化工原理课件：34传热对流计算

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1、第三章第三章 传热传热一、给热系数的影响因素一、给热系数的影响因素二、给热过程的因次分析二、给热过程的因次分析三、流体无相变时的给热三、流体无相变时的给热系数系数四、流体有相变时的给热四、流体有相变时的给热系数系数第四节第四节 给热系数关联式给热系数关联式 三、三、对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素1. 1. 流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况牛顿流体牛顿流体/ /非牛顿流体、有相变非牛顿流体、有相变/ /无相变无相变2. 2. 流体的物性流体的物性密度、粘度、导热系数、比热容密度、粘度、导热系数、比热容3. 3. 流体流动的状态流体流动的状态层流层流/ /湍流湍流4. 4

2、. 流体流动的原因流体流动的原因自然对流自然对流/ /强制对流强制对流 自然对流：由于流体内部温度差造成的密度差，引起流体的流动。自然对流：由于流体内部温度差造成的密度差，引起流体的流动。 强制对流：由于外力和压差而引起的流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流体的流动。 单位体积流体所受的浮升力：单位体积流体所受的浮升力：5. 5. 传热面的形状、大小及位置传热面的形状、大小及位置 对流传热系数对流传热系数无相变无相变有相变有相变强制对流强制对流自然对流自然对流管内管内圆圆形形直直管管弯弯管管非非圆圆形形直直管管管束管束外的外的垂直垂直流动流动管管间间流流动动蒸蒸汽汽冷冷凝凝液液体体沸

3、沸腾腾管外管外单管单管外的外的垂直垂直流动流动层层流流过过渡渡区区湍湍流流 的获得主要有三种方法：的获得主要有三种方法：1 1理论分析法理论分析法： 2因次分析法因次分析法* * ：3 3实验法实验法：将影响给热的因素将影响给热的因素无因次化无因次化无因次化无因次化，通过实验决定无因次准数之间的，通过实验决定无因次准数之间的关系。关系。 对少数复杂的对流传热过程适用对少数复杂的对流传热过程适用 建立理论方程式，用数学分析的方法求出建立理论方程式，用数学分析的方法求出 的精确解或数值的精确解或数值解。目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层解。目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过

4、程，如管内层流、平板上层流等。流、平板上层流等。常用方法常用方法二、因次分析法在给热中的应用二、因次分析法在给热中的应用1 1、流体无相变时的强制给热过程、流体无相变时的强制给热过程列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示： 确定无因次准数的数目确定准数的形式(1)列出物理量的因次物理量因次物理量因 次(2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量不能包括待求的物理量所选m个物理量本身不能组成无因次准数选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。选择l、u作为三个无因次准数的共同物理量(3)因次分析将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数对1而言，实际因次为：流体无相变强制对流

5、时的准数关系式2 2、自然对流传热过程、自然对流传热过程包括7个变量，涉及4个基本因次，自然对流传热准数关系式准数的符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu表示给热的系数雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数格拉晓夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响的准数3、应用准数关联式应注意的问题1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。三、流体无相变时的给热系数三、流体无相变时的给热系数1 1、流体在管内作强制对

6、流、流体在管内作强制对流1 1）流体在圆形直管内作强制湍流）流体在圆形直管内作强制湍流a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。管长与管径比将计算所得的乘以应用范围：定性尺寸：Nu、Re等准数中的L取为管内径di。定性温度： 取为流体进、出口温度的算术平均值。b) 高粘度的液体为考虑热流体方向的校正项。当tw未知时，可近似认为： 被加热时:被冷却时：应用范围：定性尺寸：取为管内径di。定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 2) 2) 流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的

7、温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时应用范围：定性尺寸： 管内径di。定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 按上式计算出后，再乘以一校正因子3 3）流体在圆形直管内呈过渡流）流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=230010000时的过渡流范围， 先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。4 4）流体在弯管内作强制对流）流体在弯管内作强制对流 5 5）流体在非圆形管中作强制对流）流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内给热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。 套管环隙中的给热，用水和空气做实验，所得的关联式为： 应

