化工原理電子課件北京化工大學(xué).ppt

1,4.3 對(duì)流傳熱 4.3.1 對(duì)流傳熱過程分析 4.3.2 對(duì)流傳熱速率 4.3.3 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 4.3.4 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立 4.3.5 無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 4.3.6 有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,2,3.3.1 對(duì)流傳熱過程分析,3,層流底層 溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式 湍流核心 溫度梯度大，對(duì)流方式 過渡區(qū)域 熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式,4,3.3.2 對(duì)流傳熱速率牛頓冷卻定律,流體被冷卻：,式中 Q 對(duì)流傳熱速率，W； 對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2)； Tw 壁溫，； T 流體平均溫度，； A 傳熱面積，m2。,5,式中 t總有效膜厚度； e湍流區(qū)虛擬膜厚度； 層流底層膜厚度。,下面來推導(dǎo)牛頓冷卻定律,建立膜模型：,流體被冷卻：,T,TW,t,tW,t,6,1. 牛頓冷卻定律是一種推論，假設(shè)Qt。,2. 復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化表示。,推動(dòng)力：,阻力：,7,4.3.3 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素,1.引起流動(dòng)的原因 自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。 強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。,強(qiáng) 自,2.流體的物性 ，cp,8,5. 是否發(fā)生相變 蒸汽冷凝、液體沸騰 相變 無相變,4. 傳熱面的形狀，大小和位置 形狀：如管、板、管束等； 大?。喝绻軓胶凸荛L(zhǎng)等； 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。,3.流動(dòng)形態(tài) 層流、湍流 湍 層,9,4.3.4 對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立,一、因次分析,式中 l特性尺寸； u特征流速。 基本因次：長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度 變量總數(shù)：8個(gè) 由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無因次數(shù)群。,f(u，l，cp，gt),10,Nusselt待定準(zhǔn)數(shù),Reynolds，流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響,Prandtl，流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響,Grashof，自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響,11,二、實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果整理 以強(qiáng)制湍流為例：NuCReaPrk 1采用不同Pr的流體，固定Re lgNuklgPrlgCRea 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系得一直線，斜率為k,2不同Pr的流體在不同的Re下 lgNu/PrkalgRelgC 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中得一直線 斜率為a，截距為C,12,定性溫度的取法：,三、定性溫度、特性尺寸的確定,2特性尺寸 取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。,3準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。,1確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。,13,一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流,適用范圍： Re10000，0.760,4.3.5 無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,1圓形直管內(nèi)的湍流,14,特征尺寸為管內(nèi)徑di 流體被加熱時(shí)，k0.4；被冷卻時(shí)，k0.3。,注意事項(xiàng)： 定性溫度取,15,強(qiáng)化措施： u,u0.8 d, 1/d0.2 流體物性的影響，選大的流體 ,16,以下是對(duì)上面的公式進(jìn)行修正： (1)高粘度,Re10000，0.760 定性溫度取tm；特征尺寸為di,17,(2) l/d60 ,(3) 過渡流（2000Re10000) ,(4) 彎曲管內(nèi) ,18,(5) 非圓形管強(qiáng)制湍流,1) 當(dāng)量直徑法,2) 直接實(shí)驗(yàn)法,套管環(huán)隙 : 水-空氣系統(tǒng),適用范圍： 12000Re220000；d2/d1=1.6517 其中 d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑,用de代替di計(jì)算，u不同de,要用實(shí)際的流通面積計(jì)算,19,例題4.3.1 一列管式換熱器，由38根252.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20加熱到80 ，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求： （1）管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)； （2）管子換為192mm，管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)； （3）當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？,已知：苯的物性,20,特點(diǎn)：1）物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的 影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。 2）層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán) 重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。 3）層流要求的進(jìn)口段長(zhǎng)度長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)口段 小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。,2. 圓形管內(nèi)強(qiáng)制層流,21,熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊?22,適用范圍：,當(dāng)：,定性溫度：,23,二、管外強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù) 1. 流體在管束外垂直流過,24,在換熱器內(nèi)單排管：,25,整個(gè)管束：,定性溫度：,適用范圍：,特性尺寸：管的外徑do,26,2流體在換熱器殼程的流動(dòng),擋板形式：圓形、圓缺形,27,殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)（圓缺形）：,定性溫度：,正方形排列：,正三角形排列：,特征尺寸：當(dāng)量直徑de,28,流速u按流通截面最大處的截面計(jì)算：,式中 h兩塊折流擋板間距離，m； D換熱器殼徑，m； do管子的外徑，m； t相鄰兩管中心距，m。,29,注意：換熱器無折流擋板時(shí)，流體平行流過管束，對(duì)流給熱系數(shù)按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑 。,提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：,3）加強(qiáng)湍動(dòng)，,2）,1）,30,三、大空間的自然對(duì)流傳熱,注意： c,n與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。 定性溫度：膜溫 特征尺寸：垂直的管或板為高度 水平管為管外徑,31,一、蒸汽冷凝,1. 冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝,4.3.6 有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù),滴膜,32,2. 冷凝過程的熱阻：液膜的厚度,3. 蒸汽冷凝的,1）水平管束外,式中 n水平管束在垂直列上的管子數(shù)； r汽化潛熱（ts下），kJ/kg。,特性尺寸l：管外徑do,定性溫度：膜溫,33,湍流,2）豎壁或豎管上的冷凝,層流,適用條件：Re1800,適用條件：Re1800,特性尺寸l：管或板高H,定性溫度：膜溫,34,4冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施 1) 流體物性 冷凝液 , ；冷凝液,；潛熱r , 2) 溫差 液膜層流流動(dòng)時(shí)，t=tstW，, 3) 不凝氣體 不凝氣體存在，導(dǎo)致 ，定期排放。 4）蒸汽流速與流向 （u10m/s ） 同向時(shí)， ；反向時(shí)， ； u ,35,5) 蒸汽過熱 包括冷卻和冷凝兩個(gè)過程。 6) 冷凝面的形狀和位置 目的：減少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯(cuò)列,36,沸騰種類 1）大容積沸騰 2）管內(nèi)沸騰 1. 汽泡產(chǎn)生的條件 問題：為什么汽泡只在加熱面?zhèn)€別地方產(chǎn)生？ 過熱度：t=tWts 汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處 汽化核心生成汽泡長(zhǎng)大脫離壁面新汽泡形成攪動(dòng)液層,二、 液體沸騰,37,2. 沸騰曲線 1）自然對(duì)流階段 t t5C 3）不穩(wěn)定膜狀沸騰 25C t5C,工業(yè)上：核狀沸騰,4）穩(wěn)