(10.8)--第5节化工原理绪论化工原理.ppt

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1、19:44:041第五章第五章 传热传热一、给热系数的影响因一、给热系数的影响因素素二、对流传热过程的因二、对流传热过程的因次分析次分析三、流体无相变时的给三、流体无相变时的给热系数热系数四、流体有相变时的给四、流体有相变时的给热系数热系数第五节第五节 给热系数的计算给热系数的计算 19:44:042一、给热系数的影响因素一、给热系数的影响因素 1、流体的种类和相变化、流体的种类和相变化2、流体的物性、流体的物性3、流体流动状态流体流动状态 4、流体流动的原因、流体流动的原因 5、传热面的形状、大小和位置、传热面的形状、大小和位置19:44:043流体种类的影响：一般液体的给热系数远大于气体的

2、给热系数。相变化的影响：沸腾时的给热系数会大大增加；冷凝对给热系数的影响则取决于冷凝方式：膜状冷凝会使给热系数下降，而滴状冷凝会增大给热系数。1、流体的种类和相变化的影响、流体的种类和相变化的影响19:44:0441）导热系数 导热系数愈大，给热系数也愈大。2）粘度 粘度愈大，给热系数愈低。3）比热和密度 cp：单位体积流体所具有的热容量 cp值愈大，流体所携带热量的能力越强，对流给热系数越大。4）体积膨胀系数 体积膨胀系数越大，密度差越大，自然对流给热系数越大。体积膨胀系数对强制对流也有一定的影响。2、流体的物性的影响、流体的物性的影响19:44:045层流流动时，由于流体内部热量传递以导热

3、方式为主，因此给热系数较小。湍流流动时，由于流体存在大量的漩涡，热量传递以对流传热为主，因此给热系数很大。3、流体流动状态的影响、流体流动状态的影响 19:44:046强制对流：自然对流：由于流速较快，故强制对流的给热系数较大。由流体内部的温度差引起的密度涨落，使质点发生位移，故给热系数较小。4、流体流动的原因的影响 19:44:057传热面壁面越不平整，给热系数越大。流体沿弯曲管路流动时，给热系数变大。流体在封闭管道的进口段流动时，给热系数较流动充分发展段大。曲面壁面上的给热系数要较平面壁面上的给热系数大。5、传热面的形状、大小和位置的影响、传热面的形状、大小和位置的影响19:44:058二

4、、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列出影响该过程的物理量，并表示为一般函数的关系：确定无因次准数的数目19:44:059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=4个物理量作为基本物理量不能包括待求的物理量不能选用因次相同的物理量选择的基本物理量中应包括涉及的所有基本因次。19:44:0510选择l、u作为4个基本物理量(3)因次分析将余下的3个物理量用基本的物理量的幂指数形式来表示，同时引入无因次准数根据量纲一致性原则，对于(1)式有：19:44:0511流体无相变时强制对流的准数关系式流体无相变时强制对流的准数关系式同理可得，同理可得，

5、19:44:06122、自然对流传热过程、自然对流传热过程包括包括7个变量，涉及个变量，涉及4个基本因次，个基本因次，自然对流传热准数关系式自然对流传热准数关系式19:44:0613准数的符号和意义准数的符号和意义准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义努塞尔准数努塞尔准数（Nusselt）Nu反反映映对对流流传传热热快快慢慢的的准数准数 雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Re反映流体流动状态的准数反映流体流动状态的准数普兰特准数普兰特准数（Prandtl）Pr反映物性影响的准数反映物性影响的准数格拉晓夫准数格拉晓夫准数（Grashof）Gr反映自然对流强度的准数反映自然对流强度的准数1

6、9:44:06143、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）定型尺寸：各准数中的l应如何选定。3）应用范围：关联式中各准数在什么范围内适用。19:44:0615三、流体无相变时的给热系数三、流体无相变时的给热系数1、流体在管内强制流动、流体在管内强制流动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（低于低粘度（低于2倍常温水的粘度）流体倍常温水的粘度）流体 当液体被当液体被加热时加热时n=0.4，液体被液体被冷却时，冷却时，n=0.3;for气体气体,因为因为 Pr基本上不随温度变化，故基本上不随温度变化，故n=0.419:44:

7、0616管长与管径比管长与管径比 将计算所得的乘以应用范围：应用范围：定型尺寸：定型尺寸：取管内径取管内径di。定性温度：定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。取流体进、出口温度的算术平均值。b)高粘度（大于高粘度（大于2倍常温水的粘度）的流体倍常温水的粘度）的流体为壁温造成流体粘度变化而引入的修正项。为壁温造成流体粘度变化而引入的修正项。19:44:0717 应用范围：应用范围：定型尺寸：定型尺寸：管内径管内径di。定性温度：定性温度：除除w取取壁壁温温以以外外，其其余余均均取取流流体体进进、出出口口温温度度的的算术平均值。算术平均值。2)流体在圆形直管内作强制层流流体在圆形直管内作强制

