化工原理第四章第五節(jié)講稿

2021/7/16第四章傳熱一、對流傳熱系數(shù)的影響因素二、對流傳熱過程的因次分析三、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)四、流體有相變時的對流傳熱系數(shù)第五節(jié)對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式一、對流傳熱系數(shù)的影響因素2021/7/161、流體的種類和相變化的情況2、流體的物性導(dǎo)熱系數(shù)滯流內(nèi)層的溫度梯度一定時，流體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，對流傳熱系數(shù)也愈大。粘度流體的粘度愈大，對流傳熱系數(shù)愈低。比熱和密度ρcp：單位體積流體所具有的熱容量。2021/7/16ρcp值愈大，流體攜帶熱量的能力愈強，對流傳熱的強度愈強。（4）體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)β值愈大，密度差愈大，有利于自然對流。對強制對流也有一定的影響。3、流體的溫度4、流體流動狀態(tài)湍流的對流傳熱系數(shù)遠比滯流時的大。5、流體流動的原因強制對流：由于外力的作用自然對流：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)點的位移單位體積的流體所受的浮力為：2021/7/16r1

-

r0

)g

=r0

1

+

bDt)-

r0

]g

=

r0

bgDt6、傳熱面的性狀、大小和位置二、因次分析法在對流傳熱中的應(yīng)用1、流體無相變時的強制對流傳熱過程列出影響該過程的物理量，并用一般函數(shù)關(guān)系表示：a

=

f

(l，r，m，c

p，l，u)確定無因次準數(shù)π的數(shù)目i

=

n

-

m

=

7

-

4

=

3p1

=

f(p2，p3）2021/7/16確定準數(shù)的形式(1)列出物理量的因次物理量因次物理量alrmcplu因次M

q

3

TLM

L3M

LqL2

q

2TML

q

3TL

q(2)選擇m個物理量作為i個無因次準數(shù)的共同物理量不能包括待求的物理量不能同時選用因次相同的物理量選擇的共同物理量中應(yīng)包括該過程中所有的基本因次。2021/7/16選擇l、λ、μ、u作為三個無因次準數(shù)的共同物理量(3)因次分析將共同物理量與余下的物理量分別組成無因次準數(shù)p1

=

l

a

lb

m

cuda

p

2

=

l

elf

m

guh

rp3

=

lilj

m

kumcp對π1而言，實際因次為：)

(2021/7/163L

M

)dcq

TLq

qq

3TM

0

L0q

0T

0

=

La

(

ML

)b

(

M

)

(b

+

c

+1

=

0a

+

b

-

c

+

d

=

0-3b

-

c

-

d

-

3

=

0-

b

-1

=

0a

=1b

=

-1c

=

0d

=

0l\

p1=

ll-1a

=

al

=

Nu2mp

=

lur

=

Re2021/7/163lcpmp

=

=

Pr\

Nu

=

f

(Re,

Pr)——流體無相變時強制對流時的準數(shù)關(guān)系式2、自然對流傳熱過程a

=

f

(l，l，c

p，r，m，rgbDt)包括7個變量，涉及4個基本因次，alp1

=

f(p2

,p3

)

p

=

l

=

Nu12lcpmp

=

=

Pr=

Gr2021/7/16m

2l

3

r

2

gbDtp3

=Nu

=

f

(Gr,

Pr)——自然對流傳熱準數(shù)關(guān)系式準數(shù)的符號和意義準數(shù)名稱符號準數(shù)式意義努塞爾特準數(shù)（Nusselt）Nuall表示對流傳熱的系數(shù)雷諾準數(shù)（Reynolds）Relurm確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)（Prandtl）Prcpml表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)（Grashof）GrbgDtl3

r

2m

2表示自然對流影響的準數(shù)2021/7/163、應(yīng)用準數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題2021/7/16定性溫度：各準數(shù)中的物理性質(zhì)按什么溫度確定定性尺寸：Nu，Re數(shù)中L應(yīng)如何選定。應(yīng)用范圍：關(guān)聯(lián)式中Re,Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍。三、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)2021/7/161、流體在管內(nèi)作強制對流1）流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流a)低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體N

