化工原理电子课件北京化工大学.ppt

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1、1,4.3 对流传热4.3.1 对流传热过程分析4.3.2 对流传热速率4.3.3 影响对流传热系数的因素4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式,2,3.3.1 对流传热过程分析,3,层流底层温度梯度大，热传导方式湍流核心温度梯度大，对流方式过渡区域热传导和对流方式,4,3.3.2 对流传热速率牛顿冷却定律,流体被冷却：,式中 Q 对流传热速率，W；对流传热系数，W/(m2)；Tw 壁温，；T 流体平均温度，；A 传热面积，m2。,5,式中 t总有效膜厚度；e湍流区虚拟膜厚度；层流底层膜厚度。,下面来推导

2、牛顿冷却定律,建立膜模型：,流体被冷却：,T,TW,t,tW,t,6,1.牛顿冷却定律是一种推论，假设Qt。,2.复杂问题简单化表示。,推动力：,阻力：,7,4.3.3 影响对流传热系数的因素,1.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。,强 自,2.流体的物性，cp,8,5.是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 无相变,4.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。,3.流动形态 层流、湍流 湍 层,9,4.3.4 对流传

3、热系数经验关联式的建立,一、因次分析,式中 l特性尺寸；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。,f(u，l，cp，gt),10,Nusselt待定准数,Reynolds，流动型态对对流传热的影响,Prandtl，流体物性对对流传热的影响,Grashof，自然对流对对流传热的影响,11,二、实验安排及结果整理以强制湍流为例：NuCReaPrk1采用不同Pr的流体，固定Re lgNuklgPrlgCRea双对数坐标系得一直线，斜率为k,2不同Pr的流体在不同的Re下 lgNu/PrkalgRelgC双对数坐标系中得一直线 斜率为

4、a，截距为C,12,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。,13,一、流体在管内的强制对流,适用范围：Re10000，0.760,4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式,1圆形直管内的湍流,14,特征尺寸为管内径di 流体被加热时，k0.4；被冷却时，k0.3。,注意事项：定性温度取,15,强化措施：u,u0.8 d,1/d0.2 流体物性的影响，选大的流体,16,以下是对上面的公式进行修正：(1)高粘度,Re10000，0.760定性温度取tm；特征尺寸为di

5、,17,(2)l/d60,(3)过渡流（2000Re10000),(4)弯曲管内,18,(5)非圆形管强制湍流,1)当量直径法,2)直接实验法,套管环隙:水-空气系统,适用范围：12000Re220000；d2/d1=1.6517 其中 d1为内管外径，d2为外管内径,用de代替di计算，u不同de,要用实际的流通面积计算,19,一列管式换热器，由38根252.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20加热到80，苯的流量为8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：（1）管壁对苯的对流传热系数；（2）管子换为192mm，管壁对苯的对流传热系数；（3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如

6、何？,已知：苯的物性,20,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，对流传热系数提高。,2.圆形管内强制层流,21,热流方向对层流速度分布的影响,22,适用范围：,当：,定性温度：,23,二、管外强制对流的对流传热系数 1.流体在管束外垂直流过,24,在换热器内单排管：,25,整个管束：,定性温度：,适用范围：,特性尺寸：管的外径do,26,2流体在换热器壳程的流动,挡板形式：圆形、圆缺形,27,壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：,定性温度：,正

7、方形排列：,正三角形排列：,特征尺寸：当量直径de,28,流速u按流通截面最大处的截面计算：,式中 h两块折流挡板间距离，m；D换热器壳径，m；do管子的外径，m；t相邻两管中心距，m。,29,注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径。,提高壳程对流传热系数的措施：,3）加强湍动，,2）,1）,30,三、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：膜温特征尺寸：垂直的管或板为高度 水平管为管外径,31,一、蒸汽冷凝,1.冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝,4.3.6 有相变时的对流传热系

8、数,滴膜,32,2.冷凝过程的热阻：液膜的厚度,3.蒸汽冷凝的,1）水平管束外,式中 n水平管束在垂直列上的管子数；r汽化潜热（ts下），kJ/kg。,特性尺寸l：管外径do,定性温度：膜温,33,湍流,2）竖壁或竖管上的冷凝,层流,适用条件：Re1800,适用条件：Re1800,特性尺寸l：管或板高H,定性温度：膜温,34,4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=tstW，,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（u10m/s）同向时，；反向时，；u,35,5)蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。6)冷凝面的

9、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,36,沸腾种类 1）大容积沸腾 2）管内沸腾 1.汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？过热度：t=tWts 汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层,二、液体沸腾,37,2.沸腾曲线 1）自然对流阶段 t t5C3）不稳定膜状沸腾 25C t5C,工业上：核状沸腾,4）稳定膜状沸腾 250C t25C,优点：大，tW小,38,3、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,39,4）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，大 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒,40,