圆筒与对流传热课堂.pptx
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1、说明说明当当圆圆筒筒壁壁两两侧侧温温度度不不变变时时,传传热热速速率率Q为为常常量量,但但由由于于S与与r有关,故热通量有关,故热通量Q/S不再是常量,而不再是常量,而Q/L保持常量;保持常量;在任一半径在任一半径r处,温度表示为处,温度表示为:表明温度沿表明温度沿r方向为对数曲线分布;方向为对数曲线分布;导热速率导热速率 推动力推动力t,导热热阻,导热热阻R。误差不超过误差不超过4,工程上允许。,工程上允许。说明说明多多层层圆圆筒筒壁壁热热传传导导的的总总推推动动力力为为各各层层温温度度差差之之和和,总总热热阻阻为各层热阻之和。为各层热阻之和。总总的的导导热热速速率率与与总总推推动动力力成成
2、正正比比,而而和和总总阻阻力力成成反反比比。对对各层,同样有温差与热阻成正比。各层,同样有温差与热阻成正比。不不论论圆圆筒筒壁壁由由多多少少层层组组成成,通通过过各各层层导导热热速速率率Q和和Q/L为为常量,但常量,但q不为常量;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;其中每一层的温度分布为曲线,但各层分布曲线不同;保温材料的放置问题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?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?温效果有何变化?4.4 对流传热对流传热 4.4.1 对流传热机理对流传热机理 对对流流传传热热,指指流流体体与与固固体体壁壁面面直直接接接接触触时时的的传传热热,是是流流体体的的对对流流与与导导热热两两者者共共同同作作用用的的结结果果。其其传传热热速速率率与与流流动动状状况有密切关系。况有密切关系。考察湍流流体:考察湍流流体:流流体体流流过过固固体体壁壁面面时时,由由于于流流体体的的粘粘性性作作用用,使使靠靠近近固固体体壁壁面面附附近近存存在在一一薄薄滞滞流流底底层层。在在此此薄薄层层内内,沿沿壁壁面面的的法法线线方方向向没没有有热热对对流流,该该方方向向上上热热的的传传递递
4、仅仅为为热热传传导导。由由于于流流体体的的导导热热系系数数较较低低,使使滞滞流流底底层层中中的的导导热热热热阻阻很很大大,因因此此该层中温度差较大,即该层中温度差较大,即温度梯度较大温度梯度较大。在在湍湍流流主主体体中中,由由于于流流体体质质点点的的剧剧烈烈混混合合并并充充满满漩漩涡涡,因因此此湍湍流流主主体体中中温温度度差差及及温温度度梯梯度度极极小小,各各处处的的温温度度基基本本相相同同。在在湍湍流流主主体体与与滞滞流流底底层层的的过过渡渡层层中中,热热传传导导和和热热对对流流均均起起作用,在该层内作用,在该层内温度发生了缓慢的变化温度发生了缓慢的变化。TtTwtwTsts图示即为温度在湍
5、流流图示即为温度在湍流流体中的分布情况。体中的分布情况。1、层流底层、层流底层 对流传热的热阻主要集中在滞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厚度是强化对流传热的重要途径。2、有效膜、有效膜 物理模型物理模型 层流层流 过渡过渡 紊流紊流主体温度可以测量主体温度可以测量壁面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但是界面出温度没法测量Tbtb4.4.2.3 对流传热系数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
6、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,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许多复杂影响因素归纳到比例系数内。内。4.4.2.3.1 对流传热速率方程对流传热速率方程将湍流主体区和滞流底层的温度梯度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曲线延长,其交点与壁面距离为,此此膜层称为虚拟膜或有效膜。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说明这是一集中了全部传热温
7、差以导说明这是一集中了全部传热温差以导热方式传热的膜层,其温度梯度为热方式传热的膜层,其温度梯度为 牛顿冷却定律说明说明1.取平均值在换热器中,局部对流传热系数随管长而变化,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=St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,;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=i(Tb-Ts)dSi热流体、壳程:dQ=o(Tb-Ts)dSo冷
8、流体、管程:dQ=i(ts-tb)dSi冷流体、壳程:dQ=o(ts-tb)dSo可见,对流传热系数可见,对流传热系数是和传热面积及温度是和传热面积及温度差相对应的差相对应的4.4.2.3.2 对流传热系数对流传热系数定义式一: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。定义式二:定义式二:=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
9、问题。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4.4.4 对流传热系数关联式 对流传热过程的量纲分析对流传热过程的量纲分析一、对流传热的分类一、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4.4.4 对流传热过程的量纲分析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程,因此影响的主要因素是:1.流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况气体无相变2.流体的物性流体的物性对影响较大的流体物性
10、有导热系数、粘度、比热Cp、密度及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。具体地:l、Cp、3.流体的温度流体的温度流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差t,流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中,当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。4.流体的流动状态流体的流动状态流体呈湍流时,随着Re的增加,滞流底层的厚度减薄,阻力降低,增大。流体呈滞流时,流体在热流方向上基本没有混杂作用,故较湍流时小。即:滞流湍流5.流体流动的原因流体流动的原因自然对流:由于流体内部存在温度差,因而各部分的流体密度不同,引起流体质点
