化工原理第四章第二三节第14次课课件

2024/6/16上次课内容复习上次课内容复习5、传热速率方程式：、传热速率方程式：6、傅、傅立叶定律：立叶定律：7、单层平壁的稳定热传导速率方程：、单层平壁的稳定热传导速率方程：8、多层平壁的稳定热传导速率方程：、多层平壁的稳定热传导速率方程：2023/8/9上次课内容复习5、传热速率方程式：6、傅立叶12024/6/16上次课内容复习上次课内容复习9、单层圆筒壁的稳定热传导速率方程：、单层圆筒壁的稳定热传导速率方程：10、单位圆筒壁长度稳定热传导热流密度方程：、单位圆筒壁长度稳定热传导热流密度方程：2023/8/9上次课内容复习9、单层圆筒壁的稳定热传导速率22024/6/162、多层圆筒壁的热传导、多层圆筒壁的热传导 与与多多层层平平壁壁的的稳稳定定热热传传导导计计算算类类似，可导出：似，可导出：单层圆筒壁导热速率公式：单层圆筒壁导热速率公式：多层圆筒壁导热速率公式：多层圆筒壁导热速率公式：2023/8/92、多层圆筒壁的热传导 与多层平壁的稳定热传32024/6/16多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：2023/8/9多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：42024/6/16第四章第四章 传热传热一、对流传热的分析一、对流传热的分析二、壁面和流体的对流传热二、壁面和流体的对流传热速率速率三、对流传热系数的影响因三、对流传热系数的影响因素素四四、对流传热过程的、对流传热过程的特特征数征数关系式关系式五、流体无相变时的对流传五、流体无相变时的对流传热系数热系数六、流体有相变时的对流传六、流体有相变时的对流传热系数热系数第三节第三节 对流传热对流传热2023/8/9第四章 传热一、对流传热的分析第三节 52024/6/16一、流体对流传热的分析一、流体对流传热的分析 流体沿固体流体沿固体壁面的流动壁面的流动 层流内层层流内层过渡层过渡层湍流主体湍流主体流流体体分分层层运运动动，相相邻邻层层间间没没有有流流体体的的宏宏观观运运动动。在在垂垂直直于于流流动动方方向向上上不不存存在在热热对对流流，该该方方向向上上的的热热传传递递仅仅为为流流体体的的热热传传导导。该该层层中中温温度度差差较较大大，即即温度梯度较大。温度梯度较大。热热对对流流和和热热传传导导作作用用大大致致相相同同，在在该该层层内温度发生较缓慢的变化。内温度发生较缓慢的变化。温度梯度很小，温度梯度很小，各处的温度基本相同。各处的温度基本相同。2023/8/9一、流体对流传热的分析 流体沿固体层流内层过62024/6/16 对流传热是集流体对流和热传导于一体的综合现象。对流传热是集流体对流和热传导于一体的综合现象。对对流流传传热热的的热热阻阻主主要要集集中中在在层层流流内内层层。减减薄薄层层流流内内层层的的厚度是强化对流传热的主要途径。厚度是强化对流传热的主要途径。2023/8/9 对流传热是集流体对流和热传72024/6/16二、壁面和流体间的对流传热方程二、壁面和流体间的对流传热方程 1、对流传热速率表达式、对流传热速率表达式 据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：推动力：壁面和流体间的温度差推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。根据有效膜模型，根据有效膜模型，对流传热速率方程对流传热速率方程可以表示为：可以表示为：牛顿冷却公式牛顿冷却公式 2023/8/9二、壁面和流体间的对流传热方程 1、对流传热82024/6/16对对流流传传热热系系数数或或称称为为膜膜系系数数，单单位位 W/(m2k)或或W/(m2)t对流传热温差，对热流体对流传热温差，对热流体 t=T-Tw，对冷流体，对冷流体 t=tw-t2、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数对流传热系数定义式：定义式：表示表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。反映了反映了对流传热的快慢对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。，对流传热系数大，则传热快。