西北大学化工原理课件 第三节 对流给热 对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，它是 依靠流体质点的宏观移动进行热量传递的，故与流体的流动情 况密切相关。 工业上遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与 固体壁面之间的热交换。也就是流体将热量传给固体壁面，或 由壁面将热量传给流体的过程称为对流传热（或对流给热，放 热)。它是对流与导热的联合作用的结果 热 对流分为自然对流和强制对流。 →冷 下面要介绍详细情况
西北大学化工原理课件 对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，它是 依靠流体质点的宏观移动进行热量传递的，故与流体的流动情 况密切相关。 对流分为自然对流和强制对流。 下面要介绍详细情况。 下面要介绍详细情况。 热 冷 工业上遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与 固体壁面之间的热交换。也就是流体将热量传给固体壁面，或 由壁面将热量传给流体的过程称为对流传热（或对流给热，放 热）。它是对流与导热的联合作用的结果
西北大学化工原理课件 e= 一、对流给热过程的分析 1、对流对传热的贡献 流体的宏观运动加快了传热速度。我们以流体与壁面的给热 为例来说明。设有一冷平壁，其壁面温度为t,热流体流过平壁 被冷却。 流动方向x 静止 To
西北大学化工原理课件 一、对流给热过程的分析 1、对流对传热的贡献 流动方向x 流体的宏观运动加快了传热速度。我们以流体与壁面的给热 为例来说明。设有一冷平壁，其壁面温度为 ，热流体流过平壁 被冷却。 wt wt y 静止 T0 wt Q ↓
西北大学化工原理课件 (1)当流体静止时，=0，流体只能以传导方式将热量传 给壁面。流体温度T在垂直于壁面方向呈直线分布。也就是 说y方向上有温度梯度，满足 2=-1(T)4,水平方向无热 ∂V 量传递。此时与固体导热完全一样，入指流体的导热系数。 δ (2)当流体处于层流时，由于在与流动相垂直的方向上没 有流体质点的运动，热量仍然只能靠传导传递。为了考察流动 对传热的贡献，取一流体微元做热量衡算：
西北大学化工原理课件 （1）当流体静止时，u=0，流体只能以传导方式将热量传 给壁面。流体温度 T 在垂直于壁面方向呈直线分布。也就是 说 y方向上有温度梯度，满足 ，水平方向无热 量传递。此时与固体导热完全一样， 指流体的导热系数。 δ λ δ λ λt t T y T q w y Δ = − = ∂∂ = − = 0 0 ( ) A y T Q ( ) ∂∂ = − λ （2）当流体处于层流时，由于在与流动相垂直的方向上没 有流体质点的运动，热量仍然只能靠传导传递。为了考察流动 对传热的贡献，取一流体微元做热量衡算： λ
西北大学化工原理课件 进 进 6 2出 出 t 流动的方向 9水进 A进+9直进A直=9水出A出+9直出A直 因为是热流体，在流动过程方向上流出微元体的流体温度 定小于流入微元体流体的温度，即： 那么， 9水进A进>9水出A出 q直进 A直<9直出A直
西北大学化工原理课件 q 水进 A进 + q 直进 A直 = q 水出 A出 + q 直出 A直 因为是热流体，在流动过程方向上流出微元体的流体温度 一定小于流入微元体流体的温度，即： q 水进 A进 > q 水出 A出 qA qA 直进 直 直出 直 < 流动的方向 δ Q进 Q出 进 出 t y 那么
西北大学化工原理课件 也就是说垂直方向上热流密度沿y轴负方向是增加的 温度梯度也随之增加，沿y向减小，这时，温度分布不再呈线 性分布，而是如上图形式，但流体传给壁面的q仍可以由傅 立叶定律确定：（y=0时，u=0) 即：在温差相同(T一T) 的情况下，流体的流动增大 了壁面的温度，使壁面处9流>9静
西北大学化工原理课件 也就是说垂直方向上热流密度沿 y 轴负方向是增加的。 温度梯度也随之增加，沿y向减小，这时，温度分布不再呈线 性分布，而是如上图形式，但流体传给壁面的 q 仍可以由傅 立叶定律确定：(∵ y = 0时，u = 0) δ λ λ w y T T yT q − ≠ ∂∂ = − = 0 0 ( ) 0 0 ( ) ( ) = = ∂∂ > = − ∂∂ = − y y yT q yT q 流 λ 静 λ 即：在温差相同 的情况下，流体的流动增大 了壁面的温度，使壁面处 ( ) T0 −Tw q 流 > q 静
西北大学化工原理课件 (3)当流体以湍动状态流过平壁时，由于湍流的特征为轴向 脉动，该湍流脉动促使流体在轴向上剧烈混合，所以在湍流中心 可以认为无传热阻力，即温度梯度小，主温度趋于均匀。 第一章讲过，当流体流动为湍流时，无论流体主体的湍动多 大，紧邻壁面处总有一薄层称层流内层（动画演示），此薄层内在 垂直于流体流动方向上的热量传递，仍是以热传导的方式进行。 热阻主要集中在层流内层，在层流内层才有明显的温度梯度。很 显然，在壁面附近的温度梯度更大，热流密度也将更大。 从前面分析可看见，不论层流或湍流，流体对壁面的热流密 度都因流动而增大
