对流传热 西北大学化工原理课件.pdf

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1、西北大学化工原理课件4.3对流传热★4.3.1对流传热过程分析4.3.2对流传热速率4.3.3影响对流传热系数α的因素4.3.4对流传热中的量纲分析与关联式4.3.5无相变时对流传热系数的经验关联式☆4.3.6有相变时对流传热系数的经验关联式1西北大学化工原理课件4.3.1对流传热过程分析一、对流传热的含义与分类1.对流：指由流体质点移动而引起的热量传递现象。2.对流传热：又称对流给热，指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面间的热量传递现象。3.对流传热的分类：自然对流按传热流体有无相变可分两类①无

2、相变的对流传热：又可分为两类Ⅰ自然对流：因流体内部冷热部分密度的不同而产生，属于静止流体与外界的热量传递。如：水壶烧水等。电热炉烧水2西北大学化工原理课件Ⅱ强制对流：外力作用下的对流。强制对流Qtt12Q流动的流体与外界的传热②有相变的对流传热：也可分为两类Ⅰ蒸气冷凝给热：热量g→lⅡ液体沸腾给热：热量l→g3西北大学化工原理课件二、对流传热过程分析冷流体传热壁热流体★层流底层温度梯度大，热传导方式δt动画演示T★湍流核心tWTW温度梯度小，对流方式t★过渡区域AA热传导和对流方式214西北大学

3、化工原理课件4.3.2对流传热速率——牛顿冷却定律一、有效膜理论(effectivefilmtheory)1.有效膜的概念：T对流传热过程中，热阻主要集中于层tTW流底层，并将湍流主体和过渡区热阻加到W层流底层的热阻中，在近壁面处形成厚度t为δ的流体膜，称为有效膜。δ2.对流传热有效膜理论模型：t假设膜内层流，膜外湍流，且所有热阻都集中在厚度为δ的有效膜内。3.膜系数α：α──有效膜系数,W/(m2·K)λ定义膜系数α为：α=λ──导热系数,W/(m·K)δδ──总有效膜厚度,m可见，湍流程度增

4、大，层流底层变薄，δ↓→膜系数α↑。5西北大学化工原理课件二、Newton冷却定律（对流传热速率方程）λ流体被冷却时：Q=A(T−T)=αAΔtWδ∴Q=αA(T−T)=αA(t−t)WW——Newton冷却定律（对流传热速率方程）式中:Q──对流传热速率,W；22α──对流传热系数或膜系数,W/(m·K)或W/(m·℃)T、T──热流体平均温度与热端壁温,℃；wt、t──冷流体平均温度与冷端壁温,℃；WA──传热面积，m2。ΔtT−Tt−tNewton冷却定律可改写为：Q==W=W111αAα

5、AαA1传热推动力：Δt=T−T=t−t热阻：R=WWαA6西北大学化工原理课件4.3.3影响对流传热系数α的因素一、引起对流的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动；强制对流：由于外力和压差而引起的流动。α>α强自若流体的体积膨胀系数为β，单位为K-1，则升温后流体的体积V’=1+βΔt，其密度变为：mρρ′==<ρ故存在浮升力使流体完成自然对流V′1+βΔt二、流体的物性包括ρ，μ，λ，c，β等p三、流动形态层流、湍流：α>α湍层7西北大学化工原理课件四、流体的相变因流体的气化潜热

6、一般远大于其显热，即：r>>c；p故对于有相变的传热方式（蒸汽冷凝、液体沸腾给热），其对流传热系数α满足：α>α相变无相变五、传热面的形状、特征尺寸和位置形状：如管、板、管束等；特征尺寸：指对流体流动和传热过程有决定性影响的设备尺寸。如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正方形、三角形和同心圆形等多种排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。8西北大学化工原理课件4.3.4对流传热中的量纲分析与关联式一、量纲分析α＝f(u，l，μ，λ，ρ，c，gβΔt)=Kualbμcλdρecf(gβΔt

7、)gpp式中：l——特征尺寸；u——特征流速。基本量纲：长度L，时间T，质量M，温度Θ（4个）变量总数：8个由π定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。lducgtl32αρβafpμΔρg化简，可得：=K()()()2λμλμ准数符号：NuRePrGr准数名称：努塞尔数雷诺数普朗特数格拉斯霍夫数9西北大学化工原理课件四大准数的表示与物理意义afgαlλ/δd◆Nusselt准数：Nu=K⋅RePrGr===λλ/lδ表示管径d(l)与有效膜厚度δ的比值；duρ◆Reynolds准数：Re=μ

8、表示流动与湍动状态对α的影响cpμ◆Prandtl准数：Pr=λ表示流体物性对α的影响32βgΔtlρ◆Grashof准数：Gr=2μ表示流体的自然对流情况对α的影响10西北大学化工原理课件二、准数关联式k以强制湍流为例，若设努塞尔数为：Nu＝C·ReaPrkNu则求取准数关联式的方法是：1.采用不同Pr的流体，固定Re，有：lgNu＝klgPr＋lgCReaPr利用双对数坐标作图得一直线，可求得其斜率为k；2.不同Pr的流体在不同的Re下algNu/Prk＝algRe＋lgCNu/Prk用双对