给热系数-课件

Principles of Chemical Engineering14.4 给热系数给热系数2024/7/19Principles of Chemical Engineering2对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程。1.引起对流的原因引起对流的原因自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，也较小。强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。一、给热系数的影响因素和数值范围一、给热系数的影响因素和数值范围2024/7/19Principles of Chemical Engineering3流动流体与流动流体与外界的传热外界的传热静止流体与外静止流体与外界的传热界的传热强制对流强制对流自然对流自然对流对流传热系数，对流传热系数，W/m2K边界层是对流边界层是对流传热的主要热传热的主要热阻所在。阻所在。ttwQ2024/7/19Principles of Chemical Engineering43.流体的物性流体的物性 当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响较大的物性有：，cp。的影响：；的影响：Re；cp的影响：cpcp单位体积流体的热容量大，则较大；的影响:Re2.流动的流动形态流动的流动形态层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。；但Re动力消耗大。2024/7/19Principles of Chemical Engineering55.是否发生相变是否发生相变主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，复杂。4.4.传热面的形状、大小和位置传热面的形状、大小和位置不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。（1）形状：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管径和管长等；（3）位置：比如管子的排列方式（如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。对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。2024/7/19Principles of Chemical Engineering6二、给热系数与因次分析二、给热系数与因次分析(一一)获得给热系数的方法获得给热系数的方法影响的因素很多，牛顿冷却公式只能看作是的一个定义式,不能揭示有关因素与的内在联系。获得表达式的方法主要有以下几个：1、分析法 是指对描述某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。是研究传热问题的基础理论方法，但是数学处理上困难。2024/7/19Principles of Chemical Engineering72、数值法 是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和速率的方法。3、实验法 通过实验来获得不同情况下的给热计算式（关联式或经验式），是目前工程计算的主要依据。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行。即对某一类给热问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。2024/7/19Principles of Chemical Engineering8基本因次:共4个，长度L，时间T，质量M，温度变量总数:共8个 特性尺寸特性尺寸特征流速特征流速粘度粘度定压比热容定压比热容密度密度单位体积流体的升浮力单位体积流体的升浮力给热系数给热系数因次分析之后，所得准数关联式中共有4个无因次数群（由定理8-4=4）(二二)因次分析因次分析2024/7/19Principles of Chemical Engineering9因次分析结果如下：因次分析结果如下：努塞尔数(Nusselt):待定准数（包含对流传热系数）普朗特数(Prandtl):反映流体物性对对流传热的影响雷诺数(Reynolds):表征流体流动型态对对流传热的影响。2024/7/19Principles of Chemical Engineering10 格拉晓夫(Grashof):表征自然对流对对流传热的影响2024/7/19Principles of Chemical Engineering11（1）定性温度 由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。定性温度的取法：1）流体进出口温度的平均值tm=(t2+t1)/2；2）膜温t=(tm+tW)/2。（2）特性尺寸 它是代表换热面几何特征的长度量，通常选取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。另外，实验范围是有限的，准数关联式的使用范围也就是有限的。2024/7/19Principles of Chemical Engineering12（一）流体在管内的强制对流（一）流体在管内的强制对流使用范围：使用范围：Re10000，0.6Pr160，501圆形直管内的强制湍流三、流体作强制对流时的给热系数三、流体作强制对流时的给热系数2024/7/19Principles of Chemical Engineering13 注意：（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm；（2）特征尺寸为管内径di；（3）流体被加热时，n0.4，流体被冷却时，n0.3；n取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。温度对近壁处层流底层内流体粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。（4）特征速度为管内平均流速。