P129 例例4-52023/8/9对流传热系数或称为膜系数，单位 W/(92024/6/16三、对流传热系数三、对流传热系数的影响因素的影响因素 1、流体的物性、流体的物性1）导热系数）导热系数 层层流流内内层层的的温温度度梯梯度度一一定定时时，流流体体的的热热导导率率 ，对对流流传热系数传热系数 。2）黏度）黏度 流体的黏度流体的黏度 ，流动阻力越大，对流传热系数，流动阻力越大，对流传热系数 。3）比热容）比热容 CP和密度和密度（CP 单位单位 J/kgK）cp：单位体积流体所具有的热容量。单位体积流体所具有的热容量。cp值值 ，流体携带热量的能力愈强，流体携带热量的能力愈强，对流传热对流传热 。2023/8/9三、对流传热系数的影响因素 1、流体的物性102024/6/16（4）体积膨胀系数）体积膨胀系数（单位（单位 1/K 1/K）体体积积膨膨胀胀系系数数值值，密密度度差差愈愈大大，有有利利于于自自然然对对流流，对强制对流也有一定的影响，对流传热系数对强制对流也有一定的影响，对流传热系数。2、流体流动的原因、流体流动的原因 强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：由于外力的作用引起的对流。工业上常见。由于外力的作用引起的对流。工业上常见。由由于于流流体体内内部部存存在在温温度度差差，使使得得各各部部分分的的流流体体密密度度不不同同，引引起起流流体体质质点点的的位位移移。单位体积的流体所受的浮力为：单位体积的流体所受的浮力为：2023/8/9（4）体积膨胀系数（单位 1/K）2、流112024/6/163、流体主体的流动状态、流体主体的流动状态 湍流的对流传热系数湍流的对流传热系数层流的对流传热系数层流的对流传热系数。4、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况 液体的液体的 气体的气体的 对于同一液体，对于同一液体，rCP（r比汽化热，比汽化热，J/kg）相变时的相变时的无相变时的无相变时的5、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 传热面的位置：水平、垂直；形状：圆管、平板；传热面的位置：水平、垂直；形状：圆管、平板；特征尺寸：对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。特征尺寸：对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。2023/8/93、流体主体的流动状态 122024/6/16四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式1、无因次分析在流体无相变对流传热中的应用、无因次分析在流体无相变对流传热中的应用列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：确定确定n的数目：的数目：根据根据定理：定理：2023/8/9四、对流传热的特征数关系式1、无因次分析在流132024/6/162、列出各物理量的量纲、列出各物理量的量纲各物理量的量纲各物理量的量纲物理量物理量量纲量纲确定确定m的数目：的数目：确定确定N的数目：的数目：特征数之间的关系式：特征数之间的关系式：（半经验式）（半经验式）2023/8/92、列出各物理量的量纲各物理量的量纲物理量量142024/6/16各特征数的符号和意义各特征数的符号和意义准数名称准数名称符号符号特征数特征数意义意义努塞尔数努塞尔数（Nusselt）Nu表示对流传热系数表示对流传热系数 雷诺数雷诺数（Reynolds）Re表表示示流流体体的的流流动动状状态态和和湍动程度对传热的影响湍动程度对传热的影响普朗特数普朗特数（Prandtl）Pr表表示示流流体体各各物物性性对对传传热热的影响的影响格拉晓夫数格拉晓夫数（Grashof）Gr表表示示自自然然对对流流对对对对流流传传热的影响热的影响2023/8/9各特征数的符号和意义准数名称符号特征数意义努152024/6/163、应用特征数关联式应注意的问题、应用特征数关联式应注意的问题1）应应用用范范围围：关关联联式式中中Re、Pr、Nu、Gr等等特特征征数数的的数数值值范范围围以以及及常常数数K、指指数数a、b、c，一一般般根根据据实验确定，使用时不能超出该范围。实验确定，使用时不能超出该范围。2）特征尺寸：特征尺寸：Nu、Re、Gr数中数中l应如何选定。应如何选定。3）定性温度：各特征数中的各物理参数按什么温度确定。）定性温度：各特征数中的各物理参数按什么温度确定。