化工原理第四章第五節(jié)講稿

1、第四章傳熱第五節(jié)對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式一、對流傳熱系數(shù)的影響 因素二、對流傳熱過程的因次 分析三、流體無相變時(shí)的對流 傳熱系數(shù)四、流體有相變時(shí)的對流 傳熱系數(shù)一、對流傳熱系數(shù)的影響因素1、流體的種類和相變化的情況2、流體的物性1）導(dǎo)熱系數(shù)滯流內(nèi)層的溫度梯度一定時(shí)，流體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，對 流傳熱系數(shù)也愈大。2）粘度流體的粘度愈大，對流傳熱系數(shù)愈低。3）比熱和密度pep：單位體積流體所具有的熱容量。pep值愈大,流體攜帶熱量的能力愈強(qiáng)，對流傳熱的強(qiáng) 度愈強(qiáng)。（4）體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)卩值愈大，密度差愈大，有利于自然對 流。對強(qiáng)制對流也有一定的影響。3、流體的溫度4、流體流動(dòng)狀態(tài)湍流的對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)

2、比滯流時(shí)的大。5、流體流動(dòng)的原因強(qiáng)制對流：由于外力的作用胡然對流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得各部分 的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的位移 單位體積的流體所受的浮力為：Si - Qo)g = Qo (1 + 0At)- p0g = Po/gAt6、傳熱面的性狀、大小和位置:、因次分析法在對流傳熱中的應(yīng)用1、流體無相變時(shí)的強(qiáng)制對流傳熱過程列出影響該過程的物理量，并用一般函數(shù)關(guān)系表示：CC f （/，jLlj C 卩，久，）確定無因次準(zhǔn)數(shù)TT的數(shù)目-i = n-m=7-4=3確定準(zhǔn)數(shù)的形式(1)列出物理量的因次物理量aIPcp2u因次mQtLm/iM/L3i/e2TML/O37L/0物理量因次(2)

3、選擇眈個(gè)物理量作為i個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)的共同物理量不能包括待求的物理量不能同時(shí)選用因次相同的物理量選擇的共同物理量中應(yīng)包括該過程中所有的基本因次。2020/4/13返越選擇/、久、“、U作為三個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)的共同物理量(3)因次分析將共同物理量與余下的物理量分別組成無因次準(zhǔn)數(shù)7T = LlCUd a兀2 - I吆卩h P兀3 = !加/11%卩對眄而言，實(shí)際因次為：譏必j囂)詒啥方 + c +1 = 0r a a + b c + d = 0b = -lj4= c = 03b c d 3 = 0-b-l=Qd 0I!._以 a_ 九 _Nu7T2= = Re兀=A32.Mz = /(Re,Pr)流體無相

4、變時(shí)強(qiáng)制對流時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式2、自然對流傳熱過程a = f(l,入 Cp, p,小 pg3M包括7個(gè)變量，涉及4個(gè)基本因次，7T 0(乃2，療3)al z =Nu2Nu = f(Gr,Pr)自然對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式準(zhǔn)數(shù)名稱符號準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)(Nusselt)NualA表示對流傳熱的系數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) (Reynolds )Relup確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)(Prandtl)PrCpA2表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)(Grashof)Gr/3gtl3 p2表示自然對流影響的準(zhǔn)數(shù)“2準(zhǔn)數(shù)的符號和意義3、應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題1）定性溫度：各準(zhǔn)數(shù)中的物理性質(zhì)按什么溫度確定2）定性尺寸：Nu,

5、屁數(shù)中厶應(yīng)如何選定。3）應(yīng)用范圍：關(guān)聯(lián)式中Re,/V等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍。三、流體無相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)1、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流1）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流町低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體Nu 二 0.023層40.8p n rr或“0.023引如|當(dāng)流體被加熱時(shí)=0.4，流體被冷卻時(shí)，n=0.3o應(yīng)用范Ih心10000,0.64 60 若Z/V60時(shí)，將計(jì)算所得的a乘以l + （d,仏）嚴(yán) 定性尺寸：Nu、7?e等準(zhǔn)數(shù)中的/取為管內(nèi)徑。定性溫度：取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。b）高粘度的液體（ 屮Nu = 0.027V8pr23 為考慮熱流體方向的校正項(xiàng)。應(yīng)用范圍：Re 1000,

