第四章第四节化原.pptx

化工原理化工原理2024/4/2 周二概述概述4.1热传导热传导4.2对流传热对流传热4.3对流传热系数关联式对流传热系数关联式4.4辐射传热辐射传热4.5传热计算传热计算4.6本章本章内容内容换热器换热器4.7化工原理化工原理2024/4/2 周二本节本节讲授讲授内容内容3 3流体无相变时对流传热系数流体无相变时对流传热系数流体无相变时对流传热系数流体无相变时对流传热系数2 2对流传热过程的因次分析对流传热过程的因次分析对流传热过程的因次分析对流传热过程的因次分析4 4流体有相变时对流传热系数流体有相变时对流传热系数流体有相变时对流传热系数流体有相变时对流传热系数1 1对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素第四节第四节 对流传热系数关联式对流传热系数关联式化工原理化工原理2024/4/2 周二1、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况气体、液体、有无相变气体、液体、有无相变 2、流体的物性、流体的物性（1）导热系数）导热系数 层层流流内内层层的的温温度度梯梯度度一一定定时时，流流体体的的导导热热系系数数愈愈大大，对流传热系数也愈大。对流传热系数也愈大。（2）粘度）粘度 流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。（3）比热和密度）比热和密度 cp：单位体积流体所具有的热容量。：单位体积流体所具有的热容量。cp值值愈愈大大，流流体体携携带带热热量量的的能能力力愈愈强强，对对流流传传热热的的强强度愈强。度愈强。一、一、对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素 化工原理化工原理2024/4/2 周二（4）体积膨胀系数）体积膨胀系数 体体积积膨膨胀胀系系数数值值愈愈大大，密密度度差差愈愈大大，有有利利于于自自然然对对流流。对强制对流也有一定的影响对强制对流也有一定的影响。3、流体的温度、流体的温度 温温度度差差必必然然导导致致密密度度差差，从从而而产产生生附附加加自自然然对对流流，使使对流传热增强。对流传热增强。4、流体流动状态、流体流动状态 层流、湍流层流、湍流 湍湍 层层 5、流体流动的原因、流体流动的原因 6、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 强强 自自 形状：如管、板、管束等；形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；大小：如管径和管长等；位位置置：如如管管子子的的排排列列方方式式（管管束束有有正正四四方方形形和和三三角角形形排排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。列）；管或板是垂直放置还是水平放置。化工原理化工原理2024/4/2 周二二、对流传热过程的因次分析二、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、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：）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）确定无因次准数i的数目的数目基本因次：长度基本因次：长度L；质量；质量M；时间；时间；温度；温度T物理量因次物理量因次物理量物理量因因 次次化工原理化工原理2024/4/2 周二流体无相变时强制对流时的准数关系式流体无相变时强制对流时的准数关系式（3）无因次数群）无因次数群化工原理化工原理2024/4/2 周二2、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，无因次数群个基本因次，无因次数群3个个自然对流传热准数关系式自然对流传热准数关系式化工原理化工原理2024/4/2 周二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表示对流传热的系数表示对流传热的系数 雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数 （Grashof）Gr表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数化工原理化工原理2024/4/2 周二3、应用准数关联式应注意的问题、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）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：）定性尺寸：Nu，Re数中数中L应如何选定。应如何选定。流体的平均温度流体的平均温度壁面平均温度：壁面平均温度：tw膜温膜温t1、t2分分别别为为流流体体的进出口温度的进出口温度（3）应用范围：关联式中）应用范围：关联式中Re，Pr等准数的数值范围。等准数的数值范围。圆管取管直径：圆管取管直径：l=d非圆管取当量直径：非圆管取当量直径：l=de平板：平板：l=板长板长化工原理化工原理2024/4/2 周二三、流体三、流体无相变无相变时的对流传热系数时的对流传热系数1、流体在、流体在管内管内作作强制强制对流对流（1）流体在）流体在圆形直管内圆形直管内作强制作强制湍流湍流 低粘度低粘度（大约低于（大约低于2倍常温水的粘度）流体倍常温水的粘度）流体 当流体当流体被加热被加热时时n=0.4，流体，流体被冷却被冷却时，时，n=0.3。