化工原理少學時和輔導教程考試重點例題復習題及課后答案.對流傳熱市公開課金獎市賽課一等獎課件

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工業(yè)上碰到對流傳熱常指間壁式換熱器中兩側(cè)流體與固體壁面之間熱交換，即流體將熱量傳給固體壁面或者壁面將熱量傳給流體過程稱之為對流傳熱（或稱對流給熱、放熱）。第三節(jié)對流傳熱第1頁2一、對流傳熱過程分析dAt2qm1,T1qm2t1T2第2頁3層流底層溫度梯度大，熱傳導方式湍流關(guān)鍵溫度梯度大，對流方式過渡區(qū)域熱傳導和對流方式dA2A1tWtTWT傳熱壁冷流體熱流體第3頁4二、對流傳熱速率方程——牛頓冷卻定律式中 Q──對流傳熱速率，W；──對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

△

t──對流傳熱溫度差，℃；

A──傳熱面積，m2。第4頁5──有效膜厚度下面來推導牛頓冷卻定律建立膜模型：單層壁導熱速率方程：TTWttW第5頁61.牛頓冷卻定律是一個推論，假設Q∝t。2.復雜問題簡單化表示。推進力阻力第6頁7三、影響對流傳熱系數(shù)原因1.引發(fā)流動原因自然對流：因為流體內(nèi)部密度差而引發(fā)流體流動。強制對流：因為外力和壓差而引發(fā)流動。強

>自

2.流體物性

，，，cp

第7頁85.是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰相變

>無相變4.傳熱面形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大小：如管徑和管長等；位置：如管子排列方式（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.流動形態(tài)層流、湍流湍

>層

第8頁9四、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式建立（一）因次分析

式中

l——特征尺寸；

u——特征流速。基本因次：長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度變量總數(shù)：8個由定律（8-4）=4，可知有4個無因次數(shù)群。＝f(u，l，，，cp，，gt)第9頁10

Nusselt待定準數(shù)Reynolds，流動型態(tài)對對流傳熱影響Prandtl，流體物性對對流傳熱影響Grashof，自然對流對對流傳熱影響第10頁11（二）試驗安排及結(jié)果整理以強制湍流為例：Nu＝KReaPrb1．采取不一樣Pr流體，固定RelgNu＝blgPr＋lgKRea雙對數(shù)坐標系得一直線，斜率為b2．不一樣Pr流體在不一樣Re下

lgNu/Prb＝algRe＋lgK雙對數(shù)坐標系中得一直線斜率為a，截距為KPrNubReNu/PrbKa第11頁12定性溫度取法：（三）定性溫度、特性尺寸確定2．特征尺寸取對流動與換熱有主要影響某一幾何尺寸。3．準數(shù)關(guān)聯(lián)式適用范圍。1．確定物性參數(shù)cp、μ、ρ等數(shù)值溫度稱為定性溫度。第12頁13（一）流體在管內(nèi)強制對流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>60五、無相變時對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)湍流第13頁14

特征尺寸為管內(nèi)徑di

流體被加熱時，n＝0.4；被冷卻時，n＝0.3。注意事項：定性溫度取第14頁15

對流體而言，溫度升高，μ減小，層流底層變薄，大多數(shù)液體λ略有減小，但不顯著，總結(jié)果是使α增大，反之，液體被冷卻時，使α變小。液體Pr>1，Pr0.4>Pr0.3所以，加熱時n＝0.4，冷卻時n＝0.3。第15頁16強化辦法：

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性影響，選大流體第16頁17以下是對上面公式進行修正：(1)高粘度

Re>10000，0.7<Pr<16700，l/d>60定性溫度除μw取壁溫外，其余均取進出口溫度平均值；特征尺寸為di第17頁18(2)短管：l/d<60管子入口處流體擾動程度較大，熱阻較小，則α較大，則短管整個管長平均α要比長管平均α大。第18頁19(4)彎曲管內(nèi)流體在彎管內(nèi)流動時，因為離心力作用，擾動增大，則α值要比直管α略大一些。第19頁20(3)過渡流（2300<Re<10000)

第20頁21例題2-3：常壓下，空氣在管長為6m、管徑為φ30mm×2.5mm鋼管內(nèi)流動，流速為8m/s，溫度由5℃升至15℃。試求:①管壁對空氣對流傳熱系數(shù)。②空氣流速增到16m/s，其它條件不變，α/=？③管徑變?yōu)棣?9mm×2mm，其它條件不變，α//=？第21頁22例題2-4：一套管換熱器，套管為φ89mm×3.5mm鋼管，內(nèi)管為φ25mm×2.5mm鋼管，管長為2m。環(huán)隙中為p＝100kPa飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中流動，進口溫度為15℃，出口為35℃。冷卻水流速為0.4m/s。試求管壁對水對流傳熱系數(shù)。第22頁23特點：1）物性尤其是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性影響，造成速度分布受熱流方向影響。

