環(huán)工原理講稿實(shí)用教案

1、2022-5-10傳熱(chun r)邊界層速度(sd)邊界層溫度(wnd)邊界層冷流體熱壁u=0.99u0T=0.99T0溫度邊界層的厚度比速度邊界層薄。溫度邊界層越薄，溫度梯度越大，傳熱速率就越高。dbdTAQ第1頁/共36頁第一頁，共37頁。2022-5-10 對流傳熱是集對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。 對流傳熱的熱阻主要(zhyo)集中在滯流內(nèi)層。減薄滯流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的主要(zhyo)途徑。 第2頁/共36頁第二頁，共37頁。2022-5-10二、對流(duli)傳熱系數(shù)的影響因素 1、流體(lit)的相變化2、流體(lit)的物性1）導(dǎo)熱系數(shù) 滯流內(nèi)層的溫度梯度一定時(shí)，流

2、體(lit)的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，對流傳熱系數(shù)也愈大。2）粘度 流體(lit)的粘度愈大，對流傳熱系數(shù)愈低。3）比熱和密度第3頁/共36頁第三頁，共37頁。2022-5-10 cp：單位體積流體所具有的熱容量。 cp值愈大，流體攜帶熱量的能力愈強(qiáng)，對流(duli)傳熱的強(qiáng)度愈強(qiáng)。（4）體積膨脹系數(shù) 體積膨脹系數(shù)值愈大，密度差愈大，有利于自然對流(duli)。對強(qiáng)制對流(duli)也有一定的影響。3、流體的溫度4、流體流動(dòng)狀態(tài) 湍流的對流(duli)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比滯流時(shí)的大。第4頁/共36頁第四頁，共37頁。2022-5-105、流體流動(dòng)(lidng)的原因 強(qiáng)制(qingzh)對流：自然(zrn)對流

3、：由于外力的作用 由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的位移單位體積的流體所受的浮力為：tggg00001t1 6、傳熱面的性狀、大小和位置 第5頁/共36頁第五頁，共37頁。2022-5-10三、壁面和流體間的對流傳(lichun)熱速率 1、對流傳(lichun)熱速率表達(dá)式 據(jù)傳遞過程速率的普遍(pbin)關(guān)系，壁面和流體間的對流傳熱速率：對流傳熱阻力對流傳熱推動(dòng)力對流傳熱速率 推動(dòng)力系數(shù)推動(dòng)力：壁面和流體間的溫度差阻力：影響因素很多，但與壁面的表面積成反比。 對流傳熱速率方程可以表示為： dATTdQw1dATTw)(牛頓冷卻定律 第6頁/共36頁第六頁，共3

4、7頁。2022-5-10 在換熱器中，局部對流傳熱系數(shù)隨管長而變化，但在工程計(jì)算(j sun)中，常使用平均對流傳熱系數(shù)，此時(shí)牛頓冷卻定律可以表示為：TAQ2、對流(duli)傳熱系數(shù)對流(duli)傳熱系數(shù)a定義式： TAQ 表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率(sl)。 單位W/m2.k。 反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數(shù)大，則傳熱快。 第7頁/共36頁第七頁，共37頁。2022-5-10四、對流(duli)傳熱系數(shù)的計(jì)算（一）對流(duli)傳熱系數(shù)的微分式00)()(yyTTyyTTdAdQdAdQ得：由此時(shí)(c sh)表明，近壁處溫度梯度越大，傳熱系數(shù)越大。第8頁/共36頁

5、第八頁，共37頁。2022-5-10（二）無量(wling)綱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式列出影響該過程的物理量，并用一般函數(shù)關(guān)系表示： ),(TgucLfp，包括7個(gè)變量，涉及(shj)4個(gè)無量綱準(zhǔn)數(shù)，),(4321NuL1Pr3pcGrTgL2234Ldu2第9頁/共36頁第九頁，共37頁。2022-5-10準(zhǔn)數(shù)的符號(fho)和意義準(zhǔn)數(shù)名稱(mngchng)符號準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（Nusselt）NuL表示對流傳熱的系數(shù) 雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynolds）ReLu確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（Prandtl）Prpc表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（Grashof）Gr223TLg表示自然對流影響的準(zhǔn)數(shù)第1

6、0頁/共36頁第十頁，共37頁。2022-5-10應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題1）定性溫度：各準(zhǔn)數(shù)中的物理性質(zhì)按什么(shn me)溫度確定 2）定性尺寸：Nu，Re數(shù)中L應(yīng)如何選定。3）應(yīng)用范圍：關(guān)聯(lián)式中Re,Pr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍。 hfaGrkNuPrRe第11頁/共36頁第十一頁，共37頁。2022-5-10（三）流體無相變時(shí)在管內(nèi)(un ni)作強(qiáng)制對流的對流傳熱系數(shù)1、流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流(tunli)a)低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體 nreuPRN8 . 0023. 0nriPdud8 . 0023. 0或當(dāng)流體被加熱(ji r)時(shí)n=0.4，流體被冷卻時(shí)，n=0.3

