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 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


3582316

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


3582316

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


    3582316

    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。


    3582316

    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


    3582316

    热边界层的形成过程


    3582316

    (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


    3582316

    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


    3582316

    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


    3582316

    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。


    3582316

    • 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。


    3582316

    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。


    3582316

    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


    3582316

    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。


    3582316

    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,


    3582316

    • 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。


  • 3582316

    • 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::


    3582316

    (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;


    3582316

    • 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。


    3582316

    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。


    3582316

    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


    3582316

    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:


    3582316

    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


    3582316

    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。


    3582316

    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)


    3582316

    进口段温度分布和局部表面传热系数的变化


    3582316

    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:


    3582316

    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。


    3582316

    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。


    3582316

    • 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。


    3582316

    • 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


    3582316

    式中:


    3582316

    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


    3582316

    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


    3582316

    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


    3582316

    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


    3582316

    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


    3582316

    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。


    3582316

    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)


    3582316

    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:


    3582316

    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


    3582316

    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。


    3582316

    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:


    3582316

    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


    3582316

    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。


    3582316

    • (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:


    3582316

    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:


    3582316

    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


    3582316

    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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