2024/7/19Principles of Chemical Engineering14不同情况下对前面公式进行修正：a高粘度要考虑壁面温度变化引起粘度变化对的影响（是在tm下；而W是在tw下）。在实际中，由于壁温难以测得，工程上作近似处理。对于液体，加热时：冷却时：2024/7/19Principles of Chemical Engineering15b过渡区 2300Re10000时，先按湍流计算，然后乘以校正系数过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的Re小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚，减小。c当l/d60时则为短管，由于管入口扰动增大，较大，乘上校正系数f。2024/7/19Principles of Chemical Engineering16d流体在弯管中的对流传热系数 先按直管计算，然后乘以校正系数fd管径；R弯管的曲率半径。由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，增大。2024/7/19Principles of Chemical Engineering17式中 d1、d2分别为套管外管内径或内管外径。适用范围：d1/d2=1.6517，e非圆形直管内强制对流采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。此为近似计算，采用经验公式和专用式更为准确。套管环隙：2024/7/19Principles of Chemical Engineering18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。热流方向对层热流方向对层流速度的影响流速度的影响2圆形直管内的强制层流2024/7/19Principles of Chemical Engineering191）Gr25000时，自然对流影响小可忽略适用范围：Re60冷却时：对于液体，加热时：2024/7/19Principles of Chemical Engineering20（2）Gr25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。2024/7/19Principles of Chemical Engineering21流体可垂直流过单管和管束两种情况。由于工业中所用的换热器多为流体垂直流过管束，由于管间的相互影响，其流动的特性及传热过程均较单管复杂得多。流体垂直于单根圆管作管外流动的情况流体垂直于单根圆管作管外流动的情况四、流体在管外的强制对流四、流体在管外的强制对流2024/7/19Principles of Chemical Engineering221流体垂直流过管束流体垂直流过管束时，管束的排列情况可以有直列和错列两种。各排管的变化规律：第一排管，直列和错列基本相同；第二排管，直列和错列相差较大；第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定；从图中可以看出，错列传热效果比直列好。2024/7/19Principles of Chemical Engineering232024/7/19Principles of Chemical Engineering24单列的对流传热系数用下式计算适用范围：5000Re70000，x1/d=1.25，x2/d=1.25。（1）特性尺寸取管外径do，定性温度取法与前相同tm；（2）流速u取每列管子中最窄流道处的流速，即最大流速。（3）C，n取决于排列方式和管排数，由实验测定，具体取值。2024/7/19Principles of Chemical Engineering25（4）对某一排列方式，由于各列的不同，应按下式求平均的对流传热系数：i各列的对流传热系数；Ai各列传热管的外表面积。对于前几列而言，各列的对于前几列而言，各列的，n不同，因此不同，因此 也不同。也不同。排列方式不同（直列和错列），对于相同的列，排列方式不同（直列和错列），对于相同的列，n不不同，同，也不同。也不同。2024/7/19Principles of Chemical Engineering262流体在换热器管壳间流动流体在换热器管壳间流动一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形和圆缺形两种。由于装有不同形式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的Re下（Re=100）即可达到湍流。2024/7/19Principles of Chemical Engineering272024/7/19Principles of Chemical Engineering282024/7/19Principles of Chemical Engineering292024/7/19Principles of Chemical Engineering30多管道折流式冷却器多管道折流式冷却器2024/7/19Principles of Chemical Engineering312024/7/19Principles of Chemical Engineering32B-B-C:壳程流体通过圆缺形挡板缺口的路径A:少量流体通过管与挡板圆孔间环隙的路径E:少量流体通过壳内壁与挡板间间隙的路径换热器壳程的流动情况换热器壳程的流动情况2024/7/19Principles of Chemical Engineering33圆缺形折流挡板，弓形高度25%D，的计算式：适用范围：Re=2103106。定性温度：进、出口温度平均值；tww。2024/7/19Principles of Chemical Engineering34 正三角形排列：正方形排列：d0tt特征尺寸：（1）当量直径de2024/7/19Principles of Chemical Engineering35 （2）流速u根据流体流过的最大截面积Smax计算式中 h相邻挡板间的距离；D壳体的内径。提高壳程的措施：提高壳程u，但hf u2，hf；de；加强壳程的湍动程度，如加折流挡板或填充物。