环境工程原理2-传热(对流)

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1、三、对流传热•定义：由于流体质点宏观运动引起的热量传递。•自然对流和强制对流环境工程原理•工业生产中遇到的是流体流过固体表面时与该表面所发生的热量交换。这种热量交换是流体的对流与导热联合作用的结果，称之对流给热。传热江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理对流传热分类1）对流传热过程分析（1）强制对流与自然对流强制对流强制对流：流体在外力作用（泵、风机）产生的宏观流动。无相变自然对流：流体冷热部分密度不同而引起的流动自然对流液体受热膨胀，体积变大，密度变小。蒸汽冷凝ρρm=ρ=ρm+ρmγ

2、(tm−t)1+γ(t−t)有相变mγ—体积膨胀系数液体沸腾单位体积液体所受的浮力：∝(ρ−ρ)gm∝ργ(t−t)gmm热源放置方式：横放和竖放江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理2）流动对传热的贡献•设有一冷壁，温度保持TW，热流体被冷却，取一截面MN，考查该截面的温度分布和通过壁面的热流密度。•流体静止：•层流：•湍流：结论：流体对壁面的热流密度q因流体的流动而比流体静止大江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理13）对流传热机理滞流内层传热因对流的存在而变得非常

3、复杂，严格的数学推导要求已知缓冲层：滞流内层和湍流主体之间流体的温度分布求出壁面的温度梯度。按照滞流内层内的导热热阻很大，温度梯度较大⎛∂T⎞q=−λ⎜⎜⎟⎟求出热流密度。湍流主体中温度差极小，温度梯度小⎝∂y⎠y=0在缓冲层内，热对流和热传导的作用大致相同即使这样理论上的计算结果也不准确，自然对流的影响难以估•对流传热的热阻主要集中在滞流内层。因此，减薄滞流内层的计的缘故。厚度是强化对流传热的主要途径。江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理•将温度梯度假设集中在一厚度为δt的假想的有效

4、膜内，在膜通常规定tw-t=0.99(tw-t)处为热边界层的界限内只有导热。换言之，对流传热过程的热阻相当于厚度为δt大多数情况下,流动边界层的厚度δ大于热边界层的厚度的静止流体膜所造成的热阻。δt.热边界层是进行对流传热的主要区域。•有效膜只是一个虚拟的概念。平板上热边界层的形成另一种提法：热边界层和发展如图所示。江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理2、牛顿冷却定律和对流传热系数•因换热器面积内外不同，分内外壁讨论1）牛顿冷却定律热流体对冷壁面的传热dQ=α(T−T)dAiWi•根

5、据有效膜理论（或热边界层理论）应用傅立叶定律，传热外壁面对冷流体的传热dQ=α(t−t)dA速率方程为：0W0λλdQ=(T−T)dA令＝αW牛顿冷却定律δtδtdQ=α(T−T)dA注意：有效膜是虚拟厚度，不能从理论上求得，一般通过实验W测定不同情况下的α,并将其关联成经验关联式，供设计计算时使用。α：比例系数，局部对流传热系数，W/(m2·℃)牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题，实质上是将矛盾集中在对流传热系数α上，因此研究各种情况下的α的大小，影¾在换热器中局部对流传热系数随管长而变，在工程计算响

6、因素及α的计算式是研究传热的核心。中，使用平均对流传热系数α。江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理22）对流传热系数及影响因素3、保温层的临界直径•定义和含义：α：表示单位面积单位温差时，壁面与流体对•化工管路常需要保温，以减小热量的损失，通常保温层厚度流传热量的大小。W/(m2·℃)增大，热损失减小。但小直径管外包扎保温性能不好的材•讨论：α与λ不同，它不是流体的物理性质，而是众多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小，教材给出了α料，厚度增加，热损失反而加大。的一些数值。•影响

7、因素：¾设保温层内表面温度为t1，环–流体的种类和相变化情况；牛顿型、气液固、相变–流体性质：c、λ、ρ、μ、T、P境温度tf，保温层内外径为p–流体的流动状态：Rer1，r0，对流传热系数α。–引起流动的原因：自然对流、强制对流–传热壁面的形状、位置及特征性质：管、板、管束、排列方式、管径、壁面水平、垂直、壁面高度等江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理热损失Q为：t−tt−tt−t11λ2λ1f1f1f即；=r=d=Q==r−r1=r−r1λαr0αcαR1+R201+01+0λAα

8、A2πrLλ2πrLαm10m0m00•当λ大时,dc就大2πL(t−t)1f=•临界值见下值lnr/r101+λrα00R1不变，r0增加时，R1增大，R2减小，哪个大？连续不存在间断点，Q对r0的导数取0⎛⎜⎛11⎞⎞⎟0−⎜−⎟⎜⎜λrαr2⎟⎟112πLQ(t−t)⎝00⎠=0⇒=1f⎜2⎟rλαr2⎜⎛lnr/r1⎞⎟00⎜01+⎟⎜⎜λαr⎟⎟⎝⎝0⎠⎠江苏大学环境学院环境工程原理江苏大学环境学院环境工程原理4、对