对流传热2

环境工程原理，对流传热部分，仅供参考。

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
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        • 弯管内对流传热：
          • 修正系数
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    • 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
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