=

0.023R

0.8

P

nu

e

rrP

nd

ml

dur

0.8或a

=0.023當流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時，n=0.3。>

60>10000,0.6

<Pr

<120,管長與管徑比l

/di若l

/di＜60時，將計算所得的α乘以L)]0.7[1+

(di應(yīng)用范圍：Re

w

u

e

r定性尺寸：Nu、Re等準數(shù)中的l取為管內(nèi)徑di。定性溫度：取為流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。b)

高粘度的液體

u

0.14N

=

0.027R

0.8

P

0.23

m

w

2021/7/16

u

0.14

m為考慮熱流體方向的校正項。>

602021/7/16irdL應(yīng)用范圍：

Re

>

1000, 0.7

<

P

<

16700

,定性尺寸：取為管內(nèi)徑di。定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術(shù)平均值。2)

流體在圓形直管內(nèi)作強制滯流當管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對流對強制滯流的傳熱的影響可以忽略時0.14113

3

w

e

ruPN

=

1.86RL

m1

di

3

m

>

102021/7/16Ld<

25000,

R

P>

0.6,

G應(yīng)用范圍：Re

<2300,6700

>Pie

rrr定性尺寸：管內(nèi)徑di。定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術(shù)平均值。當Gr

<

25000時，按上式計算出α后，再乘以一校正因子

1

f

=

0.81

+

0.015Gr

3

3）流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流對于Re=2300~10000時的過渡流范圍，先按湍流的公式計算α，然后再乘以校正系數(shù)f。e2021/7/16R

1.86

·105f

=

1

-4）流體在彎管內(nèi)作強制對流a

'

=

a

1

+1.77di

/

R)5）流體在非圓形管中作強制對流對于非圓形管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的計算，前面有關(guān)的經(jīng)驗式都適用，只是要將圓管內(nèi)徑改為當量直徑de。套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實驗，所得的關(guān)聯(lián)式為：0.82021/7/160.531Pr

3e

2

l

d1

a

=

0.02

Red

d應(yīng)用范圍：Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17定性尺寸：當量直徑de定性溫度：流體進出口溫度的算術(shù)平均值。2、流體在管外強制對流2021/7/162021/7/161）流體在管束外強制垂直流動2021/7/162021/7/162021/7/16流體在錯列管束外流過時，平均對流傳熱系數(shù)2021/7/16Nu

=

0.33

Re0.6

Pr0.33流體在直列管束外流過時，平均對流傳熱系數(shù)Nu

=

0.26

Re0.6

Pr0.33應(yīng)用范圍：Re＞3000特征尺寸：管外徑do，流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。其中錯列管距最狹窄處的距離應(yīng)在（x1-do）和2（t-do）兩者中取小者。注意：管束排數(shù)應(yīng)為10，若不是10時，計算結(jié)果應(yīng)校正。2）流體在換熱器的管間流動當管外裝有割去25%直徑的圓缺形折流板時，殼方的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：a)多諾呼(Donohue)法do

m

l

mwNu

=

0.23

Re

0.6

Pr1

3

(

m

)0.14mwa

=

0.23

l

(

dour

)0.6

(

cpm

)1

3

(

m

)0.142021/7/162021/7/162021/7/16應(yīng)用范圍：Re=3～2×104定性尺寸：管外徑do，流速取換熱器中心附近管排中最窄通道處的速度定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術(shù)平均值。b)凱恩（Kern）法0.552021/7/160.14wPr

