浙大化工原理第七章-传热-2012.

第七章传热Chapter7HeatTransfer7.1概述(Introduction)传热的目的加热或冷却，使物料达到指定温度；换热，以回收利用热量；保温，以减少热量或冷量的损失。传热过程中冷热流体的接触方式直接式间壁式蓄热式7.1概述(Introduction)载热体及其选择载热体：在换热器中起加热或冷却作用的物料称为加热剂或冷却剂，统称载热剂。加热剂热水饱和蒸汽矿物油联苯混合物熔盐烟道气适用温度40~100100~180180~250255~380142~530500~1000工业上常用加热剂及其适用温度范围（℃）工业上常用的冷却剂：水、空气和各种冷冻剂。工业上常用的加热剂：换热器简介7.1概述(Introduction)蓄热式间壁式直接接触式夹套式列管式套管式套管式冷流体进热流体进T1T2夹套式单程列管式换热器双程列管式换热器123366544577.1概述(Introduction)管数：n管外径：d2管长：l基于管外表面的传热面积：管内径：d1管程数：m管程流通面积：2Anld214fndAm间壁式换热器传热过程分析7.1概述(Introduction)T对流h1传导k对流h2tTwtw三个传热环节串联：对流+传导+对流7.2固体中的热传导dydTkq7.2.1傅立叶定律及导热系数yoQAT1T2k——导热系数，W/m·Kk金属k液体k气体温度上升时：k金属下降k非金属上升（多数情况）k液下降，但水明显例外k气上升R1R2T1T2LQ7.2固体中的热传导bTTkAQ217.2.2通过单层壁的稳态导热单层平壁bxoQAT1T2导热热阻传热推动力RTkAbTTQm21bTTkAQ21mLdAAAAAm1212mln对数平均面积单层圆筒壁ddddd1212mln对数平均直径7.2固体中的热传导7.2.3通过多层壁的稳态导热1R11m11211tAkbttQ2R22m22322tAkbttQ3R33m33432tAkbttQ稳态QQQQ3217.2固体中的热传导中间温度QAkbtt1m1112QAkbtt3m3343314133322211141333432223211121iimmmmmmRttAkbAkbAkbttAkbttAkbttAkbttQn1ii1n1n1iim1n1RttkAbttQ7.2固体中的热传导若层间接触处有空隙时，由于有k空气＜k金属，产生附加热阻，称为接触热阻。往往成为传热的控制因素。7.2.4接触热阻7.3对流给热系数的实验关系式7.3.1牛顿冷却定律与对流传热系数对管内流动，T常采用流体的主体平均温度Tb，则wTThq牛顿冷却定律wbTThqRrdrdTkq关键是确定对流传热系数！RrwbdrdTTTkh（流体被冷却）理论分析7.3对流给热系数的实验关系式实验研究定义名称意义努塞尔准数待求准数，含待求的给热系数雷诺准数反映对流强度对传热的影响普兰特准数反映流体物性的影响格拉斯霍夫准数反映自然对流的影响GrPr,Re,fNukhlNuulRekcpPr223tlGr7.3对流给热系数的实验关系式7.3.2对流传热过程的分类及准数关联式对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流管内对流圆形直管非圆管道弯管湍流过渡流层流n8.0PrRe023.0Nu流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。应用范围：光滑圆形直管Re10000；0.7Pr120；l/d160低粘度（2水）特征尺寸：取为管内径定性温度：tm=(t进+t出）/2。7.3.3流体无相变的给热系数7.3对流给热系数的实验关系式2.08.0duh管内强制对流管内强制湍流不满足上述条件时需修正：入口效应修正：l/d160时，乘以以下修正因子7.01ldfl非圆形管道：特征尺寸采用当量直径de。7.3对流给热系数的实验关系式弯管修正：弯曲管道内流动时，乘以以下修正因子Rd77.11fR管内强制层流14.0w313131ldPrRe86.1Nu应用范围：Re2300；Pr0.6。定性温度：w取壁温，其余取流体进出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径。在Re=2300~10000的过渡区，作为粗略估算，可按湍流传热公式计算给热系数h，然后乘以修正因子f8.15Re1061f7.3对流给热系数的实验关系式管内强制过渡流【例7-9】套管换热器外管内径60mm，内管规格φ38×4.0mm，用水将流量为2500kg/h的某液体有机物从100℃冷却至40℃，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度860kg/m3,粘度2.8×10-3N•s/m2，比热2.26kJ/(kg•℃)，导热系数0.452W/(m•℃),水的进、出口温度分别为15℃和45℃，热损失忽略不计。试求：(1)水对管内壁的给热系数；(2)有机溶液对管外壁的给热系数；(3)若将水流量增加20%，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。解：⑴水的定性温度：C3024515t冷却水出冷却水进热溶液进热溶液出【例7-9】ρ2=995.7kg/m3,μ2=0.0008N·s/m2,k2=0.618W/(m·K)，Cp2=4.174kJ/(kg·K)根据热量衡算式求得水流量11212122250036002.26100400.7524.1744515ppWCTTWCttsmdWu/069.103.0785.07.995/752.04//22222399150008.07.995069.103.0Re222du403.5618.00008.01000174.4Pr222kCpkg/s【例7-9】水侧给热系数：KmW446203061806216dkNuh22/...