化工原理讲稿(上册)-应化第五章传热课件2

1、第三节 对流传热 对流是三种基本传热方式之一，指由于流体的宏观运动而引起的热量传递，因此，对流传热只发生在流体中。工程定义流体与固体壁面之间的传热过程第三节 对流传热 对流是三种基本传热方式之一，指第三节 对流传热一、对流传热过程分析 湍流层流底层 热阻与推动力成正比 湍流主体温度？ 热阻集中部位？第三节 对流传热一、对流传热过程分析 湍流层流底层第三节 对流传热二、对流传热速率方程式简化假定：全部阻力都集中在厚度为t 的有效膜内。膜内导热传热。令：当量膜t则：牛顿冷却定律第三节 对流传热二、对流传热速率方程式简化假定：全部阻第三节 对流传热 对流传热系数、给热系数，W/(m2K）流体被加热：

2、流体被冷却：说明定律本身未揭示过程实质，只是将众多因素归结到对流传热系数中第三节 对流传热 对流传热系数、给热系数，W/(第三节 对流传热三、影响的主要因素1.流体的状态：影响较大的物性有：，cp 3.流体的流动状态雷诺数Ret热阻R ，2.流体的物理性质：气、液第三节 对流传热三、影响的主要因素1.流体的状态：影第三节 对流传热4.引起流动的原因： 5.传热面的形状、大小和位置: 不同的壁面形状、尺寸及与流体的相对位置影响流动形态从而影响的大小。自然对流：单位体积流体受到的浮升力gt第三节 对流传热4.引起流动的原因： 5.传热面的形状第三节 对流传热无相变时：式中： i无因次数群个数； n

3、总变量数； m基本因次数。四、的一般关联式因次分析的应用1.准数及其意义：柏金汉（Buckingham）的定理：对某一物理过程，用因次分析所得到的独立无因次数群(准数)的个数i，等于总变量数n与基本因次数m之差，即第三节 对流传热无相变时：式中： i无因次数群个数；第三节 对流传热对给热过程：n =8，m =4，因此：i=n-m =4 设四个准数分别为，1，2，3，则对流传热过程准数式为：第三节 对流传热对给热过程：n =8，m =4，因此：第三节 对流传热步骤： 从方程中选取m(4)个变量作为核心物理量；此处选取l，作为核心物理量；m个核心物理量应包含所涉及的全部因次；这些物理量不包括待定物

4、理量();这m个物理量本身不能组成无因次数群。第三节 对流传热步骤： 从方程中选取m(4)个变量作第三节 对流传热 将剩下的四个变量分别与上面的四个核心物理量组成无因次数群：步骤：第三节 对流传热 将剩下的四个变量分别与上面的四个核第三节 对流传热 写出各物理量的因次式：第三节 对流传热 写出各物理量的因次式：第三节 对流传热 将各物理量的因次代入准数定义式中，并使各式中各基本因次的指数和为零。因为各基本因次的指数和为零第三节 对流传热 将各物理量的因次代入准数定义式中，即努赛特（Nusselt）准数同理可得雷诺（Reynolds）准数普朗特（Prandtl）准数格拉斯霍夫（Grashof）准

5、数第三节 对流传热即努赛特（Nusselt）准数同理可得雷诺（Reynolds第三节 对流传热定 义 名 称意 义=Nu = l / 努塞尔准数传热准数，含待求的给热系数1=Re = lu / 雷诺准数反映对流强度对传热的影响2=Pr = cp / 普兰特准数反映流体物性的影响3=Gr = l 32gt / 2格拉斯霍夫准数反映自然对流的影响第三节 对流传热定 义 名 称意 义第三节 对流传热经以上分析，准数关联式可写为： 由于Gr 对强制对流的影响比较小，而Re 对自然对流的影响比较小，因此可以分别写成：2.对流传热中准数关联式的简化：or：第三节 对流传热经以上分析，准数关联式可写为： 第