7、。第12頁/共36頁第十二頁，共37頁。2022-5-10,1206 . 0 ,10000rePR管長與管徑比 60/idl時(shí)，若60/idl將計(jì)算所得的乘以7 . 0)(1 Ldi應(yīng)用(yngyng)范圍： 定性(dng xng)尺寸： Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的l取為管內(nèi)徑(ni jn)di。定性溫度： 取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。b) 高粘度的流體 14. 023. 08 . 0027. 0wreuuPRN14. 0wu為考慮熱流體方向的校正項(xiàng)。 2outinTTT第13頁/共36頁第十三頁，共37頁。2022-5-10 應(yīng)用(yngyng)范圍： 60,167007 . 0,1000R

8、eirdLP定性(dng xng)尺寸： 取為管內(nèi)徑(ni jn)di。定性溫度： 除w取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 2、 流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流 當(dāng)管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對流對強(qiáng)制滯流的傳熱的影響可以忽略時(shí)第14頁/共36頁第十四頁，共37頁。2022-5-10應(yīng)用(yngyng)范圍： 14. 031313186. 1wireuLdPRN10,25000, 6 . 06700,2300ReLdPRGPirerr定性(dng xng)尺寸： 管內(nèi)徑(ni jn)di。 定性溫度： 除w取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 時(shí)，當(dāng)250

9、00rG按上式計(jì)算出后，再乘以一校正因子31015. 018 . 0rGf第15頁/共36頁第十五頁，共37頁。2022-5-103、流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流 對于Re=230010000時(shí)的過渡流范圍， 先按湍流的公式計(jì)算，然后(rnhu)再乘以校正系數(shù)f。 8 . 151061eRf4、流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制(qingzh)對流 Rdi/77. 11第16頁/共36頁第十六頁，共37頁。2022-5-105、流體在非圓形管中作強(qiáng)制對流 對于非圓形管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的計(jì)算，前面有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)式都適用，只是要將圓管內(nèi)徑(ni jn)改為當(dāng)量直徑de。 套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實(shí)驗(yàn)，所得的關(guān)聯(lián)式

10、為： 318 . 053. 02102. 0reePRddd應(yīng)用(yngyng)范圍：Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性(dng xng)尺寸： 當(dāng)量直徑de定性溫度： 流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。 潤濕周邊長度流道截面積4de第17頁/共36頁第十七頁，共37頁。2022-5-10（四）大空間自然(zrn)對流nrruPGCNnpCtlglC332或 對于大空間的自然對流，比如管道或傳熱設(shè)備的表面與周圍大氣層之間的對流傳(lichun)熱，通過實(shí)驗(yàn)側(cè)得的c,n的值在表4.3.2中。定性(dng xng)溫度 ：取壁溫Tw和流體進(jìn)出口平均溫度的算術(shù)平均值。第18頁/共

11、36頁第十八頁，共37頁。2022-5-10*提高(t go)對流傳熱系數(shù)的途徑 1）流體(lit)作湍流流動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于層流時(shí)的傳熱系數(shù)，并且Re，應(yīng)力求使流體(lit)在換熱器內(nèi)達(dá)到湍流流動(dòng)。 2）湍流時(shí)，圓形直管中的對流傳熱系數(shù) nriiPudd8 . 0023. 0,4 . 0 時(shí)當(dāng) n8 . 06 . 04 . 0023. 0uCp第19頁/共36頁第十九頁，共37頁。2022-5-10 與流速的0.8呈正比，與管徑的0.2次方呈反比， 在流體阻力(zl)允許的情況下，增大流速比減小管徑對提高對流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。 3）流體在換熱器管間流過時(shí)，在管外加折流板的情況14.