3

Nu

=

0.36Rem1

m0.142021/7/1610.55=

0.36

w

l`

m

C

p

m

3

m

m

deur

lade應(yīng)用范圍：Re=2×103~106定性尺寸：

當量直徑de。定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術(shù)平均值。當量直徑可根據(jù)管子排列的情況別用不同式子進行計算：pd04

t

2

-

0.785d

2

)管子呈正方形排列時：

de

=

0

管子呈三角形排列時：2pd

0p2

24

t

-

d

0

3

4de

=

管外流速可以根據(jù)流體流過的最大截面積S計算2021/7/16td0A

=

hD

1

-3、自然對流uN

=

C(G

·

P

)nr

rp2021/7/16l

·lC

m

nm

3l

r

2

gbDtl

3或a

=C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熱，通過實驗側(cè)得的c,n的值在表4-9中。定性溫度：壁溫tw和流體進出口平均溫度的算術(shù)平均值，膜溫。4、提高對流傳熱系數(shù)的途徑流體作湍流流動時的傳熱系數(shù)遠大于層流時的傳熱系數(shù)，并且Re↑，α↑，應(yīng)力求使流體在換熱器內(nèi)達到湍流流動。湍流時，圓形直管中的對流傳熱系數(shù)n0.8i

l

diur

a

=

0.023

Prd

m

m2021/7/160.4

l0.6

(ru

)0.8Cp當n

=

0.4時,

a

=

0.023α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，在管外加流板的情況0.1410.55e

mw

l

Cp

m

3

m

l

deur

a

=

0.36

d

me2021/7/16d

0.45u0.55a

=

B對流傳熱系數(shù)與流速的0.55次方成正比，而與當量直徑的0.45次方成反比設(shè)置折流板提高流速和縮小管子的當量直徑，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管的方法，增加流體的湍動程度，對流傳熱系數(shù)增大，但此時能耗增加。2021/7/16四、流體有相變時的對流傳熱系數(shù)1、蒸汽冷凝時的對流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝的方式膜狀冷凝：若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完 整的液膜滴狀冷凝：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2021/7/162021/7/162）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)：①冷凝液的物性為常數(shù)，可取平均液膜溫度下的數(shù)值。②一蒸汽冷凝成液體時所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱③蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力。④冷凝液膜成層流流動，傳熱方式僅為通過液膜進行的熱傳導(dǎo)。2021/7/161mHDt

gr

2l3r

4a

=

0.943修正后12021/7/16mHDt

gr2l3r

4a

=1.13應(yīng)用范圍：Re

＜1800定性尺寸：H取垂直管或板的高度。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。若用無因次冷凝傳熱系數(shù)來表示，可得：a

*

=1.76

Re

-1

3若膜層為湍流（Re＞1800）時0.42021/7/161

3）

Rem

2r

2

gl3a

=

0.0077(滯流時，Re值增加，α減小；湍流時，Re值增加，α增大；2021/7/16b)

蒸汽在水平管外冷凝0md

Dt

rr

2

gl3

a

=

0.725c)蒸汽在水平管束外冷凝0321

4mn

d

Dt

rr

2

gl3a

=

0.7252021/7/160.7520.75

10.75z

mn

+

nn

=+

nn1

+

n2

+

+

nz3）影響冷凝傳熱的因素2021/7/16冷凝液膜兩側(cè)的溫度差△t當液膜呈滯流流動時，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。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)。蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流動，厚度減薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流動，α減小，摩擦力超過液膜重力時，液膜被蒸汽吹離壁面，當蒸汽流速增加，α急劇增大；蒸汽中不凝氣體含量的影響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α急劇下降。冷凝壁面的影響若沿冷凝液流動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下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的α要比上排的為低。冷凝面的表面情況對α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，α下降。2021/7/162021/7/162、液體沸騰時的對流傳熱系數(shù)大容積沸騰液體沸騰管內(nèi)沸騰1）沸騰曲線當溫度差較小時，液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對流，α較小，且隨溫度升高較慢。當△t逐漸升高，在加熱表面的局部位置產(chǎn)生氣泡，該局部位置稱為氣化核心。氣泡產(chǎn)生的速度△t隨上升而增加，α急劇增大。稱為泡核沸騰或核狀沸騰。2021/7/162021/7/16當△t再增大，加熱面的氣化核心數(shù)進一步增多，且氣泡2021/7/16產(chǎn)生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接起來，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜。當△t在增大，由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈來愈顯著，α又隨之增大，這段稱為穩(wěn)定