西北大学化工原理课件 （3）当流体以湍动状态流过平壁时，由于湍流的特征为轴向 脉动，该湍流脉动促使流体在轴向上剧烈混合，所以在湍流中心 可以认为无传热阻力，即温度梯度小，主温度趋于均匀。 从前面分析可看见，不论层流或湍流，流体对壁面的热流密 度都因流动而增大。 第一章讲过，当流体流动为湍流时，无论流体主体的湍动多 大，紧邻壁面处总有一薄层称层流内层(动画演示)，此薄层内在 垂直于流体流动方向上的热量传递，仍是以热传导的方式进行。 热阻主要集中在层流内层，在层流内层才有明显的温度梯度。很 显然，在壁面附近的温度梯度更大，热流密度也将更大
西北大学化工原理课件 2、强制对流和自然对流 自然对流 强制对流：流体在外力作用下产生的 对流 宏观（强迫）流动。 自然对流：流体内温差的存在，引起 密度差，密度大的往下， T 密度小的往上。 电热炉烧水 下面对自然对流作简单介绍： 设备（略） 设壁面温度为T壁面b处流 体密度为p,离壁面一段距离 ☑处的密度为P温度为t
西北大学化工原理课件 2、强制对流和自然对流 对流{强制对流：流体在外力作用下产生的 宏观（强迫）流动。 下面对自然对流作简单介绍： 设备（略） 设壁面温度为Tw壁面b处流 体密度为 ，离壁面一段距离 处的密度为 温度为 。 ρ' ρ T w b a t t ρ' a ρ 电热炉烧水 自然对流 自然对流：流体内温差的存在，引起 密度差，密度大的往下， 密度小的往上
西北大学化工原理课件 T。+t 那么流体平均温度：tm 2 p=p'(1+B△t') 这里B一为流体的体积膨胀系数。△t'=tm一t 对理想气体：B= 1 对液体B可查有关的表。 a点形成的压强 Pa=pgL b点形成的压强 Po=p'gL a,b点形成的压差： Ap=P.P,=pgL- -r8 1+B△t
西北大学化工原理课件 那么流体平均温度： 2 w m T t t + = ρ = ρ'( 1 + βΔ t') 这里 β ——为流体的体积膨胀系数。 T 1 β = 对液体 可查有关的表。 β t t t Δ '= m − 点形成的压强 点形成的压强 p a = ρgL b p = ρ ′gL 1 ' ' ( 1 ') t gL t gL t p p a p b gL + Δ Δ = + Δ Δ = − = − β ρ β β ρ ρ a b a , b 对理想气体： 点形成的压差：
西北大学化工原理课件 当△较小时， △P≈gL BAt''o un,un 为自然对流 2 的流动速度。 umc√2BgL△t' 压强的产生，发生了自然对流（如前一节所说的环流） Al'=Im-1=Iw+t t tw-t 2 2 4.2gL2'-2gLa6这里a1=.-) 从此式可知：流体内部只要有温差，就一定有环流，这种 由温度引起的流动称为自然对流。所以，在流体中传导过程 必伴有自然对流。 自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。(P243页) 因此通常暖气片装在房间下部，空调置于上部
西北大学化工原理课件 当 较小时， Δt' n n u u gL t p ; 2 ' 2 ≈ Δ ∝ Δ β ρ 为自然对流 的流动速度。 u 2 gL t ' n ∝ β Δ 压强的产生，发生了自然对流（如前一节所说的环流） 2 2 ' t t t t t t t t w w m − − = + Δ = − = gL t( ) t t t t t u gL w w n = Δ Δ = − − ∴ ∝ β 2β 这里 2 2 从此式可知：流体内部只要有温差，就一定有环流，这种 由温度引起的流动称为自然对流 。所以，在流体中传导过程 必伴有自然对流。 自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。（P243页） 因此通常暖气片装在房间下部，空调置于上部
西北大学化工原理课件 二、对流给热过程的数学描述 1、牛顿冷却定律和给热系数 对流给热（如图)是一个复杂 冷流体 传热蹈 热 流 的过程，影响其传热的速率的因素 体 很多。因此，对流给热的纯理论计 算相当因难。目前，工程计算仍按 下面的半经验方法处理。 根据传递过程的普遍关系，壁 面对流体加热或冷却的对流给热速 率可表达成：
西北大学化工原理课件 对流给热（如图）是一个复杂 的过程，影响其传热的速率的因素 很多。因此，对流给热的纯理论计 算相当困难。目前，工程计算仍按 下面的半经验方法处理。 二、对流给热过程的数学描述 1、牛顿冷却定律和给热系数 热 流 体 tW t TW T 冷 传热壁 流 体 根据传递过程的普遍关系，壁 面对流体加热或冷却的对流给热速 率可表达成：