6、三节 对流传热3.准数关联式的应用条件公式的应用范围：雷诺数Re、普朗特准数Pr 等的范围，其他应用条件；特征尺寸：水平管：直径或者当量直径； 垂直管或者垂直平板：长度或者高度 定性温度：tm流体的物性参数。第三节 对流传热3.准数关联式的应用条件公式的应用范第三节 对流传热4.对流传热分类 对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流管内对流圆形直管非圆管道弯管湍流过渡流滞流大容器内液体沸腾管内强制沸腾膜状冷凝滴状冷凝第三节 对流传热4.对流传热分类 对流传热有相变传热无第三节 对流传热五、流体作强制对流时的给热系数管内流动1.流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数

7、采用迪塔斯贝尔特（DittusBoelter）方程：式中：n普朗特数的指数，流体被加热时，n =0.4； 流体被冷却时，n =0.3。气体及低粘度液体：第三节 对流传热五、流体作强制对流时的给热系数管内流第三节 对流传热将各无量纲准数代入可得：使用范围：Re10000，0.7Pr160， 50，光滑管 特征尺寸：L = 管内径di定性温度：流体进、出口温度的算术平均值：tm=(t1+t2)/2第三节 对流传热将各无量纲准数代入可得：使用范围：Re第三节 对流传热说明 当l/d50时，按下式校正：如没有特殊说明，按照l/d50计算；N=？液体：T层流底层厚度，被加热利于传热；Pr1.0，故Pr0

8、.4 Pr0.3 ，可校正；气体：T层流底层厚度，被冷却利于传热；但Pr1.0，故Pr0.4 Pr0.3 ，可校正； = 1+(d/l)0.7第三节 对流传热说明 当l/d50时，按下式校正：第三节 对流传热高粘度液体：在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：对于液体，加热时：，冷却时：应用范围：Re104，0.7 Pr 60特征尺寸：管内径di定性温度：tm=(t1+t2)/2第三节 对流传热高粘度液体：在实际中，由于壁温难以测得第三节 对流传热2.流体在圆管内强制层流时的对流传热系数引入格里兹（Graetz）数：自然对流的影响可以忽略因为第三节 对流传热2.流体在圆管内强制层流时的对

9、流传热系第三节 对流传热适用范围：Re10，0.6Pr6700，di =1040mm水平管第三节 对流传热适用范围：Re10，第三节 对流传热当Gr 25000时，应考虑自然对流的影响，此时应对上式右边乘以校正因子f ：自然对流的影响不可忽略第三节 对流传热当Gr 25000时，应考虑自然对流第三节 对流传热3.圆直管内过渡状态下的对流传热系数当Re =200010000时，属于过渡状态，先按湍流公式计算，然后再乘以校正系数f1 ：第三节 对流传热3.圆直管内过渡状态下的对流传热系数当第三节 对流传热4.流体在弯曲圆形管道内强制对流由于形成涡流，对流传热系数比直管时要大式中：、弯管及直管中的对

10、流传热系数，W/(m2)di管内径，m；R弯管的曲率半径，m。第三节 对流传热4.流体在弯曲圆形管道内强制对流由于形第三节 对流传热5.流体在非圆形管道内强制对流采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。 流体通过套管环隙湍流时的给热系数：适用范围：d1/d2 =1.6517，第三节 对流传热5.流体在非圆形管道内强制对流采用圆形例题 水在381.5mm的管内流动，流速为1m/s，水的进、出口温度分别为15及80。试求水与管壁间的对流传热系数。解：在定性温度下水的物理性质为例题 水在381.5mm的管内流动，流速为1例题例题第三节 对流传热【例】一列管式换热器，由60根252.5mm的

11、钢管组成，流量为6.745104kg/h的水在钢管内流动，水的进口温度为20，出口温度为50，管长为2m。试求：水的对流传热系数，W/（m2K）； 若总传热量为2.3 106 W，求管内壁面的平均温度tW ， ； 若将总管数改为50根，管长为2.4m（总传热面积不变），冷却水量不变， 求此时的（设水的物性不变）， W/（m2K）。第三节 对流传热【例】一列管式换热器，由60根25第三节 对流传热第三节 对流传热第三节 对流传热 管外流动单根圆管外垂直流过： 由于沿柱面不同位置，流体流速及层流边界层厚度均不同，因此各部位对流传热系数也会发生变化； 随而改变，通常取周向的平均值进行计算。流体垂直流

