4.3 对流传热.pptVIP

* * 讲授 姜华 化 工 基 础 An Introduction to Chemical Industry and Engineering §4.3 对流传热(convection of heat) 教学目的： 课 型： 教学方法： 参考文献： 重点难点： 了解对流传热的机理 掌握对流传热的基本方程以及各种情况下给热系数的准数关联式 对流传热的机理和对流传热的基本方程 新理论知识 讲述、习题分析 [4]、[6] 了解沸腾和冷凝时传热膜系数 §4.3 对流传热(convection of heat) ◆ 机理:由于流体质点变动位置并相互碰撞，热量由能量较高的质点传递给能量较低的质点，从而使热量传播。 ◆ 因流体质点位置变动而形成的对流有两种形式： 自然对流(natural convection)：因流体本身各点温度不同，引起密度差异而形成的流体质点移动，称为自然对流。 强制对流(forced convection)：借助于机械搅拌或机械作用而引起的流体质点移动，称为强制对流。 NOTE：强制对流比自然对流有较好的传热效果。 ◆ 什么情况下会发生对流传热？ 流动流体中 对流传热过程 流 体 主 体 t1 滞 流 内 层 固 体 壁 面 t2 过渡层 靠近壁面存在滞流层，该层的传热主要依靠流体分子传导传热。流体的导热系数一般都比较小，因而在这层中有较大的温度梯度。 流体主体中的传热主要依靠流体质点的位移和混合，基本不存在温度梯度。 过渡层中的传热既有传导传热，也有流体质点位移而碰撞的传热，该层中存在较小的温度梯度。 对流传热包括以下几部分： 在对流传热中将有明显温度梯度的区域（滞流内层和过渡层）称为传热边界层。 Q （给热） 对流传热的速率—Newton’s equation of heat transfer Newton’s equation of heat transfer: 对微元而言: h——表面传热系数(对流传热系数，给热系数，传热膜系数，convective heat-transfer coefficient)，W.m-2.K-1。 对流传热系数的影响因素 ①流体的流动形态(滞流或湍流)和对流情况(自然对流或强制对流):湍流程度越大，滞流内层厚度越小，h的值越大。 ②流体的导热系数、比热容、密度、膨胀系数、粘度等物理性质：例如比热容越小，密度越大和膨胀系数越大，稍有温差就会形成明显的自然对流。 ③传热的温度：温度对流体的物理性质有显著的影响，对传热膜系数有间接的、明显的作用。 ④流体传热时的相变化：传热过程伴随有相变化，则有很高的h。 ⑤壁面的形状、排列方式和尺寸：设备的结构越能使流体形成湍流，h越大，但输送的动力消耗也有所增加。 对流传热中的特征数 表明流体的某些物理性质对传热的影响。 Prandtl number 表明因受热引起的自然对流对传热的影响。 Grashoff number h—传热膜系数；?—导热系数； l—传热面的特征几何尺寸(管径或平板高度等)； Cp—流体的比定压热容；?—流体的膨胀系数。 物理量 确定传热时流体的流动形态，并表明对换热的影响。 Reynolds number 表示传热膜系数的特征数，并表明流体的导热系数与换热器壁几何尺寸的作用。 Nusselt number 特征数的物理意义 特征数形式 特征数 无相变对流传热系数的特征关联式 ＆ 流体以湍流形态在圆管中的传热膜系数—狄丢斯(Dittus)公式 当流体被加热时: 当流体被冷却时: NOTE:适用于大多数气体和粘度小于2倍水粘度的液体. 流体的传热膜系数与热流方向有关:液体被加热，滞流内层的温度高于主体温度，温度升高液体粘度降低，并使滞流内层减薄，而导热系数随之变化不大，其总效果使?变大。气体被加热，粘度随温度升高而增大，滞流内层厚度增大，虽然导热系数随温度升高而稍有增大，但总效果使?变小。 大多数液体：Pr＞1 大多数气体：Pr＜1 ＆ 流体与蛇管或器壁以自然对流传热时： Gr?Pr＜500(滞流) Gr?Pr＞2× 107(湍流) 500＜Gr?Pr＜ 2× 107(过渡流) ＆ 涡轮式搅拌器附夹套的圆筒容器(如常见的反应釜): D——容器内径，m Re中的d为搅拌桨叶直径，m；n为搅拌转数，r?s-1 NOTE:粘度小的流体，自然对流的传热较多地在湍流形态下进行。 定性温度取壁面与流体温度的平均值。 无相变对流传热系数的特征关联式