化工原理(清華大學(xué))05第五章傳熱3

1、 化化 工工 原原 理理 （上）（上）主講人：戴猷元主講人：戴猷元2003.2目目 錄錄 緒論緒論第一章第一章 流體流動(dòng)流體流動(dòng)第二章第二章 流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械第三章第三章 流體流過顆粒和顆粒層的流動(dòng)流體流過顆粒和顆粒層的流動(dòng)第四章第四章 非均相物系的分離非均相物系的分離第五章第五章 傳熱傳熱第六章第六章 蒸發(fā)蒸發(fā) 總結(jié)總結(jié)第五章第五章 傳傳 熱熱第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱第四節(jié)第四節(jié) 兩流體間的傳熱兩流體間的傳熱第五節(jié)第五節(jié) 對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式第六節(jié)第六節(jié) 熱輻射熱輻射第七節(jié)第七節(jié) 換熱器換熱器第五節(jié)第五節(jié) 對(duì)流

2、傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式一、影響傳熱膜系數(shù)的因素一、影響傳熱膜系數(shù)的因素 1、流體流動(dòng)狀態(tài)、流體流動(dòng)狀態(tài) 層流：忽略自然對(duì)流時(shí)，層流底層層流：忽略自然對(duì)流時(shí)，層流底層r 湍流：主要熱阻在層流層，湍流：主要熱阻在層流層，Re ，邊界層，邊界層減薄，減薄， （注意管件、內(nèi)構(gòu)件影響，（注意管件、內(nèi)構(gòu)件影響，Re2000？）？）層湍2、引起流動(dòng)的原因、引起流動(dòng)的原因 自然對(duì)流時(shí)，近壁面處溫度自然對(duì)流時(shí)，近壁面處溫度t 主流主流t1 膨脹公式：膨脹公式： 體積膨脹系數(shù)。體積膨脹系數(shù)。 強(qiáng)制對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流與Re有關(guān)。有關(guān)。111111tt t tgg t ，3、物性：、物性： 都是都是t的函數(shù)

3、的函數(shù)4、傳熱面形狀，大小，位置。（特、傳熱面形狀，大小，位置。（特征尺寸）征尺寸）5、有無相變化、有無相變化, , , ,pc 二、對(duì)流傳熱中的因次分析法二、對(duì)流傳熱中的因次分析法 按確定的幾何形狀討論按確定的幾何形狀討論 經(jīng)因次分析可以得到經(jīng)因次分析可以得到 Nusselt Reynolds Prandt Grashof(對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱) (流動(dòng)流動(dòng)) (物性物性) (自然對(duì)流自然對(duì)流), , , ,pfct u L 322,pclugtfRe,PrPr,Re,Pr,NufNufGrNufGr強(qiáng)制對(duì)流：自然對(duì)流：滯流：1、應(yīng)用范圍：、應(yīng)用范圍：Re，Pr2、定性尺寸：、定性尺寸：3、定性

4、溫度：、定性溫度： 物性值物性值1212(1)()/2()/2(2)2wttttt膜溫，壁面主體三、流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的三、流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的 1、圓形直管內(nèi)，強(qiáng)制湍流、圓形直管內(nèi)，強(qiáng)制湍流 1) 低粘度流體（低粘度流體（ 長(zhǎng)長(zhǎng)12()/2ttt0.7/60(1(/ )/30 40,1.071.02ddd當(dāng)，校正項(xiàng)。例如：校正項(xiàng)2)高粘度流體（溫差過大）高粘度流體（溫差過大）0.80.330.14120.027Re Pr( /)(1) /60 Re 10000 Pr0.716700(2)(3)()/2wiwNuddtt ，定性尺寸定性溫度， 壁溫下的粘度2、圓形直管內(nèi)，強(qiáng)制滯流、圓形直管內(nèi)，

5、強(qiáng)制滯流 1) 速度分布不同速度分布不同 復(fù)雜性復(fù)雜性 2) 存在自然對(duì)流影響存在自然對(duì)流影響 3) 入口段較大入口段較大100d （Re2000）1)忽略自然對(duì)流影響忽略自然對(duì)流影響2321/31/31/30.1412/250001.86RePr( / )(/)Re2300,0.6Pr6700 RePr10()()/2wwGrg tNuddttt 短管壁溫下粘度。 2)1/3120.74RePrPr0.8 10.015(1)Re2300,/50(2)(3)()/ 2,()/ 2iwNuGrfGrddttttt或水平管特征尺寸膜溫25000Gr (4) l/d50 乘以校正系

