化工原理第四章第二三節(jié)第次課

化工原理第四章第二三節(jié)第次課第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14上次課內(nèi)容復(fù)習(xí)5、傳熱速率方程式：6、傅立葉定律：

7、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率方程：

8、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率方程：

第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14上次課內(nèi)容復(fù)習(xí)9、單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率方程：

10、單位圓筒壁長度穩(wěn)定熱傳導(dǎo)熱流密度方程：

第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/142、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

與多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)計(jì)算類似，可導(dǎo)出：單層圓筒壁導(dǎo)熱速率公式：多層圓筒壁導(dǎo)熱速率公式：第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14多層圓筒壁單位圓筒壁長度的熱流密度公式：第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14第四章

傳熱一、對流傳熱的分析二、壁面和流體的對流傳熱速率三、對流傳熱系數(shù)的影響因素四、對流傳熱過程的特征數(shù)關(guān)系式五、流體無相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)六、流體有相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)第三節(jié)

對流傳熱第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14一、流體對流傳熱的分析

流體沿固體壁面的流動(dòng)層流內(nèi)層過渡層湍流主體流體分層運(yùn)動(dòng)，相鄰層間沒有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。在垂直于流動(dòng)方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。熱對流和熱傳導(dǎo)作用大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。溫度梯度很小，各處的溫度基本相同。

第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14對流傳熱是集流體對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。

對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層。減薄層流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的主要途徑。

第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14二、壁面和流體間的對流傳熱方程

1、對流傳熱速率表達(dá)式

據(jù)傳遞過程速率的普遍關(guān)系，壁面和流體間的對流傳熱速率：推動(dòng)力：壁面和流體間的溫度差阻力：影響因素很多，但與壁面的表面積成反比。

根據(jù)有效膜模型，對流傳熱速率方程可以表示為：

——牛頓冷卻公式

第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14α——對流傳熱系數(shù)或稱為膜系數(shù)，單位W/(m2·k)或W/(m2·℃)△t——對流傳熱溫差，對熱流體△t=T-Tw，對冷流體△t=tw-t2、對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)α定義式：

表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率。反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數(shù)大，則傳熱快。

P129例4-5第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14三、對流傳熱系數(shù)α的影響因素

1、流體的物性1）導(dǎo)熱系數(shù)λ層流內(nèi)層的溫度梯度一定時(shí)，流體的熱導(dǎo)率，對流傳熱系數(shù)α

。2）黏度μ流體的黏度μ

，流動(dòng)阻力越大，對流傳熱系數(shù)α

。3）比熱容CP和密度ρ（CP單位J/kg·K）

ρcp：單位體積流體所具有的熱容量。ρcp值，流體攜帶熱量的能力愈強(qiáng)，對流傳熱α

。第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14（4）體積膨脹系數(shù)β（單位1/K）體積膨脹系數(shù)β值，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，對流傳熱系數(shù)α

。2、流體流動(dòng)的原因

強(qiáng)制對流：自然對流：由于外力的作用引起的對流。工業(yè)上常見。

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：第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/143、流體主體的流動(dòng)狀態(tài)

湍流的對流傳熱系數(shù)α>層流的對流傳熱系數(shù)α。4、流體的種類和相變化的情況液體的α>氣體的α對于同一液體，r>CP

（r—比汽化熱，J/kg）

相變時(shí)的α>無相變時(shí)的α5、傳熱面的性狀、大小和位置

傳熱面的位置：水平、垂直；形狀：圓管、平板；特征尺寸：對流體流動(dòng)和傳熱有決定性影響的尺寸。第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14四、對流傳熱的特征數(shù)關(guān)系式1、無因次分析在流體無相變對流傳熱中的應(yīng)用列出影響該過程的物理量，并用一般函數(shù)關(guān)系表示：

確定n的數(shù)目：根據(jù)π定理：第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/142、列出各物理量的量綱各物理量的量綱物理量量綱確定m的數(shù)目：確定N的數(shù)目：特征數(shù)之間的關(guān)系式：（半經(jīng)驗(yàn)式）第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14各特征數(shù)的符號和意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號特征數(shù)意義努塞爾數(shù)（Nusselt）Nu表示對流傳熱系數(shù)雷諾數(shù)（Reynolds）Re表示流體的流動(dòng)狀態(tài)和湍動(dòng)程度對傳熱的影響普朗特?cái)?shù)（Prandtl）Pr表示流體各物性對傳熱的影響格拉曉夫數(shù)（Grashof）Gr表示自然對流對對流傳熱的影響第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/143、應(yīng)用特征數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題1）應(yīng)用范圍：關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Nu、Gr等特征數(shù)的數(shù)值范圍以及常數(shù)K、指數(shù)a、b、c，一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，使用時(shí)不能超出該范圍。2）特征尺寸：Nu、Re、Gr數(shù)中l(wèi)應(yīng)如何選定。3）定性溫度：各特征數(shù)中的各物理參數(shù)按什么溫度確定。將關(guān)聯(lián)式用各特征數(shù)的符號表示：第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14五、流體無相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（一）流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流傳熱1、流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的α值1)低黏度（μ<2mPa·s）流體

當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4，流體被冷卻時(shí)，n=0.3。cP——J/kg·K第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14管長與管徑比

