4.3_硅酸盐工业热工基础_对流换热

4.3.1 对流换热的基本概念 4.3.1.1 对流换热
定义：流体和固体壁面直接接触时彼此之间的热交换过程。
① 流体的热对流
对流换热
② 流体分子间的导热
4.3.1.2 对流换热的影响因素
(1) 流体的流动状态 上一内容 下一内容
① 层流：热量传递——热传导
② 湍流：热量传递——热传导、对流传热
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p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。 冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。
解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t =(15+35)/2 = 25℃
查 25℃ 时水的物性数据如下 ： Cp= 4.179×103J/kg·℃ =0.608W/m·℃ = 90.27×10-3N·s/m2
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② Re-雷诺数
Re wl
表示意义：表示流体惯性力与粘滞阻力之比，反映流体流态的准数。
③ Pr-普朗特数
Pr cp
表示意义：是由物理性质参数组成，是流体的物理性质对对流传热的影响。
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或者：
Nu f (Re, Pr,Gr) ……(4-46)
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4.3.3.4 特征数的物理意义 特征数：具有一定物理意义的无因次数群。
① Nu-努赛尔数
Nu l / l 1/
表示意义：表示对流换热强烈程度的一个 准数。又表示传导热阻与对流 热阻之比。
…… ※(4-49) ※
w0 — 标况下，流体在管道内的流速， m / s d — 管道内径或当量直径， m
An — 因流体种类而异的系数
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例题：4-8
某水泥厂从窑抽风供煤磨使用，已知热风管长 30m ，直径0.4m ，热风管内的平均 流速为 12m/s ，热风进口温度为 400℃，出口温度为360℃，求热风管内平均对流换热 系数，热风散热量及管壁平均温度。
由于换热是在内管内表面，所以定性尺寸选内管内径 d = 25mm-2×2.5mm = 20mm = 0.02m
所以
Re
dw
0.02 997 0.4 90.27 105
8836
过渡流
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= 997kg/m3 25mm 89mm
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校正系数
A 是比例系数 Alabcd wecpf (gt)i ……(4-44)
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Alabcd wecpf (gt)i ……(4-44)
由公式 (4-41) Q / tA 可知 的单位是 W/(m2·℃) 物理量的量纲为 MT-3q-1
要使等式成立，首先等式两侧量纲要一致，比如：
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4.3.4 对流换热的计算
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4.3.4 对流换热的计算
强制对流换热
对流换热计算
自然对流换热
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① 湍流√
圆管内 ② 层流√ ③ 过渡流 ×
掠过平板 ① 湍流√ ② 层流√ 流体外掠单管√ 一些经验公式 ×
Q — 对流换热量，W； tf — 固体壁面温度，℃； tW — 周围流体温度，℃； A — 流体与固体接触的面积，m2； — 对流换热系数，W/(m2·℃)；
Q
tA
……(4-41)
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(2) 的意义 是代表对流换热能力大小的一个物理量。表示单位时间内，当流体与固体壁
垂直平壁及直圆筒√
自然对流特征数方程 水平圆筒√
简化公式× 平面散热的经验公式√
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4.3.4.1 强制对流换热 (1) 流体在圆管内湍流流动
Nuf 0.023Re0f.8 Prf0.4 ……(4-49)
f 表示选用流体温度作为定性温度。
将努赛尔数、普朗特数表达式代入 (4-49)得，
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4.3.3 对流换热特征数方程 4.3.3.1 对流换热系数的影响因素 影响对流换热系数 的因素
f (l, , , , w, cp , gt) ……(4-40)
gt — 流体内部的浮升力
4.3.3.3 对流换热特征数方程 f (l, , , , w, cp , gt)
Prf Prw
0.11
修正系数。
……(4-55)
适用条件： 2300 Re f 104;
1.5 Prf 500,
0.05 Prf 20 Prw
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(4) 流体掠过平板湍流流动
计算公式为：
Num
(0.037
Re
0.8 m
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(2) 流体在圆管内层流流动 计算公式为：
Nu f
1.86(Re f
Prf
)0.33
d l
1
3
f w
0.14
f w
0.14修正系数。
……(4-53)
定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
适用条件：
Re f
Prf
d l
10, Re f
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所以
Nuf 0.023Re0f.8 Prf0.4 0.023 (8.08104 )0.8 (0.677)0.4 165.5
Nu f 165.5 5.08102 21.0 W/(m2·℃)
d
0.40
热风散失热量
Q1 Awcpt 3.14 (0.4)2 12 0.541063 (400 360) 34800 W 4
解：管道中热风平均温度为
tf
400 360 2
380
℃
空气在 380 ℃ 时的物性参数为
Cp= 1063 J/kg·℃ =0.0508 W/m·℃ n = 59.5×10-6m2/s
= 0.54 kg/m3
Re f
