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热量传递2012-2-2


Transport Processes and Unit Operations
主讲: 主讲:李 鹏
过程装备与控制工程系
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第2章 热量传递 (Heat Transfer)
§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 概述 热传导 对流传热 传热过程计算 对流传热系数关联式 辐射传热 换热器
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>
3. 对流传热
? 3.1 对流传热过程分析 ? 3.2 对流传热速率方程 ? 3 影响对流传热系数的因素 ? 3.4 对流传热系数经验关联式的建立 ? 3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式 ? 3.5※ 有相变时对流传热系数的经验关联式 自学) 有相变时对流传热系数的经验关联式(自学 自学

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3.1 对流传热过程分析
什么是对流传热? 什么是对流传热?
强制对流 tw t 自然对流

Q

t1
Q

Q

t2
边界层是对流传热 的主要热阻所在。 的主要热阻所在。
电热炉烧水

流动的流体与外界的传热

静止流体与外界的传热

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对流传热的定义 对流传热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的 热量传递现象。

● 对流传热既有热对流,也有导热;不是基本传 热方式 ● 对流传热实例:1) 暖气管道; 2) 电子器件冷 却;3)电风扇
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对流传热的特点: 对流传热的特点: (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动; 必须有温差; 必须有温差;
y t∞ u∞

流体以来流速度u 流体以来流速度u∞和 来流温度t 来流温度t∞流过一个温 度为t 的固体壁面。 度为tw的固体壁面。选 取流体沿壁面流动的方 向为x坐标、 向为x坐标、垂直壁面 方向为y 方向为y坐标。
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tw qw x

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由于固体壁面对流体分 子的吸附作用,使得壁 面上的流体是处于不流 动或不滑移的状态。

y

t∞ u∞

tw qw x

在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面的 方向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化 到来流的速度值。 同时,通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下 向流体扩散(热传导),并不断地被流体的流动而带到下游 (热对流),因而也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面 温度变化到来流温度。
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流动状态与温度分布

对流传热过程
层流底层 热传导 热阻大 温差大 湍流核心 对流传热 热阻小 温差小 过渡区域 热传导和对流传热

强化湍流传热过程的措施
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3.2 对流传热速率方程
有效膜模型 δt = δe + δ δt ─总有效膜厚度; δe ─湍流区虚拟膜厚;
δ ─ 层流底层膜厚度。 傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内 流体被加热: Q = 流体被冷却: 热 流 体 冷 流 体

TW

tW

Q
? L1 ? L2

λ′ A(Tw ? T ) δt′ λ Q= A(t w ? t ) δt

t

? t1
α= λ δt

? t2

t w ? t ?t 推动力 = = 牛顿冷却定律: 牛顿冷却定律: Q = αA(t w ? t )= 1 R 热阻 αA
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3.2 对流传热速率方程
讨论:
牛顿冷却定律: Q = αA(t 1 ? t 2 )
对流传热系数,W/m2K 牛顿冷却定律只是一种推论,一个实验定律,即假设 Q∝?t,并非从理论上推导的结果。

?t和 A一定时, α ↑ Q ↑
复杂问题简单化表示 牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学 表达式,并未简化问题本身, 表达式,并未简化问题本身,只是把诸多影响过程 的因素都归结到了α 的因素都归结到了α当中 如何确定α 如何确定α及增强换热的措施是对流换热的核心问题
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3.3 影响对流传热系数的因素
引起流动的原因
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强> α自

流体的物性
ρ,?,λ,cp

ρ:ρ↑→ Re↑ →α↑ λ:λ↑→α↑ cp:cp↑→α↑ ? : ? ↑→Re↓→α↓
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3.3 影响对流传热系数的因素
流动型态
层流、湍流 α湍> α层

传热面的形状,大小和位置
? 形状:管、板、管束等; ? 大小:管径和管长等; ? 位置:管子的排列方式(管束有正四方形和三角形排 列);管或板是垂直放置还是水平放置。

是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾
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α相变> α无相变
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对流换热分类

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3.4 对流传热系数经验关联式的建立
因次分析法 α=f ( u,l,?,λ,cp,ρ,gβ?t)
式中:l——特性尺寸; u——特征流速。 基本因次:长度L,时间 T,质量M,温度θ 变量总数:8个 由π定律(8-4)=4,可知有4个无因次数群。

Nu = C Rea Prk Gr g

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3.4 对流传热系数经验关联式的建立
无因次数群 αl Nu = Nusselt(努塞尔)待定准数(包含对流传热系数) λ
Re = duρ

Pr =

? cp?