應(yīng)用范圍：

特征尺寸：

Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的l取為管內(nèi)徑d。定性溫度：

取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。2)高黏度（μ≥2mPa·s）的液體

為考慮熱流體方向的校正項(xiàng)。

第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14μW——壁溫下的液體黏度，單位Pa·s；流體被加熱時(shí)：取=1.05流體被冷卻時(shí)，取=0.95

應(yīng)用范圍：

特征尺寸：

l取為管內(nèi)徑d。定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余物性參數(shù)的定性溫度均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/143)對于短管（l/d<60）

可采用前面的兩個(gè)公式計(jì)算α值再乘以管入口效應(yīng)校正系數(shù)：4)對于彎管

可采用前面的兩個(gè)公式計(jì)算α值再乘以彎管效應(yīng)校正系數(shù)：P133例4-6第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/142、流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流時(shí)的α值

當(dāng)管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小，流速比較低，Gr<2.5×104時(shí)，自然對流對強(qiáng)制層流的傳熱的影響可以忽略。應(yīng)用范圍：

特征尺寸：

l取管內(nèi)徑d

。

定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14自然對流的影響不能忽略，按上式計(jì)算出α后，再乘以一校正系數(shù)：3、流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流態(tài)時(shí)的α值對于Re=2300~104時(shí)的過渡區(qū)范圍，先按湍流的公式計(jì)算α，然后再乘以校正系數(shù)f。

第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/144、流體在非圓形管中作強(qiáng)制對流對于非圓形管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的計(jì)算，前面有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)式都適用，只是要將圓管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑de。

（二）流體在管外作強(qiáng)制對流傳熱流體在管外垂直流過

單管管束第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/141、流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)第一排管子的流動(dòng)情況相同，錯(cuò)列α>直列α

。直列錯(cuò)列第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14流體在管外垂直流過時(shí)的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式：C、ε、n由實(shí)驗(yàn)確定。特征尺寸：

l取管外徑d定性溫度：

流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。

應(yīng)用范圍：

流速u取流動(dòng)方向上最窄通道處的流速。

管束的平均對流傳熱系數(shù)計(jì)算公式：第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/141）流體在錯(cuò)列管束外流過時(shí)，平均對流傳熱系數(shù)2）流體在直列管束外流過時(shí)，平均對流傳熱系數(shù)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。第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14（三）大空間自然對流傳熱定性溫度：壁溫tw和流體進(jìn)出口平均溫度的算術(shù)平均值，膜溫。大空間自然對流：指傳熱壁面放置在很大的空間內(nèi)，由于壁面溫度與周圍流體的溫度不同，而引起的自然對流，并且周圍沒有阻礙自然對流的物體。第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14六、流體有相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)（一）蒸氣冷凝時(shí)的對流傳熱系數(shù)1、蒸氣冷凝的方式1)

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。

2)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。

第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/142、飽和蒸氣膜狀冷凝的傳熱系數(shù)n——水平管束在垂直裂傷的管子數(shù)；d0——管外徑；△t——飽和蒸氣溫度ts與壁溫tw之差；定性溫度：壁溫tw和飽和蒸氣溫度ts的算術(shù)平均值。特征尺寸：l取管外徑d0。第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14①液膜為層流時(shí)：定性尺寸：

l取垂直管或板的高度。定性溫度：

蒸汽冷凝潛熱r取其飽和溫度ts下的值，其余物性取膜溫（ts與tw的算術(shù)平均值）。應(yīng)用范圍：滯流時(shí)，Re值增加，α減?。坏谌?，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14②若膜層為湍流（Re＞1800）時(shí)湍流時(shí)，Re值增加，α增大；飽和蒸氣冷凝時(shí)α值的計(jì)算需采用試差法：假設(shè)流型計(jì)算α值驗(yàn)算Re與流型范圍比對第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14③Re表達(dá)式設(shè)冷凝液液膜的流動(dòng)截面積為S，壁面濕潤周邊長度為Ⅱ則冷凝液的質(zhì)量流量為：蒸氣冷凝時(shí)向避免傳遞的熱量：得：第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/143、影響冷凝傳熱的因素1）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差△t

當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若△t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。2）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)（ρ、λ、r，α

；μ

，α）。3)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流動(dòng)，厚度減薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流動(dòng)，α減?。划?dāng)u>10m/s時(shí)，液膜被蒸汽吹離壁面，當(dāng)蒸汽流速增加，α急劇增大；第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/144)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α急劇下降。5)冷凝壁面的影響若沿冷凝液流動(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α要比上排的為低。冷凝面的表面情況對α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，α下降。第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14（二）液體沸騰時(shí)的對流傳熱系數(shù)

液體沸騰

大容器內(nèi)沸騰——把加熱面浸入大容器的液體中，液體被壁面加熱而引起無強(qiáng)制對流的沸騰現(xiàn)象。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，α較小，且隨溫度升高較慢。當(dāng)△t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△t隨上升而增加，α急劇增大。稱為飽和沸騰或核狀沸騰。

第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14αqABCDA-B：自然對流區(qū)B-C：核狀沸騰區(qū)C-D：膜狀沸騰區(qū)C點(diǎn)：臨界點(diǎn)，又稱燒毀點(diǎn)工業(yè)操作：△t≤△tc第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日2023/3/14

當(dāng)△t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)△t在增大，由于加熱面具有很高溫度，輻射的影響愈來愈顯著，α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，一般應(yīng)維持在核狀沸騰區(qū)域內(nèi)操作。

第三十九頁，共四十三頁