【正文】 期四 Process System principle 22 對流傳熱過程 對流傳熱過程分析 三種情況流體傳給壁面的熱流密度仍由傅立葉定律確定 ， 即： δΔ TλyTλq0y??????? ????? 結論： 對流傳熱是流體流動載熱與熱傳導聯(lián)合作用的結果 ， 流體對壁面的熱流密度因流動而增大 。 流體無相變化的給熱過程 流體有相變化的給熱過程 強制對流給熱過程 自然對流給熱過程 蒸汽冷凝給熱過程 液體沸騰給熱過程 對流傳熱 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 23 對流傳熱過程 對流傳熱過程數(shù)學描述 牛頓冷卻定律： 式中： Tw， tw 熱或冷壁的溫度 ， ℃ ； T， t 熱或冷流體的溫度 ， ℃ ； α 給熱系數(shù) ， w/(m ℃ ) )Tα (Tqt)α (tqww???? 流體加熱時： 流體冷卻時： 給熱系數(shù) α ： 三種獲得給熱系數(shù) α 的方法： ① 理論分析法 ：對流場建立動量傳遞 、 熱量傳遞衡算方程和速率 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 24 對流傳熱過程 對流傳熱過程數(shù)學描述 方程 ， 聯(lián)立求解流場的溫度分布和壁面熱流密度 ， 然后寫成牛頓冷卻定律的形式 ， 從而獲得 α 的理論計算式 。 ② 數(shù)學模型法 ：對給熱過程作出簡化的物理模型和數(shù)學描述 ， 用實驗檢驗或修正模型 ， 確定模型參數(shù) 。 ③ 因次分析法 ：對影響給熱過程的因素無因次化 ， 通過實驗決定無因次準數(shù)之間的關系 。 給熱系數(shù) α 的影響因素及無因次化： ① 影響因素： 液體的物理性質： ρ 、 μ 、 Cp、 λ ； 固體表面的特征參數(shù)： l ； 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 25 對流傳熱過程 對流傳熱過程數(shù)學描述 強制對流的流速： u ； 自然對流的特征速度： gβΔt 。 其中： β 膨脹系數(shù) ， ℃ 1 ? ?121 12 ttυυυβ???υ 流體比體積 ， m3/kg ， υ= 1/ρ ； υ 2， υ 1 對應于 t t1的流體比體積 ； 于是： ? ?pcλ ,β g Δ t,μ ,l,ρ ,u,fα ? ② 無因次化： ?????????223pμρβ g Δ tl,λμc,μρ lufλα l2022年 6月 2日星期四 Process System principle 26 對流傳熱過程 對流傳熱過程數(shù)學描述 式中： 努塞爾 （ Nusselt） 準數(shù) Nuλα l ? 于是 ， 描述給熱過程的準數(shù)關系式為 crbrae GPARNu ? 雷諾 （ Reynolds） 準數(shù) Reμρ lu ? 普朗特 （ Prandtl） 準數(shù) Prλμcp ? 格拉斯霍夫 （ Grashof） 準數(shù) Grμ ρβ g Δ tl2 23 ?2022年 6月 2日星期四 Process System principle 27 對流傳熱過程 對流傳熱過程數(shù)學描述 討論：各無因次數(shù)群的物理意義 α * 給熱過程以純導熱方式進行時的給熱系數(shù) 。 Nu反映對流給熱系數(shù)增大的倍數(shù) 。 Nu準數(shù)： *ααlλαλαlNu ??? Re準數(shù) ：是流體所受的慣性力與粘性力之比 ， 用以表征流體的運動狀態(tài) 。 Pr準數(shù) ：流體物性對給熱過程的影響 。 對于氣體 ， Pr≈ 1， 對于液體 ， Pr＞＞ 1。 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 28 對流傳熱過程 對流傳熱過程數(shù)學描述 Gr準數(shù) ： ? ? β g Δ tlu 式中：,Reμ ρluμ ρβ g Δ tlGr n2n2 222n2 23 ???? 則 Gr是 Re的一種變形 ， 表征自然對流的流動狀態(tài) 。 關于定性溫度和特征尺寸： ① 定性溫度： 根據定性溫度 ， 確定物性數(shù)據 。 一般選用壁溫 tw和流體主體溫度 t的算術平均值作為定性溫度 ， 并稱之為平均膜溫 。 2ttt wm??2022年 6月 2日星期四 Process System principle 29 對流傳熱過程 對流傳熱過程數(shù)學描述 指對給熱過程產生直接影響的幾何尺寸 。 潤濕周邊流動截面4de?? ② 特征尺寸： 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 30 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 流體在圓形直管內的強制湍流的給熱系數(shù)： 當 ⅰ . Re104 brae PARNu ?bp0 . 8br0 . 8λμCμρ dudλ0 . 0 2 3α 或 ， P0 . 0 2 3 R eNu ?????????????? ⅱ . Pr 160 （ 不適用液體金屬 ） ⅲ . 