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1、第二章传热第三次课2023/1/19第1页，本讲稿共23页流体强制对流传热流体强制对流传热 外界机械能强迫流体流过固体壁面的传热。外界机械能强迫流体流过固体壁面的传热。流体自然对流传热流体自然对流传热蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝传热液体沸腾传热液体沸腾传热前二者是无相变传热，后二者是有流体相变的传热。前二者是无相变传热，后二者是有流体相变的传热。对流传热类型对流传热类型第2页，本讲稿共23页流体沿固体流体沿固体壁面的流动壁面的流动 层流内层层流内层湍流主体湍流主体流流体体分分层层运运动动，相相邻邻层层间间没没有有流流体体的的宏宏观观运运动动。在在垂垂直直于于流流动动方方向向上上不不存存在在热热对对流流
2、，该该方方向向上上的的热热传传递递仅仅为为流流体体的的热热传传导导。该该层层中中温温度度差差较较大大，即即温度梯度较大。温度梯度较大。温度梯度很小，温度梯度很小，各处的温度基本相同。各处的温度基本相同。对流传热分析对流传热分析一、对流传热机理简介一、对流传热机理简介第3页，本讲稿共23页在在靠靠近近壁壁的的层层流流内内层层中中流流动动为为层层流流，热热量量传传递递通通过过导导热热进进行。温度分布曲线的斜率大（温度梯度大）。行。温度分布曲线的斜率大（温度梯度大）。在缓冲层内，由于对流传热的作用，温度梯度变小。在缓冲层内，由于对流传热的作用，温度梯度变小。在湍流核心，质点湍动强烈，对流很快，温度梯
3、度更小。在湍流核心，质点湍动强烈，对流很快，温度梯度更小。第4页，本讲稿共23页二、对流传热方程和对流传热系数二、对流传热方程和对流传热系数 1 1、对流传热方程、对流传热方程 据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：对流传热速率方程可以表示为：对流传热速率方程可以表示为：牛顿冷却定律牛顿冷却定律 第5页，本讲稿共23页2 2、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数对流传热系数定义式：定义式：表表示示单单位位温温度度差差下下，单单位位传传热热面面积积的的对对流流传传热热速速率率。单单位位W/W/(m(m2 2k)k)。反映了反
4、映了对流传热的快慢对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。，对流传热系数大，则传热快。它它不不是是流流体体的的物物理理性性质质，而而是是受受诸诸多多因因素素影影响响的的一一个个参参数数，反映对流传热热阻的大小。反映对流传热热阻的大小。第6页，本讲稿共23页第二章第二章 传热传热一、影响对流传热系数的因素一、影响对流传热系数的因素二、流体无相变时的对流传热系二、流体无相变时的对流传热系数数三、流体有相变时的对流传热系数三、流体有相变时的对流传热系数第二节第二节 对流传热系数关联式对流传热系数关联式 第7页，本讲稿共23页一、影响对流传热系数的因素一、影响对流传热系数的因素 1 1、流体的种类和
5、相变化的情况、流体的种类和相变化的情况 2 2、流体的物性、流体的物性1 1）导热系数）导热系数 层层流流内内层层的的温温度度梯梯度度一一定定时时，流流体体的的导导热热系系数数愈愈大大，对流传热系数也愈大。对流传热系数也愈大。2 2）粘度）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。3 3）比热和密度）比热和密度第8页，本讲稿共23页 cp：单位体积流体所具有的热容量。单位体积流体所具有的热容量。cp值值愈愈大大，流流体体携携带带热热量量的的能能力力愈愈强强，对对流流传传热热的的强强度愈强。度愈强。（4）体积膨胀系数）体积膨胀系数 体体积积膨膨胀胀系系数数值值愈愈
6、大大，密密度度差差愈愈大大，有有利利于于自自然然对对流流。对强制对流也有一定的影响。对强制对流也有一定的影响。3、流体的温度、流体的温度4、流体流动状态、流体流动状态 湍流的对流传热系数远比层流时的大。湍流的对流传热系数远比层流时的大。第9页，本讲稿共23页5 5、流体流动的原因、流体流动的原因 强制对流：自然对流：由于外力的作用由于外力的作用 由由于于流流体体内内部部存存在在温温度度差差，使使得得各各部部分分的流体密度不同，引起流体质点的位移的流体密度不同，引起流体质点的位移单位体积的流体所受的浮力为：单位体积的流体所受的浮力为：6 6、传热面的型状、大小和位置、传热面的型状、大小和位置 第
7、10页，本讲稿共23页二、对流传热过程的关联式二、对流传热过程的关联式1 1、用关联式法确定有关的准数、用关联式法确定有关的准数列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示。列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示。影响因素：流体的物性、固体表面的特征尺寸、强制对影响因素：流体的物性、固体表面的特征尺寸、强制对流特征、自然对流特征。流特征、自然对流特征。第11页，本讲稿共23页表表2-7 准数的符号和意义准数的符号和意义准数名称准数名称符号符号准数式意义意义努塞尔准数努塞尔准数（Nusselt）Nu表示对流传热的准数表示对流传热的准数 雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的