6、 0.7 P 60 定性尺寸：取為管內(nèi)徑。定性溫度：除血,取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的 算術(shù)平均值。2）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流當(dāng)管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，自然對流對強(qiáng)制滯流的傳熱的影響可以忽略時(shí)Nu = 1.8637.310.143( 、丿丿應(yīng)用范圍:Re Pr 0.6, G” 10-Z-/定性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：除血取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的 算術(shù)平均值。當(dāng)G” 25000時(shí)，按上式計(jì)算出a后，再乘以一校正因子( 1、/ = 0.8 1 + 0.015GJ3) 流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流對于Re=2300 10000時(shí)的過渡流范圍，先按湍流的 公式計(jì)算a

7、,然后再乘以校正系數(shù)f。16xl054) 流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對流刃二 a(l + 1.77dR)5）流體在非形管中作強(qiáng)制對流對于非驗(yàn)式都適用，形管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的計(jì)算，前面有關(guān)的經(jīng)只是要將管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑血。套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實(shí)驗(yàn)，所得的關(guān)聯(lián)式為：/ X 0 53oc 0.02 R P 3dg丿應(yīng)用范圍：Re= 12000-220000, d/dl.65-17定性尺寸：當(dāng)量直徑血定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。2、流體在管外強(qiáng)制對流i）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)ooo喝00(c)eooo e3000特征尺寸：管外徑心，流速取流體通過每排管子中最狹窄 通道處的速度。其中錯(cuò)列

8、管距最狹窄處的距 離應(yīng)在(%；)和2 (t-do)兩者中取小者。注意：管束排數(shù)應(yīng)為10,若不是10時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)校正。2）流體在換熱器的管間流動(dòng)當(dāng)管外裝有割去25%直徑的圓缺形折流板時(shí)，殼方的對 流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：a）多諾呼（Donohue丿法Nit = 0.23 Re06 Pr1/3(-)0*14Awa 0.232020/4/13上頁/，下瓦2020/4/13應(yīng)用范圍：Re=32 X 1042020/4/13定性尺寸：管外徑心，流速取換熱器中心附近管排中最窄通道處的速度定性溫度：除他,取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度 的算術(shù)平均值。b丿凱恩(Kern)法Nu = 0.36心0.14)上

9、頁/，下兀應(yīng)用范圍：R尸2 XI CP 106定性尺寸：當(dāng)量直徑e。定性溫度：除取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、岀口溫度 的算術(shù)平均值。2當(dāng)量直徑可根據(jù)管子排列的情況別用不同式子進(jìn)行計(jì)算:deup0.555“丿刀)1 “ W )10.14塵= 0.36管子呈正方形排列時(shí)：dj芽鬧管子呈三角形排列時(shí):管外流速可以根據(jù)流體流過的最大截面積S計(jì)算A = hD 1-3、自然對流Nu=C（GrxPr）n或“cZp如空1 I A3 2 J對于大空間的自然對流，比如管道或傳熱設(shè)備的表面 與周圍大氣層之間的對流傳熱，通過實(shí)驗(yàn)側(cè)得的c,n的值在 表4-9中o定性溫度：壁溫心和流體進(jìn)出口平均溫度的算術(shù)平均值，膜溫。4

10、、提高對流傳熱系數(shù)的途徑1）流體作湍流流動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于層流時(shí)的傳熱系數(shù)，并且R肝，應(yīng)力求使流體在換熱器內(nèi)達(dá)到湍流流動(dòng)2）湍流時(shí)，圓形直管中的對流傳熱系數(shù)a = 0.023當(dāng)“二0.4時(shí)，a與流速的0.8呈正比，與管徑的0.2次方呈反比，在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管徑對提高 對流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。3）流體在換熱器管間流過時(shí)，在管外加流板的情況oc = 0.362 ( deup0.55(0.14卩,0.55 a - B-t-t0.45de對流傳熱系數(shù)與流速的0.55次方成正比，而與當(dāng)量直徑的0.45次方成反比設(shè)置折流板提高流速和縮小管子的當(dāng)量直徑，對加大對 流傳熱系數(shù)均有較

