化工原理第四章对流传热

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1、第三节对流传热一、对流传热过程分析二、对流传热速率方程三、影响对流传热系数的因素四、对流传热的特征数关联式五、流体无相变时对流传热系数的经验关联式第四章传热2021/7/24一、对流传热过程分析1、传热边界层【现象】流体在平壁上流过时，如果流体和壁面间将进行换热，将引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度。【定义】靠近壁面处，流体温度发生显著变化的区域，称为传热边界层或温度边界层。2021/7/24传热边界层示意图传热边界层——流体温度发生显著变化的区域。法向100℃20℃22℃2021/7/242、对流传热过程流体流动的分析湍流主体

2、湍流主体2021/7/24（1）层流内（底）层的特点层流内层内，由于流体质点只在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点运动。其特点是：①主要依靠热传导方式来进行热量传递；②由于流体内部存在温差还会有少量的自然对流。③传热温差大。2021/7/24①远离壁面；②流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小）；③传热主要以对流方式进行。（2）湍流核心（主体）的特点2021/7/24①存在质点混合、分子运动的共同作用，温度变化不像湍流主体那么平缓均匀，也不像层流底层变化明显。②传热以热传导和对流两种方式共同进行。（3）过渡区的特点2021/7/241、什么

3、是模型法【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具体方法为：（1）对过程进行合理的简化；（2）获得物理模型（构象）；（3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。二、对流传热速率方程2021/7/24（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟膜（流体层），称之为有效膜；（2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所有的热量传递均产生在有效膜内）；（3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。2、有效膜模型2021/

4、7/24有效膜模型示意图【有效膜模型说明】（1）厚度为：bt＝δb＋δf（2）膜内温度的变化为线性关系，即为传导传热；（3）膜外无传热。虚拟层有效膜2021/7/243、有效膜模型的数学描述（1）有效膜的厚度：bt（2）有效膜的导热系数：λ（3）使用傅立叶定律计算在有效膜内的传热速率。当流体被加热时：当流体被冷却时：btbt’2021/7/244、牛顿冷却定律【说明】以上两式称为牛顿冷却定律，用于计算对流传热速率。令：流体被加热：流体被冷却：2021/7/245、几点说明（1）牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，是根据有效膜模型建立起来的数学方程

5、。（这种处理问题的方法，在工程中称之为数学模型法）式中：Δt——传热壁与湍流主体之间的温度差；A——传热壁与流体的接触面积。2021/7/24（4）复杂问题简单化的表示──牛顿冷却定律虽然给出了计算对流传热速率简单的数学表达式，但由于对流传热一个非常复杂的物理过程，并未简化问题本身（有效膜厚度难以测定），只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中。（3）——对流传热系数、给热系数、膜系数。表征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性常数（如λ）。2021/7/24三、影响对流传热系数的因素1、引起流动的原因【自然对流】由于流体内部存在温差引起密

6、度差形成的液体内部环流，一般u较小，也较小。【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。因此：2021/7/242、流体的物性流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，影响较大的物性常数有：，，Cp，。（1）的影响；（2）的影响Re；（3）Cp的影响Cp则单位体积流体的热容量大，则较大；（4）的影响Re。2021/7/243、流动型态【结论】（1）为增大α，应增大Re；（2）但随着Re的增大，动力消耗大。【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所

7、以热阻大。【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大。即：因此2021/7/244、传热面的形状、尺寸和位置不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。（1）形状比如管、板、管束等；（2）尺寸比如管径和管长等；（3）位置比如管子的排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。2021/7/245、是否发生相变【现象】主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。【特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于Cp）。【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，即：2021/7/2

8、4四、对流传热系数经验关联式的建立由于影响对流传热系数的因素非常多，因此确定其数值的大小是一个极为复杂的问题。目前还不能对对流传热系数从