教学课件-第四章第四节化.pptx

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2018/9/20,化工原理,Chemistry and chemical engineering institute,2026/3/15,概述,4.1,热传导,4.2,对流传热,4.3,对流传热系数关联式,4.4,辐射传热,4.5,传热计算,4.6,本章,内容,换热器,4.7,2026/3/15,本节讲授,内容,3,流体无相变时对流传热系数,2,对流传热过程的因次分析,4,流体有相变时对流传热系数,1,对流传热系数的影响因素,第四节 对流传热系数关联式,2026/3/15,1,、流体的种类和相变化的情况,气体、液体、有无相变,2,、流体的物性,（,1,）导热系数,层流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大,（,2,）粘度,流体的粘度愈大，对流传热系数愈低,（,3,）比热和密度,c,p,：单位体积流体所具有的热容量,c,p,值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强,一、对流传热系数的影响因素,2026/3/15,（,4,）体积膨胀系数,体积膨胀系数,值愈大,，密度差愈大，,有利于自然对流对强制对流也有一定的影响,,3,、流体的温度,温度差必然导致密度差，从而产生附加自然对流，使对流传热增强。

,4,、流体流动状态,层流、湍流,湍,层,5,、流体流动的原因,6,、传热面的性状、大小和位置,强,自,形状：如管、板、管束等；,大小：如管径和管长等；,位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置,2026/3/15,二、对流传热过程的因次分析,1,、流体无相变时的强制对流传热过程,（,1,）列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,（,2,）确定无因次准数,i,的数目,基本因次：长度,L,；质量,M,；时间,；温度,T,物理量因次,物理量,因 次,2026/3/15,流体无相变时强制对流时的准数关系式,（,3,）无因次数群,2026/3/15,2,、自然对流传热过程,包括,7,个变量，涉及,4,个基本因次，无因次数群,3,个,自然对流传热准数关系式,2026/3/15,准数的符号和意义,准数名称,符号,准数式,意义,努塞尔准数,（,Nusselt,）,Nu,表示对流传热的系数,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,格拉斯霍夫准数,（,Grashof,）,Gr,表示自然对流影响的准数,2026/3/15,3,、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。

,流体的平均温度,壁面平均温度：,t,w,膜温,t,1,、,t,2,分别为流体的进出口温度,（,3,）应用范围：关联式中,Re,，,Pr,等准数的数值范围,圆管取管直径：,l,=,d,非圆管取当量直径：,l,=,d,e,平板：,l=,板长,2026/3/15,三、流体,无相变,时的对流传热系数,1,、流体在,管内,作,强制,对流,（,1,）流体在,圆形直管内,作强制,湍流,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,,2026/3/15,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,d,i,,定性温度：,取为流体进、出口温度的算术平均值,高粘度,的液体,为考虑热流体方向的校正项,2026/3/15,当温度一定时,应用范围：,定性尺寸：,取为管内径,d,i,,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,2026/3/15,（,2,）流体在圆形直管内作强制,层流,当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制层流传热的影响可以忽略时,应用范围：,定性尺寸：,管内径,d,i,。

,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,2026/3/15,（,3,）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,,（,4,）流体在弯管内作强制对流,（,5,）流体在非圆形管中作强制对流,d,1,d,2,2026/3/15,（,1,）流体横向流过管束,2,、流体在,管外,强制对流,管子的排列方式,正三角形,转角正三角形,正方形,转角正方形,2026/3/15,流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数,流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数,应用范围：,特征尺寸：,管外径,d,o,，流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度,注意：,管束排数应为,10,，若不是,10,时，计算结果应校正,定性温度：,流体进、出口温度的算数平均值,2026/3/15,（,2,）流体在换热器的,管间,流动,环盘形,弓形,圆缺形,2026/3/15,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：,应用范围：,R,e,=210,3,10,6,定性尺寸：,当量直径,d,e,。

