化工流体流动与传热 对流传热概述优秀课件

2. 热边界层
热边界层
靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义 为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的 温度基本上相同，即温度梯度可视为零。
2. 热边界层Βιβλιοθήκη Baidu
o
图 4-14 平板上的热边界层
2. 热边界层
若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传 导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即
dQ dS(ddyt )w
近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。
热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而 影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定
时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而α就
愈大。反之，则相反。
2. 热边界层
流体在管内流动时，热边界层的发展过程也 和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开 始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管 子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径， 此时称为充分发展流动。
4.3.3 保温层的临界直径
热损失可表示为
Q总 总 推 阻 动 力 力 R t1 1 tR f22π1 Llnt1rro i tf2πr1 oL
式中R1为保温层的热传导热阻，R2为保温层外 壁与空气的对流传热热阻。
当保温层厚度增加(即ri不变，ro增大)时，热 阻R1虽然增大，但是热阻R2反而下降，因此有 可能使总热阻(R1+R2)下降，导致热损失增大。
对于换热器的微元面积dS，其热量衡算式
可表示为 dQ W hdIhW cdIc
对于整个换热器，其热量衡算式为 Q T W h ( I h 1 I h 2 ) W c (I c 2 I c 1 )
热平衡方程
若换热器中两流体无相变化，且流体的比热 容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时
Q TW hcp h(T 1T 2)W ccp c(t2t1)
若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸 气冷凝时
Q TW hrW ccpc(t2t1)
热平衡方程
当冷凝液的温度低于饱和温度时
Q T W h [ r c p h ( T s T 2 ) ] W c c p c ( t2 t 1 )
1. 对流传热速率方程
1. 对流传热速率方程
对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传 热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又 有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的， 目前工程上仍按下述的半经验方法处理。
对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力 =系数×推动力
1. 对流传热速率方程
对流传热速率可由牛顿冷却定律描述
4.3.3 保温层的临界直径
解得一个Q为最大值时的临界半径
dQ dro
2πLt1
tf
lnro / ri
1
ro
1
ro2
1
ro
2
0
整理得 ro /
4.3.3 保温层的临界直径
习惯上以rc表示Q最大时的临界半径，故
rc /
或
dc 2/
dc为保温层的临界直径。若保温层的外径小于dc ， 则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在
do>2λ/α下，增加保温层的厚度才使热损失减少。
4.3.3 保温层的临界直径
dc
图4-15 保温层的临界直径
第 4 章 传热
4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 传热过程计算
4.4.1 热量衡算
热平衡方程
假设换热器的热损失可忽略，则单位时间 内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数
1. 对流传热速率方程 2. 对流传热系数
2. 对流传热系数
牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即
Q St
对流传热系数在数值上等于单位温度差下、 单位传热面积的对流传热速率，其单位为 W/(m2·℃)。它反映了对流传热的快慢，α愈大表 示对流传热愈快。表4-5列出了几种对流传热情况 下α的数值范围。
流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到
α达到基本稳定的这一段距离称为进口段。
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介 4.3.3 保温层的临界直径
4.3.3 保温层的临界直径
通常，热损失 随保温层厚度的增 加而减少。但是在 小直径圆管外包扎 性能不良的保温材 料，随保温层厚度 增加，可能反而使 热损失增大。
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介
1. 对流传热分析
对流传热
1. 对流传热分析
对流传热是 借流体质点的移 动和混合而完成 的，因此对流传 热与流体流动状 况密切相关。
图4-13 对流传热的温度分布情况
1. 对流传热分析
当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作 用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界层， 边界层内存在速度梯度。
紧靠壁面处 薄层流体的
温度梯度
2. 热边界层
根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传 热速率方程为
dQ1T(dTSw)(TTw)dS
换热器任一截 面上热流体的
平均温度
换热器任一截 面上与热流体 相接触一侧的
壁温
2. 热边界层
因此有 T Tw(d dy t)w t(d dy t)w
上式为对流传热系数的另一定义式，该式表 明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附
dQ1 T/ T dw STTwdS
微分对流 传热通量
局部对流 传热系数
温度差
1. 对流传热速率方程
换热器的传热面积有不同的表示方法，可 以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体 在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流 动，则对流传热速率方程式可分别表示为
dQiTTwdSi
dQotwtdSo
4.3 对流传热概述
传热方式
层流内层 热传导
湍流边界层
缓冲层
热传导和涡流传热
湍流核心 涡流传热
1. 对流传热分析
湍流边界层
层流内层 缓冲层 湍流核心
温度梯度 较大 居中 较小
热阻 较大 居中 较小
1. 对流传热分析
对流传热是集热对流和热传导于一体的综 合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层， 因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的 主要途径。
化工流体流动与传 热 对流传热概述
4.3 对流传热概述
流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同) 时的传热过程称为对流传热。
根据流体在传热过程中的状态：
流体无相变的 ①强制对流传热
对流传热
②自然对流传热
流体有相变的 对流传热
①蒸气冷凝 ②液体沸腾
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数