对流传热（西北大学化工原理课件）.doc

西北大学化工原理课件 4.3 对流传热★ 4.3.1 对流传热过程分析 4.3.2 对流传热速率 4.3.3 影响对流传热系数α的因素 4.3.4 对流传热中的量纲分析与关联式 4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式☆ 4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式 1 西北大学化工原理课件 4.3.1 对流传热过程分析 一、对流传热的含义与分类 1. 对流：指由流体质点移动而引起的热量传递现象。 2. 对流传热：又称对流给热，指间壁式换热器中两侧流体 与固体壁面间的热量传递现象。 自然对流 3. 对流传热的分类： 按传热流体有无相变可分两类 ① 无相变的对流传热：又可分为两类 Ⅰ自然对流： 因流体内部冷热部分密度的不同而产 生，属于静止流体与外界的热量传递。 如：水壶烧水等。 电热炉烧水 2 西北大学化工原理课件 Ⅱ强制对流：外力作用下的对流。 强制对流 Q t t 1 2 Q 流动的流体与外界的传热 ② 有相变的对流传热：也可分为两类 Ⅰ蒸气冷凝给热：热量g→l Ⅱ液体沸腾给热：热量l→g 3 西北大学化工原理课件 二、对流传热过程分析 冷流体 传热壁 热流体 ★层流底层 tW δ t TW T 温度梯度大，热传导方式 动画演示 ★湍流核心 温度梯度小，对流方式 t ★过渡区域 A2 A1 热传导和对流方式 4 西北大学化工原理课件 4.3.2 对流传热速率——牛顿冷却定律 一、有效膜理论(effective film theory) 1. 有效膜的概念： 对流传热过程中，热阻主要集中于层 流底层，并将湍流主体和过渡区热阻加到 T TW tW 层流底层的热阻中，在近壁面处形成厚度 t 为δ的流体膜，称为有效膜。 2. 对流传热有效膜理论模型： δ t 假设膜内层流，膜外湍流，且所有热阻都集中在厚度为δ 的有效膜内。 α──有效膜系数,W/(m2·K) 3. 膜系数α ： λ α = 定义膜系数α为： λ──导热系数,W/(m·K) δ δ ──总有效膜厚度,m 可见，湍流程度增大，层流底层变薄，δ↓→膜系数α↑。 5 西北大学化工原理课件 二、Newton冷却定律（对流传热速率方程） λ Q A(T T ) A t W = Δ 流体被冷却时： δ ∴ =α W =α ? Q A(T T ) A(t t) ? W ——Newton冷却定律（对流传热速率方程） 式中:Q ── 对流传热速率,W； α ── 对流传热系数或膜系数, W/(m2·K ) 或W/(m2·℃) T、Tw ── 热流体平均温度与热端壁温,℃； t、tW ── 冷流体平均温度与冷端壁温,℃； A ──传热面积，m2。 Newton冷却定律可改写为： Δ ? t T T t Q W W = = = 1 1 ? 1 t α A α A = Δ = ? W = ? 热阻：R 传热推动力： t T T t t W 1 α A α A 6 西北大学化工原理课件 4.3.3 影响对流传热系数α的因素 一、引起对流的原因 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。 α强 α自 若流体的体积膨胀系数为β，单位为K-1，则升温后流体的 体积V’=1+ β Δt，其密度变为： m ρ ρ′ = = ρ ′ + βΔ V t 1 故存在浮升力使流体完成自然对流 二、流体的物性 包括ρ，μ，λ，c p， β等 三、流动形态 层流、湍流： α湍 α层 7 西北大学化工原理课件 四、流体的相变 因流体的气化潜热一般远大于其显热，即：rcp； 故对于有相变的传热方式（蒸汽冷凝、液体沸腾给热）， 其对流传热系数α满足： α相变 α无相变 五、传热面的形状、特征尺寸和位置 形状：如管、板、管束等； 特征尺寸：指对流体流动和传热过程有决定性影响的设备 尺寸。如管径和管长等； 位置：如管子的排列方式（管束有正方形、三角形和同心 圆形等多种排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。 8 西北大学化工原理课件 4.3.4 对流传热中的量纲分析与关联式 一、量纲分析 α＝f(u，l，μ，λ，ρ，c 式中：l——特征尺寸； p，gβΔt)=Kualbμcλdρecpf(gβΔt)g u——特征流速。 基本量纲：长度L，时间T，质量M，温度Θ（4个） 变量总数：8个 由π定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。 μ α ρ a c f β Δ 3ρ2 g l du g tl 化简，可得： = p K( ) ( ) ( ) λ μ λ μ 2 准数符号： Nu Re Pr Gr 准数名称：努塞尔数 雷诺数 普朗特数 格拉斯霍夫数 9 西北大学化工原理课件 四大准数的表示与物理意义 α λ δ d l / Nu = ? a f g = = =