化工原理電子課件北京化工大學(xué)9

3.3.1對(duì)流傳熱過(guò)程分析dAt2G1，T1G2，t1T21dtA2A1tWtTWT傳熱壁冷流體熱流體層流底層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式湍流核心溫度梯度大，對(duì)流方式過(guò)渡區(qū)域熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式23.3.2對(duì)流傳熱速率——牛頓冷卻定律流體被冷卻：式中 Q──對(duì)流傳熱速率，W；

──對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tw──壁溫，℃；T──流體平均溫度，℃；A──傳熱面積，m2。3式中

t──總有效膜厚度；

e──湍流區(qū)虛擬膜厚度；

──層流底層膜厚度。下面來(lái)推導(dǎo)牛頓冷卻定律建立膜模型：流體被冷卻：TTWttW

t41.牛頓冷卻定律是一種推論，假設(shè)Q∝

t。2.復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化表示。

推動(dòng)力：阻力：54.3.3影響對(duì)流傳熱系數(shù)

的因素1.引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。

強(qiáng)>自

2.流體的物性

，

，

，cp

65.是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰

相變>無(wú)相變4.傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L(zhǎng)等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。3.流動(dòng)形態(tài)

層流、湍流

湍>層

74.3.4對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立一、因次分析

式中l(wèi)——特性尺寸；u——特征流速。基本因次：長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度

變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無(wú)因次數(shù)群。

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)8

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Prandtl，流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Grashof，自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響9二、實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果整理以強(qiáng)制湍流為例：Nu＝CReaPrk1．采用不同Pr的流體，固定RelgNu＝klgPr＋lgCRea雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系得一直線，斜率為k2．不同Pr的流體在不同的Re下lgNu/Prk＝algRe＋lgC雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中得一直線斜率為a，截距為CPrNukReNu/PrkCa10定性溫度的取法：三、定性溫度、特性尺寸的確定2．特性尺寸取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。3．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。1．確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。11一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流適用范圍：Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>604.3.5無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流12特征尺寸為管內(nèi)徑di流體被加熱時(shí)，k＝0.4；被冷卻時(shí)，k＝0.3。注意事項(xiàng)：定性溫度取13強(qiáng)化措施：u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體14以下是對(duì)上面的公式進(jìn)行修正：(1)高粘度

Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di15(2)l/d<60

(3)過(guò)渡流（2000<Re<10000)

(4)彎曲管內(nèi)

16(5)非圓形管強(qiáng)制湍流1)當(dāng)量直徑法2)直接實(shí)驗(yàn)法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)適用范圍：12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計(jì)算，u不同de,要用實(shí)際的流通面積計(jì)算17例題4.3.1一列管式換熱器，由38根

25×2.5mm的無(wú)縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：（1）管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；（2）管子換為19×2mm，管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；（3）當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？已知：苯的物性18特點(diǎn)：1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。2）層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán)重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。3）層流要求的進(jìn)口段長(zhǎng)度長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

2.圓形管內(nèi)強(qiáng)制層流19熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊?0適用范圍：當(dāng)：定性溫度：21二、管外強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)1.流體在管束外垂直流過(guò)22在換熱器內(nèi)單排管：23整個(gè)管束：定性溫度：適用范圍：特性尺寸：管的外徑do

242．流體在換熱器殼程的流動(dòng)擋板形式：圓形、圓缺形25殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)（圓缺形）：

定性溫度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：當(dāng)量直徑ded0tt26流速u按流通截面最大處的截面計(jì)算：式中h——兩塊折流擋板間距離，m；D——換熱器殼徑，m；do——管子的外徑，m；t——相鄰兩管中心距，m。27注意：換熱器無(wú)折流擋板時(shí)，流體平行流過(guò)管束，對(duì)流給熱系數(shù)按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑。提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：3）加強(qiáng)湍動(dòng)，

2）1）28三、大空間的自然對(duì)流傳熱

注意：c,n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫特征尺寸：垂直的管或板為高度水平管為管外徑29一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝4.3.6有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

滴>膜

302.冷凝過(guò)程的熱阻：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數(shù)；r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：管外徑do定性溫度：膜溫

31湍流2）豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特性尺寸l：管或板高H定性溫度：膜溫

324．冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施1)流體物性冷凝液

,

；冷凝液,；潛熱r

,

2)溫差液膜層流流動(dòng)時(shí)，t=ts－tW，,3)不凝氣體

不凝氣體存在，導(dǎo)致，定期排放。4）蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時(shí)，；反向時(shí)，；u335)蒸汽過(guò)熱包括冷卻和冷凝兩個(gè)過(guò)程。6)冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開(kāi)縱向溝槽；水平管束：可采用錯(cuò)列34沸騰種類1）大容積沸騰

2）管內(nèi)沸騰1.汽泡產(chǎn)生的條件問(wèn)題：為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生？過(guò)熱度：

t=tW－ts

汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處汽化核心

生成汽泡

長(zhǎng)大

脫離壁面

新汽泡形成

攪動(dòng)液層

二、液體沸騰352.沸騰曲線1）自然對(duì)流階段

t<5

C2）

核狀沸騰階段25C>

t>5

C3）不穩(wěn)定膜狀沸騰

25C>

t>5

C工業(yè)上：核狀沸騰4）穩(wěn)定膜狀沸騰