6、數(shù)乘以校正系數(shù) 40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 (5) 垂直管垂直管 流動(dòng)方向與自然對(duì)流方向一致，流動(dòng)方向與自然對(duì)流方向一致， +15% 流動(dòng)方向與自然對(duì)流方向相反，流動(dòng)方向與自然對(duì)流方向相反， -15%3、圓形直管過渡流、圓形直管過渡流 Re230010000之間，用湍流公式乘以之間，用湍流公式乘以 4、彎曲圓管內(nèi)：由于離心力的作用，加速、彎曲圓管內(nèi)：由于離心力的作用，加速湍動(dòng)產(chǎn)生二次環(huán)流湍動(dòng)產(chǎn)生二次環(huán)流51.86 1011Re1 1.77dR， 為圓形直管中的 5、非圓形管、非圓形管0.530.81/3121240.02(/)RePr()Re

7、 12000220000/1.651.7eeeddNud dd dd流動(dòng)截面積/浸潤(rùn)周邊套管環(huán)隙：空氣水定性尺寸為四、流體在管外強(qiáng)制對(duì)流的四、流體在管外強(qiáng)制對(duì)流的 1、管外流體平行流過：、管外流體平行流過：de的計(jì)算。的計(jì)算。 2、管外流體垂直流過、管外流體垂直流過 1)單管單管 邊界層增厚邊界層增厚 邊界層脫離邊界層脫離 Re小時(shí)，層流邊界層小時(shí)，層流邊界層 （低點(diǎn)）脫離（低點(diǎn)）脫離 Re大時(shí)，層流邊界層大時(shí)，層流邊界層 （低點(diǎn)）湍流邊界（低點(diǎn)）湍流邊界層層境厚境厚脫離脫離 2) 管束管束 Re3000 do，u取最狹處：取最狹處： 定性溫度定性溫度 排數(shù)不為排數(shù)不為10，乘以校正系數(shù)。，乘

8、以校正系數(shù)。30.60.33Re Pr0.26Re Pr0.33Re PrnNuNuNu直列：錯(cuò)列：12ooxdtd12()/2tt3) 換熱器管間流動(dòng)換熱器管間流動(dòng) 流速，流向不斷變化，流速，流向不斷變化，Re100湍流湍流 擋板形式，（圓缺擋板）擋板形式，（圓缺擋板） 出現(xiàn)旁流，不能達(dá)到垂直流動(dòng)出現(xiàn)旁流，不能達(dá)到垂直流動(dòng) 若圓缺擋板，截去若圓缺擋板，截去25。0.61/30.144122222( )0.23Re Pr ( /)Re 32 10()/2:4/43:4/24wooeooeoooAdttddtddtdtddd ，流 速 ， 最 狹 小 處 通 道 流 速，： 相

9、 鄰 兩 管 中 心 距 離， ： 外 徑1/:1.050.951oAhDdthD冷卻速度計(jì)算：擋板間距， ：外殼內(nèi)徑加熱氣體0.551/30.143612( )0.36RePr ()Re 2 10 1 10()/2eweBddtt 小結(jié)：小結(jié)：1、對(duì)流傳熱與流動(dòng)、物性有關(guān)（溫差）、對(duì)流傳熱與流動(dòng)、物性有關(guān)（溫差） Re 由此：由此： 熱流方向熱流方向 溫差溫差物性物性 w 2、必須注意經(jīng)驗(yàn)公式的使用條件、必須注意經(jīng)驗(yàn)公式的使用條件 L，t，Re，Pr3、含、含Gr，使用膜溫，使用膜溫4、 的大小的大小 a) 湍湍 層層 短短 長(zhǎng)長(zhǎng) b)換熱器換熱器 c)加強(qiáng)湍動(dòng)程度加強(qiáng)湍動(dòng)程度0.80.55