11、顯著的作用。4）不論管內(nèi)還是管外，提高流%都能增大對流傳熱系數(shù)， 但是增大,流動(dòng)阻力一般按流速的平方增加，應(yīng)根據(jù)具 體情況選擇最佳的流速。5）除增加流速外，可在管內(nèi)裝置如麻花鐵或選用螺紋管 的方法，增加流體的湍動(dòng)程度，對流傳熱系數(shù)增大，但此 時(shí)能耗增加。四、流體有相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)1蒸汽冷凝時(shí)的對流傳熱系數(shù)1）蒸汽冷凝的方式a）膜狀冷凝：若冷凝液能夠浸潤壁面，在壁面上形成一完整的液膜b）滴狀冷凝：若冷凝液體不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面 落下2）膜狀冷凝的傳熱系數(shù)a）蒸汽在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝假設(shè)：: 冷凝液的物性為常數(shù)，可取平均液膜溫度下的數(shù)值

12、。i一蒸汽冷凝成液體時(shí)所傳遞的熱量，僅僅是冷凝潛熱: 蒸汽靜止不動(dòng)，對液膜無摩擦阻力。:冷凝液膜成層流流動(dòng)，傳熱方式僅為通過液膜進(jìn)行的 熱傳導(dǎo)。修正后應(yīng)用范圍:a = 0.943oc = 1.13Re 44定性尺寸：H取垂直管或板的高度。定性溫度：蒸汽冷凝潛熱廠取其飽和溫度下的值，其余物性取液膜平均溫度。若用無因次冷凝傳熱系數(shù)來表示，可得:a* = 1.76Re_1/3若膜層為湍流(Re1800)時(shí) = 0.0077(-)1/3 Re04滯流時(shí)，Re值增加，a減小；湍流時(shí)，尺幺值增加，a增大；2020、4二3同b）蒸汽在水平管外冷凝a = 0.725c）蒸汽在水平管束外冷凝oc = 0.725

13、kg，2、匹3 d曲丿nm =+ n2 +A + 役 5丁5+砧?5+ A町方丿3）影響冷凝傳熱的因素a）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差zk當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若4/加大，則蒸汽冷凝速率增加， 液膜厚度增厚，冷凝傳熱系數(shù)降低。b）流體物性液膜的密度、粘度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸汽的冷凝潛熱，都影 響冷凝傳熱系數(shù)。c）蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流動(dòng)，厚度減薄，使a增大；蒸汽和液膜逆向流動(dòng)，a減小，摩擦力超過液膜重力時(shí)， 液膜被蒸汽吹離壁面，當(dāng)蒸汽流速增加，a急劇增大；d）蒸汽中不凝氣體含量的影響蒸汽中含有空氣或其它不凝氣體，壁面可能為氣體層所 遮蓋，增加了一層附加熱阻，使a急劇下降。e）冷凝壁面的影響若沿冷凝液

14、流動(dòng)方向積存的液體增多，液膜增厚，使傳 熱系數(shù)下降。例如管束，冷凝液面從上面各排流動(dòng)下面各排，使液膜 逐漸增厚，因此下面管子的a要比上排的為低。冷凝面的表面情況對a影響也很大，若壁面粗糙不平或有 氧化層，使膜層加厚，增加膜層阻力，a下降。2020/4/132、液體沸騰時(shí)的對流傳熱系數(shù)C大容積沸騰液體沸騰彳I管內(nèi)沸騰1）沸騰曲線當(dāng)溫度差較小時(shí)，液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對流，a較小，且隨 溫度升高較慢。當(dāng)ZV逐漸升高，在加熱表面的局部位置產(chǎn)生氣泡，該局 部位置稱為氣化核心。氣泡產(chǎn)生的速度ZV隨上升而增加，a 急劇增大。稱為泡核沸騰或核狀沸騰。2020、4二3熱通里內(nèi)/亦傳熱系數(shù)也(w/m21)1口41031一105S-17、|Xr、X.51F 1藩3前聲OC當(dāng)再增大，加熱面的氣化核心數(shù)進(jìn)一步增多，且氣泡 產(chǎn)生的速度大于它脫離表面的速度，氣泡在脫離表面前連接 起來，形成一層不穩(wěn)定的蒸汽膜。當(dāng)4/在增大，由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈 來愈顯著，（X又隨之增大，這段稱為穩(wěn)定的膜狀沸騰。由核狀沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C稱為臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)所對應(yīng)的溫差、熱通量、對流傳熱系數(shù)分別稱為 臨界溫差，臨界熱通量和臨界對流傳熱系數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)中，一般