8、准数确定流动状态的准数普朗特准数普朗特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉晓夫准数格拉晓夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数第12页，本讲稿共23页2、应用准数关联式应注意的问题：、应用准数关联式应注意的问题：1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 取流体进出口的平均温度；取流体进出口的平均温度；取壁面的平均温度；取壁面的平均温度；取流体和壁面的平均温度。取流体和壁面的平均温度。2）特征尺寸：）特征尺寸：Nu，Re数中数中L应如何选定。应如何选定。3）特征速度。）特征速度。4）
9、热流方向的影响。）热流方向的影响。第13页，本讲稿共23页三、流体无相变时的对流传热系数三、流体无相变时的对流传热系数1、流体在管内作强制对流、流体在管内作强制对流1）流体在圆形管内作强制湍流）流体在圆形管内作强制湍流低粘度流体低粘度流体 大约低于大约低于2倍常温水的粘度流体倍常温水的粘度流体 式中：当流体被式中：当流体被加热时加热时n=0.4，流体被流体被冷却时，冷却时，n=0.3。第14页，本讲稿共23页管长与管径比管长与管径比 应用范围：应用范围：特征尺寸：特征尺寸：Nu、Re等准数中的等准数中的l取为管内径取为管内径di。定性温度：定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进
10、、出口温度的算术平均值。高粘度的液体高粘度的液体 为考虑黏度校正系数。为考虑黏度校正系数。第15页，本讲稿共23页 应用范围：应用范围：特征尺寸：特征尺寸：取为管内径取为管内径di。定性温度：定性温度：除除w取取壁壁温温以以外外，其其余余均均取取液液体体进进、出出口口温温度度的的算术平均值。算术平均值。例例 常压空气以常压空气以15m/s的平均流速流过内径为的平均流速流过内径为53mm，长为，长为4m的的直直管管道道。已已知知空空气气的的进进口口温温度度为为150，出出口口温温度度为为250，求空气的对流传热系数。求空气的对流传热系数。第16页，本讲稿共23页解解 特征尺寸特征尺寸di=53m
11、m，定性温度，定性温度t=由附录查得定性温度下空气物性：由附录查得定性温度下空气物性：=3.9210-2W/(m)Pr=0.680，=2.6010-5Pas，=0.746kg/m3可用下式计算可用下式计算，因空气被加热取，因空气被加热取n=0.4第17页，本讲稿共23页四、流体有相变时的对流传热四、流体有相变时的对流传热1、蒸汽冷凝、蒸汽冷凝蒸汽冷凝的方式蒸汽冷凝的方式 膜状冷凝：膜状冷凝：若若冷冷凝凝液液能能够够浸浸润润壁壁面面，在在壁壁面面上上形形成成一一完完整的液膜整的液膜 滴状冷凝：滴状冷凝：若若冷冷凝凝液液体体不不能能润润湿湿壁壁面面，由由于于表表面面张张力力的的作作用用，冷冷凝凝液
12、液在在壁壁面面上上形形成成许许多多液液滴滴，并并沿沿壁壁面面落下落下 第18页，本讲稿共23页第19页，本讲稿共23页v膜状冷凝壁面被液膜所覆盖，冷凝液膜是膜状冷凝的主要热阻工程上要保持滴状冷凝很困难。即使在开始阶段为滴状冷凝，但经过一段时间后，由于液珠的聚集，大部分都要变成膜状冷凝。为保持滴状冷凝，可采用各种不同的壁面涂层和蒸汽添加剂。在进行冷凝计算时，为安全起见一般按膜状冷凝来处理。膜状冷凝和滴状冷凝的比较膜状冷凝和滴状冷凝的比较v滴状冷凝壁面的大部分直接暴露在蒸汽中，对流传热膜系数很大第20页，本讲稿共23页2 2、液体沸腾时的对流传热系数、液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾液体沸腾 大
13、容积沸腾大容积沸腾 管内沸腾管内沸腾 1）沸腾曲线）沸腾曲线 当当温温度度差差较较小小时时，液液体体内内部部产产生生自自然然对对流流，较较小小，且且随随温度升高较慢。温度升高较慢。当当t逐逐渐渐升升高高，在在加加热热表表面面的的局局部部位位置置产产生生气气泡泡，该该局局部部位位置置称称为为气气化化核核心心。气气泡泡产产生生的的速速度度t随随上上升升而而增增加加，急剧增大。急剧增大。称为称为泡核沸腾或泡状沸腾。泡核沸腾或泡状沸腾。第21页，本讲稿共23页第22页，本讲稿共23页 当当t再再增增大大，加加热热面面的的气气化化核核心心数数进进一一步步增增多多，且且气气泡泡产产生生的的速速度度大大于于
14、它它脱脱离离表表面面的的速速度度，气气泡泡在在脱脱离离表表面面前前连连接接起来，形成一层起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。不稳定的蒸汽膜。由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。称为临界点。临临界界点点所所对对应应的的温温差差、热热通通量量、对对流流传传热热系系数数分分别别称称为为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。当当t再再增增大大，由由于于加加热热面面具具有有很很高高温温度度，辐辐射射的的影影响响愈愈来愈显著，来愈显著，q又随之增大，这段称为又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾稳定的膜状沸腾。工业生产中，一般应工业生产中，一般应维持在泡状沸腾区域内操作维持在泡状沸腾区域内操作。第23页，本讲稿共23页