8、层流 当自然对流的影响可以忽略时（当自然对流的影响可以忽略时（Gr 25000时，自然对流的影响不可忽略，按上式计算出后，再乘以一校正系数f19:44:07193）流体在圆形直管内呈过渡流）流体在圆形直管内呈过渡流 对对于于Re=230010000之之间间的的过过渡渡流流，先先按按湍湍流流的的公公式计算式计算，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数f。4）流体在弯管内作强制对流）流体在弯管内作强制对流【例515】R 弯管内流体的流动di19:44:0720课后思做26为为了了回回收收烟烟道道气气的的余余热热，让让烟烟道道气气通通过过换换热热器器将将水水加加热热成成水水蒸蒸气气，已已知知烟烟道道气

9、气的的气气体体流流量量为为3000m3/h，烟烟道道气气的的进进口口温温度度为为400，压压力力为为常常压压，烟烟道道气气的的平平均均分分子子量量为为 32.3g/mol，烟烟 道道 气气 走走 管管 程程，烟烟 道道 气气 的的 热热 容容 为为1.24kJ/(kg)，粘粘 度度 为为 0.025mPas，热热 导导 率率 为为0.0485W/(m)；水水和和水水蒸蒸气气走走壳壳程程，水水在在常常压压下下沸沸腾腾(水水沸沸腾腾的的给给热热系系数数很很大大，热热阻阻可可忽忽略略)，换换热热器器为为立立式式放放置置的的单单壳壳程程单单管管程程列列管管式式换换热热器器，内内径径400mm，列列管管

10、为为98根根252mm的不锈钢管，管长为的不锈钢管，管长为3m，管壁热阻可忽略，管壁热阻可忽略。19:44:0821试计算：试计算：（1）管内烟道气的对流传热系数；）管内烟道气的对流传热系数；（2）烟道气离开换热器的温度。）烟道气离开换热器的温度。19:44:08222、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流 1)流体垂直流过单根管流体垂直流过单根管A 流体横向流过单根圆管外时流动情况流体横向流过单根圆管外时流动情况19:44:0823式中C和n的取值见下表沿整个管周的平均表面给热系数的准数关联式为：ReCn0.44440404000400040000400004000000.9890.911

11、0.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外径19:44:0824 对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也可采用上式。C和n值见下表，表中l是计算Re数及Nu数时用的定型尺寸。51031055103105510310541031.510451031.951041.951041050.2460.1020.160.03850.6380.7820.6750.5880.6380.7310.1530.22819:44:08252）流体垂直流过管束）流体垂直流过管束 正方向直列正方向直列 三角形错列三角形错列 正方形错列正方形错列19:44:08

12、26流体流体垂直流过错列排布的管束时垂直流过错列排布的管束时，平均给热系数，平均给热系数流体流体垂直流过直列排布的管束时垂直流过直列排布的管束时，平均给热系数，平均给热系数应用范围：应用范围：特征尺寸：特征尺寸：管管外外径径do，流流速速取取流流体体通通过过每每排排管管子子中中最最狭狭窄窄通道处的速度。通道处的速度。注意：注意：管束排数应为管束排数应为10，若不是，若不是10时，计算结果应用下表校正。时，计算结果应用下表校正。19:44:0827校正系数表校正系数表排排数数12345678910121518253575错错列列0.48 0.75 0.83 0.89 0.92 0.95 0.97

13、 0.98 0.99 1.01.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06直直列列0.64 0.80 0.83 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 0.99 1.019:44:08283）流体在换热器的管间流动）流体在换热器的管间流动 装有圆缺折流板的列管换热器装有圆缺折流板的列管换热器 圆缺折流板管板19:44:0929 当当管管外外装装有有割割去去25%直直径径的的圆圆缺缺形形折折流流板时，板时，壳程的给热系数的计算公式为：壳程的给热系数的计算公式为：19:44:0930应用范围：应用范围：Re=21032106 定型尺寸：定型尺寸：当量直径当量直径de。定性温度

14、：定性温度：除除w取取壁壁温温以以外外，其其余余均均取取流流体体进进、出出口口温温度的算术平均值。度的算术平均值。管外流速根据流体流过的最大截面积管外流速根据流体流过的最大截面积S计算计算 h 两块折流挡板之间的距离两块折流挡板之间的距离D 换热器壳内径换热器壳内径nc 管束中心线上的管数管束中心线上的管数d0 列管外径列管外径19:44:09313、自然对流、自然对流C和和n的值参见下表的值参见下表（1）大空间的自然对流）大空间的自然对流19:44:0932定性温度定性温度：取壁温和流体进出口平均温度的算术平均值。取壁温和流体进出口平均温度的算术平均值。【例例5-17】加加热表面形状位置表面

