化工原理第四章第五节讲

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,四,章,传热,一、对流传热系数的影响因素,二、对流传热过程的因次分析,三、流体无相变时的对流传热系数,四、流体有相变时的对流传热系数,第,五,节,对流传热系数关联式,2024/11/26,一、对流传热系数的影响因素,1、流体的种类和相变化的情况,2、流体的物性,1）导热系数,滞流内层的温度梯度一定时，,流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。,2）粘度,流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。,3）比热和密度,2024/11/26,c,p,：,单位体积流体所具有的热容量。,c,p,值,愈大,，流体携带热量的能力愈强，,对流传热的强度愈强。,（4）体积膨胀系数,体积膨胀系数,值愈大,，密度差愈大，,有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响,。,3、流体的温度,4、,流体流动状态,湍流的对流传热系数远比滞流时的大。,2024/11/26,5、流体流动的原因,强制对流：,自然对流：,由于外力的作用,由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移,单位体积的流体所受的浮力为：,6、传热面的性状、大小和位置,2024/11/26,二、因次分析法在对流传热中的应用,1、流体无相变时的强制对流传热过程,列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,确定无因次准数,的数目,2024/11/26,确定准数的形式,(1)列出物理量的因次,物理量因次,物理量,因 次,(2)选择,m,个物理量作为,i,个无因次准数的共同物理量,不能包括待求的物理量,不能同时选用因次相同的物理量,选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。,2024/11/26,选择,l、u,作为三个无因次准数的共同物理量,(3)因次分析,将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数,对,1,而言，实际因次为：,2024/11/26,流体无相变时强制对流时的准数关系式,2024/11/26,2、自然对流传热过程,包括7个变量，涉及4个基本因次，,自然对流传热准数关系式,2024/11/26,准数的符号和意义,准数名称,符号,准数式,意义,努塞尔特准数,（,Nusselt,）,Nu,表示对流传热的系数,雷诺准数,（,Reynolds）,Re,确定流动状态的准数,普兰特准数,（,Prandtl,）,Pr,表示物性影响的准数,格拉斯霍夫准数,（,Grashof,）,Gr,表示自然对流影响的准数,2024/11/26,3、应用准数关联式应注意的问题,1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定,2）,定性尺寸：,Nu,，,Re,数中,L,应如何选定。,3）应用范围：关联式中,Re,Pr,等准数的数值范围。,2024/11/26,三、流体无相变时的对流传热系数,1、流体在管内作强制对流,1）流体在圆形直管内作强制湍流,a),低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体,当流体被,加热时,n,=0.4,，,流体被,冷却时，,n,=0.3,。,2024/11/26,管长与管径比,将计算所得的,乘以,应用范围：,定性尺寸：,Nu,、,Re,等准数中的,l,取为管内径,d,i,。,定性温度：,取为流体进、出口温度的算术平均值。,b),高粘度的液体,为考虑热流体方向的校正项。,2024/11/26,应用范围：,定性尺寸：,取为管内径,d,i,。,定性温度：,除,w,取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,2)流体在圆形直管内作强制滞流,当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时,2024/11/26,应用范围：,定性尺寸：,管内径,d,i,。,定性温度：,除,w,取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,按上式计算出,后，再乘以一校正因子,2024/11/26,3）流体在圆形直管内呈过渡流,对于,Re=230010000,时的过渡流范围，,先按湍流的公式计算,，,然后再乘以校正系数,f,。,4）流体在弯管内作强制对流,2024/11/26,5）流体在非圆形管中作强制对流,对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径,de,。,套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：,应用范围：,Re=12000220000,，,d,1,/d,2,=1.6517,定性尺寸：,当量直径,de,定性温度：,流体进出口温度的算术平均值。,2024/11/26,2、流体在管外强制对流,2024/11/26,2024/11/26,1）流体在管束外强制垂直流动,2024/11/26,2024/11/26,2024/11/26,流体,在错列管束外流过时,，平均对流传热系数,流体,在直列管束外流过时,，平均对流传热系数,应用范围：,特征尺寸：,管外径,d,o,，,流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的距离应在（,x,1,-d,o,）,和2（,t-d,o,）,两者中取小者。,注意：,管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。,2024/11/26,2）流体在换热器的管间流动,当管外装有割去,25%,直径的圆缺形折流板时，,壳方的对流传热系数关联式为：,a),多诺呼,(,Donohue),法,2024/11/26,2024/11/26,2024/11/26,应用范围：,Re,=3210,4,定性尺寸：,管外径,d,o,，,流速取换热器中心附近管排中最窄通道处的速度,定性温度：,除,w,取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,b),凯恩（,Kern,）,法,2024/11/26,应用范围：,R,e,=2,10,3,10,6,定性尺寸：,当量直径,d,e,。,定性温度：,除,w,取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。