10、0.20.45euudd管內(nèi)，管外 25%五、五、流體作自然對(duì)流的流體作自然對(duì)流的 定性溫度：膜溫，定性溫度：膜溫，tw與與 (t1+t2)/2的平均的平均值值 定性尺寸定性尺寸 水平管水平管do，垂直管，垂直管L 查表查表!(Pr)nNuc Gr六、蒸汽冷凝的六、蒸汽冷凝的 1、冷凝過程機(jī)理、冷凝過程機(jī)理加熱介質(zhì)飽和蒸汽加熱介質(zhì)飽和蒸汽壁面壁面低于飽和蒸汽溫度低于飽和蒸汽溫度 汽相溫度唯一。汽相溫度唯一。無汽相熱阻（忽略氣流補(bǔ)充的壓降）無汽相熱阻（忽略氣流補(bǔ)充的壓降）冷凝放出的潛熱必須通過液膜傳向壁面冷凝放出的潛熱必須通過液膜傳向壁面給熱的熱阻主要來自于壁面上的液膜給熱的熱阻主要來自于壁面上

11、的液膜 液體浸潤(rùn)壁面膜狀冷凝液體浸潤(rùn)壁面膜狀冷凝 不浸潤(rùn)滴狀冷凝，不浸潤(rùn)滴狀冷凝，比前者大幾至十幾比前者大幾至十幾倍倍 膜狀冷凝：膜狀冷凝： 膜厚不同，膜厚不同，不同。不同。 L足夠大時(shí)，湍流足夠大時(shí)，湍流 若液膜滯流若液膜滯流熱傳導(dǎo)為主。熱傳導(dǎo)為主。1xxxxxLLxOOxdQdS ttxdQdS tdxdxLL平均：液膜兩側(cè)溫差， ：離頂部 處膜厚2、垂直壁面的膜狀冷凝、垂直壁面的膜狀冷凝 1）理論分析）理論分析 物性物性const 假設(shè)假設(shè) 蒸汽存在對(duì)液膜無磨擦阻力蒸汽存在對(duì)液膜無磨擦阻力 滯流滯流可以導(dǎo)出：可以導(dǎo)出：定性尺寸：定性尺寸：L定性溫度：膜溫：定性溫度：膜溫： r：飽和溫度下

12、的冷凝潛熱：飽和溫度下的冷凝潛熱12 340.943/()rgL t 平 均 值12wSsttt， 飽和溫度若傳熱量一定，若傳熱量一定，r ，冷凝量，冷凝量 ，膜厚，膜厚 ， ，單位體積受力單位體積受力 ，流動(dòng)快，膜厚，流動(dòng)快，膜厚 ， （通過膜導(dǎo)熱）（通過膜導(dǎo)熱） 膜厚膜厚 ， t 傳熱推動(dòng)力傳熱推動(dòng)力 ，冷凝液，冷凝液 ，膜厚，膜厚 ， 傾斜直壁：與水平夾角為，傾斜直壁：與水平夾角為，singg2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：滯流下，蒸汽與液膜間磨擦）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：滯流下，蒸汽與液膜間磨擦3）流型判斷）流型判斷 滯流：滯流：Re2100 Re 壁下端壁下端Re 值值 涉及冷凝負(fù)荷涉及冷凝負(fù)荷1/4231.13r

13、gL t 冷凝負(fù)荷冷凝負(fù)荷M：?jiǎn)挝唤?rùn)周邊上的冷凝液質(zhì)量：?jiǎn)挝唤?rùn)周邊上的冷凝液質(zhì)量流量流量44(/)Rees wduwMb sMkg m sb4）無因次）無因次* 對(duì)于滯流：對(duì)于滯流： 對(duì)于湍流：對(duì)于湍流：1/3223QWrMrtAbLLg 令無因次1/30.41.88Re0.0077Re3、水平管壁蒸汽冷凝、水平管壁蒸汽冷凝（1）單管）單管 水平管可以看成不同角度傾斜水平管可以看成不同角度傾斜壁面，進(jìn)行積分壁面，進(jìn)行積分1/ 42300.250.725()0.64oorgdtdLd 水 平垂 直當(dāng)很 小 時(shí) ， 可 以 看 成 滯 流與 垂 直 管 相 比 ：（2）管束）管束1/ 4232

14、 /34120.750.750.75120.725ozmzrgndtnnnnnnn ，n垂直列上的管數(shù)，垂直管數(shù)不同時(shí)取平均值4、幾點(diǎn)討論：、幾點(diǎn)討論： 對(duì)于過熱蒸汽，一般可以按飽和蒸汽對(duì)于過熱蒸汽，一般可以按飽和蒸汽 蒸汽流向蒸汽流向: 向下流，向下流， 向上流，向上流， 向上流速向上流速，()pSvSSwrrCttttt 仍為（3）不冷凝氣：在蒸汽與液膜之間形成氣）不冷凝氣：在蒸汽與液膜之間形成氣膜。汽中含膜。汽中含1不凝氣，不凝氣，50。（4）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚（5）強(qiáng)化：）強(qiáng)化： 直管直管 溝槽溝槽 金屬絲（張力作用）金屬絲（張力作用）18復(fù)蓋面

