什么是对流 - 对流传热 - 定义w88优德备用网址 微博

对流是传质或由于散装运动而导致的热传递。w88优德备用网址 微博与其接触的表面和流体流体之间的w88优德备用网址 微博热传递过程称为对流传热。优德app热工程学

什么是对流

对流-对流传热w88优德备用网址 微博一般来说,对流或者是传质或者是w88优德备用网址 微博由于大部分运动流体中的分子,如气体和液体。虽然液体和气体通常不是很好的导热体,但它们传热相当快通过对流

对流发生在平流扩散或两者。对流不能在大多数固体中进行,因为既不明显扩散也没有散装电流流动。热量的扩散发生在刚性固体中,但被称为热传导

在一个表面和与它接触的流体流动w88优德备用网址 微博之间的传热过程称为对流换热w88优德备用网址 微博.在工程中,对流传热是其中一个主要机制之一w88优德备用网址 微博w88优德备用网址 微博.当通过屏障将热量从一个流体转移到另一个流体时,对流涉及屏障的两侧。在大多数情况下主要电阻热流是通过对流。对流换热w88优德备用网址 微博通过热扩散(流体分子的随机运动)和通过平整进行,在这种情况下通过流体中的电流的较大刻度运动来运输物质或热量。

在对流机制

热传导能源转移是要么是因为自由电子的迁移或者格子振动波浪(声子).在能量流动方向上没有质量的运动。w88优德备用网址 微博通过传导是依靠的“驱动力”吗温差。传导对流类似的是,两种机构都需要存在材料介质(与热辐射相比)。另一方面,它们在该对流中需要存在流体运动。

这一点必须强调,在表面,能量流发生纯粹的传导,即使在传导中。这是由于事实上,总有一个薄薄的滞液膜层在传热表面上。w88优德备用网址 微博但在下一层中,分子水平或宏观水平上的传导和扩散-质量运动都发生了。由于质量的运动,能量的传递率更高。较高的质量运动速率,较薄的储存流体膜层将且更高将是热流速率。

必须指出,泡核沸腾在表面上有效地破坏了这种停滞层,因此核心沸腾显着增加了表面将热能转移到散装液的能力。

正如所写的,通过流体的热传递是通w88优德备用网址 微博过对流存在的质量运动和通过传导在没有它。因此,流体中的热传导可以看作是对流的极限情况,对应于静止流体的情况。

对流作为流体运动的传导

一些专家不考虑对流成为传热的基本机制,因为它在流体运动的存在下基本上是热传导。w88优德备用网址 微博他们认为是一个热传导的特殊情况,被称为“流体运动传导“。另一方面,它是实际的承认对流是一个单独的传热机制,尽管有相反的有效论点。w88优德备用网址 微博

速度边界层
一般来说,当流体流过一个时静止表面,例如,平板,河床,或管道的墙壁,触摸表面的流体触摸到休息由这件事剪切应力去看墙。气流从壁面零速度调整到主流最大速度的区域称为边界层.边界层的概念在所有的粘性流体力学和传热理论中都很重要。优德体育w88官网手机版w88优德备用网址 微博

所有的基本特征层流和湍流边界层显示在平板上的显影流动。边界层的形成的阶段显示在下图:

平板上的边界层

边界层可能是,或动荡不安的取决于的值雷诺数

也可以看看:边界层

热边界层
热边界层-对流与A类似速度边界层当有流体流过表面时产生热边界层如果散装温度和表面温度不同,必须开发。考虑在恒定温度下在等温平板上流动T.在前缘,温度分布是均匀的T.与板接触的流体颗粒在板表面温度下实现热平衡。此时,在表面发生能量流动纯粹的传导.这些粒子与相邻流体层的粒子(通过传导和扩散)交换能量,并在流体中产生温度梯度。流体中存在这些温度梯度的区域是热边界层.它的厚度δt,通常定义为温度为非粘性溶液温度的99%时,物体与溶液之间的距离。随着与前缘距离的增加,传热的影响深入到流中,热边界层变大。w88优德备用网址 微博

普朗特数-材料这两种厚度(速度层和热边界层)的比值由普朗特数,定义为动量扩散系数热扩散率.Prandtl数量的团结表示动量和热扩散率是可比的,并且速度和热边界层几乎相互吻合。如果Prandtl数小于1,则在标准条件下的空气情况下,热边界层比速度边界层厚。如果Prandtl号大于1,则热边界层比速度边界层更薄。室温下的空气有一个普朗特数0.71在18°C左右7.56,这意味着热扩散率比水的空气更占主导地位。