2024/7/19Principles of Chemical Engineering36 大空间自然对流传热:是指冷表面或热表面（传热面）放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热。对流传热系数仅与反映自然对流的Gr和反映物性的Pr有关，依经验式计算：NuC（Gr Pr）n（1）特性尺寸对水）特性尺寸对水平管取外径平管取外径do，垂直管，垂直管或板取管长和板高或板取管长和板高H。（2）定性温度取膜）定性温度取膜温（温（tm+tw）/2。四、大空间的自然对流传热四、大空间的自然对流传热2024/7/19Principles of Chemical Engineering37五、蒸汽冷凝时的给热系数五、蒸汽冷凝时的给热系数蒸汽与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化热。1冷凝方式冷凝方式:膜状冷凝，滴状冷凝膜状冷凝，滴状冷凝2024/7/19Principles of Chemical Engineering38滴状冷凝：若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。冷凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面的附着力大小。若附着力大于表面张力则会形成膜状冷凝，反之，则形成滴状冷凝。通常滴状冷凝时蒸汽不必通过液膜传热，可直接在传热面上冷凝，其对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数大510倍。但滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。2024/7/19Principles of Chemical Engineering392蒸汽在水平管外冷凝蒸汽在水平管外冷凝计算公式：n水平管束在垂直列上的管子数；r汽化潜热（ts下），kJ/kg；冷凝液的密度，kg/m3；冷凝液的导热系数，W/（m.K）；冷凝液的粘度，Pa.s。2024/7/19Principles of Chemical Engineering40特性尺寸l：管外径do；定性温度：膜温用膜温查冷凝液的物性、和；潜热r用饱和温度ts查得；此时认为主体无热阻，热阻集中在液膜中。2024/7/19Principles of Chemical Engineering413在竖直板或竖直管外的冷凝在竖直板或竖直管外的冷凝 当蒸汽在垂直管或板上冷凝时，冷凝液沿壁面向下流动，同时由于蒸汽不断在液膜表面冷凝，新的冷凝液不断加入，形成一个流量逐渐增加的液膜流，相应于液膜厚度加大，上部分为层流，当板或管足够高时，下部分可能发展为湍流。对于冷凝液来说，临界Re=2100。无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流2024/7/19Principles of Chemical Engineering42如图所示，从顶向底流动时，液膜，；当H一定高时，流动从层流过渡到湍流时，Re，层流底层，。2024/7/19Principles of Chemical Engineering43de的计算:冷凝液流过的截面积，m2润湿周边，m冷凝液的质量流量，kg/s 单位长度润湿周边上冷凝液的质量流量，kg/s.m 2024/7/19Principles of Chemical Engineering44 （1）层流时）层流时 的计算式的计算式适用范围：Re1800定性温度：膜温特征尺寸l：管高或板高H注：Re是指板或管最低处的值（此时Re为最大）2024/7/19Principles of Chemical Engineering454冷凝传热的影响因素和强化措施冷凝传热的影响因素和强化措施 对于纯的饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键。所以，影响液膜状况的所有因素都将影响到冷凝传热。（1）流体物性的影响）流体物性的影响冷凝液，液膜厚度越小；冷凝液。冷凝潜热r，同样的热负荷Q下冷凝液量小，则液膜厚度越小。2024/7/19Principles of Chemical Engineering46（2）温度差影响）温度差影响 当液膜作层流流动时，t=tstW，t，则蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚,。（3）不凝气体的影响）不凝气体的影响 在实际的工业冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性气体，如空气。当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，必须先以扩散的方式通过这层气膜。这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明：当蒸汽中含空气量达1%时，下降60%左右。2024/7/19Principles of Chemical Engineering47（4）蒸汽流速与流向的影响）蒸汽流速与流向的影响 蒸汽的流速对有较大的影响，蒸汽流速较小u10m/s时，还要要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄,；蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚,；但u时，会吹散液膜，。一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于。2024/7/19Principles of Chemical Engineering48（5）蒸汽过热的影响）蒸汽过热的影响 蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触（tWts），壁面无冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触（tWts），由两个串联的传热过程组成：冷却和冷凝。整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝，冷凝的推动力为t=tstW。2024/7/19Principles of Chemical Engineering49（6）强化传热措施）强化传热措施 对纯蒸汽冷凝，恒压下ts为一定值。