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对流传感

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对流传感. 湖北工业大学化学与环境工程学院 胡 兵副教授 中职国培化学工艺专业. t h. Φ. 热流体. Φ. 冷流体. t h,w. t c,w. t c. 流体通过间壁的热交换. 6.3 对流传热. 流体与固体壁面之间传热: ◇ 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。. 说明: 流体的运动对传热发生重要影响。. ( 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

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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对流传感

湖北工业大学化学与环境工程学院 胡 兵副教授

中职国培化学工艺专业

slide2

th

Φ

热流体

Φ

冷流体

th,w

tc,w

tc

流体通过间壁的热交换

6.3 对流传热

流体与固体壁面之间传热:

◇ 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。

说明:流体的运动对传热发生重要影响。

      • (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
      • 湍动程度越高,对流的传热速率越大。

工程上,对流传热指流体和固体壁面间的传热过程

slide3

u

y

t∞

t∞-t

t∞-t

t∞

t

0

t\'∞

(t-tW)/ (t∞-t)=0.99

Φ

δt

tW

流体被平壁冷却温度边界层

      • (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。
  • 6.3.1 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。
slide4

y

u

t∞

t∞

t∞

t∞

t

0

(tW-t)/ (tW-t∞)=0.99

δt

tW

Φ

流体被平壁加热温度边界层

slide6

(2)热边界层的厚度

  • (3)热边界层的特点
  • 层内(近壁处):集中全部的温差和热阻

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

slide7

y

u

t∞

t∞

t∞

t∞

t

0

(tW-t)/ (tW-t∞)=0.99

δt

tW

Φ

流体被平壁加热温度边界层

(5)热边界层与流动边界层关系

slide8

u∞

u∞

u∞

u/u∞=0.99

du/dy

u∞

u∞

u∞

u∞

u/u∞=0.99

湍流边界层

du/dy

层流边界层

层流内层

平板上的流动边界层

slide9

区别:本质不同,厚度不一定相等。

联系:研究问题方法相似,两者密切相关。

流动边界层对热边界层的影响:

湍流区:质点相互混合交换热量, 温差小。

缓冲层:质点混合、分子运动共同作用,温度变化平缓。

层流内层:导热为主,热阻大、温差大。

说明:流动边界层对传热边界层影响显著,

改善流动状况,特别是减薄层流内层厚度,

可使传热速率大大提高。

slide10

6.3.2 对流传热速率方程和对流传热系数

  • (1)牛顿冷却定律

th

tc2

th1

Φ

Φ

热流体

冷流体

th,w

tc,w

th2

tc1

tc

流体通过间壁的热交换

说明: ① 实验定律;

② 对壁两侧流体(冷、热)均适用。

slide11

热流体: 冷流体:

③ α是计算关键,一般由实验测定。

  • (2)对流传热过程的简化模型
  • ① 真实模型
  • 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。
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Thm

Thw

TCW

Tcm

δL1

δL2

δ2‘

δ1‘

  • ② 简化模型
  • 有效膜(虚拟膜):集中全部温差,以热传导方式传热。

优点:对流传热问题 → 导热问题

slide13

6.3.3 对流传热系数的经验关联

(1)影响表面传热系数的因素

①流体流动状态

  • 代价:动力消耗↑。

②流体流动原因

强制对流:外部机械作功,

一般流速较大, α也较大。

自然对流:由流体密度差造成的循环过程,

一般流速较小,α也较小。

slide14

③流体的物理性质

定性温度:计算表面传热系数的特征温度

一般,

slide15

④传热面的形状、位置和大小

  • 壁面的形状,尺寸,位置、管排列方式等,
  • 造成边界层分离,增加湍动,使h增大。
slide16

⑤相变化的影响

  • 有相变传热:蒸汽冷凝、液体沸腾,
  • 无相变传热:强制对流、自然对流,
  • 一般地,有相变时表面传热系数较大。
  • 例:水 强制对流,
  • 蒸汽冷凝,
  • (2) 无相变化时对流传热过程的量纲分析
  • 量纲分析过程
    • ① 优点:减少实验次数;
    • ② 依据:物理方程各项量纲一致;
    • ③ 步骤::
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(c)列出量纲指数的线性方程组(M、L、T、 );