8、用范围：Re=12000220000，d2/d1=1.6517定性尺寸：当量直径de定性温度：流体进出口温度的算术平均值。 其中：de=d2d1 （参见P53页推导de公式）环隙流速，2 2、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流1 1）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动Why？IIIIII 管外的强制对流传热管外的强制对流传热 （1 1）流体横向流过单管传热：）流体横向流过单管传热： （2 2）流体横向流经管束（管簇）的传热：）流体横向流经管束（管簇）的传热：流体在叉排管束外流过时，第3排及其以后的管外给热系数流体在顺排管束外流过时，第3排及其以后的管外给热系数，应用范围：特

9、征尺寸： 管外径do，流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。注意：当管排数较多时前两排的影响可忽略，平均给热系数可近似按计算。全部管排的平均给热系数A1、A2、A3为相应的第一排、第二排、第三排的传热面积 2 2）流体在换热器的管间流动）流体在换热器的管间流动 当管外装有割去25%直径的圆缺形折流板时， 壳方的对流传热系数关联式为：a)多诺呼(Donohue)法应用范围： Re=32104定性尺寸：管外径do，流速取换热器中心附近管排中最窄通道处的速度定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 b) 凯恩（Kern）法应用范围：Re=2103106定性尺寸：当量直

10、径de。定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 当量直径可根据管子排列的情况分别用不同式子进行计算： 管子呈正方形排列时：管子呈三角形排列时：管外流速可以根据流体流过的最大截面积A计算管内给热系数：圆形直管 湍流 高粘度 层流 无自然对流 有自然对流时 过渡流 非圆形管：弯管：3 3、自然对流、自然对流对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在表5-5中。定性温度 ： 壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。4 4、提高给热系数的途径、提高给热系数的途径1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系

11、数，并且Re，应力求使流体在换热器内达到湍流流动。 2）湍流时，圆形直管中的给热系数 与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高给热系数的效果更为显著。 3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况给热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次方成反比设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。 4) 不论管内还是管外，提高流u都能增大给热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，增加流体的湍动程

12、度，给热系数增大，但此时能耗增加。 四、流体有相变时的给热系数四、流体有相变时的给热系数1 1、蒸汽冷凝时的给热系数、蒸汽冷凝时的给热系数冷冷凝凝给给热热：蒸蒸汽汽与与低低于于饱饱和和温温度度的的冷冷壁壁接接触触，释释放放出出潜潜热热后后冷凝为液体，这一过程称为冷凝给热。冷凝为液体，这一过程称为冷凝给热。1 1）蒸汽冷凝的方式）蒸汽冷凝的方式 a) 膜状冷凝： 若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜 b)滴状冷凝：若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下 2 2）膜状冷凝的传热系数）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假

13、设： 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。 修正后定性尺寸：H 取垂直管或板的高度。定性温度：蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度tS下的值，其余物性取液膜平均温度。应用范围：若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：膜层为层流若膜层为湍流（Re2000）时滞流时，Re值增加，减小；湍流时，Re值增加，增大；b) 蒸汽在水平管外冷凝 c)蒸汽在水平管束外冷凝3 3）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素a）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽

14、冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。b）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。c) 蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大；蒸汽和液膜逆向流动， 减小，摩擦力超过液膜重力时， 液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大；d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。e)冷凝壁面的影响 若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。 例如管束，冷凝液面从上面各排流到下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。 冷凝面的表面情况对影响也很大

15、，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。2 2、液体沸腾时的给热系数、液体沸腾时的给热系数 液体沸腾大容积沸腾管内沸腾1 1）沸腾曲线）沸腾曲线当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。 当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度随t上升而增加， 急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。lg0.11.010100100010000表面蒸发表面蒸发泡核沸腾泡核沸腾膜态沸腾膜态沸腾 IIIIIIIVVVI当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的

16、蒸汽膜，随之减小。 当t再增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。 由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。 临界点所对应的温差、热通量、给热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界给热系数。 工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作 。2 2）沸腾传热系数的计算）沸腾传热系数的计算式中：壁面过热度。对比压强对单根管外大容器沸腾：应用条件：3 3）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素 a)液体性质的影响 一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。 b）温度差t的影响 c) 操作压强的影响 提高沸腾压强，液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同t的下，传热系数增加。 d) 加热表面的影响 新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后，会使急剧下降。 壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。 加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。