12、过单根圆管外的情况第三节 对流传热 管外流动单根圆管外垂直流过： 由第三节 对流传热2.流体横过管束时的传热换热器壳程都是横掠管束流动，管的排列分直列和错列。错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。 第三节 对流传热2.流体横过管束时的传热换热器壳程都是第三节 对流传热影响因素为 Re，Pr，管子排列方式，管间距和管排数等：常用的经验公式：第三排及其后的管外给热系数：应用范围：Re = 500070000, s1/d=1.25.0,s2/d=1.25.0特征尺寸：管外径，流速取每排管

13、子中最狭窄通道处的流速定性温度：流体进、出口温度的算术平均值第三节 对流传热影响因素为 Re，Pr，管子排列方式，第三节 对流传热由于各排的传热系数不同，则整个管束的平均给热系数应按下式求出： 式中：A1、A2、A3分别为第一排，第二排，第三排的传热面积； 1、2、3分别为第一排，第二排，第三排的传热系数。 第三节 对流传热由于各排的传热系数不同，则整个管束的平六、 自然对流传热自然对流：加热过程中流体密度发生变化而产生的流动。如水在锅炉中的受热，用蒸汽盘管在缸底加热油罐中的油。类型无限空间（大容积自然对流） 如房间中的暖气片与周围空气的传热有限空间：如夹套内的传热第三节 对流传热六、 自然对

14、流传热自然对流：加热过程中流体密度发生变化而产生第三节 对流传热大容积自然对流的给热系数仅与 Gr 数和 Pr 数有关： 定性温度：取壁温 tw 和流体平均温度 tm 的算术平均值；特性尺寸：水平管取外径do ，垂直管或板取管长和板高H 。大容积自然对流的计算即：第三节 对流传热大容积自然对流的给热系数仅与 Gr 数第三节 对流传热加热面的形状GrPr流动状态Cn定性尺寸垂直板或圆柱1041091091013层流湍流0.590.101/41/3高度H水平圆柱体1041091091012层流湍流0.530.131/41/3外径dO水平板，热面朝上1052107210731010层流湍流0.540

15、.141/41/3正方形取边长，长方形取两边平均值，圆盘取0.9d，狭长条取短边。水平板，热面朝下层流湍流0.271/4不能达到31053101031010 指数n 及系数C 由表中数据查得第三节 对流传热加热面的形状GrPr流动状态Cn定性第四节 沸腾与冷凝传热一、沸腾传热 液体沸腾及其分类定义：液体与高温壁面接触被加热气化并产生气泡的过程。第四节 沸腾与冷凝传热一、沸腾传热 液体沸腾及其分类定大容积沸腾(池内沸腾)：热表面浸没于大容器内无强制流动的液体中所发生的沸腾 液体沸腾的分类按加热面的形状分类：特点： 汽泡可自由浮升； 传热由自然对流及气泡的扰动产生。管内强制对流沸腾：液体在压差作用

16、下以一定流速从加热管内流过而发生的沸腾。特点： 汽泡不能自由浮升； 气液混相流动。第四节 沸腾与冷凝传热大容积沸腾(池内沸腾)：热表面浸没于大容器内无强制流动的液体按照液体主体温度分类：过冷沸腾：饱和沸腾： 液体主体温度T操作压力下液体的沸点TS， 而壁温TW 液体沸点TS ； 汽泡脱离壁面后在液体主体中重新凝结 液体主体温度T饱和温度TS，而壁温TW液体沸点TS ； 汽泡脱离后聚合成较大的气泡第四节 沸腾与冷凝传热按照液体主体温度分类：过冷沸腾：饱和沸腾： 液体主体温度T(三)沸腾现象沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。汽泡生成的条件：液体必须过热；加热壁面上存在汽化核心。第四节 沸腾与冷凝传

17、热(三)沸腾现象沸腾机理：汽泡的生成、脱离和浮升。第四节 沸过热度： 饱和沸腾时液体的实际温度与液体所处压力下沸点的 差值：t-ts； 加热面处的过热度最大； 常压下水沸腾时加热面处的过热度为68，主体的 过热度为0.40.8。第四节 沸腾与冷凝传热过热度： 饱和沸腾时液体的实际温度与液体所处压力下沸点的第四汽化核心： 粗糙表面上微细的凹缝或裂纹处，由于表面张力较小或 吸附了微量气体或蒸汽等原因，使新相容易生成； 与壁面材质、粗糙程度有关； 液体润湿壁面能力附着力汽泡易于脱离； 压力P ”脱离直径“生成气泡频率对流传热 系数。说明：汽泡在加热面上不断产生、长大、脱离，液体不断冲刷热表面，使其附