将关联式用各特征数的符号表示：将关联式用各特征数的符号表示：2023/8/93、应用特征数关联式应注意的问题将关联式用各162024/6/16五、流体无相变时的对流传热系数的经五、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式验关联式（一）流体在管内作强制对流传热（一）流体在管内作强制对流传热1、流体在圆形直管内作强制湍流时的、流体在圆形直管内作强制湍流时的值1)低黏度（低黏度（2mPas）流体）流体 当流体被当流体被加热时加热时n=0.4，流体被流体被冷却时，冷却时，n=0.3。cPJ/kgK2023/8/9五、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式（172024/6/16管长与管径比管长与管径比 应用范围：应用范围：特征尺寸：特征尺寸：Nu、Re等准数中的等准数中的l取为管内径取为管内径d。定性温度：定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进、出口温度的算术平均值。2)高黏度高黏度（2mPas）的液体的液体 为考虑热流体方向的校正项。为考虑热流体方向的校正项。2023/8/9管长与管径比 应用范围：特征尺寸：Nu、182024/6/16W壁温下的液体黏度，单位壁温下的液体黏度，单位Pas；流体被加热时：取流体被加热时：取 =1.05 流体被冷却时，取流体被冷却时，取 =0.95 应用范围：应用范围：特征尺寸：特征尺寸：l 取为管内径取为管内径 d。定性温度：定性温度：除除w取取壁壁温温以以外外，其其余余物物性性参参数数的的定定性性温温度度均均取取液体进、出口温度的算术平均值。液体进、出口温度的算术平均值。2023/8/9W壁温下的液体黏度，单位Pas；应192024/6/163)对于短管（对于短管（l/d60）可可采采用用前前面面的的两两个个公公式式计计算算值值再再乘乘以以管管入入口口效效应应校校正正系数系数：4)对于弯管对于弯管 可可采采用用前前面面的的两两个个公公式式计计算算值值再再乘乘以以弯弯管管效效应应校校正正系系数数：P133 例例4-62023/8/93)对于短管（l/d60）4)对于弯管202024/6/162、流体在圆形直管内作强制层流时的流体在圆形直管内作强制层流时的值值 当当管管径径较较小小，流流体体与与壁壁面面间间的的温温度度差差较较小小，流流速速比比较较低低，Gr直列直列。直列直列错列错列2023/8/91、流体在管束外强制垂直流动第一排管子的流动242024/6/16流体在管外垂直流过时的对流传热系数关联式：流体在管外垂直流过时的对流传热系数关联式：C、n由实验确定。由实验确定。特征尺寸：特征尺寸：l 取管外径取管外径d定性温度：定性温度：流体进出口温度的算术平均值。流体进出口温度的算术平均值。应用范围：应用范围：流速流速u取流动方向上最窄通道处的流速。取流动方向上最窄通道处的流速。管束的平均对流传热系数计算公式：管束的平均对流传热系数计算公式：2023/8/9流体在管外垂直流过时的对流传热系数关联式：C252024/6/161）流体）流体在错列管束外流过时在错列管束外流过时，平均对流传热系数，平均对流传热系数2）流体）流体在直列管束外流过时在直列管束外流过时，平均对流传热系数，平均对流传热系数注意：注意：管束排数应为管束排数应为10，若不是，若不是10时，计算结果应校正。时，计算结果应校正。2023/8/91）流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数262024/6/16（三）大空间自然对流传热（三）大空间自然对流传热定性温度定性温度：壁温壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温膜温。大大空空间间自自然然对对流流：指指传传热热壁壁面面放放置置在在很很大大的的空空间间内内，由由于于壁壁面面温温度度与与周周围围流流体体的的温温度度不不同同，而而引引起起的的自自然然对对流流，并并且且周周围围没没有有阻阻碍碍自自然然对对流流的的物体。物体。2023/8/9（三）大空间自然对流传热定性温度：壁温tw27化工原理第四章第二三节第14次课课件282024/6/16六、流体有相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数（一）蒸气冷凝时的对流传热系数（一）蒸气冷凝时的对流传热系数 1、蒸气冷凝的方式、蒸气冷凝的方式 1)膜状冷凝：膜状冷凝：若若冷冷凝凝液液能能够够浸浸润润壁壁面面，在在壁壁面面上上形形成成一一完完整的液膜。