15、形状位置GrPrCn定型尺寸定型尺寸垂直平板及垂直平板及圆柱柱1010410410910910131.230.590.11/61/41/3高度高度H水平水平圆柱体柱体1010410410910910121.020.530.131/61/41/3外径外径do水平板水平板热面朝上面朝上210481068106110110.540.151/41/3正方形取正方形取边长长方形取两方形取两边平平均均值圆盘取取0.9d狭狭长条取短条取短边水平板水平板热面朝下面朝下10510110.581/519:44:1033课后思做27一蒸汽管，长3m，外径25cm，外壁温度为100，周围空气的温度为20，试求蒸汽管分

16、别在水平和垂直放置的情况下向周围空气中的散热速率。19:44:1034课后思做28一一台台电电暖暖气气，最最大大功功率率为为1.0kW，由由10片片散散热热片片构构成成，每每片片的的高高度度是是0.6米米，宽宽度度是是0.13米米，周周围围空空气气的的温温度度是是20，试试计计算算电电暖暖气气满满功功率率工工作作时时，散散热热片片表表面面温温度度。假设该电暖气的电热转换效率为假设该电暖气的电热转换效率为100%。19:44:1035这里这里仅仅讨论封闭的气体夹层讨论封闭的气体夹层（2）有限空间的自然对流）有限空间的自然对流竖直夹层竖直夹层水平夹层水平夹层qHq19:44:1036夹层对流传热的

17、准数关联式为 对于水平气体夹层：对于竖直气体夹层19:44:1037 式中：式中：定性温度定性温度为为 定型尺寸定型尺寸为为。19:44:1038课后思做29保温桶的筒壁通常是中空的以起到保温作用，为了提高保温效果，有人建议在中空夹层中填充以保温材料。假设桶内壁温度为100，外壁温度为20，中空夹层的厚度为1cm，高度为0.5m，拟填充的保温材料为聚苯乙烯泡沫，其热导率为0.035W/(m K)。试通过计算判断该建议是否合理。19:44:10404、提高给热系数的途径 1）流体作湍流流动时的给热系数远大于层流时的给热系数，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

18、热系数 19:44:1041 与与流流速速的的0.8次次方方呈呈正正比比，与与管管径径的的0.2次次方方呈呈反反比比，因因此，增大流速比减小管径对提高给热系数的效果更为显著。此，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，在管外加折流挡板的情况）流体在换热器管间流过时，在管外加折流挡板的情况 给给热热系系数数与与流流速速u的的0.55次次方方成成正正比比，而而与与当当量量直直径径de的的0.45次方次方成反比成反比19:44:1142 在设置折流挡板的情况下，提高流速和缩小管子的当量直径，对加大给热系数的效果相差无几。4）不论管内还是管外，提高流u都能增大给热系

19、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，增加流体的湍动程度，也可增大给热系数，但能耗也随之增加。19:44:1143四、流体有相变时的给热系数四、流体有相变时的给热系数1、蒸汽冷凝给热系数、蒸汽冷凝给热系数 1）蒸汽冷凝的方式）蒸汽冷凝的方式 a)膜状冷凝：膜状冷凝：冷冷凝凝液液能能够够浸浸润润壁壁面面，在在壁壁面面上上形形成成一一完完整整的液膜的液膜 b)滴状冷凝：滴状冷凝：冷冷凝凝液液不不能能润润湿湿壁壁面面，在在表表面面张张力力的的作作用用下下，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下冷凝液在壁

20、面上形成许多液滴，并沿壁面落下 19:44:1144冷凝现象冷凝现象19:44:1145 2）膜状冷凝的给热系数）膜状冷凝的给热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 定型尺寸：定型尺寸：H取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。定性温度：定性温度：蒸蒸汽汽冷冷凝凝潜潜热热r取取其其饱饱和和温温度度ts下下的的值值，其其余余物物性取液膜平均温度下的值。性取液膜平均温度下的值。应用范围：应用范围：式中式中t=ts-tw 为冷凝液膜的跨膜温差为冷凝液膜的跨膜温差19:44:1146定义无因次冷凝给热系数定义无因次冷凝给热系数若若Re1800（湍流（湍流）时时层流

