化工原理(清华大学)05第五章传热3

1、 化化 工工 原原 理理 （上）（上）主讲人：戴猷元主讲人：戴猷元2003.2目目 录录 绪论绪论第一章第一章 流体流动流体流动第二章第二章 流体输送机械流体输送机械第三章第三章 流体流过颗粒和颗粒层的流动流体流过颗粒和颗粒层的流动第四章第四章 非均相物系的分离非均相物系的分离第五章第五章 传热传热第六章第六章 蒸发蒸发 总结总结第五章第五章 传传 热热第一节第一节 概述概述第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 对流传热对流传热第四节第四节 两流体间的传热两流体间的传热第五节第五节 对流传热系数的关联式对流传热系数的关联式第六节第六节 热辐射热辐射第七节第七节 换热器换热器第五节第五节 对流

2、传热系数的关联式对流传热系数的关联式一、影响传热膜系数的因素一、影响传热膜系数的因素 1、流体流动状态、流体流动状态 层流：忽略自然对流时，层流底层层流：忽略自然对流时，层流底层r 湍流：主要热阻在层流层，湍流：主要热阻在层流层，Re ，边界层，边界层减薄，减薄， （注意管件、内构件影响，（注意管件、内构件影响，Re2000？）？）层湍2、引起流动的原因、引起流动的原因 自然对流时，近壁面处温度自然对流时，近壁面处温度t 主流主流t1 膨胀公式：膨胀公式： 体积膨胀系数。体积膨胀系数。 强制对流与强制对流与Re有关。有关。111111tt t tgg t ，3、物性：、物性： 都是都是t的函数

3、的函数4、传热面形状，大小，位置。（特、传热面形状，大小，位置。（特征尺寸）征尺寸）5、有无相变化、有无相变化, , , ,pc 二、对流传热中的因次分析法二、对流传热中的因次分析法 按确定的几何形状讨论按确定的几何形状讨论 经因次分析可以得到经因次分析可以得到 Nusselt Reynolds Prandt Grashof(对流传热对流传热) (流动流动) (物性物性) (自然对流自然对流), , , ,pfct u L 322,pclugtfRe,PrPr,Re,Pr,NufNufGrNufGr强制对流：自然对流：滞流：1、应用范围：、应用范围：Re，Pr2、定性尺寸：、定性尺寸：3、定性

4、温度：、定性温度： 物性值物性值1212(1)()/2()/2(2)2wttttt膜温，壁面主体三、流体在管内强制对流的三、流体在管内强制对流的 1、圆形直管内，强制湍流、圆形直管内，强制湍流 1) 低粘度流体（低粘度流体（ 长长12()/2ttt0.7/60(1(/ )/30 40,1.071.02ddd当，校正项。例如：校正项2)高粘度流体（温差过大）高粘度流体（温差过大）0.80.330.14120.027Re Pr( /)(1) /60 Re 10000 Pr0.716700(2)(3)()/2wiwNuddtt ，定性尺寸定性温度， 壁温下的粘度2、圆形直管内，强制滞流、圆形直管内，

5、强制滞流 1) 速度分布不同速度分布不同 复杂性复杂性 2) 存在自然对流影响存在自然对流影响 3) 入口段较大入口段较大100d （Re2000）1)忽略自然对流影响忽略自然对流影响2321/31/31/30.1412/250001.86RePr( / )(/)Re2300,0.6Pr6700 RePr10()()/2wwGrg tNuddttt 短管壁温下粘度。 2)1/3120.74RePrPr0.8 10.015(1)Re2300,/50(2)(3)()/ 2,()/ 2iwNuGrfGrddttttt或水平管特征尺寸膜温25000Gr (4) l/d50 乘以校正系

6、数乘以校正系数 40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 (5) 垂直管垂直管 流动方向与自然对流方向一致，流动方向与自然对流方向一致， +15% 流动方向与自然对流方向相反，流动方向与自然对流方向相反， -15%3、圆形直管过渡流、圆形直管过渡流 Re230010000之间，用湍流公式乘以之间，用湍流公式乘以 4、弯曲圆管内：由于离心力的作用，加速、弯曲圆管内：由于离心力的作用，加速湍动产生二次环流湍动产生二次环流51.86 1011Re1 1.77dR， 为圆形直管中的 5、非圆形管、非圆形管0.530.81/3121240.02(/)RePr()Re

7、 12000220000/1.651.7eeeddNud dd dd流动截面积/浸润周边套管环隙：空气水定性尺寸为四、流体在管外强制对流的四、流体在管外强制对流的 1、管外流体平行流过：、管外流体平行流过：de的计算。的计算。 2、管外流体垂直流过、管外流体垂直流过 1)单管单管 边界层增厚边界层增厚 边界层脱离边界层脱离 Re小时，层流边界层小时，层流边界层 （低点）脱离（低点）脱离 Re大时，层流边界层大时，层流边界层 （低点）湍流边界（低点）湍流边界层层境厚境厚脱离脱离 2) 管束管束 Re3000 do，u取最狭处：取最狭处： 定性温度定性温度 排数不为排数不为10，乘以校正系数。，乘

