西北大学化工原理课件对流传热是在流体流动过程中发生的

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1、西北大学化工原理课件对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的宏观移动进行热量传递的，故与流体的流动情况密切相关。工业上遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面之间的热交换。也就是流体将热量传给固体壁面，或由壁面将热量传给流体的过程称为对流传热（或对流给热，放热）。它是对流与导热的联合作用的结果。热对流分为自然对流和强制对流。冷下面要介绍详细情况。西北大学化工原理课件一、对流给热过程的分析1、对流对传热的贡献流体的宏观运动加快了传热速度。我们以流体与壁面的给热为例来说明。设有一冷平壁，其壁面温度为t，热流体流过平壁w被冷却。yQ↓twtw流动方向

2、x静止T0西北大学化工原理课件（1）当流体静止时，u=0，流体只能以传导方式将热量传给壁面。流体温度T在垂直于壁面方向呈直线分布。也就是∂T说y方向上有温度梯度，满足Q=−λ()A，水平方向无热∂y量传递。此时与固体导热完全一样，指流体的导热系数。λ∂Tt−tΔT0wq=−λ()=λ=λy=0∂yδδ（2）当流体处于层流时，由于在与流动相垂直的方向上没有流体质点的运动，热量仍然只能靠传导传递。为了考察流动对传热的贡献，取一流体微元做热量衡算：西北大学化工原理课件y进Q进Qδ出出t流动的方向qA+qA=qA+qA水进进直进直水出出直出直因为是热流体，在流动过程方向上流出微元体的流体

3、温度一定小于流入微元体流体的温度，即：qA>qA那么，水进进水出出qAqA<直进直直出直西北大学化工原理课件也就是说垂直方向上热流密度沿y轴负方向是增加的。温度梯度也随之增加，沿y向减小，这时，温度分布不再呈线性分布，而是如上图形式，但流体传给壁面的q仍可以由傅立叶定律确定：(∵y=0时，u=0)∂TT−T0wq=−λ()≠λy=0∂yδ∂T∂Tq=−λ()>q=−λ()流y=0静y=0∂y∂y即：在温差相同(T−T)的情况下，流体的流动增大0w了壁面的温度，使壁面处q>q流静西北大学化工原理课件（3）当流体以湍动状态流过平壁时，由于湍流的特征为轴向脉动，该湍流脉动促使流体在轴向

4、上剧烈混合，所以在湍流中心可以认为无传热阻力，即温度梯度小，主温度趋于均匀。第一章讲过，当流体流动为湍流时，无论流体主体的湍动多大，紧邻壁面处总有一薄层称层流内层(动画演示)，此薄层内在垂直于流体流动方向上的热量传递，仍是以热传导的方式进行。热阻主要集中在层流内层，在层流内层才有明显的温度梯度。很显然，在壁面附近的温度梯度更大，热流密度也将更大。从前面分析可看见，不论层流或湍流，流体对壁面的热流密度都因流动而增大。西北大学化工原理课件2、强制对流和自然对流自然对流强制对流：流体在外力作用下产生的对流{宏观（强迫）流动。自然对流：流体内温差的存在，引起密度差，密度大的往下，密度小的

5、往上。T电热炉烧水w下面对自然对流作简单介绍：t设备（略）ρ'ρ设壁面温度为T壁面b处流w体密度为ρ'，离壁面一段距离baa处的密度为ρ温度为t。西北大学化工原理课件Tt+w那么流体平均温度：tm=2ρ=ρ'(1+βΔt')这里β——为流体的体积膨胀系数。Δt'=tm−t1对理想气体：β=T对液体β可查有关的表。a点形成的压强pa=ρgLb点形成的压强p=ρ′gLba,b点形成的压差：ρρgLβΔt'Δp=p−p=ρgL−gL=ab(1+βΔt')1+βΔt'西北大学化工原理课件2Δpun当Δt'较小时，≈gLβΔt'∝;un为自然对流ρ2的流动速度。un∝2βgLΔt'压强的产

6、生，发生了自然对流（如前一节所说的环流）t+tt−twwΔt'=t−t=−t=m22t−tw()∴u∝2βgL=2βgLΔt这里Δt=t−tnw2从此式可知：流体内部只要有温差，就一定有环流，这种由温度引起的流动称为自然对流。所以，在流体中传导过程必伴有自然对流。自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。（P243页）因此通常暖气片装在房间下部，空调置于上部。西北大学化工原理课件二、对流给热过程的数学描述1、牛顿冷却定律和给热系数对流给热（如图）是一个复杂冷传热壁热的过程，影响其传热的速率的因素流流很多。因此，对流给热的纯理论计体体算相当困难。目前，工程计算仍按下面的半经验方法处理。

7、TtWTW根据传递过程的普遍关系，壁面对流体加热或冷却的对流给热速t率可表达成：西北大学化工原理课件对流给热的推动力对流给热速率==系数×推动力对流给热的阻力ΔT即：dQ==αdAΔT1αdAdθ或q==αΔTdA传热当流体被加热时qtt=−⎯α()壁流⎯⎯→−体（628）w传热当流体被冷却时qTT=−α()流体⎯⎯⎯→−壁（629）w西北大学化工原理课件22DDα——给热系数或传热膜系数()SIWm/⋅⋅C;工程kcalmhC/⋅DT——壁温C(严格来讲两式中的T不一样，T和T