21、时，层流时，Re增加，增加，减小；减小；湍流时，湍流时，Re增加，增加，增大；增大；则上式可变为则上式可变为注意：注意：1、所有的物性数据均为饱和、所有的物性数据均为饱和液体液体的物性。的物性。2、蒸汽冷凝潜热的单位应为、蒸汽冷凝潜热的单位应为J/kg。19:44:114719:44:1348b)蒸汽在单根水平管外冷凝蒸汽在单根水平管外冷凝 c)蒸汽在水平管束外冷凝蒸汽在水平管束外冷凝如如果果在在垂垂直直方方向向上上管管排排数数有有变变化化，比比如如在在列列管管式换热器中，式换热器中，n要用平均管排数要用平均管排数nm来代替。来代替。19:44:13493）影响冷凝传热的因素a）跨膜温差t的影

22、响 当液膜呈层流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝给热系数降低。b）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝给热系数。c)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，膜厚减薄，使增大；蒸汽和液膜逆向流动，膜厚增加，减小，但如果气速过大，液膜被蒸汽吹离壁面，此时蒸汽流速增加，急剧增大19:44:1350d)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，液膜表面会出现一层由不凝性气体构成的气膜，产生附加热阻，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，使给热系数下降。例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐

23、增厚，因此下面管子的要比上排的为低。19:44:1351 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，下降。【例例5-18】19:44:1355课后思做30一列管式换热器，管长为2.5m，管外径为50mm，自上而下的管排数分别为3、5、7、8、7、5、3。管外是110的饱和水蒸气，管内是90的某流体介质，管壁热阻可以忽略，试求换热器在下列情况下的换热速率？（1）换热器竖直放置，蒸汽平行于管束流动；（2）换热器水平放置，蒸汽垂直于管束流动。根据计算结果判断那种情况下传热速率更快?19:44:13562、液体沸腾给热系数、液体沸腾给热系数 液体沸腾液体沸腾 大容积沸腾大容积

24、沸腾 管内沸腾管内沸腾 1)大容积沸腾传热机理大容积沸腾传热机理 a）汽泡能够产生的条件：汽泡能够产生的条件：1、液体必须过热（、液体必须过热（t ts），以提供足够的能量克服），以提供足够的能量克服表面张表面张力力。所以所以气泡的受力分析plpvr19:44:13572、必须有汽化核心、必须有汽化核心因此因此 无汽化核心，气泡不会产生；无汽化核心，气泡不会产生；液体过热度太小，气泡也不会产生。液体过热度太小，气泡也不会产生。a)汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，气泡能附着在其周围生长气泡能附着在其周围生长。因为当因为当b)汽泡长大的条件：汽泡长大的条件：

25、随随着着r的的增增大大，2/r减减小小，气气泡泡生生长长推推动动力力增大，因此气泡一旦生成就会自发长大。增大，因此气泡一旦生成就会自发长大。19:44:135819:44:1359 当过热度(t=tw-ts)较小时(AB)，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(BC)，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。称为核状沸腾。当t继续增大(CD)，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，气泡在固体表面上形成一层不稳定的蒸汽膜，使迅速减小。称为膜状沸腾。19:44:1360 当当t再再增增大大(D

26、E)，由由于于加加热热面面具具有有很很高高温温度度，辐辐射射传传热愈来愈显著，热愈来愈显著，又随之增大，这段称为又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾稳定的膜状沸腾。由由核状沸腾核状沸腾向向膜状沸腾膜状沸腾过渡的转折点过渡的转折点C称为临界点。称为临界点。临临界界点点所所对对应应的的温温差差、热热通通量量、给给热热系系数数分分别别称称为为临临界界温差，临界热通量和临界给热系数。温差，临界热通量和临界给热系数。工业生产中，一般应工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作维持在核状沸腾区域内操作。说明：由于气泡产生，使液体扰动说明：由于气泡产生，使液体扰动 因此：因此：19:44:1461 2）大容积

27、核状沸腾给热系数的计算（1）针对某种液体的计算公式；（2）广泛适用于各种液体的计算式；19:44:1462(1)适用于水的米海耶夫计算式 在1054106Pa压力下水大容器饱和沸腾计算式：19:44:1463(2)适用于各种液体的计算式A、罗森诺通实验关联式：上式可以改写为：其 中，s=1.0(水)或 1.7(其 它 液 体)，受 污 染 的 沸 腾 表 面s=0.82.019:44:1464由此可得：B、K关联式：式中19:44:1465将各准数表达式代入得化简得19:44:15663）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）过热度(t)的影响 过热度越大，给热系数越大。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，给热系数增加。19:44:1567 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。19:44:1568不要让那些低级快乐拖垮你的人生！视频学习核武器的原理早已公开，为什么很多国家还是造不出来？大国重器之加氢反应器19:44:1569