8、以校正系数。30.60.33Re Pr0.26Re Pr0.33Re PrnNuNuNu直列：错列：12ooxdtd12()/2tt3) 换热器管间流动换热器管间流动 流速，流向不断变化，流速，流向不断变化，Re100湍流湍流 挡板形式，（圆缺挡板）挡板形式，（圆缺挡板） 出现旁流，不能达到垂直流动出现旁流，不能达到垂直流动 若圆缺挡板，截去若圆缺挡板，截去25。0.61/30.144122222( )0.23Re Pr ( /)Re 32 10()/2:4/43:4/24wooeooeoooAdttddtddtdtddd ，流 速 ， 最 狭 小 处 通 道 流 速，： 相

9、 邻 两 管 中 心 距 离， ： 外 径1/:1.050.951oAhDdthD冷却速度计算：挡板间距， ：外壳内径加热气体0.551/30.143612( )0.36RePr ()Re 2 10 1 10()/2eweBddtt 小结：小结：1、对流传热与流动、物性有关（温差）、对流传热与流动、物性有关（温差） Re 由此：由此： 热流方向热流方向 温差温差物性物性 w 2、必须注意经验公式的使用条件、必须注意经验公式的使用条件 L，t，Re，Pr3、含、含Gr，使用膜温，使用膜温4、 的大小的大小 a) 湍湍 层层 短短 长长 b)换热器换热器 c)加强湍动程度加强湍动程度0.80.55

10、0.20.45euudd管内，管外 25%五、五、流体作自然对流的流体作自然对流的 定性温度：膜温，定性温度：膜温，tw与与 (t1+t2)/2的平均的平均值值 定性尺寸定性尺寸 水平管水平管do，垂直管，垂直管L 查表查表!(Pr)nNuc Gr六、蒸汽冷凝的六、蒸汽冷凝的 1、冷凝过程机理、冷凝过程机理加热介质饱和蒸汽加热介质饱和蒸汽壁面壁面低于饱和蒸汽温度低于饱和蒸汽温度 汽相温度唯一。汽相温度唯一。无汽相热阻（忽略气流补充的压降）无汽相热阻（忽略气流补充的压降）冷凝放出的潜热必须通过液膜传向壁面冷凝放出的潜热必须通过液膜传向壁面给热的热阻主要来自于壁面上的液膜给热的热阻主要来自于壁面上

11、的液膜 液体浸润壁面膜状冷凝液体浸润壁面膜状冷凝 不浸润滴状冷凝，不浸润滴状冷凝，比前者大几至十几比前者大几至十几倍倍 膜状冷凝：膜状冷凝： 膜厚不同，膜厚不同，不同。不同。 L足够大时，湍流足够大时，湍流 若液膜滞流若液膜滞流热传导为主。热传导为主。1xxxxxLLxOOxdQdS ttxdQdS tdxdxLL平均：液膜两侧温差， ：离顶部 处膜厚2、垂直壁面的膜状冷凝、垂直壁面的膜状冷凝 1）理论分析）理论分析 物性物性const 假设假设 蒸汽存在对液膜无磨擦阻力蒸汽存在对液膜无磨擦阻力 滞流滞流可以导出：可以导出：定性尺寸：定性尺寸：L定性温度：膜温：定性温度：膜温： r：饱和温度下

12、的冷凝潜热：饱和温度下的冷凝潜热12 340.943/()rgL t 平 均 值12wSsttt， 饱和温度若传热量一定，若传热量一定，r ，冷凝量，冷凝量 ，膜厚，膜厚 ， ，单位体积受力单位体积受力 ，流动快，膜厚，流动快，膜厚 ， （通过膜导热）（通过膜导热） 膜厚膜厚 ， t 传热推动力传热推动力 ，冷凝液，冷凝液 ，膜厚，膜厚 ， 倾斜直壁：与水平夹角为，倾斜直壁：与水平夹角为，singg2）实验结果：滞流下，蒸汽与液膜间磨擦）实验结果：滞流下，蒸汽与液膜间磨擦3）流型判断）流型判断 滞流：滞流：Re2100 Re 壁下端壁下端Re 值值 涉及冷凝负荷涉及冷凝负荷1/4231.13r