化工原理化工原理2024/4/2 周二管长与管径比管长与管径比 将计算所得的将计算所得的乘以乘以应用范围：应用范围：定性尺寸：定性尺寸：Nu、Re等准数中的等准数中的l取为管内径取为管内径di。定性温度：定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进、出口温度的算术平均值。高粘度高粘度的液体的液体 为考虑热流体方向的校正项。为考虑热流体方向的校正项。化工原理化工原理2024/4/2 周二当温度一定时当温度一定时 应用范围：应用范围：定性尺寸：定性尺寸：取为管内径取为管内径di。定性温度：定性温度：除除w取取壁壁温温以以外外，其其余余均均取取液液体体进进、出出口口温温度度的算术平均值。的算术平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二（2）流体在圆形直管内作强制）流体在圆形直管内作强制层流层流 当当管管径径较较小小，流流体体与与壁壁面面间间的的温温度度差差较较小小，自自然然对对流流对对强强制层流传热的影响可以忽略时制层流传热的影响可以忽略时应用范围：应用范围：定性尺寸：定性尺寸：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，其其余余均均取取液液体体进进、出出口口温温度度的算术平均值。的算术平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二（3）流体在圆形直管内呈）流体在圆形直管内呈过渡流过渡流对对于于Re=230010000时时的的过过渡渡流流范范围围，先先按按湍湍流流的的公公式式计算计算，然后再乘以校正系数，然后再乘以校正系数。（4）流体在弯管内作强制对流）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）流体在非圆形管中作强制对流d1d2化工原理化工原理2024/4/2 周二（1）流体横向流过管束）流体横向流过管束2、流体在、流体在管外管外强制对流强制对流管子的排列方式管子的排列方式正三角形正三角形转角正三角形转角正三角形正方形正方形转角正方形转角正方形化工原理化工原理2024/4/2 周二流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数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，平均对流传热系数流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数应用范围：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，计算结果应校正。时，计算结果应校正。定性温度：定性温度：流体进、出口温度的算数平均值。流体进、出口温度的算数平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二（2）流体在换热器的）流体在换热器的管间管间流动流动 环盘形环盘形弓形弓形圆缺形圆缺形化工原理化工原理2024/4/2 周二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板时时，壳壳方方的的对对流流传热系数关联式为：传热系数关联式为：应用范围：应用范围：Re=2103106 定性尺寸：定性尺寸：当量直径当量直径de。定性温度：定性温度：除除w取取壁壁温温以以外外，其其余余均均取取液液体体进进、出出口口温温度的算术平均值。度的算术平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二管子呈正方形排列时：管子呈正方形排列时：管子呈三角形排列时：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管外流速可以根据流体流过的最大截面积A计算计算 当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：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两挡板之间的距离两挡板之间的距离D换热器外壳的内径换热器外壳的内径do管子的外径管子的外径 t相邻两管中心距相邻两管中心距化工原理化工原理2024/4/2 周二3、自然自然对流对流定性温度定性温度：膜温。膜温。特征尺寸：特征尺寸：垂直的管或板取垂直高度，水平管为管外径垂直的管或板取垂直高度，水平管为管外径。注注意意：C，n与与传传热热面面的的形形状状（管管或或板板）、放放置置位位置置（垂垂直、水平）有关。直、水平）有关。化工原理化工原理2024/4/2 周二4、提高对流传热系数的途径、提高对流传热系数的途径（1）湍湍 层层，并并且且Re，应应力力求求使使流流体体在在换换热热器器内达到内达到湍流湍流流动。流动。当温度一定时当温度一定时与流速的与流速的0.8呈正比，与管径的呈正比，与管径的0.2次方呈反比次方呈反比 在在流流体体阻阻力力允允许许的的情情况况下下，增增大大流流速速比比减减小小管管径径对对提提高高对对流传热系数的效果更为显著。