18、近激烈扰动，故沸腾无相变。第四节 沸腾与冷凝传热汽化核心： 粗糙表面上微细的凹缝或裂纹处，由于表面张力较小或(四) 饱和沸腾曲线 自然对流沸腾区：t 较小，壁面处液体轻微过热，产生的少量汽泡尚未升浮达到自由液面就放热再冷凝而消失。液体的运动主要决定于自然对流；当热液体浮升至液面时，发生表面蒸发。自然对流沸腾区第四节 沸腾与冷凝传热(四) 饱和沸腾曲线 自然对流沸腾区：自然对流沸腾区第四节 核状沸腾区：t增大，加热面上汽泡数量增加，促进液体扰动，值迅速增加。泡核沸腾区点C ：临界点，对应tc、c；如常压水：tc=25,c=5.35104W/(m2K)第四节 沸腾与冷凝传热核状沸腾区：泡核沸腾区点

19、C ：临界点，对应tc、c；第四膜态沸腾区： t 增大过C 点，汽泡数大大增加，且生成速率脱离速率，汽泡连成汽膜，值下降。因汽膜很不稳定，属于核状沸腾和膜状沸腾共存的过渡区。第四节 沸腾与冷凝传热膜态沸腾区： 第四节 沸腾与冷凝传热稳定膜态沸腾： t 继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生稳定的膜状沸腾。对流传热系数值变化不大。但由于膜内辐射传热的逐渐增强，和q又随t的增加而升高稳定膜态沸腾第四节 沸腾与冷凝传热稳定膜态沸腾： 稳定膜态沸腾第四节 沸腾与冷凝传热(五) 沸腾传热计算大容器内泡核沸腾的可采用下面的经验公式计算：式中：t温差， t=tw-ts， A，n与液体物

20、性、操作压力及表面状况 有关的参数，可查有关资料得到。 见P261表5-6第四节 沸腾与冷凝传热(五) 沸腾传热计算大容器内泡核沸腾的可采用下面的经验公式对单根管外大容器沸腾，可采用莫斯廷斯基（Mostinski）半经验公式：式中：其中：Pc沸腾液的临界压力，Pa; PR沸腾液的对比压力，PR = P/Pc应用条件：Pc 3MPa，PR =0.010.9。第四节 沸腾与冷凝传热对单根管外大容器沸腾，可采用莫斯廷斯基（Mostinski）(六) 影响沸腾传热的因素及强化沸腾传热的途径影响因素： 液体性质：，；，； 温差及操作压力：温差t应控制在核状沸腾区 Pts ； 热表面的粗糙度、物性及润湿性

21、、表面的布置： 新的或者清洁的表面大； 水平管束面的沸腾单管外的沸腾。第四节 沸腾与冷凝传热(六) 影响沸腾传热的因素及强化沸腾传热的途径影响因素： 强化途径： 加热面： 液体： 使表面粗糙化； 采用多孔金属表面； 定期除垢 加入添加剂降低液体表面张力； 加强搅拌第四节 沸腾与冷凝传热强化途径： 加热面： 液体： 使表面粗糙化； 加入添加剂二、 冷凝传热 蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触，释放出潜热后冷凝为液体，这一过程称为冷凝传热。第四节 沸腾与冷凝传热二、 冷凝传热 蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触，释放出潜 蒸汽冷凝的方式特点：蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与蒸汽间传热的

22、主要热阻。膜状冷凝：冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。较小工业上常见第四节 沸腾与冷凝传热 蒸汽冷凝的方式特点：蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。实现滴状冷凝的方法： 在壁面上涂一层油类物质； 在蒸汽中混入油类或脂类物质； 对管表面进行改性处理。特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的 510 倍甚至更高。滴状冷凝：较大第四节 沸腾与冷凝传热冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合 冷凝传热系数第四节 沸腾与冷凝传热 冷凝传热系数第四节