13、gL t 冷凝负荷冷凝负荷M：单位浸润周边上的冷凝液质量：单位浸润周边上的冷凝液质量流量流量44(/)Rees wduwMb sMkg m sb4）无因次）无因次* 对于滞流：对于滞流： 对于湍流：对于湍流：1/3223QWrMrtAbLLg 令无因次1/30.41.88Re0.0077Re3、水平管壁蒸汽冷凝、水平管壁蒸汽冷凝（1）单管）单管 水平管可以看成不同角度倾斜水平管可以看成不同角度倾斜壁面，进行积分壁面，进行积分1/ 42300.250.725()0.64oorgdtdLd 水 平垂 直当很 小 时 ， 可 以 看 成 滞 流与 垂 直 管 相 比 ：（2）管束）管束1/ 4232

14、 /34120.750.750.75120.725ozmzrgndtnnnnnnn ，n垂直列上的管数，垂直管数不同时取平均值4、几点讨论：、几点讨论： 对于过热蒸汽，一般可以按饱和蒸汽对于过热蒸汽，一般可以按饱和蒸汽 蒸汽流向蒸汽流向: 向下流，向下流， 向上流，向上流， 向上流速向上流速，()pSvSSwrrCttttt 仍为（3）不冷凝气：在蒸汽与液膜之间形成气）不冷凝气：在蒸汽与液膜之间形成气膜。汽中含膜。汽中含1不凝气，不凝气，50。（4）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚（5）强化：）强化： 直管直管 沟槽沟槽 金属丝（张力作用）金属丝（张力作用）18复盖面

15、复盖面积时积时 最大。最大。 水平管：（倾斜）水平管：（倾斜） 膜、滴交错膜、滴交错七、液体沸腾时的七、液体沸腾时的 ： 锅炉、蒸发器、再沸器锅炉、蒸发器、再沸器 温差温差 容积沸腾：加热面浸于液体中容积沸腾：加热面浸于液体中 自然对流自然对流 汽泡运动汽泡运动 管内沸腾：一定流速流动，加热管管内沸腾：一定流速流动，加热管1、沸腾现象：、沸腾现象： 特征：有气泡产生；由加热表面首先生成；特征：有气泡产生；由加热表面首先生成；必要条件必要条件过热过热 加热表面过热度最大，加热表面过热度最大， 缝隙依托缝隙依托 表面不平整表面不平整 汽化核心，汽化核心， t 残留气体残留气体 过热过热生成生成长大

16、长大上浮上浮补充过热补充过热2222 /2 /bLbLp rp rrppprpr ，汽泡生成，存在 p由过热 t造成自然对流区自然对流区 t 小小， 小小K 如如 汽汽水水 冷凝冷凝水水 注意注意:若若K i，改换基准，改换基准0.40.5ud 5-54. 套管换热器，气体T190，T250； 水 t115 t230求（1）t110时，措施； （2）若WS120，t1=15，措施。生产任务：冷却 (1) 原工况: 新工况：t1, t1 10，生产状况不变Q不变 11122221mSpSpKA tw cTTw ctt 090503015603546.46035ln(60 /35

17、)mtC S不变， T2，T1不变(物性不变)， 措施：若K不变工况不变，tm不变。 （物性变化不大）（物性变化不大） 措施：mQKSt2222905090401046.4909040ln40mTttttt0236.6tC 2122211221222210.564SpSpSSSttwcttw cttwwwtt2Sw 原工况： 新工况： 由04 6 .4mtC111.2()1.2SSwuwu液气气大小0.8()1.157KuKKu气，112SpmwcTTKAt1.2,1.157mQKt倍倍22,mSttw 229050159035tt 22903590ln35mttt112112SpmSpmwc

18、TTK StwcTTK St111.21.15746.4SmmSmwttKwKt0222903548.1225.890ln35mtttCt1122211112221SpSpSpSpwcTTwcttwcTTwctt12221221221225.8 151.21.6730 15SSSSSSSSwwwttwwwwttw 5-58 列管式冷凝器列管式冷凝器（1）WS250（加热）原工况：忽略壁阻： 212242340,25 2.540 ,80,25 /0.2,1.2 10/2.1 10/120SpAmmmtCtCwT hMPaw m K cJ kg KTC冷油饱和蒸汽压力，查120 120408080

19、4057.78040ln(80/40)mTttC2221Spw cttKA t322212250002.1 1080403600252.74 /40 57.7Spmw cttKw mKA t24111111 25322.7252.741.2 1020oioiiidwm KKd0.8220.82322111322.7 1.5446.4 / 346.8 /1.5349.58 /1.5250002.1 104036001.576940346.8 40oioiimdw m KKw m KKKKw m Kttt 利用2222202120 12080120401.5769408080120ln12077.5ttttttC 若用若用 (b)饱和压力饱和压力0.3MPa，T由由120升至升至133， K与与(a)中中K相同相同22212221SpmSpmwctttKwcttKt 20