大学课件-化工原理-第4章传热3

小结:(1)对流传热:工程上，指流体和固体壁面间的传热过程包括对流传热和热传导(2)热边界层近壁处，流体温度显著变化的区域。●热边界层内（近壁处）集中全部的温差和热阻0dydt●热边界层外（流体主体）等温区，无温差和热阻0dydt●流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。①牛顿冷却定律thAthq或：②影响表面传热系数的因素流动状态、流动原因、流体的物性、传热面条件、相变化KmWh2/：表面传热系数，(3)表面传热系数的经验关联③对流传热的四个重要无量纲数hlNuduRePrCP223tlgGr④无相变管内强制对流◆园形直管内湍流流体的表面传热系数nreuPRN8.0023.0npiicuddh8.0023.0或：流体被加热，n=0.4流体被冷却，n=0.3◆粘度较大流体14.033.08.0)/(027.0wreuPRN◆流体流过短管hldh7.0)/(1◆圆形直管内过渡流时表面传热系数hRhe)1061(8.15◆圆形直管内强制层流14.03/1)/()/(86.1wieuldPRNr◆圆形弯管内的强制对流hRdhi)77.11(◆非圆形管内强制对流318.053.012PrRe02.0ddde图4-19流体垂直于单根圆管在管外流动②管外强制对流a)流体横向流过单根管外3/1rneuPCRNC、n见表4.4.2P262特征尺寸：管外径表面传热系数分布：1）低雷诺数（70800~101300）φ=0-80°,层流边界层厚度↑，h↓φ80°,边界层分离，h↑，有一个最低点。2）高雷诺数（140000~219000）有两个最低点：N01：φ=70-80°,层流边界层→湍流边界层；N02：φ=140°（分离点）,发生边界分离。◆管束的排列方式直列（正方形）、错列（正三角形）b)流体横向流过管束的表面传热系数◆各排管h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)：基本恒定可以看出，错列传热效果比直列好。◆传热系数的计算方法任一排管子：4.0rneuPRCNC、ε、n取决于管排列方式和管排数。（见表4.4.3P263）特征尺寸：管外径70005000eR适用条件：52.1/1dx52.1/2dxiiiAAhh/整个管束平均：c)流体在列管换热器管壳间的传热3/16.033.0reuPRN大致估算：*折流挡板壳程流体的流动方向不断改变，较小Re（Re=100），即可达到湍流。作用：缺点：流动阻力↑，壳程压降↑的重要因素。●提高湍动程度，↑h，强化传热；●加固、支撑壳体。有折流挡板时壳程流体表面传热系数14.03/155.0)/(36.0wreuPRN14.03/155.0)/(36.0wreePRdh或：6102000eR适用条件：挡板切割度为25%D2/)(21tttm定性温度：特征尺寸：流道的当量直径正方形排列0202)4(4ddtde0202)423(4ddtde正三角形排列流速：按最大流通截面(最小流速)计算问题：①已知流量，如何计算管间流速12SS一般的，)1(0tdBDSDS1BS2问题②:无折流板时，如何计算壳程流体的h此时，流体平行流过管束按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。(3)自然对流传热①指：温度差引起流体密度不均，导致流体流动。②分类：▲大空间自然对流传热▲有限空间自然对流传热③h计算公式nrruPGCN)(C,n=f(传热面的形状和位置，)具体数值列于表中。定性温度：膜温定型尺寸：竖板，竖管，L水平管，外径有相变对流传热的特点①相变过程中产生大量相变热（潜热）例：水4.4.4蒸汽冷凝与液体沸腾kgkJrC/4.22581000时，汽化潜热CkgkJCpC00/187.41000，比热无相变相变一般的：hh②相变过程有其特殊传热规律③饱和相变温度恒定，与压力对应，便于控制。例：工厂中，常用压力表示饱和水蒸汽的等级(1)蒸汽冷凝机理▲蒸汽侧实际为蒸汽相和凝液相共存。▲传热热阻几乎全部集中在凝液相中冷凝方式：①膜状冷凝凝液呈液膜状（附着力大于表面张力），热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面②滴状冷凝凝液结为小液滴（附着力小于表面张力），有裸露壁面，直接传递相变热。问题：比较两种冷凝方式的表面传热系数h滴状冷凝h膜状冷凝，相差几倍到几十倍但工业操作：多为膜状冷凝(成熟)(2)膜状冷凝表面传热系数①努塞尔方程研究：垂直管外或壁面的膜状冷凝方法：真实模型→简化模型→数学模型求解◆膜状冷凝的真实过程◆简化的物理模型1）液膜很薄，层流流动；传热方式为导热，温度分布为线性2）蒸汽静止，汽-液界面无粘性应力3）汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度tδ=ts4）冷凝液为饱和液体0|yxyuxbyuxdddxbygd)(bstsh,tWh,tyth,x,yuyxxd0yuxyx努塞尔特膜状冷凝简化模型◆建立数学模型求解做受力分析、质量衡算、热量衡算，得：4132)(943.0tLgrh努塞尔方程：2/)(wsmttt定性温度：膜温特征尺寸：L（竖壁或圆管壁高度）wsttt倾斜壁面4132)sin(943.0tLgrh蒸气在斜壁上的冷凝sing实验结果：实测值高于理论值（约20%）原因：液膜的波动、假设的不确切性实验结果：实测值高于理论值（约20%）原因：液膜的波动、假设的不确切性(3)膜状冷凝传热膜系数的经验关联①垂直管外或壁面上的冷凝1）液膜层流1800eR4132)(13.1tLgrh3188.1eRh实测：2）液膜湍流完全由实验获得4.0232)4()(0077.031rtLhgh4.00077.0eRh注意：壁温未知时，计算应采用试差法neCRhφ图4-33水平圆管外的膜状冷凝特征尺寸b：取管长l此式和实验结果基本一致。②水平管冷凝表面传热系数1）水平单管外冷凝理论计算：将竖壁对方位角做积分（0-1800）层流时，41032)(725.0tdgrh3151.1eRh)44Re(Mbm其中，蒸汽冷流体2）水平管束外的冷凝与单管外冷凝的区别各排管子相互影响，传热系数依次下降第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的影响。凝液量增加，液膜变厚，表面传热系数依次下降；扰动加剧，表面传热系数依次增加。41032)(725.0tndgrh理论计算平均值：管排数不同时，■采用平均管排数：475.0375.0275.01321).........(nnnnnnnzav475.0)(iinn蒸汽蒸汽4103/232)(725.0tdngrh实验值：■近似取壳体直径上的管根数NTc正三角形排列：正方形排列：5.01.1TTcNN5.019.1TTcNN其中，NT：单管程中管子的总根数，可由传热面积A计算。3）水平管内冷凝特点：考虑蒸汽流速对h的影响(1）蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出，可采用管外冷凝公式计算。(2）当蒸汽速度较大时，可能形成两相流动，应参考有关公式。蒸汽凝液不凝气(4)影响冷凝传热的因素◇冷凝液膜两侧的温度差：◇流体物性的影响：◇不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。httttwshr均影响、、、◇蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。◇蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；流速较大时，且与液膜同向，h增大；流速较大时，且与液膜反向，h减小。冷凝表面传热系数通常远大于对流表面传热系数tts作业：p3392124