化工流体流动与传热 对流传热概述

1、化工流体流动与传热 对流传热概述1第1页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同)时的传热过程称为对流传热。流体无相变的对流传热强制对流传热自然对流传热流体有相变的对流传热蒸气冷凝液体沸腾 4.3 对流传热概述 根据流体在传热过程中的状态：2第2页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 4.3 对流传热概述1. 对流传热速率方程4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数3第3页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又有差别，因此对流传

2、热的理论计算是很困难的，目前工程上仍按下述的半经验方法处理。1. 对流传热速率方程对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力 =系数推动力4第4页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二对流传热速率可由牛顿冷却定律描述 温度差局部对流传热系数微分对流传热通量1. 对流传热速率方程5第5页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 换热器的传热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流动，则对流传热速率方程式可分别表示为1. 对流传热速率方程6第6页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 4.3

3、对流传热概述1. 对流传热速率方程4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数2. 对流传热系数7第7页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二2. 对流传热系数 牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即 对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2)。它反映了对流传热的快慢，愈大表示对流传热愈快。表4-5列出了几种对流传热情况下的数值范围。8第8页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 4.3 对流传热概述4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介1. 对流传热分析9第9页，共47页，2022年，5月

4、20日，1点4分，星期二 对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。对流传热图4-13 对流传热的温度分布情况1. 对流传热分析10第10页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界层，边界层内存在速度梯度。层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层传热方式热传导热传导和涡流传热涡流传热1. 对流传热分析11第11页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层温度梯度 较大居中较小热阻 较大居中较小1. 对流传热分析12第12页，共47页

5、，2022年，5月20日，1点4分，星期二 对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。1. 对流传热分析13第13页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二2. 热边界层 靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层14第14页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二图 4-14 平板上的热边界层o2. 热边界层15第15页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是

6、热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即 紧靠壁面处薄层流体的温度梯度2. 热边界层16第16页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温 换热器任一截面上热流体的平均温度2. 热边界层17第17页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二因此有 上式为对流传热系数的另一定义式，该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得。 热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大

7、，因而就愈大。反之，则相反。2. 热边界层18第18页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 流体在管内流动时，热边界层的发展过程也和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径，此时称为充分发展流动。 流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到达到基本稳定的这一段距离称为进口段。2. 热边界层19第19页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 4.3 对流传热概述4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介4.3.3 保温层的临界直径20第20页，共47页，202

8、2年，5月20日，1点4分，星期二 通常，热损失随保温层厚度的增加而减少。但是在小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随保温层厚度增加，可能反而使热损失增大。4.3.3 保温层的临界直径21第21页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二式中R1为保温层的热传导热阻，R2为保温层外壁与空气的对流传热热阻。 当保温层厚度增加(即ri不变，ro增大)时，热阻R1虽然增大，但是热阻R2反而下降，因此有可能使总热阻(R1+R2)下降，导致热损失增大。 热损失可表示为 4.3.3 保温层的临界直径22第22页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二解得一个Q为最大值时的临界半径整理

9、得4.3.3 保温层的临界直径23第23页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二习惯上以rc表示Q最大时的临界半径，故或dc为保温层的临界直径。若保温层的外径小于dc ，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在do2/下，增加保温层的厚度才使热损失减少。4.3.3 保温层的临界直径24第24页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二图4-15 保温层的临界直径dc4.3.3 保温层的临界直径25第25页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二第 4 章 传热4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述4.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算26第2

10、6页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 假设换热器的热损失可忽略，则单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 对于换热器的微元面积dS，其热量衡算式可表示为对于整个换热器，其热量衡算式为热平衡方程27第27页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 若换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时 若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝时热平衡方程28第28页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二当冷凝液的温度低于饱和温度时热平衡方程29第29页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二第 4 章

11、 传热4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述4.4 传热过程计算4.4.1 热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数30第30页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即1.总传热速率微分方程31第31页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。总传热速率微分方程1.总传热速率微分方程32第32页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二显然有 管内径管外径平均管径

12、工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。 1.总传热速率微分方程33第33页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二2. 总传热系数1.总传热系数的计算 总传热系数(简称传热系数)K是评价换热器性能的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的基本数据。 K的数值与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等诸多因素有关，因此K值的变动范围较大。 K值的来源：K值的计算；实验查定；经验数据。34第34页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 两流体通过管壁的传热包括以下过程: 热流体在流动过程中将热量传给管壁的对 流传热；

13、通过管壁的热传导； 管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。2. 总传热系数35第35页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即 或2. 总传热系数36第36页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二移项后相加，得上式两边均除以 ，并利用，得2. 总传热系数37第37页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二比较 2. 总传热系数38第38页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二基于管内表面积的局部总传热系数 基于平均表面积的局部总传热系数 基于管外表面积的局部总传热系数 得2. 总传热系数39第3

14、9页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二设计中应考虑污垢热阻的影响，即 管壁外表面污垢热阻管壁内表面污垢热阻总传热系数计算式某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。污垢热阻(又称污垢系数)2. 总传热系数40第40页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二提高总传热系数途径的分析 总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻壁阻总热阻管内热阻管内垢阻管外垢阻管外热阻2. 总传热系数41第41页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二若传热面为平壁或薄管壁，则 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 若管壁外侧对流传热控制，则2. 总传热系数42第42页，

15、共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二管壁内侧对流传热控制若管壁内、外侧对流传热控制相当若管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大污垢热阻控制若，则2. 总传热系数43第43页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二 欲提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。 K值总是接近且永远小于 中的小者。 当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于 中小者。 2. 总传热系数44第44页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二2.K的实验查定 对现有的换热器，通过实验测取有关的数据，如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式计算得到K值。 实测的K值不仅可以为换热器的设计提供依据，而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传热能力的途径。2. 总传热系数45第45页，共47页，2022年，5月20日，1点4分，星期二3.总传热系数的经验值 某些情况下管壳式