11、的相对位移。强制对流:由于外来的作用,迫使流体流动。自然对流强制对流4.4.4.2 对流传热过程的对流传热过程的l量纲分析量纲分析6.传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响,从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同,在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响,一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸作为计算依据,称为定性尺寸。由于影响对流传热系数的因素众多而复杂,因此不可能用一个通式来描述,为此首先进行理论分析,将众多的影响因素组
12、合成若干无量纲数群(准数),然后用实验的方法确定这些准数间关系,从而建立相应的关联式。本节采用白金汉法处理对流传热问题,适用于变量较多的情况。4.4.4.2.1 流体无相变时的强制对流传热过程流体无相变时的强制对流传热过程步骤:步骤:1.列出影响该过程的物理量列出影响该过程的物理量据理论分析及实验研究,知影响据理论分析及实验研究,知影响a的因素有:定性尺寸的因素有:定性尺寸l,流流体的密度体的密度,粘度粘度,比热比热Cp,导热系数导热系数l l,流速流速u,可将其可将其表示为:表示为:f(l,,Cp,l l,u)2.确定准数数目确定准数数目 定理:任何一个量纲一致的物理方程都可表示成一个隐函定
13、理:任何一个量纲一致的物理方程都可表示成一个隐函数的形式,即:数的形式,即:f(1,2,3,i)=0其中:其中:i=j-m i无量纲准数的数目无量纲准数的数目 j变量数变量数 m基本量纲数基本量纲数(长度长度L、质量质量M、时间时间、温度温度T)i=7-4=3 有三个准数有三个准数3.确定各准数的形式(1)列出各物理量的量纲(2)选择m(即4)个共同物理量LukCpla(3)量纲分析将共同物理量与余下的物理量分别组成无量纲数群,即流体无相变时强制对流传热时的准数关联式4.4.4.2.2 自然对流传热过程自然对流传热过程通过实验进一步确定出具体的准数关联式自然对流中,引起流动的原因是单位体积流体
14、的升力,大小为gt,其它因素与强制对流相同,故一般函数表达式为:af(l,,Cp,l l,gt)方法同前,可得:4.确定具体的准数关联式通过实验进一步确定出具体的准数关联式各准数的名称、符合、意义如下:准数式准数式符号符号名称名称意义意义Nu努寒尔特准数(Nusselt)表示对流传热强弱程度的准数Re雷诺准数(Reynolds)反映流体流动湍动程度的准数Pr普兰特准数(Prandtl)反映物性对传热影响的准数Gr格拉斯霍夫准数(Grashof)反映自然对流强弱程度的准数4.4.4.2.3 应用准数关联式应注意的问题应用准数关联式应注意的问题对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系是由实验确定
15、的,在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题:1.应用范围关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。2.定性温度各准数中决定物性参数的温度,有3种表示方法:取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度取壁面平均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度取流体和壁面的平均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度壁温多为未知数,需用试差法,故工程上多用第一种方法3.特征尺寸无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。4.4.5 流体无相变时的对流传热系数流体无相变时的对流传热系数4.4.5.1流体在管
16、内作强制对流1.流体在圆管内作强制湍流(1)低粘度流体(210-3Pas的气体及大部分液体)(2)高粘度流体2.流体在圆形直管内强制滞流 3流体在圆形直管内呈过渡流 当流体在管内呈过渡状态流动时,即2300Re100时时即即可可能能形形成成湍湍流流,对对流流传传热热系系数数加加大大。折折流流挡板的形式较多,最常用的是圆缺形挡板。挡板的形式较多,最常用的是圆缺形挡板。(1)换换热热器器内内装装有有圆圆缺缺形形挡挡板板(缺缺口口面面积积为为25%的的壳壳体体内内截截面面)时时,壳程流体的,壳程流体的a关联式关联式多诺呼法多诺呼法凯恩法(2)无折流挡板按管内强制对流公式计算,将di用管间当量直径de
17、代替即可。三、自然对流时对流传热系数关联式三、自然对流时对流传热系数关联式 自自然然对对流流时时的的对对流流传传热热系系数数仅仅与与反反映映流流体体自自然然对对流流状状况况的的Gr准数及准数及Pr准数,其准数关联式可表示为:准数,其准数关联式可表示为:Nu(rPr)n (147页页)定性温度取膜温,即壁温与流体平均温度的算术平均值。定性温度取膜温,即壁温与流体平均温度的算术平均值。式中的系数式中的系数C和指数和指数n值值加热表面形状加热表面形状特征尺寸特征尺寸rPrCn水平圆管外径do1041090.531/410910120.131/3垂直管或板高度L1041090.591/41091012
18、0.101/3准数关联式计算示例准数关联式计算示例例例4-4 一水平蒸汽管,长一水平蒸汽管,长20m,外径为外径为159mm,管外壁温度管外壁温度为为120,周围空气温度为,周围空气温度为20,计算该管段由于自然对流,计算该管段由于自然对流散失的热量。散失的热量。定性温度:定性温度:t(120+20)/27070下空气物性:下空气物性:1.03kg/m3,2.0610-5Pasl l 0.0297W/mK,1/(273+70)=1/340 1/K,Pr0.6944.4.8 流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数蒸汽冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。这类传热过程的特点是相
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