(d)规定已知量(指数), 确定余下指数表达式;

(e)整理特征数方程形式。

(a)通过理论分析和实验观察,确定相关因素;

(b)构造函数形式;

slide18

特征数的物理意义

① 努塞尔数

  • l:特征尺寸,平板—— 流动方向的板长;
  • 管 —— 管径或当量直径;
      • 说明:▲ 反映对流传热的强弱,包含表面传热系数;
  • ▲ 努赛尔数恒大于1。

② 雷诺数

说明: 反映流动状态对 α 的影响。

slide19

③ 普朗特数

  • 说明:▲反映流体物性对传热的影响
  • ▲ 反映热扩散和动量扩散的相对大小
  • ▲ 反映流动边界层和热边界层的相对厚度

使用时注意:

* 查取定性温度下的物性;

* 计算所用单位,SI制。

slide20

④ 格拉斯霍夫数(浮升力特征数)

  • 说明: 反映自然对流的强弱程度。

自然对流

强制对流

混合对流

slide21

N u / Pr0.4

200

100

10

104

103

10

102

Gr/Pr=1

1

102

103

104

105

2300

Re

管内强制对流Nu/Pr0.4与Re的关系

  • 6.3.4无相变化的对流传热

(1)管内强制对流传热

一般关系式:

slide22

流动状态不同,则 c、m、n值不同

传热流动状态划分(区别于流体流动时规律 )

  • ① 流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数

a) 一般流体

slide23

适用条件:

定性温度:tm=(t1+t2)/2

特征尺寸:管内径di

说明:

保证流体达到传热湍流;

流体被加热,n= 0.4

流体被冷却,n= 0.3

避开传热进口段,保证稳态传热。

slide24

tc,W

tc,W

t(r,x)

xent

充分发展了的边界层

层流情况下流体在管内温度分布

Nux或hx

Nux

αx

O

x

Nu 或α的变化趋势

传热进口段:传热正在发展,α不稳定 (随管长增加h减小)

slide26

传热进口段长度:进口到传热边界层汇合点间的长度。传热进口段长度:进口到传热边界层汇合点间的长度。

说明:经验公式,有一定误差。

b)粘度较大流体

近似取:

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适用条件:

定性温度:tm=(t1+t2)/2

特征尺寸:管内径di

  • c) 流体流过短管(l/d<50)
  • 影响:处于传热进口段,表面传热系数较大。
  • 计算:采用以上各式计算 α,并加以校正。
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d) 圆形直管内过渡流时表面传热系数

0.1

l/d = 50

100

0.01

200

0.002

400

0.001

105

106

107

102

103

104

过 渡 状 态 的 传 热

计算:采用湍流公式,但需加以校正。

说明:设计换热器时,一般避免过渡流。

slide29

e) 圆形直管内强制层流

  • 特点:1)传热进口段的管长所占比例较大;
      • 2)热流方向不同,也会影响;
      • 3)自然对流的影响,有时不可忽略。

适用条件:

定性温度:tm=(t1+t2)/2;

特征尺寸:管内径di。

slide30

f ) 圆形弯管内的强制对流

  • 特点:离心力使径向压力不均,产生二次环流;
  • 结果:流体湍动程度增加,使h增加;
      • 同时,流动阻力损失增加。

d

R

弯管内流体的流动

  • g ) 非圆形管内强制对流
  • ★采用圆形管内相应的公式计算,
      • 但特征尺寸采用当量直径。
      • ★最好采用专用、经验公式。
      • 如:套管环隙
slide32

A

流体横向流过单根圆管外时流动情况

② 管外强制对流

a) 流体横向流过单管

slide33

对流传热系数分布

1)低雷诺数(70800~101300)φ=0-80°,层流边界层厚度增大使α↓,

φ>80°,边界层分离,使α↑,有一个最低点。

2)高雷诺数(140000~219000)

