化工原理上考研精品课程对流传热

1、化工原理上考研精品课程对流传热第1页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二第2页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二4.3.1 对流传热分析（1）流体主流：由于流体内漩涡丛生，流体各部分激烈混合，所以传热热阻很小，横向（径向）的温度趋于一致；（2）层流底层：传热以导热方式进行的，流体膜虽薄，却是对流传热的主要热阻所在，温度降也主要集中在层流底层中。温度分布为一直线；（3） 过渡区：温度分布为一曲线第3页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二4.3.2 对流传热的分类无相变强制对流流体在外力作用下强制流动引起的传热 自然对流流体内部存在温度差而产

2、生内循环 有相变 蒸汽冷凝传热液体沸腾传热设a处密度为，b处的密度为a、b两点的压力差环流速度：第4页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二4.3.3 对流传热速率方程（牛顿冷却定律）流体假设：（1）热流体温度T和固体壁面温度TW之差全部集中在厚度t的有效膜层内；（2）穿过有效膜的传热方式仅为热传导。第5页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二根据傅立叶定律，有：热流体被冷却，从热流体主体向固体壁面的对流传热。冷流体被加热，从固体壁面向冷流体主体的对流传热。上两式称为对流传热速率方程，也称为牛顿冷却定律第6页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二

3、常见流体流动类型的大致范围 传热类型/ W(m2K)-1传热类型/ W(m2K)-1空气自然对流空气强制对流水自然对流水强制对流有机液体强制对流525303002001000100080005001500水蒸气冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾有机物沸腾500015000500300015003000050015000第7页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二4.3.4 影响对流传热系数的因素流体类型与物性：，C流体的流动状态 ：湍流、层流 、过渡流传热面特性尺寸：形状（如圆管、平板、管束）、大小（如管长l、管径d等）以及位置等对流流动的起因 ：强制对流：流速u；自然对流：浮升力gt流体

4、的相变化：蒸汽的冷凝，液体的沸腾等； 有相变的值比无相变时大很多 获得的主要方法：理论分析法 解析求解、数值求解实验法： 半理论半经验方法，是目前的主要方法。第8页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二无相变时变量8个，基本因次4个，由定理无因次准数n=8-4=4个定理：基本因次有4个：长度m，时间s，质量kg，温度K无相变时变量数有8个：第9页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二准数的物理意义注意：a. 应用范围：各准数关联式都有一定适用范围（实验范围），外推是不可靠的；b. 定性温度：流体和传热面的温度是沿程变化的，流体物性也是变化的； c. 特性尺寸：传

5、热面几何因素有时很复杂，选取起决定作用的几何参数作特征尺寸。 准数名称符 号 意义 努塞尔准数(Nusselt number)表示对流传热系数的准数雷诺准数(Reynolds number)表示流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响普兰特准数(Prandtl number)表示流体物性对对流传热的影响格拉斯霍夫准数(Grashof number)表示自然对流对对流传热的影响第10页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二4.3.5 对流传热系数经验关联式1、流体在管内强制对流n 0.4-流体被加热0.3-流体被冷却讨论：（a）适用范围：Re104,0.7Pr160，低粘度；特性

6、尺寸：管内径d； 定性温度：流体平均温度，t=(t1+t2)/2,T=(T1+T2)/2；一、流体无相变时的对流传热系数(1)、流体在圆形直管内强制湍流（b）高粘度流体：第11页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二(2)、流体在圆形直管内强制过渡流(3)、流体在圆形直管内强制层流即：当壁温不好测量时,取第12页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二R圆形弯管的曲率半径(4)、流体在圆形弯管内的流动(5)、流体在非圆形直弯管内的强制对流第13页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二2、管外强制对流流体在管外垂直流过时的传热系数沿管表面的变化 工业

7、上常见的是在换热器内流体横向流过管束的情况(1)直列 (2)正三角形错列 (3)正方形错列 第14页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二（2）、流体在管束外强制对流式中常数c、n与管束的排列方式、管子所在位置有关。整个管束的平均传热系数为：式中：定性温度为流体平均温度；定性尺寸为管外径；流速取垂直于流动方向最窄处的流速。（1）、流体在单管外强制对流当Re=8103时 当Re1032105时 第15页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二（3）、换热器壳程的传热 ( 壳层是圆筒状，各排的管数不同。换热器内装有圆缺挡板，大部分是横向流过管束，但在绕过析流档板时，变

8、更了流向，不垂直于管束。 )上式中，特性温度除w取壁温外，其余均取流体平均温度。特性尺寸采用当量直径de 。管子为正方形直列时：管子为三角形错列时：流速u按最大流通截面A计算： 常用的列管换热器，大多装有折流挡板，各排的管数不同。第16页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二3、自然对流的传热系数 (大型冷库内冷却蛇管)定性温度取壁温tW与流体平均温度tm的平均值，称为膜温；定性尺寸根据情况决定。C和n可通过实验测得。 第17页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二二、 有相变时的对流传热1、蒸汽冷凝的对流传热（1）膜状冷凝与滴状冷凝传热推动力：t=ts - t

9、W工业上应用较多的是膜状冷凝根据傅立叶定律：（2）蒸汽冷凝对流传热系数蒸汽在水平管外冷凝蒸汽在垂直管外冷凝第18页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二（3）影响冷凝传热因素及强化传热方法 不凝性气体的存在，使传热系数降低。在冷凝器上方应设有排气口。 过热蒸汽的冷凝：推动力仍为 t=ts-tW 冷凝潜热 蒸汽的流向及流速：影响液膜的厚度。蒸汽入口设在换热器的上方 强化传热的基本方法：有效减小液膜的厚度、第19页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二2、液体沸腾沸腾传热的推动力为：t=tw-ts两种沸腾：管内沸腾和大容积沸腾（1）沸腾现象：沸腾的条件：过热度t=t

10、w-ts汽化核心气泡易在凹缝中产生。产生的气泡不断生成、长大、脱离加热面，使沸腾传热系数大大加大。核状沸腾好，工业上采用。（2）影响沸腾传热的因素： 液体的性质：表面张力，cp 加热表面的粗糙情况和表面物理性质 操作压强和温度差第20页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，星期二（3） 沸腾传热的计算式中：A和B通过实验测定，不同表面与液体的组合其值不同； t=tw-ts tw 壁温 ts 蒸汽的饱和温度。（4） 沸腾传热过程的强化 液体物性： 和增大， 和减小，有利于沸腾传热； 加入少量的某种添加剂以改变沸腾液体的表面张力 ； 加热面状况：表面粗糙，孔膜多，可提供较多的汽化核心； 温度差和压力：过热度tW-ts愈大，或tW-ts恒定提高压差，有利沸腾传热。第21页，共22页，2022年，5月20日，0点32分，