流體是低粘度 （ μ 2μ 水 ） ⅳ . l/d 30～ 40 則 A= ， a= ， 加熱時 ， b=；冷卻時 ， b= 即： 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 31 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 其它條件下 ， 需修正 α ： ① 高粘度流體： 0 2 ?????????????????????????wpCdud ???????? μ 液體在主體平均溫度下的粘度 μ w 液體在壁溫下的粘度 液體加熱時 ， 則： ?????????w?? 液體冷卻時 ， 則： ?????????w?? 適用于 Re104 ， Pr 100 各種液體 ， 不適用液體金屬 。 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 32 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) ② l/d 30～ 40 的短管： 計實 α1 . 0 71 . 0 2α ）～（? ③ Re=2022～ 10000的過渡流 ④ 流體在彎管中流動 α 直管給熱系數(shù) ， w/(m ℃ ) d 管內徑 ， m R 彎管的曲率半徑 ， m 5Re1061 , 1 , ????? fff計實 ?? 39。 ?????? ?? Rd??2022年 6月 2日星期四 Process System principle 33 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) ⑤ 流體在非圓形管中流動 套管： Re= 104～ 105 ， d2/d1=～ 12e0 . 5 3120 . 3 3p0 . 8edd：d 其中 ddλμCμρ dudλ???????????????????????2022年 6月 2日星期四 Process System principle 34 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 圖 49 列管換熱器 例題： 右圖為列管換熱器 ， 由 38 根φ 25mm 組成 。 苯在管內流動 ， 由20℃ 加熱至 80℃ ， 苯的流量為 。 外殼中通入水蒸汽進行加熱 。 （ 2） 當苯的流量提高一倍 ， 給熱系數(shù)有何變化 ？ （ 1） 試求管壁對苯的給熱系數(shù) 。 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 35 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 解：苯的平均溫度 所以： ? ? ℃ ????? ttt wm 根據該溫度 ， 查得： ρ= 860 kg/m3 ， Cp= kJ/（ kg℃ ） μ= mPas ； λ= (m℃ ) smndqu v /860422????? ?3 0 9 6 8 6 3 ?? ???? ?? ?du 33 ?????? ?? ?pc2022年 6月 2日星期四 Process System principle 36 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 若忽略定性溫度的變化 ， 則： ? ?℃m w /2 2 1 521 2 7 2uu39。αα 39。 20 . 80 . 8 ???????????? ?℃m w /1 2 7 2 5 . 7 93 0 9 6 00 . 0 20 . 1 40 . 0 2 3 PrRedλ0 . 0 2 3α 20 . 40 . 80 . 40 . 8??????? 流體在圓形直管內的強制層流的給熱系數(shù)： 10PrRe ?ld適合： 0 . 1 4w31μμ ldR e P r1 . 8 6Nu??????????????? 實驗結果： 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 37 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 流體在管外強制對流給熱系數(shù)： 0 . 4n Prc ε ReNu ? 直排 錯排 圖 410 管束的排列 流體在管束外橫向流過管束的給熱系數(shù)： c、 ε 、 n的值見后表 41所示 。 應用范圍： Re=5 103～ 7 104， x1/d=～ 5 ， x2/d= ～ 5 。 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 38 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 表 41 各排的給熱系數(shù)不等 ， 整個管束的平均給熱系數(shù)為： ??????? ?????ni iiinnnAAAAAAAA1212211 ????? 式中： α i 各排的給熱系數(shù)； Ai 各排的傳熱面積 。 2022年 6月 2日星期四 Process System principle 39 對流傳熱過程 無相變的對流給熱系數(shù) 攪拌釜內液體與釜壁的給熱系數(shù)： cw