有两个最低点:

N01: φ=70-80°,层流边界 层→湍流边界层;

N02: φ=140°(分离点),

发生边界分离。

800

Nu

700

600

Reф=219000

186000

170000

140000

101300

70800

500

400

0o

40o

120o

160o

80o

Φ

不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化

300

200

100

slide34

沿整个管周的平均表面传热系数:

  • 常数C、指数n见下表

特征尺寸:管外径

slide35

x2

d

x1

b) 流体横向流过管束的表面传热系数

◆ 管束的排列方式

直列(正方形)、 错列(正三角形)

直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意

slide36

x2

d

x1

错列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意

slide37

x2

d

x2

d

x1

x1

直列

错列

第一排管

错列和直列基本相同;

第二排管

错列和直列相差较大,

阻挡减弱,冲刷 增强;

第三排管以后基本恒定。

第一排管

直接冲刷 ;

第二排管

不直接冲刷;扰动减弱

第二排管以后基本恒定。

slide38

Nu

Nu

◆各排管α的变化规律

2.0

2.0

180o

180o

0o

0o

1.8

3~7

1.8

Φ

1.6

Φ

1.6

90o

90o

1.4

1.4

1.2

1.2

1.0

1.0

0.8

1

0.8

0.6

2

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

0o

30o

90o

120o

150o

60o

180o

Φ

0o

30o

60o

90o

120o

150o

180o

Φ

直列管束中,不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化(Re=1.4×104,空气)

错列管束中,不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化(Re=1.4×104,空气)

slide39

可以看出,错列传热效果比直列好。

 ◆ 传热系数的计算方法

任一排管子:

  • C、ε、n取决于管排列方式和管排数。
  • 特征尺寸:管外径

适用范围:

slide40

圆缺折流板

管板

装有圆缺折流板的列管换热器

c) 流体在列管换热器管壳间的传热

slide41

圆缺折流板示意图

管板

折流挡板 :壳程流体的流动方向不断改变,

较小Re(Re=100),即可达到湍流。

作用:● 提高湍动程度,↑α,强化传热;

● 加固、支撑壳体。

缺点:流动阻力↑,壳程压降↑的重要因素。

slide42

102

RePr

10

1

10

102

104

103

Re

管壳式换热器表面传热系数计算曲线

有折流挡板时壳程流体表面传热系数:

slide43

d0

t

也可采用关联式:

挡板切割度:25%D。

特征尺寸:流道的当量直径。

正方形排列

slide44

S2

D

B

S1

d0

t

正三角形排列

  • 流速的确定:按最大流通截面 (最小流速) 计算。
  • 说明: 无折流板时,流体平行流过管束,
  • 按管内公式计算,特征尺寸为当量直径。
slide45

(3) 自然对流传热

  • 温度差引起流体密度不均,导致流体流动。
  •   分类:大空间自然对流传热:边界层发展不受限制和干扰。
  • 有限空间自然对流传热:边界层发展受到限制和干扰。

大空间自然对流传热:

slide46

竖直壁面上表面传热系数的分布

近壁处温度与流速的分布

沿竖壁自然对流的流动和换热特征

大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流:

slide47

3.2

3.2

lg(Nu)

2.8

2.0

2.8

lg(Nu)

1.6

2.4

1.2

0.8

2.0

0.4

0.0

1.6

lg(GrPr)

-0.4

0

-1

2

8

4

6

流体沿垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线

-3

-5

lg(GrPr)

流体沿水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线

1.2

0.8

0.4

0.0

2

4

12

-1

6

0

8

10

表面传热系数的求取:

① 查图求解

slide48

do

L

② 经验关联

大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时:

影响因素:物性,传热面积、形状、放置方式;

定型尺寸:竖板,竖管,L;

水平管,外径 do

定性温度:膜温

系数C和指数n的取值见下表:

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