整的液膜。2)滴状冷凝：滴状冷凝：若若冷冷凝凝液液体体不不能能润润湿湿壁壁面面，由由于于表表面面张张力力的的作作用用，冷冷凝凝液液在在壁壁面面上上形形成成许许多多液液滴滴，并并沿沿壁壁面面落下。落下。2023/8/9六、流体有相变时的对流传热系数（一）蒸气冷凝292024/6/162、饱和蒸气膜状冷凝的传热系数饱和蒸气膜状冷凝的传热系数n水平管束在垂直裂伤的管子数；水平管束在垂直裂伤的管子数；d0管外径；管外径；t饱和蒸气温度饱和蒸气温度 ts 与壁温与壁温 tw 之差；之差；定性温度定性温度：壁温壁温tw和饱和蒸气温度和饱和蒸气温度ts的算术平均值。的算术平均值。特征尺寸特征尺寸：l 取管外径取管外径d0。2023/8/92、饱和蒸气膜状冷凝的传热系数n水平管束302024/6/16液膜为层流时：液膜为层流时：定性尺寸：定性尺寸：l 取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。定性温度：定性温度：蒸蒸汽汽冷冷凝凝潜潜热热r取取其其饱饱和和温温度度ts下下的的值值，其其余余物物性取膜温（性取膜温（ts与与 tw 的算术平均值的算术平均值）。）。应用范围：应用范围：滞流时，滞流时，Re值增加，值增加，减小；减小；2023/8/9液膜为层流时：定性尺寸：l 取垂直管或板312024/6/16若膜层为湍流（若膜层为湍流（Re1800）时时湍流时，湍流时，Re值增加，值增加，增大；增大；饱和蒸气冷凝时饱和蒸气冷凝时值的计算需采用试差法：值的计算需采用试差法：假设流型假设流型计算计算值值验算验算Re与流型范围比对与流型范围比对2023/8/9若膜层为湍流（Re1800）时湍流时，R322024/6/16 Re表达式表达式设冷凝液液膜的流动截面积为设冷凝液液膜的流动截面积为S，壁面湿润周边长度为，壁面湿润周边长度为则则冷凝液的质量流量为：冷凝液的质量流量为：蒸气冷凝时向避免传递的热量：蒸气冷凝时向避免传递的热量：得：得：2023/8/9 Re表达式设冷凝液液膜的流动截面积为S，332024/6/163、影响冷凝传热的因素、影响冷凝传热的因素1）冷凝液膜两侧的温度差冷凝液膜两侧的温度差t 当当液液膜膜呈呈滞滞流流流流动动时时，若若t加加大大，则则蒸蒸汽汽冷冷凝凝速速率率增增加加，液膜厚度增厚，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。冷凝传热系数降低。2）流体物性流体物性 液液膜膜的的密密度度、粘粘度度及及导导热热系系数数，蒸蒸汽汽的的冷冷凝凝潜潜热热，都都影影响冷凝传热系数（响冷凝传热系数（、r ，；，）。）。3)蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使同向流动，厚度减薄，使增大；增大；蒸汽和液膜蒸汽和液膜逆向流动，逆向流动，减小；减小；当当u10m/s时时，液液膜膜被被蒸蒸汽汽吹吹离离壁壁面面，当当蒸蒸汽汽流流速速增增加加，急剧增大；急剧增大；2023/8/93、影响冷凝传热的因素342024/6/164)蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸蒸汽汽中中含含有有空空气气或或其其它它不不凝凝气气体体，壁壁面面可可能能为为气气体体层层所所遮盖，增加了一层附加热阻，遮盖，增加了一层附加热阻，使使急剧下降急剧下降。5)冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响 若若沿沿冷冷凝凝液液流流动动方方向向积积存存的的液液体体增增多多，液液膜膜增增厚厚，使使传传热系数下降。热系数下降。例例如如管管束束，冷冷凝凝液液面面从从上上面面各各排排流流动动下下面面各各排排，使使液液膜膜逐渐增厚，因此逐渐增厚，因此下面管子的下面管子的要比上排的为低。要比上排的为低。冷冷凝凝面面的的表表面面情情况况对对影影响响也也很很大大，若若壁壁面面粗粗糙糙不不平平或或有有氧化层，氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。下降。2023/8/94)蒸汽中不凝气体含量的影响352024/6/16（二）液体沸腾时的对流传热系数（二）液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾液体沸腾 大大容容器器内内沸沸腾腾把把加加热热面面浸浸入入大大容容器器的的液液体体中中，液液体体被被壁壁面面加加热热而而引引起起无强制对流的沸腾现象。