,当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：,2024/11/26,管子呈正方形排列时：,管子呈三角形排列时：,管外流速可以根据流体流过的最大截面积,S,计算,2024/11/26,3、自然对流,对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的,c,n,的值在表4-9中。,定性温度,：,壁温,t,w,和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。,2024/11/26,4、提高对流传热系数的途径,1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，,并且,Re,，,，,应力求使流体在换热器内达到湍流流动。,2）,湍流时，圆形直管中的对流传热系数,2024/11/26,与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比，,在流体阻力允许的情况下，,增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。,3）流体在换热器管间流过时，在管外加流板的情况,对流传热系数,与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次方成反比,2024/11/26,设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。,4)不论管内还是管外，提高流,u,都能增大对流传热系数，但是增大,u,，,流动阻力一般按流速的平方增加，应,根据具体情况选择最佳的流速。,5）除增加流速外，,可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，,增加流体的湍动程度，,对流传热系数增大，但此时能耗增加。,2024/11/26,四、流体有相变时的对流传热系数,1、蒸汽冷凝时的对流传热系数,1）蒸汽冷凝的方式,a),膜状冷凝：,若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜,b),滴状冷凝：,若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下,2024/11/26,2024/11/26,2,）膜状冷凝的传热系数,a),蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝,假设：,冷凝液的物性为常数，,可取平均液膜温度下的数值。,一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热,蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。,冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。,2024/11/26,修正后,定性尺寸：,H,取垂直管或板的高度。,定性温度：,蒸汽冷凝潜热,r,取其饱和温度,t,0,下的值，其余物性取液膜平均温度。,应用范围：,2024/11/26,若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：,若膜层为湍流（,Re1800,）,时,滞流时，,Re,值增加，,减小；,湍流时，,Re,值增加，,增大；,2024/11/26,2024/11/26,b),蒸汽在水平管外冷凝,c),蒸汽在水平管束外冷凝,2024/11/26,3）影响冷凝传热的因素,a）,冷凝液膜两侧的温度差,t,当液膜呈滞流流动时，,若,t,加大,，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，,冷凝传热系数降低。,b）,流体物性,液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。,c),蒸汽的流速和流向,蒸汽和液膜,同向流动，厚度减薄，使,增大；,蒸汽和液膜,逆向流动，,减小，,摩擦力超过液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，,当蒸汽流速增加，,急剧增大；,2024/11/26,d),蒸汽中不凝气体含量的影响,蒸汽中含有空气或其它不凝气体,，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，,使,急剧下降,。,e),冷凝壁面的影响,若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。,例如,管束，,冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此,下面管子的,要比上排的为低。,冷凝面的表面情况对,影响也很大，,若壁面粗糙不平或有氧化层，,使膜层加厚，增加膜层阻力，,下降。,2024/11/26,2024/11/26,2、液体沸腾时的对流传热系数,液体沸腾,大容积沸腾,管内沸腾,1）沸腾曲线,当,温度差较小,时，液体内部产生,自然对流,，,较小，且随温度升高较慢。,当,t,逐渐升高,，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为,气化核心,。气泡产生的速度,t,随上升而增加，,急剧增大。,称为,泡核沸腾或核状沸腾。,2024/11/26,2024/11/26,当,t,再增大，,加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层,不稳定的蒸汽膜。,当,t,在增大，,由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，,又随之增大，这段称为,稳定的膜状沸腾,。,由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点,C,称为临界点。,临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。,工业生产中，一般应,维持在核状沸腾区域内操作,。,2024/11/26,2）沸腾传热系数的计算,式中：,壁面过热度。,对比压强,2024/11/26,应用条件：,3）影响沸腾传热的因素,a),液体性质的影响,一般情况下，,随,、,的增加而加大，而随,和,增加而减小。,2024/11/26,b）,温度差,t,的影响,c),操作压强的影响,提高沸腾压强，,液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。,在相同,t,的下，传热系数,增加。,d),加热表面的影响,新的或清洁的加热面，,较高。当壁面被油脂沾污后，会使,急剧下降。,壁面愈粗糙，,气泡核心愈多，,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。,2024/11/26,