即在气相主体内无温差也无热阻，的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以，在流体一定的情况下，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度和布置方式入手。如在垂直壁面上开纵向沟槽，以减薄壁面上的液膜厚度。还可在壁面上安装金属丝或翅片，使冷凝液在表面张力的作用下，流向金属丝或翅片附近集中，从而使壁面上的液膜减薄；使冷凝传热系数得到提高。2024/7/19Principles of Chemical Engineering502024/7/19Principles of Chemical Engineering51六、液体沸腾时的对流传热系数六、液体沸腾时的对流传热系数对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：按设备的尺寸和形状可分为：大容器沸腾大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而引起的无强制对流的沸腾现象。管内沸腾管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾（强制对流）；此时液体流速对沸腾过程有影响，而且加热面上气泡不能自由上浮，被迫随流体一起流动，出现了复杂的气液两相的流动结构。1、沸腾现象、沸腾现象2024/7/19Principles of Chemical Engineering52气泡的生成和过热度气泡的生成和过热度 由于表面张力的作用，要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。而气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温度，故液体必须过热，即液体的温度必须高于气泡内压力所对应的饱和温度。在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。液体的过热是新相小气泡生成的必要条件。2024/7/19Principles of Chemical Engineering53粗糙表面的气化核心粗糙表面的气化核心 开始形成气泡时，气泡内的压力必须无穷大。这种情况显然是不存在的，因此纯净的液体在绝对光滑的加热面上不可能产生气泡。气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，这种点称为气化核心。无气化核心则气泡不会产生。过热度增大，气化核心数增多。气化核心是一个复杂的问题，它与表面粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均匀性质等多种因素有关。2024/7/19Principles of Chemical Engineering54qmaxqmin2沸腾曲线2024/7/19Principles of Chemical Engineering55如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明t对的影响。（1）AB段段，t=tWts，t很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。tt5C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。2024/7/19Principles of Chemical Engineering57(3)CD段段，t25C进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，由于气体的导热系数较小，使，此阶段称为不稳定膜状沸腾。(4)DE段段，t250C时，气膜稳定，由于加热面tW高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾。工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下大，tW小。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点C称为临界点（此后传热恶化），其对应临界值tc、c、qc。对于常压水在大容器内沸腾时：tc=25C、qc=1.25106W/m2。2024/7/19Principles of Chemical Engineering583沸腾传热的影响因素和强化措施（1）流体物性）流体物性 流体的、等有影响；或，；或，。一般来说，有机物的大，在同样的P和t下比水的小；而且表面张力小，润湿能力大的液体，有利于气泡形成和脱离壁面，大。措施：在液体中加入少量添加剂，改变其表面张力。（2）温差）温差 t 从沸腾曲线可知，温差t是影响和控制沸腾传热过程的重要因素，应尽量控制在核状沸腾阶段进行操作。2024/7/19Principles of Chemical Engineering59（3）操作压力）操作压力 提高操作压力P，相当于提高液体的饱和温度ts，使液体的，有利于气泡形成和脱离壁面，强化了沸腾传热，在同温差下，增大。（4）加热面的状况）加热面的状况 加热面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于传热。新的、洁净的、粗糙的加热面，大；当壁面被油脂玷污后，会使下降。此外，加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。例如在水平管束外沸腾时，其上升气泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致平均下降。2024/7/19Principles of Chemical Engineering60措施：措施：使加热面粗糙，用机加工或腐蚀等；对于沸腾传热，由于过程的复杂性，虽然提出的经验式很多，但不够完善，至今还未总结出普遍适用的公式。有相变时的比无相变时的大得多，热阻主要集中在无相变一侧流体，此时有相变一侧流体的只需近似计算。2024/7/19Principles of Chemical Engineering612024/7/19