,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,2026/3/15,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,当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：,h,两挡板之间的距离,D,换热器外壳的内径,d,o,管子的外径,t,相邻两管中心距,2026/3/15,3,、,自然,对流,定性温度：,膜温,特征尺寸：,垂直的管或板取垂直高度，水平管为管外径,,注意：,C,，,n,与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关,2026/3/15,4,、提高对流传热系数的途径,（,1,）,湍,层,，,并且,Re,，,，应力求使流体在换热器内达到,湍流,流动,当温度一定时,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对流传热系数的效果更为显著,（,2,）湍流时，圆形直管中的对流传热系数,2026/3/15,（,3,）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况,对流传热系数,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,）提高流,u,都能增大对流传热系数，但是增大,u,，流动阻力增加，应根据具体情况选择最佳的流速,（,5,）,在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，,增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加,2026/3/15,膜状冷凝,滴状冷凝,四、流体有相变时的对流传热系数,1,、蒸汽冷凝时的对流传热系数,2026/3/15,（,2,）膜状冷凝的传热系数,蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝,假设：,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,2026/3/15,修正后,定性尺寸：,L,取垂直管或板的高度,H,,定性温度：,蒸汽冷凝潜热,取其饱和温度,t,s,下的值，其余物性取液膜平均温度,t,=,t,s,-,t,w,应用范围：,2026/3/15,若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：,若膜层为湍流（,Re,1800,）时,垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式,W,凝液质量流量，,kg/s,；,b,浸润周边长度，,m,；,M,冷凝负荷，,M=W/b,；,A,膜层流通截面积，,m,2,；,d,e,液膜当量直径，,m,。

,2026/3/15,层流时，,Re,值增加，,减小；,湍流时，,Re,值增加，,增大；,2026/3/15,蒸汽在,水平管外,冷凝,蒸汽在,水平管束外,冷凝,n,水平管束在垂直列上的管子数,垂直列上管数不同时取平均值,2026/3/15,（,3,）影响冷凝传热的因素,冷凝液膜两侧的温度差,t,液膜层流流动时，,t,=,t,s,t,W,，,，,流体物性,冷凝液,，,；冷凝液,，,；,潜热,r,，,蒸汽的流速和流向,（,u,10,m,/,s,）,蒸汽和液膜,同向,流动，厚度减薄，使,增大，,即：,蒸汽和液膜,逆向,流动，,，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，,即：,u,2026/3/15,冷凝壁面的影响,垂直板或管：,开纵向沟槽；,水平管束：,可采用错列,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动下面各排，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，,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,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,，应,定期排放。

,2026/3/15,液体与高温壁面接触被加热汽化并产生气泡的过程称为,沸腾传热,2,、液体沸腾时的对流传热系数,液体沸腾,大容积沸腾,管内沸腾,指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的,指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽,液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化,2026/3/15,过热度,：,t,=,t,W,t,s,汽化核心,：一般为粗糙加热面的细小凹缝处,（,1,）汽泡产生的条件,问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？,汽化核心,生成汽泡,长大,脱离壁面,新汽泡形成,搅动液层,液体沸腾,2026/3/15,（,2,）沸腾曲线,自然对流区,t,5,，液体内产生自然对流，没有汽泡从液体逸出液面，仅在液体表面蒸发，,较小，且随温度升高较慢,泡状沸腾或泡核状沸腾,25,C,t5,C,t,，汽化核心增加，,长大速率,，搅动,2026/3/15,膜状沸腾,t25,C,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,不稳定的蒸汽膜,，汽膜,小，出现,；当,t,，壁温升高，辐射影响，,不变，,q,，,这段称为,稳定的膜状沸腾。

,临界点,2026/3/15,（,3,）沸腾传热系数的计算,壁面过热度,对比压强,应用条件：,2026/3/15,（,4,）影响沸腾传热的因素,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,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,温度差,t,的影响,在核状沸腾阶段温差提高，,2026/3/15,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,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,强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒,2026/3/15,4,、某厂精馏塔顶，采用列管式冷凝器，共有,252.5mm,的管子,60,根，管长为,2m,，蒸汽走管间，冷却水走管内，水的流速为,1m/s,进、出口温度分别为,20,和,60,，在定性温度下水的物性数据为,:,=992.2kg/m,3,=0.6338W/,（,m,）,=6.5610,-4,Pa.s,Pr,=4.31,（,1,）求管内水的对流给热系数；,（,2,）如使总管数减为,50,根，水量和水的物性视为不变，此时管内水的对流给热系数又为多大,?,2026/3/15,解：（,1,）,流体被加热,n,=0.4,2026/3/15,（,2,）当管子根数减少时，流速变大,2026/3/15,5,、一套管换热器，由,483mm,和,252.5mm,的钢管组成，两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为,1,和,2,，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。

求将内管改,322.5mm,后，管内对流给热系数有何变化,?,（假设流动状态皆为湍流）,2026/3/15,解：原内管外径,内径,新内管外径,内径,设改用,322.5,钢管后，内管对流给热系数,2026/3/15,书,P292,：,21,作业,Look out!,Students,小 结,Thanks,any question?,?,。