化工流體流動與傳熱 對流傳熱概述

化工流體流動與傳熱對流傳熱概述1第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日流體流過固體壁面(流體溫度與壁面溫度不同)時(shí)的傳熱過程稱為對流傳熱。流體無相變的對流傳熱①強(qiáng)制對流傳熱②自然對流傳熱流體有相變的對流傳熱①蒸氣冷凝②液體沸騰

4.3對流傳熱概述根據(jù)流體在傳熱過程中的狀態(tài)：2第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日

4.3對流傳熱概述1.對流傳熱速率方程4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)3第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日

對流傳熱是一復(fù)雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，而且不同的對流傳熱情況又有差別，因此對流傳熱的理論計(jì)算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經(jīng)驗(yàn)方法處理。1.對流傳熱速率方程對流傳熱速率=對流傳熱推動力/對流傳熱阻力=系數(shù)×推動力4第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述溫度差局部對流傳熱系數(shù)微分對流傳熱通量1.對流傳熱速率方程5第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日

換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，可以是管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)表面積。例如，若熱流體在換熱器的管內(nèi)流動，冷流體在管間(環(huán)隙)流動，則對流傳熱速率方程式可分別表示為1.對流傳熱速率方程6第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日

4.3對流傳熱概述1.對流傳熱速率方程4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)2.對流傳熱系數(shù)7第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.對流傳熱系數(shù)牛頓冷卻定律也是對流傳熱系數(shù)的定義式，即對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，其單位為W/(m2·℃)。它反映了對流傳熱的快慢，α愈大表示對流傳熱愈快。表4-5列出了幾種對流傳熱情況下α的數(shù)值范圍。8第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日

4.3對流傳熱概述4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)4.3.2

對流傳熱機(jī)理簡介1.對流傳熱分析9第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日對流傳熱是借流體質(zhì)點(diǎn)的移動和混合而完成的，因此對流傳熱與流體流動狀況密切相關(guān)。對流傳熱圖4-13對流傳熱的溫度分布情況1.對流傳熱分析10第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日當(dāng)流體流過固體壁面時(shí)，由于流體黏性的作用，使壁面附近的流體減速而形成流動邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度。層流內(nèi)層緩沖層湍流核心湍流邊界層傳熱方式熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)和渦流傳熱渦流傳熱1.對流傳熱分析11第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日層流內(nèi)層緩沖層湍流核心湍流邊界層溫度梯度較大居中較小熱阻較大居中較小1.對流傳熱分析12第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日

對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的主要途徑。1.對流傳熱分析13第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.熱邊界層靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層14第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日圖4-14平板上的熱邊界層o2.熱邊界層15第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日若緊靠壁面處薄層流體內(nèi)的傳熱只能是熱傳導(dǎo)，則傳熱速率可用傅里葉定律表示，即緊靠壁面處薄層流體的溫度梯度2.熱邊界層16第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日根據(jù)牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳熱速率方程為換熱器任一截面上與熱流體相接觸一側(cè)的壁溫?fù)Q熱器任一截面上熱流體的平均溫度2.熱邊界層17第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日因此有上式為對流傳熱系數(shù)的另一定義式，該式表明，對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近的流體層的溫度梯度，就可由該式求得α。熱邊界層的厚薄影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。當(dāng)邊界層內(nèi)、外側(cè)的溫度差一定時(shí)，熱邊界層愈薄，則(dt/dy)w愈大，因而α就愈大。反之，則相反。2.熱邊界層18第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日流體在管內(nèi)流動時(shí)，熱邊界層的發(fā)展過程也和流動邊界層相似。流體進(jìn)入管口后，邊界層開始沿管長而增厚;在距管入口一定距離處，于管子中心相匯合，邊界層厚度即等于管子的半徑，此時(shí)稱為充分發(fā)展流動。流體在管內(nèi)傳熱時(shí)，從開始加熱(或冷卻)到α達(dá)到基本穩(wěn)定的這一段距離稱為進(jìn)口段。2.熱邊界層19第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日

4.3對流傳熱概述4.3.1對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)4.3.2

對流傳熱機(jī)理簡介4.3.3保溫層的臨界直徑20第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日