⑵套管环隙(过渡流)1000032240028086047700220ud111e...Re14452.00028.0100026.2Pr111kCpmmm223860ddd12e6216045399150230PrRe0230Nu40804080........sm477003800607850860360025004ddqu22212211m1....【例7-9】根据过渡流给热系数的计算方法，有0.80.80.340.30.0230.0233.158101432NuRePrKmW723020452032dekNuh21/..699.0)10158.3(1061Re10618.1358.15fKmW44337236990hfh2/..⑶水流量增加后的给热系数KmW5166214465WWhh28080/...管外强制对流流体在管束外横掠流动ds2s1ds2s1直列错列7.3对流给热系数的实验关系式影响因素：Re，Pr，排列方式，管间距和管排数等。4.0PrReCNun应用范围：Re=5000~7000,s1/d=1.2~5.0,s2/d=1.2~5.0特征尺寸：管外径，取每排管子中最狭窄通道处流速定性温度：流体进、出口温度的算术平均值列数直列错列Cnεnε10.600.1710.60.171s1/d0=1.2~3时C=1+0.1s1/d0s1/d03时C=1.320.650.1510.60.22830.650.1610.60.29040.650.1510.60.2907.3对流给热系数的实验关系式4321hhhh整个管束的平均给热系数应按下式求出：321332211AAAAhAhAhhm7.3对流给热系数的实验关系式换热器壳程的传热123366544577.3对流给热系数的实验关系式对于装有圆缺型挡板(1)Re=3~12×104时(2)Re=2×103~1×106时定性温度：除w取壁温外，其余均取流体平均温度；0.141/30.623.0wPrReNu0.141/30.5536.0wPrReNu特征尺寸：用当量直径。222244etddd22223424etddd流速u：按管间最大流通截面积A计算，即式中：D——换热器外壳内径，m；l——两折流挡板间距，m。若换热器中无挡板，壳程流体沿管外作平行流动，则可按非圆管道的管内强制对流公式计算。特征尺寸使用壳程空间的当量直径。21dADlt7.3对流给热系数的实验关系式大容积自然对流：无搅拌时釜内液体的加热；传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热。定性温度：壁温tw和流体平均温度tm的算术平均值nNuCGrPr加热面形状特征尺寸(Gr·Pr)范围Cn水平园管外径d0104~1090.531/4垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/3C和n的实验值自然对流7.3对流给热系数的实验关系式作业：7.17.8Ts冷凝传热冷凝方式7.3.4有相变的传热过程7.3对流给热系数的实验关系式膜状冷凝：冷凝液能润湿壁面，在壁面上铺展成膜。Tw传热的推动力：Ts-Tw热阻：集中在液膜内。特点：由于液膜温度较高、粘度小，膜薄，热阻不大，因此传热系数比自然对流的大，通常也可比强制对流的大。7.3对流给热系数的实验关系式若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小，如果壁面足够高，壁下部液膜中会出现凝液的湍流流动，使给热系数复又增加。hz滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成液滴。7.3对流给热系数的实验关系式实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；对管表面进行改性处理。特点：相当部分表面无冷凝液，对传热无阻力。所以，热阻小，传热系数高，约为膜状冷凝的5-10倍甚至更高。蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝当Re＜2100，膜内为层流，则若Re＞2100，膜层为湍流，则14231.13gkrhlt13230.068gkrhlt膜状冷凝给热系数7.3对流给热系数的实验关系式特征尺寸：l取垂直管或板的高度。定性温度：蒸汽冷凝潜热r取饱和温度ts下的值，其余物性参数取液膜平均温度(ts+tw)/2下的值。M4AWbA4)u(dReeW—凝液质量流量，kg/s；b—浸润周边长度，m；M—冷凝负荷，M=W/b；A—膜层流通截面积，m2；de—液膜当量直径，m。7.3对流给热系数的实验关系式无因次冷凝给热系数，h*Re＞2100时（Kirkbride式）：hlMrhblWrhAQt13231321.87gkhRe13213231.87hRegk*131.87hRe14231.13gkrhlt4/12324/12324/1326.14413.113.1RehkgMhkgMrhllrkgh4.00077.0Reh则当Re＜2100时：7.3对流给热系数的实验关系式蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝单管平均给热系数可用下式计算：h为水平单管的冷凝给热系数；km为管束校正系数。如果管束的总管数为N，则管束校正系数为蒸汽在水平管束外冷凝的平均给热系数：142320.725gkrhdtmmhkh16mmkNm为垂直列数，其值与总管数N和管束放置方位有关。7.3对流给热系数的实验关系式B方位放置时