环境工程原理第四章2ppt课件

1 传热速率方程 2 热传导 1 单层平壁稳态热传导 2 多层平壁稳态热传导 4 7 4 5 6 4 1 4 多层圆筒壁稳态热传导 3 单层圆筒壁稳态热传导 4 12 13 4 9 10 11 第三节对流传热流体流动时发生 依靠流体质点移动而传热一 对流传热方程与对流传热系数 特点 两流体的传热方向垂直于流动方向 层流底层 热阻大 温度梯度大 热传导方式湍流核心 热阻小 温度梯度小 对流方式过渡区域 热传导和对流方式 有效膜 假设将过度区和湍流区的传热阻力全部叠加到层流低层的热阻中 用近壁一层厚为 的层流膜来代替 若湍流程度增加 有效膜减薄 传热速率增大 传热推动力不易讨论 为此 对流传热速率方程 牛顿冷却公式 对冷流体流体被加热 式中Q 对流传热速率 W 对流传热系数 膜系数 W m2 代替 b 因为 不易测得 Tw 壁温 T 流体平均温度 A 传热面积 m2 4 14 对热流体 流体被冷却 t T TW 视为有效膜后 对照单层平壁导热速率方程有 二 影响对流传热系数 的因素 2 引起流动的原因自然对流 由于流体内部密度差而引起流体的流动 强制对流 由于外力和压差而引起的流动 1 流体的物性 cp 体积膨胀系数 K 1 强 自 u强 u自 空气 强为10 250W m2 自可达5 25W m2 3 流动形态层流 湍流 湍 层 5 传热面的形状 大小和位置形状 如管 板 管束等 大小 如管径和管长等 位置 如管子的排列方式 管束有正四方形和三角形排列 管或板是垂直放置还是水平放置 通常将有决定性影响的尺寸称为特征尺寸 4 是否发生相变蒸汽冷凝 液体沸腾 相变 无相变 为减少获得 关联式的实验工作量 将诸影响因数归结为几个量纲为1的量 即特征数 f u l cp g t 式中l 特性尺寸 g t 浮升力u 特征流速 基本因次 长度L 时间T 质量M 温度 变量总数 8个由 定律 8 4 4 可知有4个无因次数群 三 对流传热中的量纲分析 一 因次分析 4 17 4 14 Nusselt 怒塞尔数对流传热的特征数 Reynolds 雷诺数流动型态对对流传热的影响 Prandtl 普朗特数流体物性对对流传热的影响 Grashof 格拉斯藿夫数自然对流对对流传热的影响 4 16 4 17 lnPr lnNu f 2 不同Pr的流体在不同的Re下lg Nu Prf algRe lgK双对数坐标系中得一直线斜率为a 截距为lgK 二 实验安排及结果整理以实验确定K a f h强制湍流为例 Nu KReaPrf1 采用不同Pr的流体 固定RelgNu flgPr lg KRea 双对数坐标系得一直线 斜率为f lgRe lgNu Prb lgK a 获得特征数K a f h数值后的计算对流传热系数的经验式称为关联式 使用时注意 1 特征数值的适用范围 不能超出 2 特征尺寸 通过实验确定特征数时 所选定的对流体流动和传热有决定影响的尺寸 称为特征尺寸l 如圆管用管内径d 非圆形管取当量直径d等 3 定性温度 确定特征数时 所采用的流体的物性参数如Cp 等所依据的温度 定性温度的取法 三 定性温度 特性尺寸的确定 2 特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸 3 准数关联式的适用范围 1 确定物性参数数值的温度称为定性温度 不同的实验条件产生不同的关联式 对于某一关联式与下述各点紧密连在一起 四 液体无相变时对流传热系数的经验关联式 一 流体在管内的强制对流 1 圆形直管内的湍流 Gr可略 1 低粘度流体 适用范围 Re 10000 0 760 4 19 4 18 注意事项 定性温度取进出口温度平均值 