Reynolds(雷诺)表征流体流动型态对对流传 热的影响。 Prandtl(普兰特)反映流体物性对对流传热的 影响 Grashof(格拉斯霍夫)表征自然对流对对流传 热的影响
duρ a c p ? k βg?tl 3 ρ 2 g αl = C( ) ( ) ( ) 2 λ ? λ ?
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λ

βg?tl 3 ρ 2 Gr = ?2

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3.4 对流传热系数经验关联式的建立
实验安排及结果整理

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3.4 对流传热系数经验关联式的建立
定性温度、 定性温度、特性尺寸的确定

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3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式
流体在管内的强制对流

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3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式
注意事项

强化传热措施

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3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式
对特定条件关联式的修订

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3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式

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3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式

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对流传热系数小结
? ?层流 ?管内? ?湍流 ? ?无相变 ? ?水平圆管外 ? ? ?外壁 ? ? ? ?管束外 ? ? ? ? ? ?自然对流 ?

? ? ? ?冷凝传热 ? ?有相变 ?沸腾传热 ?

注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸
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α的量级
?自然对流: 5 ~ 25W / m 2 ? K 自然对流: 空气中 ? 强制对流: 20 ~ 100W / m 2 ? K ?强制对流:
?自然对流: 200 ~ 1000W / m 2 ? K 自然对流: ? 强制对流: 1000 ~ 15000W / m 2 ? K ?强制对流: 水中 ? 蒸汽冷凝: 5000 ~ 15000W / m 2 ? K ?蒸汽冷凝: ?水沸腾: 2500 ~ 25000W / m 2 ? K ?水沸腾:

?强制对流: 50 ~ 1500W / m 2 ? K 强制对流: 油类中 ? 蒸汽冷凝: 500 ~ 2000W / m 2 ? K ?蒸汽冷凝:

总之: 总之:

αl > α g
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α 有相变 > α 无相变
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α 强制 > α自然
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例:

o 内径d=20mm d=20mm, 从 t ′f = 25.3o C 加热到 t ′f′ = 34.6 C 内径d=20mm,水在

管内的流速为u=2m/s,求换热系数。 管内的流速为u=2m/s,求换热系数。 u=2m/s d = 20mm = 0.02m 已知: 已知: l1 = 5m

u = 2m / s

求:α

t ′f′ = 34.6 o C

t ′f = 25.3o C

(1)审题内容,确定类型。 审题内容,确定类型。 定性温度,查取物性。 (2)定性温度,查取物性。 计算准则,选用公式。 (3)计算准则,选用公式。 代入计算,考虑修正。 (4)代入计算,考虑修正。

解(1)管内强制对流——用圆管内强制对流公式。 管内强制对流——用圆管内强制对流公式。 ——用圆管内强制对流公式 定性温度, (2)定性温度,

t fm

1 25.3 + 34.6 o (t ′f + t ′f′ ) = = = 30 C 2 2
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查取物性,附录5 P329) 查取物性,附录5(P329)得: ?6 2 λ f = 0.618W / m oC v = 0.805 × 10 m / s
Pr = 5.42 ρ = 995.7 kg / m c p = 4.174kJ / kg ? K 计算准则,选定公式。 (3)计算准则,选定公式。 ud 2 × 0.02 Re = = = 4.97 × 10 ? 4 > 10 ? 4 v 0.805 ×10 ?6
3

Nu = 0.023 Re

0.8

Pr

n

因为是加热流体n=0.4 因为是加热流体n=0.4

(4)代入公式计算,考虑修正 代入公式计算,

Nu = 0.023 × 4.97 ×10

(

4 0 .8

)

5.42 0.4 = 258.5

Nuλ 258.5 × 0.618 α= = = 7987W / m oC d 0.02 26
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注:修正主要是看是否超出公式的适用范围。 修正主要是看是否超出公式的适用范围。
l 5 = = 250 > 60 d 0 . 02

是否
c p (t ′f ? t ′f 4

t fm ? t w ≤ 20 ~ 30o C

先求Q 故要求tw,先求
Q = ρu

πd 2
4

)
× 4.174 × 10 3 × (34 .6 ? 25 .3)

= 995 .7 × 2 × = 24285W

π × 0.02 2

Q = αA(t w ? t fm ) t w = t fm +

Q Q = t fm + αA απLD 24285 = 30 + = 39.68o C 7895 × 0.02π × 5

t w ? t fm = 39.68 ? 30 = 9.68 < 20 o C
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满足要求。 满足要求。
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+

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