23、沸腾与冷凝传热1.层流时的冷凝传热系数： 冷凝液膜呈层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的 热传导，膜内温度分布为线性； 蒸汽静止，汽液界面无粘性应力； 汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度等 于饱和蒸气温度； 忽略液膜的过冷度，冷凝液为饱和液体。努塞特假定：Re 2000时为层流:第四节 沸腾与冷凝传热1.层流时的冷凝传热系数： 冷凝液膜呈层流流动，传热方式仅经推导，努塞特提出如下方程：垂直壁：特征尺寸： L垂直壁高，m；单根水平管特征尺寸： dO管外直径，m。定性温度：tm=(ts+tw)/2第四节 沸腾与冷凝传热定性温度：tm=(ts+tw)/2经推导，努塞特提出如下方程：垂直壁：

24、特征尺寸： L垂直壁高2.湍流时的冷凝传热系数垂直壁：特征尺寸L ：管长或板高Re 2000时为湍流:第四节 沸腾与冷凝传热2.湍流时的冷凝传热系数垂直壁：特征尺寸L ：管长或板高Re说明： 雷诺数Re 的求算：设S 为凝液流通截面积，B 为润湿周边（垂直壁宽），ms 为凝液的质量流量，M 为单位壁宽的冷凝液流量冷凝负荷，则若传热速率Q已知ReRe2000时，层流Re2000时，湍流第四节 沸腾与冷凝传热说明： 雷诺数Re 的求算：设S 为凝液流通截面积，B 为3.水平管束外的冷凝对流传热系数:考虑由于向下流动的液体使下面的管子液膜增厚及液滴撞击和飞溅的影响，对单根管外冷凝给热系数的公式进行修

25、正：式中：n垂直方向上管列的管子平均根数；特征尺寸：第四节 沸腾与冷凝传热3.水平管束外的冷凝对流传热系数:考虑由于向下流动的液体使下正方形直列正方形错列三角形直列三角形错列第四节 沸腾与冷凝传热正方形直列正方形错列三角形直列三角形错列第四节 沸腾与冷凝 影响冷凝传热的因素1.流体物性的影响： 冷凝液 or Re or 液膜厚度 ； 冷凝液； 冷凝潜热r ，同样的热负荷Q 下冷凝液量ms液 膜厚度。2.液膜温差的影响： 当液膜层流流动时，t=tstW， t蒸汽冷凝速率液膜增厚。第四节 沸腾与冷凝传热 影响冷凝传热的因素1.流体物性的影响：2.液膜温差的影响3.冷凝壁面的状况： 表面粗糙度、有腐

26、蚀或氧化层 4.蒸汽过热度的影响： 过热蒸汽的冷凝传热系数略大于相同温度下饱和蒸汽的冷凝给热系 数：大气压下，过热30的蒸汽较饱和蒸汽的高1%。r= r + CP(tg-ts)第四节 沸腾与冷凝传热校正：用过热蒸汽的气化潜热代替前面计算公式中的气化潜热3.冷凝壁面的状况：4.蒸汽过热度的影响：r= r + C5.蒸汽流速与流向的影响： 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄； 蒸汽流速 4050m/s 时，提高30% 左右。 蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚；但u时，会吹散液膜。 6.不凝气体的影响： 当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜，大大增加热 阻。因

27、此在操作时，应注意排放不凝气。第四节 沸腾与冷凝传热5.蒸汽流速与流向的影响：6.不凝气体的影响：第四节 沸腾一、 间壁两侧流体的传热 间壁式换热器及其传热过程套管式换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进热溶液出第五节 两流体间的传热计算一、 间壁两侧流体的传热 间壁式换热器及其传热过程套管式换传热过程分析： 热流体与壁面的对流传热； 管壁的导热； 管壁与冷流体侧的对流传热。对流导热对流第五节 两流体间的传热计算传热过程分析： 热流体与壁面的对流传热；对流导热对流第五节二、 换热器的热负荷及热量衡算方程式 热负荷定义：单位时间冷、热流体间交换的热量计算：比热法、热焓法第五节 两流体间的传热计算 很显然，在不计换