圆筒与对流传热课堂

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1、4.3.5圆筒壁的稳态热传导化工生产中常见的为圆筒壁(圆管)的热传导，其特点是温度随半径变化，传热面积也随半径变化，均非常量。4.3.5.1单层圆筒壁的稳态热传导Qdrrr1r2t1t2L前提条件：圆筒内、外半径分别为r1和r2，长度为L，内外壁温度t1>t2，在圆筒壁半径r处沿半径方向取微元厚度dr的圆筒壁，其传热面积：S=2πrL圆筒很长，沿轴向散失热量可以忽略，温度仅沿半径方向变化，为一维稳态热传导。圆筒壁材质均匀，导热系数l为常数求传热速率方程2021/9/1812021/9/182〖说明〗当圆筒壁两侧温度不变时，传热速率Q为常量，但由于S与r有关，故热通量Q/S不再是常量

2、，而Q/L保持常量；在任一半径r处，温度表示为:表明温度沿r方向为对数曲线分布；导热速率推动力△t，导热热阻R。误差不超过4％，工程上允许。2021/9/183〖说明〗多层圆筒壁热传导的总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。总的导热速率与总推动力成正比，而和总阻力成反比。对各层，同样有温差与热阻成正比。不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和Q/L为常量，但q不为常量；其中每一层的温度分布为曲线，但各层分布曲线不同；2021/9/184保温材料的放置问题对于多层平壁，如果每层厚度相等，互换先后顺序，则保温效果有何变化？对于圆直管，如果每层厚度相等，互换先后顺序，则保

3、温效果有何变化？2021/9/1854.4对流传热4.4.1对流传热机理对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状况有密切关系。考察湍流流体：流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内，沿壁面的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流底层中的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯度极小，各处的温度基本相同。在湍流主体与滞流底层的过渡层中，热传导和热对流均起作

4、用，在该层内温度发生了缓慢的变化。2021/9/186TtTwtwTsts图示即为温度在湍流流体中的分布情况。1、层流底层对流传热的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径。2、有效膜物理模型层流过渡紊流主体温度可以测量壁面温度可以测量但是界面出温度没法测量Tbtb2021/9/1874.4.2.3对流传热系数据前分析，对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数а内。4.4.2.3.1对流传

5、热速率方程将湍流主体区和滞流底层的温度梯度曲线延长，其交点与壁面距离为δ′，此膜层称为虚拟膜或有效膜。湍流主体区过渡区滞流底层虚拟膜δ′说明这是一集中了全部传热温差以导热方式传热的膜层，其温度梯度为牛顿冷却定律2021/9/188〖说明〗1.а取平均值在换热器中，局部对流传热系数а随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，一般也用h表示，此时牛顿冷却定律可表示为：Q=аSΔt式中：Q—对流传热速率，W；S—总传热面积；m2；△t—流体与壁面(或反之)间温度差平均值，℃；а—平均对流传热系数，W/(m2·℃)。2.牛顿冷却定律的具体表达方式与实际换热情况有关换热器的传热面

6、积有不同的表示方法，流体的流动位置不同，牛顿冷却定律有不同的写法。如：热流体、管程：dQ=аi(Tb-Ts)dSi热流体、壳程：dQ=аo(Tb-Ts)dSo冷流体、管程：dQ=аi(ts-tb)dSi冷流体、壳程：dQ=аo(ts-tb)dSo可见，对流传热系数是和传热面积及温度差相对应的2021/9/1894.4.2.3.2对流传热系数定义式一：据牛顿冷却定律得即：在单位温度差下，对流传热系数在数值上等于由对流传热的热通量。但该式并未揭示出影响对流传热系数或对流传热速率的因素，所以无法通过此式计算对流传热系数а。定义式二：а=l/层流底层厚度l：与流体种类有关，并与温度有关层流底层厚

7、度：与流体状态有关分析第二类保温热传导问题，临界直径的问题。对流传热的计算，实际是如何求对流传热系数物理意义：当温度差为1时2021/9/18104.4.4对流传热系数关联式对流传热过程的量纲分析一、对流传热的分类强制对流无相变自然对流对流传热冷凝有相变沸腾2021/9/18114.4.4对流传热过程的量纲分析4.4.4.1对流传热系数的影响因素对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过