12、03155. 036. 0wpeeCudd45. 055. 0eduB 對流傳熱系數(shù)與流速的0.55次方成正比，而與當(dāng)量(dngling)直徑的0.45次方成反比第20頁/共36頁第二十頁，共37頁。2022-5-10 設(shè)置折流板提高流速和縮小管子的當(dāng)量直徑，對加大對流傳熱系數(shù)均有較顯著的作用。 4) 不論管內(nèi)還是管外，提高流u都能增大對流傳熱系數(shù)，但是增大u，流動(dòng)阻力一般按流速的平方增加，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最佳的流速。5）除增加流速外，可在管內(nèi)裝置如麻花鐵或選用螺紋(luwn)管的方法，增加流體的湍動(dòng)程度，對流傳熱系數(shù)增大，但此時(shí)能耗增加。 第21頁/共36頁第二十一頁，共37頁。2022-

13、5-10（五）流體(lit)有相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)1、蒸汽(zhn q)冷凝時(shí)的對流傳熱系數(shù) 1）蒸汽(zhn q)冷凝的方式 a) 膜狀冷凝： 若冷凝(lngnng)液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完整的液膜 b)滴狀冷凝： 若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下 第22頁/共36頁第二十二頁，共37頁。2022-5-10第23頁/共36頁第二十三頁，共37頁。2022-5-10 2）膜狀冷凝的傳熱系數(shù) a)蒸汽在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝 假設(shè)(jish)： 冷凝液的物性為常數(shù)，可取平均液膜溫度下的數(shù)值。 一蒸汽冷凝成液體時(shí)所傳遞的熱量，僅僅是冷

14、凝潛熱 蒸汽靜止不動(dòng)，對液膜無摩擦阻力。 冷凝液膜成層流流動(dòng)，傳熱方式僅為通過液膜進(jìn)行的熱傳導(dǎo)。 第24頁/共36頁第二十四頁，共37頁。2022-5-104132943. 0TLrg修正(xizhng)后 413213. 1TLrg定性(dng xng)尺寸： L取垂直(chuzh)管或板的高度。定性溫度： 蒸汽冷凝潛熱r取其飽和溫度t0下的值，其余物性取液膜平均溫度。應(yīng)用范圍：1800Re第25頁/共36頁第二十五頁，共37頁。2022-5-10若膜層為湍流(tunli)（Re1800）時(shí)4 . 031232Re(0077. 0）g滯流時(shí)，Re值增加(zngji)，減??；湍流時(shí)，Re值增加

15、(zngji)，增大；第26頁/共36頁第二十六頁，共37頁。2022-5-10第27頁/共36頁第二十七頁，共37頁。2022-5-10b) 蒸汽在水平(shupng)管外冷凝 4/1032725. 0Tdgrc)蒸汽在水平管束(gunsh)外冷凝4103232725. 0Tdngrm75. 075. 0275. 0121zzmnnnnnnn第28頁/共36頁第二十八頁，共37頁。2022-5-10413213. 1TLrg垂直4/1032725. 0Tdgr水平在條件相同時(shí)，對比(dub)水平管和垂直管的對流傳熱系數(shù)的計(jì)算式4/1)64. 00dL（垂直水平因?yàn)?yn wi)L/d通常較大

16、，所以一般情況下水平/垂直1，即水平放置的管子比豎直方式的傳熱系數(shù)要大。第29頁/共36頁第二十九頁，共37頁。2022-5-103）影響冷凝傳熱的因素a）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差t 當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若t加大，則蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝傳熱系數(shù)降低。b）流體物性 液膜的密度、粘度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸汽的冷凝潛熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。c) 蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流動(dòng)，厚度減薄，使增大；蒸汽和液膜逆向流動(dòng)， 減小，摩擦力超過液膜重力(zhngl)時(shí)， 液膜被蒸汽吹離壁面，當(dāng)蒸汽流速增加，急劇增大；第30頁/共36頁第三十頁，共37頁。2022-5-10d) 蒸汽中不凝氣體含量的影響

17、蒸汽中含有空氣或其它不凝氣體，壁面可能為氣體層所遮蓋，增加了一層附加熱阻，使急劇下降。e)冷凝壁面的影響 若沿冷凝液流動(dòng)方向積存的液體增多，液膜增厚，使傳熱系數(shù)下降。 例如管束，冷凝液面從上面各排流動(dòng)下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子(gun zi)的要比上排的為低。 冷凝面的表面情況對影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，使膜層加厚，增加膜層阻力，下降。第31頁/共36頁第三十一頁，共37頁。2022-5-10第32頁/共36頁第三十二頁，共37頁。2022-5-10五、保溫層的臨界(ln ji)直徑 TciTfd1d2Tw第33頁/共36頁第三十三頁，共37頁。2022-5-10LdLddTTLdTTLddTTQfcifwwci21221212ln12ln穩(wěn)態(tài)傳熱：Qd2dc2cd2d1dcbc臨界厚度第34頁/共36頁第三十四頁，共37頁。2022-5-10LdLddTTLdTTLddTTQfcifwwci21221212ln12ln穩(wěn)態(tài)傳熱：Qd2dc2cd2d1dcbc臨界厚度第35頁/共36頁第三十五頁，共37頁。2022-