特征尺寸为管内径di 流体被加热时 n 0 4 被冷却时 n 0 3 CP Jkg 1K 1 kJ要化成J 2 高粘度流体 4 20 Re 10000 0 760定性温度取tm 算术平均值 而 w取壁温特征尺寸为din 4 弯曲管内 扰动增大 乘以弯管效应校正系数 3 短管 l d 60 入口处扰动较大 乘以管入口效应校正系数 例4 6 P144 2 圆形直管内过渡流 2000 Re 10000 乘以校正系数 4 21 例4 7 P145 3 圆形管内强制层流 特点 1 物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响 导致速度分布受热流方向影响 2 层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高 3 层流要求的进口段长度长 实际进口段小时 对流传热系数应提高 适用范围 当 定性温度 4 22 4 非圆形管强制湍流 当量直径法 用de代替di计算 上述各式 注 计算u不能用de 要用实际的流通面积计算 二 管外强制对流的对流传热系数流体在管束外垂直流过 分垂直流过单管和垂直流过管束 因一般换热器为管束 所以仅讨论流过管束的情况 在换热器内单排管 4 24 错列式的对流传热系数大于直列式 C n由实验决定 具体见表4 3 147页 整个管束 定性温度 适用范围 特性尺寸 管的外径do 4 25 流速 流动方向上最窄处的流速 三 大空间的自然对流传热 注意 c n与传热面的形状 管或板 放置位置 垂直 水平 有关 定性温度 膜温tm tW t 2 t tW t tW 壁温 t 流体温度特征尺寸 垂直的管或板为高度水平管为管外径具体见147页表4 4 例4 9 4 26 五 有相变时的对流传热系数 一 蒸汽冷凝时的对流传热 1 冷凝方式 滴状冷凝和膜状冷凝 滴 膜 实际以膜状冷凝为主 仅讨论纯饱和蒸汽膜状冷凝情况 2 蒸汽在水平管束外膜状冷凝 式中n 水平管束在垂直列上的管子数 r 汽化潜热 ts饱和温度下 kJ kg 冷凝液密度 kg m3 冷凝液粘度 Pa s 冷凝液的导热系数 W m K t 饱和温度ts与壁面温度tw之差 ts tw 特性尺寸l 管外径do 定性温度 膜温 4 27 3 蒸汽在竖壁或竖管上的膜状冷凝 液膜流动为层流 适用条件 Re液膜流动 1800 湍流 适用条件 Re液膜流动 1800 特性尺寸l 管或板高H 定性温度 膜温 4 29 4 30 上述计算应先确定流型再选择相应公式 获得 后必须要校验 校验 冷凝液的液膜沿壁面流动的Re 4 32 对流传热系数 W m2 l 壁面高度 m t 蒸汽的饱和温度ts与壁面温度tW之差 r 比汽化热 取饱和温度ts的数据 J kg 冷凝液的粘度 取膜温下数据 Pa s 例4 10 P150 4 冷凝传热的影响因素和强化措施1 流体物性冷凝液 冷凝液 潜热r 2 温差液膜层流流动时 t ts tW 3 不凝气体不凝气体存在 导致 定期排放 4 蒸汽流速与流向 u 10m s u 与液膜流动同向时 反向时 5 蒸汽过热包括冷却和冷凝两个过程 仍用此关联式 但汽化热r需加上成过热蒸汽的热量6 冷凝面的形状和位置目的 减少冷凝液膜的厚度垂直板或管 开纵向沟槽 水平管束 可采用错列 对同一种液体 沸腾传热系数远大于无相变时的值 优点 大 tW小 临界点 水在常压下饱和沸腾的临界点温度差 tc 25K 临界热流密度q 1 25 106W m2 3 沸腾传热的影响因素及强化措施1 液体的性质 强化措施 加表面活性剂 乙醇 丙酮等 2 温差在核状沸腾阶段温差提高 3 操作压强 饱和温度 4 加热面新的 洁净的 粗糙的加热面 大强化措施 将