化工原理第四章第五节讲稿

2019/8/14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2019/8/14一、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2019/8/14ρcp：单位体积流体所具有的热容量。ρcp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β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。2019/8/145、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：tggg00001t16、传热面的性状、大小和位置2019/8/14二、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：)(uclfp，，，，，•确定无因次准数π的数目347mni），321(2019/8/14•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TM3lL3LMLMpcLTL22TML3u(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。2019/8/14选择l、λ、μ、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dcbaul1hgfeul2pmkjicul3对π1而言，实际因次为：)()()()(330000TMLLMTMLLTLMdcba2019/8/1401cb0dcba033dcb01b1b0c0d1all11NuRe2luPr3pcPr)(Re,fNu——流体无相变时强制对流时的准数关系式2019/8/142、自然对流传热过程)(tgclfp，，，，，包括7个变量，涉及4个基本因次，),(321Nul1Pr2pcGrtgl2233Pr),(GrfNu——自然对流传热准数关系式2019/8/14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l表示对流传热的系数雷诺准数（Reynolds）Relu确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Prpc表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr223tlg表示自然对流影响的准数2019/8/143、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。2019/8/14三、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nreuPRN8.0023.0nrPdud8.0023.0或当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。2019/8/14,1206.0,10000rePR管长与管径比60/idl时，＜若60/idl将计算所得的α乘以7.0)](1[Ldi应用范围：定性尺寸：Nu、Re等准数中的l取为管内径di。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14.023.08.0027.0wreuuPRN14.0wu为考虑热流体方向的校正项。2019/8/14应用范围：60,167007.0,1000ReirdLP定性尺寸：取为管内径di。定性温度：除μw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2019/8/14应用范围：14.031313186.1wireuLdPRN10,25000,6.06700,2300ReLdPRGPirerr定性尺寸：管内径di。定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。时，当25000rG按上式计算出α后，再乘以一校正因子31015.018.0rGf2019/8/143）流体在圆形直管内呈过渡流对于Re=2300~10000时的过渡流范围，先按湍流的公式计算α，然后再乘以校正系数f。8.151061eRf4）流体在弯管内作强制对流Rdi/77.11'2019/8/145）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：318.053.02102.0reePRddd应用范围：Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17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。2019/8/142、流体在管外强制对流2019/8/142019/8/141）流体在管束外强制垂直流动2019/8/142019/8/142019/8/14流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数33.06.0PrRe33.0Nu流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数33.06.0PrRe26.0Nu应用范围：3000Re＞特征尺寸：管外径do，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（x1-do）和2（t-do）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。2019/8/142）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14.0316.0)(PrRe23.0wNu14.0316.0)()()(23.0wpoocudd2019/8/142019/8/142019/8/14应用范围：Re=3～2×104定性尺寸：管外径do，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μw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14.03155.036.0wreuPRN2019/8/1414.03155.0`36.0wpeeCudd应用范围：Re=2×103~106定性尺寸：当量直径de。定性温度：除μw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：2019/8/14管子呈正方形排列时：0202785.04ddtde管子呈三角形排列时：02024324ddtde管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算tdhDA012019/8/143、自然对流nrruPGCNnpCtlglC332或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tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。2019/8/144、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↑，α↑，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nriiPudd8.0023.0,4.0时当n8.06.04.0023.0uCp2019/8/14α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14.03155.036.0wpeeCudd45.055.0eduB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2019/8/14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。2019/8/14四、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2019/8/142019/8/142）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：①冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。②一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热③蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。④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。2019/8/144132943.0tHrg修正后413213.1tHrg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t0下的值，其余物性取液膜平均温度。应用范围：1800Re＜2019/8/14若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：31Re76.1若膜层为湍流（Re＞1800）时4.031232Re(0077.0）g•滞流时，Re值增加，α减小；•湍流时，Re值增加，α增大；2019/8/142019/8/14b)蒸汽在水平管外冷凝tdgr032725.0c)蒸汽在水平管束外冷凝4103232725.0tdngr75.075.0275.0121zzmnnnnnnn2019/8/143）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α增大；•蒸汽和液膜逆向流动，α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，α急剧增大；2019/8/14d)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α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α要比上排的为低。冷凝面的表面情况对α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，α下降。2019/8/142019/8/142、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，α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，α急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。2019