PDF《3.3 对流传热》

热流体冷流体th tc th,w tc,w Φ Φ 流体通过间壁的热交换 流体与固体壁面之间传热;

流体中质点发生相对位移而引起热交换.

3.3 对流传热 说明:流体的运动对传热发生重要影响. 工程上,对流传热指流体和固体壁面间的传热过程 (1)机理 流体质点碰撞、混合,传递热量,包括 对流传热和热传导 对流传热与流体流动状况密切相关 (2)分类 自然对流:温差引起密度差,造成流体流动. 强制对流:流体靠外加动力流动,造成对流. 3.3.1 热边界层的概念 (1)热边界层 : 近壁处,流体温度显著变化的区域. t'∞ Φ t∞ t∞ t∞-t (t-tW)/ (t∞-t)=0.99 t∞-t tW 流体被平壁冷却温度边界层 u

0 t y δt (2)热边界层的厚度 层外(流体主体):等温区,无温差和热阻 (4)热边界层发展过程 圆管内 (3)热边界层的特点 层内(近壁处):集中全部的温差和热阻 3.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数 (1)牛顿冷却定律 热流体冷流体Th Tc Th,w Tc,w Φ Φ 流体通过间壁的热交换 Th

1 Th

2 Tc

1 Tc

2 说明: ① 实验定律;

② 对壁两侧流体(冷、热)均适用. 热流体: ③ α是计算关键,一般由实验测定. 冷流体: (2)对流传热过程的简化模型 Thm Tcm δL1 Thw δL2 δ1 ' δ2 ' TCW 优点:对流传热问题 → 导热问题 由傅立叶定律有: ② 简化模型 有效膜(虚拟膜)假设:集中全 部温差,集中全部热阻,仅以热传导 方式传热. 流体主体→过渡层 →层流内层 对流 对流,导热 导热 研究方法:计算各层的热流量. ① 真实模型 α 换热方式 空气自 然对流 气体 强制 对流 水自然 对流 水强制 对流 水蒸汽 冷凝 有机蒸 汽冷凝 水沸腾 5~25 20~

100 200~

1000 1000~

15000 5000~

15000 500~

2000 2500~

25000 由表可见,同种流体 液体 气、液体 α值数量级范围见下表: 1.流体的种类及相变化情况 2.流体的物理性质 ρ、μ、Cp、λ 3.流体运动状态 依Re划分 4.对流状况 自然对流、强制对流 5.传热壁的形状、大小及安装位置 影响给热系数的因素主要有: 3.3.3 给热系数的影响因素 ⒈强制湍流(无相变)传热过程 ――传热面的特征尺寸 ――物性 ――流速(操作条件) Step Ⅰ: 列出影响过程的诸物理量 影响α的因素为: Step Ⅱ: 根据Π定理确定无因次数群的数目i=n-m 在此n=7,m=4(长度,质量,时间,温度), 则Step Ⅲ: 确定准数形式 ① 列出物理量的因次 ② 选择m个(m=4)物理量作为i个(i=3)无因次准数的共同物理量. ③ 因次分析 对 而言,等式两边因次为 上等示两边同一因次指数相等,则得 各无因次数群的物理意义 ① 雷诺数Re:Re表征流体的运动状态. ② 努塞尔数Nu: 反映对流使给热系数增大的倍数. ――自然对流的特征速度 Gr是雷诺数的一个变形,它表征着自然对流的流动状态. ③ 普朗特数Pr:反映物性对给热过程的影响.气体的Pr≈1,液体Pr值则远 大于1. ④ 格拉斯霍夫数Gr ⒌ 特征尺寸 非圆管,特征尺寸为当量直径 ⒋ 定性温度――确定物性数据的温度通常 特征尺寸是指对给热过程产生直接影响的几何尺寸. 对管内强制对流给热 圆管,特征尺寸为管内径di 一.圆形直管内强制湍流的给热系数前已述及,对于强制湍流, 3.3.4 流体无相变时的对流给热系数的经验关联式 写成幂函数形式, 由实验结果确定A,a,b参数.当3. 流体是低粘度的(不大于水的粘度的2倍) 1.Re>10000,充分湍流 即进口段只占总数的很小一部分,而管内流动是充分发展的. n= 0.4 被加热 n=0.3 被冷却 2. 0.7