiRt11nitttt其中，iiiiAbRR平壁：miiiiAbRR圆筒壁：iiiLrr2ln1▲热流量计算：LrAAAAAmm2ln12121212lnrrrrrm▲温度分布平壁：每层为线性分布，层间斜率不同圆筒壁：沿径向非线性分布（1）机理：流动中，流体质点碰撞、混合，传递热量。是流体的主要传热方式。对流传热与流体流动状况密切相关湍动程度越高，对流的传热速率越大。层流流体：热传导；湍流流体：对流传热为主，包括热传导。分类：自然对流：温差引起密度差，造成流体流动。强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。（2）对流传热工程上，指流体和固体壁面间的传热过程包括对流传热和热传导4.3对流传热δ1tyutwtt∞t'∞t't'wtw-t=0.99(tw-t∞)图4-13流体流过平壁被加热时的温度边界层示意流体主体热边界层内4.3.1热边界层的概念（1）热边界层近壁处，流体温度显著变化的区域。（2）热边界层的厚度)(99.0ttttww（3）热边界层内（近壁处）认为：集中全部的温差和热阻0dydt热边界层外（流体主体）认为：等温区，无温差和热阻0dydt（4）热边界层同样有一个发展过程圆管内，dt21max,u∞u∞u∞层流边界层湍流边界层层流内层Ax0δ平板上的流动边界层δ1tyutwtt∞t'∞t't'wtw-t=0.99(tw-t∞)图4-13流体流过平壁被加热时的温度边界层示意（5）热边界层与流动边界层关系区别：本质不同；厚度不一定相等。联系：研究问题方法相似；两者密切相关：分析湍流流动的传热边界层湍流区：缓冲层：层流内层：质点通过相互混合传热，温度变化小；质点混合、分子运动共同作用传热，温度变化平缓。流体层流，质点不相混合，热传导为主，热阻大，温差大。u∞u∞u∞层流边界层湍流边界层层流内层Ax0δ平板上的流动边界层结论：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。热流体冷流体对流传热对流传热Q导热图4-2间壁换热th1th2tc1tc2th,wtc,w4.3.2对流传热速率方程和表面传热系数（1）牛顿冷却定律thAhAt1thq或：KmWh2/：表面传热系数，说明：①实验定律；②对壁两侧流体(冷、热)均适用热流体：冷流体：)(,whhhhttAhAhtthwhh1,)(,cwcccttAhAhttccwc1,③h是计算关键，一般由实验测定；：流体与壁温之差tδ'2δ'1图4-14平壁两侧对流传热时沿热流方向的温度分布情况TwTtwt（2）对流传热过程的简化模型①真实模型流体主体→过渡层→层流内层对流对流,导热导热研究方法：计算各层的热流量②简化模型有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。优点：把对流传热问题→导热问题thAAttwhh)/(11,由傅立叶定律：（有利于传热），，则一定时，hRte'（1）流动状态湍动↑，代价：h,'层流内层厚度减薄，湍动↑，动力消耗↑。4.4表面传热系数的经验关联4.4.1影响表面传热系数的因素（2）流动原因强制对流，外部机械作功，一般流速较大，h也较大。自然对流，由流体密度差造成的循环过程,一般流速较小，h也较小。h,hRe,,CmkJCP03./,量：单位体积流体的热容hCP，hRe，，（3）流体的物性λ：ρ：CP：：问题：查取物性的温度定性温度：计算表面传热系数的特征温度一般，)(2121tttm（4）传热面条件的影响壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使h增大。（5）相变化的影响有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾无相变传热：强制对流、自然对流一般的，有相变时表面传热系数较大。例：水强制对流，蒸汽冷凝，KmWh2/10000250：KmWh2/150005000：4.4.2无相变时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析①优点：②依据：③步骤：减少实验次数物理方程各项量纲一致),,,,,,(pCtglufh无相变：（2）描述对流传热的四个重要无量纲数),,(rreuGPRfN无相变对流传热：（3）无量纲准数的物理意义①努赛尔数hlNultdydty0)(平均温度梯度壁面处温度梯度无量纲温度梯度▲反映对流传热的强弱，包含表面传热系数▲努赛尔数恒大于1②雷诺数粘滞力惯性力duuduRe2▲反映流动状态对h的影响。l：特征尺寸，平板--流动方向的板长管--管径或当量直径thdydtqy0)(③普朗特数pPrCCP/▲反映热扩散和动量扩散的相对大小；▲反映流动边界层和热边界层的相对厚度travP,,1travP,,1travP,,1▲反映流体物性对传热的影响▲使用时注意：*查取定性温度下的物性；*计算所用单位CkgJCp0/sPaCmW0/，需换算查手册CkgkJCp0/热扩散系数导温系数动量扩散系数运动粘度)()(av▲物理意义：反映自然对流的强弱程度④格拉晓夫数（浮升力特征数）223tlgGr化：单位体积流体浮力变tg强制对流：自然对流：混合对流：),(reuPRfN1.0/2erRG),(rruPGfN10/2erRG),(,rreuPGRfN10/1.02erRGbbluRe)(2C0/1：体积膨胀系数，数：表示自然对流的雷诺bRe4.4.3无相变时对流传热无相变对流传热：其中，),,(rreuGPRfNhlNu（1）无相变管内强制对流一般关系式：nrmeuPCRN流动状态不同，则c,m,n不同。其规律见图4.4.1传热流动状态划分（区别于流体流动时规律）层流湍流过渡流2300eR10000eR100002300eR流体被加热，n=0.4流体被冷却，n=0.3原因：书P257自学①园形直管内湍流流体的表面传热系数a)一般流体nreuPRN8.0023.0npiicuddh8.0023.0或：10000eR1606.0rP50/dlsPa3102定性温度：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：管内径di说明：▲▲10000eRnrP保证流体达到传热湍流；特征尺寸:lhlNu适用条件：50/▲dl原因：避开传热进口段，保证稳态传热。传热进口段：传热正在发展，h不稳定(随管长增加h减小)动画跳转到第一页传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度层流湍流▲经验公式，有一定误差reentPRx05.0dxent50sPa3102▲保证流体低粘度近似取：液体被加热液体被冷却适用条件：b)粘度较大流体14.033.08.0)/(027.0wreuPRN05.1)(14.0w95.0)(14.0w10000eR1677.0rP60/dl定性温度：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：管内径dic)流体流过短管（l/d50）影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。计算：采用以上各式，并加以校正hldh7.0)/(1d)圆形直管内过渡流时表面传热系数过渡流：计算：100002300eR采用湍流公式，但需加以校正。hRhe)1061(8.15说明：设计换热器时，一般避免过渡流。跳转到第一页e)圆形直管内强制层流特点：1）传热进口段的管长所占比例较大2）热流方向不同，也会影响。3）自然对流的影响，有时不可忽略计算：适用条件：14.03/1)/()/(86.1wieuldPRNr2300eR定性温度：tm=(t1+t2)/2特征尺寸：管内径di67006.0rP10/ldPRiredR图4-18弯管内的流动f)圆形弯管内的强制对流特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流后果：流体湍动程度增加，使h增加；同时，流动阻力损失增加。计算：hRdhi)77.11(g)非圆形管内强制对流方法1、采用圆形管内相应的公式计算但特征尺寸采用当量直径2、最好采用专用、经验公式。如：套管环隙跳转到第一页mdmdmddddee套管环隙当量直径，外管内径，内管外径，式中21318.053.012PrRe02.0mdmdmddddddddee套管环隙当量直径，外管内径，内管外径，2112122122)(44跳转到第一页作业:P3381213