化工流体流动与传热4.3 对流传热概述

1第4章传热4.1概述4.2热传导4.3对流传热概述2流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同)时的传热过程称为对流传热。流体无相变的对流传热①强制对流传热②自然对流传热流体有相变的对流传热①蒸气冷凝②液体沸腾4.3对流传热概述根据流体在传热过程中的状态：34.3对流传热概述1.对流传热速率方程4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数4对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。1.对流传热速率方程对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力=系数×推动力5对流传热速率可由牛顿冷却定律描述wwdd1/dTTQTTSS温度差局部对流传热系数微分对流传热通量1.对流传热速率方程6换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流动，则对流传热速率方程式可分别表示为iwiddQTTSowoddQttS1.对流传热速率方程74.3对流传热概述1.对流传热速率方程4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数2.对流传热系数82.对流传热系数牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即QSt对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2·℃)。它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。表4-5列出了几种对流传热情况下α的数值范围。94.3对流传热概述4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2对流传热机理简介1.对流传热分析10对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。对流传热图4-13对流传热的温度分布情况1.对流传热分析11当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界层，边界层内存在速度梯度。层流内层缓冲层湍流核心湍流边界层传热方式热传导热传导和涡流传热涡流传热1.对流传热分析12层流内层缓冲层湍流核心湍流边界层温度梯度较大居中较小热阻较大居中较小1.对流传热分析13对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。1.对流传热分析142.热边界层靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层15图4-14平板上的热边界层o2.热边界层16若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即wddd()dtQSy紧靠壁面处薄层流体的温度梯度2.热边界层17根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为wwd()d1(d)TTQTTSS换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温换热器任一截面上热流体的平均温度2.热边界层18()()ddttTTyty因此有上式为对流传热系数的另一定义式，该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而α就愈大。反之，则相反。2.热边界层19流体在管内流动时，热边界层的发展过程也和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径，此时称为充分发展流动。流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到α达到基本稳定的这一段距离称为进口段。2.热边界层204.3对流传热概述4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2对流传热机理简介4.3.3保温层的临界直径21通常，热损失随保温层厚度的增加而减少。但是在小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随保温层厚度增加，可能反而使热损失增大。4.3.3保温层的临界直径221f1fo12io11ln2π2πttttQrRRLrrL总推动力总阻力式中R1为保温层的热传导热阻，R2为保温层外壁与空气的对流传热热阻。当保温层厚度增加(即ri不变，ro增大)时，热阻R1虽然增大，但是热阻R2反而下降，因此有可能使总热阻(R1+R2)下降，导致热损失增大。热损失可表示为4.3.3保温层的临界直径23解得一个Q为最大值时的临界半径1f2oo2ooio112πd0dln/1LttrrQrrrr整理得o/r4.3.3保温层的临界直径24习惯上以rc表示Q最大时的临界半径，故c/rc2/d或dc为保温层的临界直径。若保温层的外径小于dc，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在do2λ/α下，增加保温层的厚度才使热损失减少。4.3.3保温层的临界直径25图4-15保温层的临界直径dc4.3.3保温层的临界直径26第4章传热4.1概述4.2热传导4.3对流传热概述4.4传热过程计算4.4.1热量衡算27假设换热器的热损失可忽略，则单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。对于换热器的微元面积dS，其热量衡算式可表示为hhccdddQWIWI对于整个换热器，其热量衡算式为Thh1h2cc2c1()()QWIIWII热平衡方程28若换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时hh1cc212T()()ppQWcTTWctt若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝时hcc21T()pQWWcttr热平衡方程29当冷凝液的温度低于饱和温度时hhs2cc21T[()]()ppQWrcTTWctt热平衡方程30第4章传热4.1概述4.2热传导4.3对流传热概述4.4传热过程计算4.4.1热量衡算4.4.2总传热速率微分方程和总传热系数31通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即d()dQKTtS1.总传热速率微分方程32总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。ood()dQKTtSiid()dQKTtSmmd()dQKTtS总传热速率微分方程1.总传热速率微分方程33显然有oiiiooddKSdKSdommmooddKSdKSd管内径管外径平均管径工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。1.总传热速率微分方程342.总传热系数1.总传热系数的计算总传热系数(简称传热系数)K是评价换热器性能的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的基本数据。K的数值与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等诸多因素有关，因此K值的变动范围较大。K值的来源：①K值的计算；②实验查定；③经验数据。35两流体通过管壁的传热包括以下过程:①热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热；②通过管壁的热传导；③管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。2.总传热系数36对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即iwiwwmowod()d()d()dQTTSTtSttSb或2.总传热系数37移项后相加，得()()()d1111ddddddTTTtttTtQbbSSSSSSoooiiomd1dQTtdbdSdd上式两边均除以odS，并利用ooooiimmdd,ddSdSdSdSd，得2.总传热系数38比较ood()dQKTtSiid()dQKTtSmmd()dQKTtS2.总传热系数39iiiimoo11Kbddddmiioomm1Kdbdddoooiimo11Kdbddd基于管内表面积的局部总传热系数基于平均表面积的局部总传热系数基于管外表面积的局部总传热系数得2.总传热系数40设计中应考虑污垢热阻的影响，即ooosisooiiimo11ddbdRRKddd管壁外表面污垢热阻管壁内表面污垢热阻总传热系数计算式某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。污垢热阻(又称污垢系数)2.总传热系数41提高总传热系数途径的分析总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻oooosisooiiim11ddbdRRKddd壁阻总热阻管内热阻管内垢阻管外垢阻管外热阻2.总传热系数42若传热面为平壁或薄管壁，则sisoio111bRRKio当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时io111K若管壁外侧对流传热控制oK，则2.总传热系数43iK管壁内侧对流传热控制io,若管壁内、外侧对流传热控制相当若管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大污垢热阻控制若io，则2.总传热系数44欲提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。K值总是接近且永远小于中的小者。当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于中小者。o,i2.总传热系数o,i452.K的实验查定对现有的换热器，通过实验测取有关的数据，如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式计算得到K值。实测的K值不仅可以为换热器的设计提供依据，而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传热能力的途径。2.总传热系数463.总传热系数的经验值某些情况下管壳式换热器的总传热系数K的经验值列于表4-6。从表4-6可看出，通常经验值的范围较大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若为降低操作费，可选较小的K值；若为降低设备费，可选较大的K值。2.总传热系数47练习题目思考题1.牛顿冷却定律的形式及其物理意义；2.对流传热系数的物理意义；3.热边界层的概念及其对于传热的影响；4.保温层临近直径的概念。