wd
n
12 0.4 59.5 106
8.08104
湍流
Prf
cp
0.677
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4.3 对流换热
4.3.1 对流换热的基本概念 4.3.2 对流换热的基本定律 4.3.3 对流换热的特征数方程 4.3.4 对流换热量的计算
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4.3.1 对流换热的基本概念
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适用条件： 2300 Re f 106;
0.6 Prf 1.5,
0.5 Tf 1.5 Tw
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② 对液体
计算公式为：
Nu f
0.012(Re0f.87
280)
Pr
0.4 f
1
d l
2 3
Prf Prw
0.11
f
1
6 105 Re1f.8
1
6 105 88361.8
0.953
管壁对水的对流换热系数为
0.02Βιβλιοθήκη Baidu d
wd
0.8
cp
0.4
f
0.023
0.608 0.02
88360.8
90.27
105 60.8
4.179 102
103
0.4
0.953
1981 W/(m2·℃)
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① 流体与固体壁平均温度； ② 固体壁面温度；
③ 流体平均温度；
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定性尺寸：对流体流动有决定意义的壁面与流体接触的几何尺寸。
常见定性尺寸
① 流体在管道中流动——管道直径或当量直径； ② 横向掠过单管或管道族——管道外径； ③ 纵向掠过单管或管道族——管道流动方向的长度；
0.023 d
wd
0.8
cp 0.4
… …
※(4-50)
※
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0.023
d
wd
0.8
cp
0.4
…… ※(4-49) ※
定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
适用条件：
① 湍流区 Ref > 104 。 过渡区需乘以校正系数 f
④ Gr-格拉晓夫数
Gr
l3
2 gt 2
Gr Pr > 109 为自然对流的湍流状态。
表示意义：表示流体浮升力与粘性力之比。表示流体自然流动对对流传热的影响。 在自然对流中相当于强制对流的雷诺数，Gr 越大，自然对流越强烈。
(3) 定性温度与定性尺寸
定性温度：决定准数中物理参数值的所选定温度。
常用定性温度选取原则是选有代表性的温度
解上面4式消去4个未知数，并代回到原式得：
l
A
l
w
e
cp
f
l gt 2
i
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l
A
lw
e
cp
f
l gt 2
i
Nu
Re
pr
l3 3gt 2
Gr
特征数方程式就是：
Nu ARee Pr f Gri ……(4-45)
13 :
2030
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不适合长管
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(3) 流体在圆管内过渡流流动 ① 对气体
计算公式为：
Nu f
0.0214(Re0f.8
100)
Pr
0.4 f
1
d l
2 3
Tf Tw
0.45
Tf Tw
0.45
修正系数。
……(4-54)
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(2) 流体流动的动力
① 自然流动：由于流体内部温度不同导致密度不同而引起的流动 ② 强制流动：受外力影响产生的流动
(3) 流体的物理性质
影响因素有：① 比热容 ：比热越大热流量越大 ② 密 度：密度越大热流量越大 ③ 热导率 ：热阻小，热流量越大 ④ 粘 度：粘度越大热流量越小
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MT 3q 1 A(L)2 (ML3)b (L1MT 1)c (LMT 3q 1)d (LT 1)e (L2T 2q 1) f (LT 2 )
根据量纲的和谐型有：
对于M： 1 b c d 对于L： 0 a 3b c d e 2 f i 对于T： 3 c 3d e 2 f 2i 对于q： 1 d f
(4) 换热面的形状和位置 上一内容 下一内容 回主目录
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4.3.2 对流换热的基本定律
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4.3.2 对流换热的基本定律 (1) 牛顿冷却定律 换热的热流量 q 与固体壁面面积和流体之间温度差成正比。
Q (tw t f ) A tA ……(4-40)
② Prf = 0.6--120 。
f
1
6 105 Re1f.8
③ l /d > 50 （ l 为管长，d 为管内径）， l /d < 50 ，需乘以校正系数 el
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另外，管内强制流动有时可利用简化公式计算：
An
w0.8 0
d 0.2
面之间温度差为1℃时，通过单位面积的热量。 计算中，将影响 Q 的全部因素归结到 ，使计算公式简化。
牛顿冷却定律也可以写成下面形势：
Q
t 1
A
……(4-42)
由该形式看出对流换热热阻为 1/ A ，计算对流换热问题主要是确定换热系数
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4.3.3 对流换热特征数方程
F ma
力的单位是牛顿，量纲为：MLT-2 质量的单位是千克，量纲为：M 加速度的单位是米每二次方秒，量纲为：L/T2
等式两侧量纲一致。 将 (4-44)式各个物理量的量纲带入等式，得 MT 3q 1 A(L)2 (ML3 )b (L1MT 1)c (LMT 3q 1)d (LT 1)e (L2T 2q 1) f (LT 2 )
850)
Prm1/
3
……(4-56)
定性条件：定性温度一般取 流体与平壁的平均温度，定性尺寸取板长
适用条件：
热风散失热量 Q1 = 热风传给管壁的热量 Q2
Q1 Q2 (t f tw )F
所以
tw t f
Q1
F
380
34800
336 ℃
21.03.14 0.430
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例题：4-7 一套管换热器，套管为φ89×3.5mm钢管，内管为φ25×2.5mm钢管。环隙中为