同样地仿制普朗特数,路易斯数在物理上,热层的相对厚度与传质(浓度)边界层有关。的施密特号码速度边界层的相对厚度与传质(浓度)边界层的相对厚度有物理联系。

刘易斯数-普朗特数-施密特数

其中n = 1/3是所有三个关系中的大多数应用。这些关系一般只适用于层流不适用于湍流边界层由于这种情况下的湍流混合可以占主导地位扩散过程。

Laminar Sublayer  - 对流w88优德备用网址 微博传热乘坐对流比传热更难以分析w88优德备用网址 微博传导因为没有单一性质的传热介质,如w88优德备用网址 微博导热系数,可以定义来描述机理。对流换热w88优德备用网址 微博会因为涉及到什么而变得复杂吗流体运动以及热传导.w88优德备用网址 微博对流换热因情况而异(取决于流体的流动条件),它经常与流体流动方式.在强制对流,传热率通过流体是高得多的对流比它是通过传导。w88优德备用网址 微博

在实际应用中,对对流换热进行了分析w88优德备用网址 微博经验(通过直接实验观察)。大多数问题都可以用所谓的解决数字特征(如。努塞尔号码).数字特征无因次数是否用于描述传热特性,并可用于比较aw88优德备用网址 微博实际情况(例如,在管w88优德备用网址 微博道中传热)小规模的模型.经验表明,对流热传递强烈取决于流体性质w88优德备用网址 微博动态粘度导热系数密度, 和比热,以及流体速度.这也取决于几何和粗糙度固体表面的,流体流动的类型。所有这些条件尤其影响停滞不前的膜厚度

对流包括在给定温度(T)和体积温度(Tb).散装温度的确切定义(tb)视具体情况而定。

  • 对于靠近冷热表面的流动,Tb来自表面的流体的温度。
  • 对于沸腾或冷凝,Tb是个饱和温度液体。
  • 对于管道中的流量,Tb是在管道的特定横截面处测量的平均温度。

牛顿冷却定律

尽管复杂对流,观察到对流热传递速率w88优德备用网址 微博成比例的到了温差并且方便地表达牛顿冷却定律,哪些指出:

身体的热量损失率与身体之间的温度的差异成正比,条件是温差小,辐射表面的性质保持不变。

牛顿定律的冷却-对流方程

注意,ΔT由表面或墙面温度T散装温度T,这是与表面足够远的流体的温度。

对流传热系数w88优德备用网址 微博

可以看出,比例常数在计算中是至关重要的,它被称为对流换热系数w88优德备用网址 微博h.的对流换热系数,w88优德备用网址 微博h,可以定义为:

固体表面和每单位表面积的w88优德备用网址 微博流体之间的传热速率和每单位温度差。

对流换热系数-方程w88优德备用网址 微博

对流换热系数-例子w88优德备用网址 微博对流换热系数w88优德备用网址 微博取决于流体的物理性质和物理情况。对流换热系数不是流体的特性。w88优德备用网址 微博它是一个实验确定的参数,其值取决于所有影响对流的变量,如表面几何形状,流体运动的性质,流体特性,散装液体速度

通常是对流换热系数w88优德备用网址 微博为了层流与此相比相对较低对流换热系数w88优德备用网址 微博为了湍流.这是由于具有湍流的湍流较薄的滞液膜层在传热表面上。w88优德备用网址 微博

它必须注意,这停滞液膜层对对流传热系数起着至关重要的作用。w88优德备用网址 微博观察到,流体来到了一个在水面上完全停止假设相对于表面的速度为零。这种现象被称为无滑移条件,因此,在表面,能量流发生纯粹的传导。但在下一层中,分子水平或宏观水平上的传导和扩散-质量运动都发生了。由于质量的运动,能量的传递率更高。写,泡核沸腾在表面有效地破坏了这一停滞层,因此核沸腾显著地增加了表面转移的能力热能散装液体。

温度发生类似的现象。观察到,流体在表面和表面的温度将具有相同的温度在接触点。这种现象称为无跃温条件,对核沸腾理论有重要意义

价值的价值w88优德备用网址 微博传热系数已经测量并制成了在通过对流传递期间发生的通常遇到的流体和流动情况的测量和制表。w88优德备用网址 微博

热电阻-类似于电阻
也可以看看:热阻

热阻是一种热特性和对物体或材料抵抗热流的温差的测量。平面壁面导热热阻定义为:

热阻定义

对对流换热也可推导出上述方程。热流为类似的对...的关系电流I表示为:

类比电阻

在哪里Re= L /σe一个是电阻和v1- - - - - - V2电阻两端的电压差(σ ?e是电导率)。两个方程之间的相似性是显而易见的。通过一层的热传导率对应于w88优德备用网址 微博电流热阻对应电阻,温度差对应跨层电压差。温差是热流的势能或驱动函数,导致傅里叶方程以类似于电路理论欧姆定律的形式书写。

热阻 - 复合墙电路表示提供了一个有用的工具对传热问题进行概念化和量化。w88优德备用网址 微博这个类比也可以用于热阻表面对热对流。需要注意的是,当对流换热系数很大时(h→∞),对流阻力为零,w88优德备用网址 微博表面温度接近本体温度。在实践中,这种情况在发生强烈沸腾和凝结的表面上得到了处理。

热量通过w88优德备用网址 微博复合墙壁可以从这些阻力中计算出来。两个表面之间的稳态传热率等于温差除以这w88优德备用网址 微博两个表面之间的总热阻。

热阻方程

图中为具有对流表面条件的平面壁面的等效热电路。

也可以看看:Wiedemann-Franz法律

u因素-总传热系数w88优德备用网址 微博
工业中遇到的许多传热过程w88优德备用网址 微博涉及复合系统,甚至涉及两者的结合传导对流.对于这些复合系统,使用总传热系数,w88优德备用网址 微博被称为A.的u值.u因子是由类似的表达式定义的牛顿冷却定律

u因子-总传热系数w88优德备用网址 微博

总传热系数w88优德备用网址 微博总热阻这取决于问题的几何形状。例如,w88优德备用网址 微博在一个蒸汽发生器包括从反应堆冷却剂本体到蒸汽发生器内管表面的对流,通过管壁的传导,以及从外管表面到二次侧流体的对流(沸腾)。

对于换热器的联合换热情况,h有两个值,即管w88优德备用网址 微博内流体膜的对流换热系数(h)和管外流体膜的对流换热系数。的导热系数(k)和管壁的厚度(Δx)也必须考虑。

平面壁面总传热系w88优德备用网址 微博数

u因素-总传热系数w88优德备用网址 微博

整体传热系数-圆w88优德备用网址 微博柱管

通过多层圆柱形w88优德备用网址 微博或球形壳体可以像多层平面墙一样处理稳定的热传递。

整体传热系数-圆w88优德备用网址 微博柱管

努塞尔特数

努塞尔号码是一个无量纲的数字,以德国工程师Wilhelm Nusselt命名。的努塞尔号码沛克莱数两个数都是用来描述热能迁移输液到热能进行热能在液体内。努塞尔号码等于无量纲温度梯度在表面,它提供了在表面发生的对流传热的量度。w88优德备用网址 微博在与热对流相同的条件下测量导电部件,但具有停滞剂。的努塞尔号码与热边界层的关系就像摩擦系数与速度边界层的关系。因此,定义努塞尔数为:

努塞尔数定义

在哪里:

kf导热系数流体[w / m.k]

l是个特征长度

h是个对流换热系数w88优德备用网址 微博[W /米2.k]

用于说明,考虑厚度的流体层l和温度差异ΔT.w88优德备用网址 微博当流体运动时,流体层的传热是对流的;当流体层静止时,流体层的传热是传导的。

在的情况下传导,热通量可以使用傅里叶的传导定律.在对流的情况下,可以使用牛顿的冷却定律来计算热通量。以其比例提供:

努塞尔号码 - 传导对流

上式定义努塞尔号码.因此,努塞尔号码表示由于作为流体层的热传递增强w88优德备用网址 微博相对于传导对流穿过相同的流体层。一个努塞尔号码ν= 1对于流体层表示通过层的热传递w88优德备用网址 微博纯粹的传导.越大努塞尔号码,对流越有效。一个较大的努塞尔数对应着更有效的对流,湍流通常在100-1000范围内。对于紊流努塞尔号码通常是函数的雷诺数普朗特数

实例-对流换热-包层表面温度w88优德备用网址 微博

对流-对流传热w88优德备用网址 微博克利德是燃料杆的外层,站在反应堆冷却剂核燃料(即。燃料芯块).它是由低吸收截面的耐腐蚀材料热能中子,通常是锆合金克利德防止放射性裂变产物逸出燃料母体进入反应堆冷却剂并污染它。包层是一种障碍辩护’接近,故而为之coolability是关键安全方面之一。

考虑内半径的燃料包层r锆、2= 0.408厘米和外半径r锆、1= 0.465厘米.与燃料颗粒相比,燃料包层几乎没有发热(包层辐射略微加热).燃料中产生的所有热量必须通过传导通过包层,因此内表面比外表面热。

