导图社区 对流传热2
环境工程原理，对流传热部分，仅供参考。
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对流传热
过程：当流体流过某一温度不同的固体 壁面时发生的热量传递，仅发生在流动的液体和气体中，其传热方式包括了导热和热对流
导热
依靠物质的分子、原子的震动、位移和相互碰撞进行热量传递的方式
热对流
由于流体的宏观运动、质点的相对位移而引起的热量传递过程
工程中常见的对流传热过程：间壁式换热器的换热
套管式换热器
列管式换热器
对流传热的特点
当热量通过热传导自壁面传入流体后，由于相对的 宏观运动以焓的形式被运动着的流体带向下游－热对流
同时，分子的微观运动没有停止，流体微团内部的热量以导热的形式传向离壁面的流体层－热扩散
机理
流体边界层
层流边界层
层与湍的层流底层中，热量传递的方式是导热
湍流边界层
层流底层
流体平行流动，无掺杂
以导热方式传热
符合傅里叶定律
导热系数小，热阻大
温度分布近似为直线的温度梯度大
缓冲层
质点脉动较弱，有掺混
以对流及导热共同作用传热
温度分布为平滑曲线温度梯度小
湍流核心
质点强烈脉动
流体主体部分的温度趋于均一
热量传递主要依靠对流进行
温度分布趋于平坦温度梯度很小
湍流传热时，热阻集中在层流底层中，减少层流厚度是强化传热的重要途径
湍流流动的传热速率大于层流
传热边界层：温度梯度较大的区域
传热过程阻力主要集中在传热边界层内
传热阻力取决于传热边界层厚度
流动边界层厚底与传热边界层厚度
Pr=v/a=μCp/λ
普兰德数越小越容易传递热量，动量传热越难
一维稳态导热：q=λ（Tw-T0）/Y
在温差相同的情况下 ，流体的流动增加了壁面处的温度梯度，使壁面处热量通量较静止时大
对流传热的速率：牛顿冷却定律dQ=αdA(T2-T1)
α：局部对流传热系数
Q=αAΔT
对流传热热阻1/αA
有效膜厚度α=λ/y
对流传热系数
不是物性参数
其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流体是否有相变等
对流传热微分方程式：α=-λ/(T2-T1)(ðT/ðy)y=0
影响因素
物性特征
流体密度或比热容越大，流体与壁面间的传热速率越大
导热系数越大，热量传递越迅速
流体的粘度越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热
几何特征
短管和弯管有利于传热
固体壁面的形状、尺度、方位、粗糙度、是否处于管道进口段以及是弯管还是直管等。
流动特征
流动起因
流动状态
有无相变
流体对流方式
如果保温层的外径小于临界直径，d2<>dc,增加保温层厚度反而使热量损失增加，大于，增加保温层的厚度会使热损失减小
对流传热系数的经验公式-量纲分析法
几个无量纲准数
奴赛尔特数Nu=αdi/λ
雷诺数Re=μdiρ/u
普兰德数Pr=μCp/λ
格拉晓夫准数Gr=L3ρ2βgΔT/μ2=浮生力/粘滞力
典型情况
无相变时管内的强制对流
流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动
长管低粘度
Nu=0.023Re∧0.8Pr∧f
应用条件：定性温度 特征尺寸、应用范围
长管高粘度：
短管L/di<50：修正系数φl=1+（di/L）∧0.7
小管径，温差小
Nu=1.86Re∧（1/3）Pr∧（1/3）（di/L）∧（1/3）（uw/μ）∧0.14
弯管内对流传热：
修正系数
大空间内自然对流
自然对流的概念
竖壁上流体自然对流的传热特征
壁面法向上，流体温度逐渐降低温度场存在于靠近壁面的薄层内
速度分布依赖于温度分布壁面和边界层外边缘之间有最大温差值
对流传热系数与Gr和Pr有关，Nu=C（Gr Pr）∧n
固体壁面边界层的发展不受空间限制或干扰的自然对流传热
传热面类型要相同，无量纲数要在实验数值范围内，原则上不能外推
无量纲数与定性温度、特征尺寸和特征速度相对应，必须严格按规定选区定性温度、特征尺寸和特征速度