通常，熱損失隨保溫層厚度的增加而減少。但是在小直徑圓管外包扎性能不良的保溫材料，隨保溫層厚度增加，可能反而使熱損失增大。4.3.3保溫層的臨界直徑21第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日式中R1為保溫層的熱傳導(dǎo)熱阻，R2為保溫層外壁與空氣的對流傳熱熱阻。當(dāng)保溫層厚度增加(即ri不變，ro增大)時(shí)，熱阻R1雖然增大，但是熱阻R2反而下降，因此有可能使總熱阻(R1+R2)下降，導(dǎo)致熱損失增大。熱損失可表示為4.3.3保溫層的臨界直徑22第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日解得一個(gè)Q為最大值時(shí)的臨界半徑整理得4.3.3保溫層的臨界直徑23第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日習(xí)慣上以rc表示Q最大時(shí)的臨界半徑，故或dc為保溫層的臨界直徑。若保溫層的外徑小于dc

，則增加保溫層的厚度反而使熱損失增大。只有在do>2λ/α下，增加保溫層的厚度才使熱損失減少。4.3.3保溫層的臨界直徑24第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日圖4-15保溫層的臨界直徑dc4.3.3保溫層的臨界直徑25第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日第4章傳熱4.1概述

4.2熱傳導(dǎo)

4.3對流傳熱概述4.4傳熱過程計(jì)算4.4.1熱量衡算26第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日假設(shè)換熱器的熱損失可忽略，則單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。對于換熱器的微元面積dS，其熱量衡算式可表示為對于整個(gè)換熱器，其熱量衡算式為熱平衡方程27第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日若換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱容不隨溫度而變或可取平均溫度下的比熱容時(shí)若換熱器中的熱流體有相變化，例如飽和蒸氣冷凝時(shí)熱平衡方程28第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日當(dāng)冷凝液的溫度低于飽和溫度時(shí)熱平衡方程29第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日第4章傳熱4.1概述

4.2熱傳導(dǎo)

4.3對流傳熱概述4.4傳熱過程計(jì)算4.4.1熱量衡算4.4.2總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)30第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日通過換熱器中任一微元面積dS的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程，可以仿照對流傳熱速率方程寫出，即1.總傳熱速率微分方程31第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同?？倐鳠崴俾饰⒎址匠?.總傳熱速率微分方程32第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日顯然有管內(nèi)徑管外徑平均管徑工程上大多以外表面積為基準(zhǔn)，故后面討論中，除非特別說明，都是基于外表面積的總傳熱系數(shù)。1.總傳熱速率微分方程33第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.總傳熱系數(shù)1.總傳熱系數(shù)的計(jì)算總傳熱系數(shù)(簡稱傳熱系數(shù))K是評價(jià)換熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)。

K的數(shù)值與流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等諸多因素有關(guān)，因此K值的變動范圍較大。

K值的來源：①K值的計(jì)算；②實(shí)驗(yàn)查定；③經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。34第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程:①熱流體在流動過程中將熱量傳給管壁的對流傳熱；②通過管壁的熱傳導(dǎo)；③管壁與流動中的冷流體之間的對流傳熱。2.總傳熱系數(shù)35第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率必然相等，即或2.總傳熱系數(shù)36第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日移項(xiàng)后相加，得上式兩邊均除以，并利用，得2.總傳熱系數(shù)37第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日比較2.總傳熱系數(shù)38第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日基于管內(nèi)表面積的局部總傳熱系數(shù)基于平均表面積的局部總傳熱系數(shù)基于管外表面積的局部總傳熱系數(shù)得2.總傳熱系數(shù)39第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響，即管壁外表面污垢熱阻管壁內(nèi)表面污垢熱阻總傳熱系數(shù)計(jì)算式某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查附錄。污垢熱阻(又稱污垢系數(shù))2.總傳熱系數(shù)40第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日提高總傳熱系數(shù)途徑的分析總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻壁阻總熱阻管內(nèi)熱阻管內(nèi)垢阻管外垢阻管外熱阻2.總傳熱系數(shù)41第四十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日若傳熱面為平壁或薄管壁，則當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)若管壁外側(cè)對流傳熱控制，則2.總傳熱系數(shù)42第四十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日管壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制若管壁內(nèi)、外側(cè)對流傳熱控制相當(dāng)若管壁兩側(cè)對流傳熱熱阻很小，而污垢熱阻很大污垢熱阻控制若，則2.總傳熱系數(shù)43第四十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日欲提高K值，強(qiáng)化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。

K值總是接近且永遠(yuǎn)小于中的小者。當(dāng)兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，K近似等于中小者。2.總傳熱系數(shù)44第四十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.K的實(shí)驗(yàn)查定對現(xiàn)有的換熱器，通過實(shí)驗(yàn)測取有關(guān)的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后用總傳熱速率方程式計(jì)算得到K值。實(shí)測的K值不僅可以為換熱器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設(shè)備傳熱能力的途徑。2.總傳熱系數(shù)45第四十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值某些情