15、復(fù)蓋面積時(shí)積時(shí) 最大。最大。 水平管：（傾斜）水平管：（傾斜） 膜、滴交錯(cuò)膜、滴交錯(cuò)七、液體沸騰時(shí)的七、液體沸騰時(shí)的 ： 鍋爐、蒸發(fā)器、再沸器鍋爐、蒸發(fā)器、再沸器 溫差溫差 容積沸騰：加熱面浸于液體中容積沸騰：加熱面浸于液體中 自然對(duì)流自然對(duì)流 汽泡運(yùn)動(dòng)汽泡運(yùn)動(dòng) 管內(nèi)沸騰：一定流速流動(dòng)，加熱管管內(nèi)沸騰：一定流速流動(dòng)，加熱管1、沸騰現(xiàn)象：、沸騰現(xiàn)象： 特征：有氣泡產(chǎn)生；由加熱表面首先生成；特征：有氣泡產(chǎn)生；由加熱表面首先生成；必要條件必要條件過熱過熱 加熱表面過熱度最大，加熱表面過熱度最大， 縫隙依托縫隙依托 表面不平整表面不平整 汽化核心，汽化核心， t 殘留氣體殘留氣體 過熱過熱生成生成長(zhǎng)大

16、長(zhǎng)大上浮上浮補(bǔ)充過熱補(bǔ)充過熱2222 /2 /bLbLp rp rrppprpr ，汽泡生成，存在 p由過熱 t造成自然對(duì)流區(qū)自然對(duì)流區(qū) t 小小， 小小K 如如 汽汽水水 冷凝冷凝水水 注意注意:若若K i，改換基準(zhǔn)，改換基準(zhǔn)0.40.5ud 5-54. 套管換熱器，氣體T190，T250； 水 t115 t230求（1）t110時(shí)，措施； （2）若WS120，t1=15，措施。生產(chǎn)任務(wù)：冷卻 (1) 原工況: 新工況：t1, t1 10，生產(chǎn)狀況不變Q不變 11122221mSpSpKA tw cTTw ctt 090503015603546.46035ln(60 /35

17、)mtC S不變， T2，T1不變(物性不變)， 措施：若K不變工況不變，tm不變。 （物性變化不大）（物性變化不大） 措施：mQKSt2222905090401046.4909040ln40mTttttt0236.6tC 2122211221222210.564SpSpSSSttwcttw cttwwwtt2Sw 原工況： 新工況： 由04 6 .4mtC111.2()1.2SSwuwu液氣氣大小0.8()1.157KuKKu氣，112SpmwcTTKAt1.2,1.157mQKt倍倍22,mSttw 229050159035tt 22903590ln35mttt112112SpmSpmwc

18、TTK StwcTTK St111.21.15746.4SmmSmwttKwKt0222903548.1225.890ln35mtttCt1122211112221SpSpSpSpwcTTwcttwcTTwctt12221221221225.8 151.21.6730 15SSSSSSSSwwwttwwwwttw 5-58 列管式冷凝器列管式冷凝器（1）WS250（加熱）原工況：忽略壁阻： 212242340,25 2.540 ,80,25 /0.2,1.2 10/2.1 10/120SpAmmmtCtCwT hMPaw m K cJ kg KTC冷油飽和蒸汽壓力，查120 120408080

19、4057.78040ln(80/40)mTttC2221Spw cttKA t322212250002.1 1080403600252.74 /40 57.7Spmw cttKw mKA t24111111 25322.7252.741.2 1020oioiiidwm KKd0.8220.82322111322.7 1.5446.4 / 346.8 /1.5349.58 /1.5250002.1 104036001.576940346.8 40oioiimdw m KKw m KKKKw m Kttt 利用2222202120 12080120401.5769408080120ln12077.5ttttttC 若用若用 (b)飽和壓力飽和壓力0.3MPa，T由由120升至升至133， K與與(a)中中K相同相同22212221SpmSpmwctttKwcttKt 20