《化工原理》课件 章节3-3对流给热.ppt

第 3 章 传热 3.3.1 对流传热过程分析 3.3.2 对流传热速率－－牛 顿冷却定律 3.3.3 对流传热系数的实验 研究方法 3.3.4 流体无相变时的对流 传热系数经验关联式 3.3.5 蒸气冷凝传热 3.3.6 液体沸腾传热 3.3.3.1 影响对流传热系数的主要因素 3.3.5.2 水平管外蒸气冷凝传热系数 n：水平管束在垂直列上的管子数； ρ：冷凝液的密度 λ：冷凝液的热导率 μ：冷凝液的黏度 r：冷凝液的相变焓 ：饱和蒸气的温度与壁面温度之差 * * 3.3 对流传热 流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流 对流只能发生在流体中。 强制对流 自然对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。 由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热 3.3.1 对流传热过程分析 流动对传热的贡献 （最小） （较大） （最大） 对流给热过程的分类 流体是否 有相变化 无相变的 给热过程 有相变的 给热过程 强制对流 自然对流 湍流 层流 蒸汽冷凝 液体沸腾 流体沿固体壁面的流动 滞流内层: 缓冲层: 湍流主体: 流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。 热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。 温度梯度很小，各处的温度基本相同。 对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 流体被加热： 流体被冷却： 式中 α —— 对流传热系数，W/（m2?℃） 3.3.2 对流传热速率－－牛顿冷却定律 在换热器中，局部对流传热系数α随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为： 对流传热系数 对流传热系数a定义式： 表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。 单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。 3.3.3 对流传热系数的实验研究方法 （1）流体流动的原因 强制对流： 自然对流： 由于外力的作用 由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移 单位体积的流体所受的浮力为： （2）流体流动状况 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。 （3）流体的性质 ①导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。 ②粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 ③比热和密度 ρcp：单位体积流体所具有的热容量。 ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。 ④体积膨胀系数 体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。 (4)传热面的性状、大小和位置 3.3.3.2 变量的无量纲化 列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示（无相变强制对流时）： 确定无因次准数π的数目 确定准数的形式 (1)列出物理量的因次 物理量因次 物理量 因 次 (2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量 不能包括待求的物理量 不能同时选用因次相同的物理量 选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。 选择l、λ、μ、u作为三个无因次准数的共同物理量 (3)因次分析 将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数 对π1而言，实际因次为： ——流体无相变时强制对流时的准数关系式 自然对流传热过程 包括7个变量，涉及4个基本因次， ——自然对流传热准数关系式 准数的符号和意义 准数名称 符号 准数式 意义 努塞尔特准数 （Nusselt） Nu 表示对流传热的系数 雷诺准数 （Reynolds） Re 确定流动状态的准数 普兰特准数 （Prandtl） Pr 表示物性影响的准数 格拉斯霍夫准数 （Grashof） Gr 表示自然对流影响的准数 3.3.3.4 特征物理量的选取 （1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 （2）特征尺寸：Nu，Re数中l 应如何选定。 （3）特征流速：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。 3.3.4.1 流体在圆形管内作强制湍流 当流体被加热时k =0.4，流体被冷却时，k =0.3。 3.3.4 流体无相变时的对流传热系数经验关联式 管长与管径比 应用范围： 定性尺寸：Nu、Re等准数中的l取为管内径di。 定性温度：取为流体进