假使,假设:

  • 包层外径为:D = 2 x r锆、1= 9, 3毫米
  • 燃料销的音高为:p = 13毫米
  • 导热系数饱和水在300°C时是:k= 0.545 W / m。K
  • 饱和水在300℃时的动态粘度为:μ= 0.0000859 n.s / m2
  • 流体密度是:ρ= 714千克/米3.
  • 比热是:cp= 5.65 kJ /公斤。K
  • 核心的流速是恒定的,等于V核心= 5 m / s
  • 轴向坐标下的反应堆冷却剂温度为:T= 296°C
  • 燃料的线热率为l= 300瓦/厘米(F≈2.0),则体积热速率为qV= 597 x 106W / m3.

液压直径 - 燃料通道计算普兰特雷诺兹这种流动制度(内部强制湍流流量)的纽带数(燃料通道),然后计算w88优德备用网址 微博传热系数最后,包层表面温度T锆、1

计算包层表面温度,我们必须计算普兰特雷诺兹努塞尔号码,因为可以通过该流动制度的传w88优德备用网址 微博热传递来描述Dittus-Boelter方程,这是:

dittus-boelter等式 - 公式

计算Prandtl号码

计算普朗特数,我们必须知道:

  • 饱和水在300°C时的导热系数为:k= 0.545 W / m。K
  • 饱和水在300℃时的动态粘度为:μ= 0.0000859 n.s / m2
  • 比热是:cp= 5.65 kJ /公斤。K

注意,所有这些参数对于300°C的水和那些在20°C的水是显著不同的。普朗特数为在20°C时周围6.91。则反应堆冷却剂在300°C时的普朗特数为:

普朗特数

计算雷诺数

要计算雷诺数,我们必须知道:

  • 包层外径为:D = 2 x r锆、1= 9, 3毫米(计算液压直径)
  • 燃料销的音高为:p = 13毫米(计算液压直径)
  • 饱和水在300℃时的动态粘度为:μ= 0.0000859 n.s / m2
  • 流体密度为:ρ= 714千克/米3.

液压直径,Dh,是处理流入时常用的术语非圆形管和渠道.的燃料通道的液压直径Dh等于1385毫米。

也可以看看:水力直径

雷诺数然后在燃料通道内等于:

雷诺数-例子

这完全满足了湍流条件

使用Dittus-Boelter方程计算营养数

对于光滑圆管中充分发展的(流体动力和热的)湍流,局部努塞尔号码可以从知名人士那里获得吗Dittus–消沉方程

计算努塞尔号码,我们必须知道:

努塞尔号码对于燃料通道内的强制对流则等于:

努塞尔数,例子

计算了换热系数和包层表面温度Tw88优德备用网址 微博锆、1

详细知识几何,流体参数,外壳的外径,线性热速率,对流传热系数允许我们计算温差w88优德备用网址 微博∆T冷却剂(T)和包覆面(T锆、1).

为了计算包层表面温度,我们需要知道:

  • 包层的外径是:d = 2 xr锆、1= 9, 3毫米
  • 努塞尔数,也就是nu.Dh= 890.
  • 燃料通道的液压直径是:Dh= 13, 85毫米
  • 反应堆冷却剂(300°C)的导热系数为:k= 0.545 W / m。K
  • 在该轴向坐标上的反应器冷却剂的体积温度是:T= 296°C
  • 燃料的线性热速率是:l= 300瓦/厘米(F≈2.0)

对流换热系数,w88优德备用网址 微博h,由努塞尔数的定义直接给出:

对流换热系数-例子w88优德备用网址 微博

最后计算了熔覆层表面温度(T锆、1),只需使用牛顿冷却定律

牛顿冷却定律的例子

对于正常运行的压水堆,有一个压缩液体水在反应堆核心,回路和蒸汽发生器。压力维持在16 mpa.在这个压力下,水大约在350°C(662°F)。可以看出,表面温度T锆、1= 325°C确保,即使过冷沸腾不会发生。注意,过冷沸腾需要T锆、1= T..由于水的入口温度通常是关于290°C.(554°F),很明显这个例子对应的是核心的下部。在堆芯的较高海拔处,体温可达330°C。29°C的温差导致过冷沸腾可能发生(330°C + 29°C > 350°C)。另一方面,泡核沸腾在表面有效地破坏停滞层,因此核沸腾显著地增加了表面转移的能力热能散装液体。结果,对流传热系数显着增加,因此在升高升高,温度差(Tw88优德备用网址 微博锆、1- T)显著降低。

参考:
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也可以看看:

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