无强制对流的沸腾现象。管内沸腾管内沸腾 1、沸腾曲线、沸腾曲线 当当温温度度差差较较小小时时，液液体体内内部部产产生生自自然然对对流流，较较小小，且且随随温度升高较慢。温度升高较慢。当当t逐逐渐渐升升高高，在在加加热热表表面面的的局局部部位位置置产产生生气气泡泡，该该局局部部位位置置称称为为气气化化核核心心。气气泡泡产产生生的的速速度度t随随上上升升而而增增加加，急剧增大。急剧增大。称为称为饱和沸腾或核状沸腾。饱和沸腾或核状沸腾。2023/8/9（二）液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾 大362024/6/16qABCDA-B：自然对流区B-C：核状沸腾区C-D：膜状沸腾区C点：临界点，又称烧毁点工业操作：ttc2023/8/9qABCDA-B：自然对流区B-C：核状沸372024/6/16 当当t再再增增大大，加加热热面面的的气气化化核核心心数数进进一一步步增增多多，且且气气泡泡产产生生的的速速度度大大于于它它脱脱离离表表面面的的速速度度，气气泡泡在在脱脱离离表表面面前前连连接接起来，形成一层起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。不稳定的蒸汽膜。当当t在在增增大大，由由于于加加热热面面具具有有很很高高温温度度，辐辐射射的的影影响响愈愈来愈显著，来愈显著，又随之增大，这段称为又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾稳定的膜状沸腾。由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。称为临界点。临临界界点点所所对对应应的的温温差差、热热通通量量、对对流流传传热热系系数数分分别别称称为为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。工业生产中，一般应工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作维持在核状沸腾区域内操作。2023/8/9 当t再增大，加热面的气化核382024/6/162、影响沸腾传热的因素、影响沸腾传热的因素 1)液体性质的影响液体性质的影响 一一般般情情况况下下，随随、的的增增加加而而加加大大，而而随随和和增增加加而减小。而减小。2）温度差温度差t的影响的影响 核状沸腾区：核状沸腾区：2023/8/92、影响沸腾传热的因素 2）温度差t的影响392024/6/163)操作压强的影响操作压强的影响 提提高高沸沸腾腾压压强强，液液体体的的饱饱和和温温度度上上升升，液液体体的的表表面面张张力力和和黏黏度度均均下下降降，有有利利于于气气泡泡的的生生成成和和脱脱离离，强强化化了了沸沸腾腾传传热。热。在相同在相同t的下，传热系数的下，传热系数增加。增加。4)加热表面的影响加热表面的影响 新新的的或或清清洁洁的的加加热热面面，较较高高。当当壁壁面面被被油油脂脂沾沾污污后后，气化核心减少，会使气化核心减少，会使急剧下降。急剧下降。壁面愈粗糙，壁面愈粗糙，气泡核心愈多，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。有利于沸腾传热。加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。核状沸腾区：2023/8/93)操作压强的影响核状沸腾区：402024/6/16七、选用对流传热系数关联式的注意事项七、选用对流传热系数关联式的注意事项1、针对要解决的传热问题类型，选择适当的关联式；、针对要解决的传热问题类型，选择适当的关联式；的计算公式的计算公式半经验式（量纲分析法）半经验式（量纲分析法）经验式经验式2、要注意关联式的使用条件；、要注意关联式的使用条件；3、注意正确使用各物理量的单位；、注意正确使用各物理量的单位；4、应学会分析各关联式中各物理量对、应学会分析各关联式中各物理量对 的影响的影响；5、强强制制对对流流时时液液体体 空空气气，水水的的有有机机液液体体，同同一一液体，有相变液体，有相变无相变无相变。2023/8/9七、选用对流传热系数关联式的注意事项1、针对412024/6/16作作 业业P182 4-4P182 4-4、4-64-62023/8/9作 业P182 4-4、4-642