2）層流對流傳熱系數(shù)受自然對流影響嚴重使得對流傳熱系數(shù)提升。

3）層流要求進口段長度長，實際進口段小時，對流傳熱系數(shù)提升。

圓形管內(nèi)強制層流第23頁24熱流方向?qū)恿魉俣确植加绊懙?4頁25適用范圍：當：定性溫度：第25頁26(5)非圓形管強制湍流1)當量直徑法2)直接試驗法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)適用范圍：

1<Re<20；d2/d1=1.65~17

其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計算，u不一樣de,要用實際流通面積計算第26頁27六、管外強制對流對流傳熱系數(shù)

1.流體在管束外垂直流過第27頁28在管束外垂直流過：第28頁29整個管束：定性溫度：適用范圍：特征尺寸：管外徑do

第29頁302．流體在換熱器殼程流動擋板形式：圓形、圓缺形第30頁31殼程流體對流傳熱系數(shù)（圓缺形）：

定性溫度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：當量直徑ded0tt第31頁32流速u按流通截面最大處截面計算：式中h——兩塊折流擋板間距離，m；

D——換熱器殼徑，m；

do——管子外徑，m；

t——相鄰兩管中心距，m。第32頁33注意：換熱器無折流擋板時，流體平行流過管束，對流給熱系數(shù)按管內(nèi)強制對流計算，但管子內(nèi)徑換為當量直徑。提升殼程對流傳熱系數(shù)辦法：3）加強湍動，2）1）第33頁34七、大空間自然對流傳熱

注意：c,n與傳熱面形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）相關(guān)。定性溫度：膜溫，即特征尺寸：垂直管或板為高度水平管為管外徑第34頁35（一）、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝八、有相變時對流傳熱系數(shù)膜狀冷凝：若冷凝液能潤濕壁面，形成一層完整液膜充滿液面并連續(xù)向下流動。

附著力>表面張力第35頁36滴狀冷凝：若冷凝液不能很好地潤濕壁面，僅在其上凝結(jié)成小液滴，今后長大或合并成較大液滴而脫落。

附著力<表面張力第36頁372.冷凝過程熱阻：液膜厚度3.蒸汽冷凝1）水平管束外式中n——水平管束在垂直列上管子數(shù)；

r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特征尺寸：管外徑do定性溫度：膜溫

第37頁38湍流2）豎壁或豎管上冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特征尺寸l：管或板高H定性溫度：膜溫

第38頁39Re表示式：第39頁404．冷凝傳熱影響原因和強化辦法1)流體物性冷凝液、、r

、→2)溫差液膜層流流動時，t=ts－tw→3)不凝氣體

不凝氣體存在，造成，定時排放。4）蒸汽流速與流向（u>10m/s）同向時，→；反向時，→；

u→第40頁414)蒸汽過熱包含冷卻和冷凝兩個過程。液膜表面仍維持飽和溫度ts，只有遠離液膜地方維持過熱溫度，故溫度差仍為ts-tw。不過計算汽化潛熱r時，應改用其中cp—過熱蒸汽比熱容

tv—過熱蒸汽溫度第41頁425)冷凝面形狀和位置目標：降低冷凝液膜厚度垂直板或管：開縱向溝槽水平管束：可采取錯列第42頁43容器內(nèi)液體溫度高于飽和溫度時，液體汽化而形成氣泡過程，稱為沸騰。沸騰種類：1）大容積沸騰（或池內(nèi)沸騰）

把加熱面浸入大容器液體中，液體被壁面加熱而引發(fā)無強制對流沸騰現(xiàn)像。2）管內(nèi)沸騰液體在管內(nèi)流動過程中加熱沸騰。九、液體沸騰第43頁44液體加熱沸騰主要特征：液體內(nèi)部加熱壁面上不停有氣泡生成、長大、脫離和浮升到液體表面汽泡存在、成長和形成條件：過熱度：t=t1－ts

（最大為：tw－ts）汽化關(guān)鍵：普通為粗糙加熱面細小凹縫處第44頁45汽化關(guān)鍵生成汽泡長大脫離壁面新汽泡形成攪動液層第45頁462.沸騰曲線

1）自然對流階段t<5K2）

核狀沸騰階段

25K>t>5K3）不穩(wěn)定膜狀沸騰

250K>t>25K工業(yè)上：核狀沸騰4）穩(wěn)定膜狀沸騰t>250K優(yōu)點：大，tW小第46頁473、沸騰傳熱影響原