化工原理课件第四章第三节优秀课件

5. 是否发生相变
主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。
发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大 于温度变化的显热（r远大于cp）。
一般情况下，有相变化时对流传热系数较 大，机理各不相同，复杂。
相变 > 无相
4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立
由于对流传热本身是一个非常复杂的物理 问题，现在用牛顿冷却定律把复杂问题用简单 形式表示，把复杂问题转到计算对流传热系数 上面。
湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点 充分混合，温度趋于一致（热阻 小），传热主要以对流方式进行。
质点相互混合交换热量，温差小。
过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也 不像层流底层变化明显，传热以热传 导和对流两种方式共同进行。
质点混合，分子运动共同作用，温度变化平缓。
根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。
假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集 中在厚度为δt有效膜中，在有效膜之外无热阻 存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进 行。
该膜既不是热边界层，也非流动边界层， 而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热 的虚拟膜。
由此假定，此时的温度分布情况如下图所示。
建立膜模型：
t e
4-16
式中 ：
δt ──总有效膜厚度； δe ──湍流区虚拟膜厚度； δ──层流底层膜厚度。
湍 > 层
4. 传热面的形状，大小和位置
不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成 边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
•形状：如管、板、管束等； •大小：如管径和管长等；
•位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和 三角形排列）；管或板是垂直放置还是 水平放置。
对于一种类型的传热面常用一个对对流传热 系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。
对流传热仅发生在流体中，与流体的流动 状况密切相关。
实质上对流传热是流体的对流与热传导共 同作用的结果。
4.3.1 对流传热过程分析
热边界层或温度边界层：
流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进 行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化， 形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生 显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。
的影响： ； 的影响： Re ； Cp 的影响：cp cp 单位体积流体的热容量
大，则 较大； μ的影响: Re
3.流动形态：
层流：热量主要依靠热传导的方式传热。由于 流体的导热系数比金属的导热系数小得 多，所以热阻大。
湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。
Re δ ；但Re动力消耗大。
流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流 底层中。
如果要加强传热，必须采取措施来减少层 流底层的厚度。
3.3.2 对流传热速率方程
——牛顿冷却定律
对流传热大多是指流体与固体壁面之间的 传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况 密切相关。
如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温 度边界层。
温度差主要集中在层流底层中。
4.3.3 影响对流传热系数的因素
对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备 中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的 热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。
1.引起流动的原因：
自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成 的浮升力，造成流体内部质点的上升和
下降运动，一般u较小，也较小。
由于有温度差，即：t2＞ t1，所以ρ2＜ρ1。 若流体的体积膨胀系数为β，则ρ1与ρ2的
对流传热系数大小的确定成为了一个复杂 问题，其影响因素非常多。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍 流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热 情况。
流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别 为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。
层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运 动，在传热方向上无质点的混合， 温度变化大，传热主要以热传导的 方式进行。
导热为主，热阻大，温差大。
使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：
流体被加热：
Q
t
A(tw2
t)
4-17
流体被冷却：
Q t A(T tW1)
4-18
设 t
4-19
对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述：
流体被加热： QA(tw2t) 4-20
流体被冷却： QA(TtW1) 4-21
式中： Q ′，Q── 对流传热速率，W；
关系为：
12(1t) 4-25
t t2 t1
4-26
于是在重力场内，单位体积流体由于密 度不同所产生的浮生力为：
(12)g2gt 4-27
强制对流：在外力作用下引起的流体流动，
一般 u 较大，故 较大。
强 自
4-28
2.流体的物性：
当流体种类确定后，根据温度、压力（气 体）查对应的物性，影响较大的物性有：
由于对流是依靠流体内部质点发生位移来 进行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流 动的状况有关。
在流体流动一章中曾讲了流体流动型态有 层流和湍流。
层流流动时，由于流体质点只在流动方向 上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此 时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由 于流体内部存在温差还会有少量的自然对流， 此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
′，a ── 对流传热系数，W/(m2·℃)；
tW1， tW2── 壁温，℃； T，t ── 流体平均温度，℃； A ──对流传热面积，m2。
牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，
而只是一种推论，是一个实验定律。
QA(twt)＝t1 wAt Rt
4-22
推动力： 阻力：
t twt
R 1 A
4-23 4-24
t和A一定时 ， Q
对流传热是一个非常复杂的物理过程，实 际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律 只是给出了计算传热速率简单的数学表达式， 并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因
素都归结到了当中──复杂问题简单化表示。
流体被加热： QA(tw2t) 4-20
流体被冷却： QA(TtW1) 4-21
化工原理课件第四 章第三节
4.3 对流传热
4.3.1 对流传热过程分析 4.3.2 对流传热速率方程 4.3.3 影响对流传热系数的因素 4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立 4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式 4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式
对流传热：