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）湍流时，圆形直管中的对流传热系数化工原理化工原理2024/4/2 周二（3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况 对对流流传传热热系系数数与与流流速速的的0.55次次方方成成正正比比，而而与与当当量量直直径径的的0.45次方成反比次方成反比设设置置折折流流板板提提高高流流速速和和缩缩小小管管子子的的当当量量直直径径，对对加加大大对对流流传传热系数均有较显著的作用。热系数均有较显著的作用。（4）提提高高流流u都都能能增增大大对对流流传传热热系系数数，但但是是增增大大u，流流动动阻阻力力增加，应根据具体情况选择最佳的流速。增加，应根据具体情况选择最佳的流速。（5）在在管管内内装装置置如如麻麻花花铁铁或或选选用用螺螺纹纹管管的的方方法法，增增加加流流体体的的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。化工原理化工原理2024/4/2 周二膜状冷凝膜状冷凝滴状冷凝滴状冷凝四、流体有相变时的对流传热系数四、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、蒸汽冷凝时的对流传热系数 化工原理化工原理2024/4/2 周二（2）膜状冷凝的传热系数）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蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设：假设：冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。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。蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。冷冷凝凝液液膜膜成成层层流流流流动动，传传热热方方式式仅仅为为通通过过液液膜膜进进行行的的热热传导。传导。化工原理化工原理2024/4/2 周二修正后修正后 定性尺寸：定性尺寸：L取垂直管或板的高度取垂直管或板的高度H。定性温度：定性温度：蒸蒸汽汽冷冷凝凝潜潜热热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。性取液膜平均温度。t=ts-tw应用范围：应用范围：化工原理化工原理2024/4/2 周二若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：若膜层为湍流（若膜层为湍流（Re1800）时）时垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式W凝液质量流量，凝液质量流量，kg/s；b浸润周边长度，浸润周边长度，m；M冷凝负荷，冷凝负荷，M=W/b；A膜层流通截面积，膜层流通截面积，m2；de液膜当量直径，液膜当量直径，m。化工原理化工原理2024/4/2 周二层流时，层流时，Re值增加，值增加，减小；减小；湍流时，湍流时，Re值增加，值增加，增大；增大；化工原理化工原理2024/4/2 周二 蒸汽在蒸汽在水平管外水平管外冷凝冷凝 蒸汽在蒸汽在水平管束外水平管束外冷凝冷凝n水平管束在垂直列上的管子数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垂直列上管数不同时取平均值化工原理化工原理2024/4/2 周二（3）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素 冷凝液膜两侧的温度差冷凝液膜两侧的温度差t液膜层流流动时，液膜层流流动时，t=tstW，流体物性流体物性冷凝液冷凝液 ，；冷凝液；冷凝液 ，；潜热潜热r ，蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向（u10m/s）蒸汽和液膜蒸汽和液膜同向同向流动，厚度减薄，使流动，厚度减薄，使增大，增大，即：即：蒸蒸汽汽和和液液膜膜逆逆向向流流动动，摩摩擦擦力力超超过过液液膜膜重重力力时时，液液膜膜被被蒸蒸汽汽吹吹离离壁壁面面，当当蒸蒸汽汽流流速速增增加加，急急剧剧增增大大，即即：u 化工原理化工原理2024/4/2 周二 冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响垂直板或管：垂直板或管：开纵向沟槽；开纵向沟槽；水平管束：水平管束：可采用错列可采用错列 若若沿沿冷冷凝凝液液流流动动方方向向积积存存的的液液体体增增多多，液液膜膜增增厚厚，使使传传热热系数下降。系数下降。例例如如管管束束，冷冷凝凝液液面面从从上上面面各各排排流流动动下下面面各各排排，使使液液膜膜逐逐渐增厚，因此渐增厚，因此下面管子的下面管子的要比上排的为低。要比上排的为低。冷冷凝凝面面的的表表面面情情况况对对影影响响也也很很大大，若若壁壁面面粗粗糙糙不不平平或或有有氧氧化层，化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。下降。蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响蒸蒸汽汽中中含含有有空空气气或或其其它它不不凝凝气气体体，壁壁面面可可能能为为气气体体层层所所遮遮盖，增加了一层附加热阻，盖，增加了一层附加热阻，使使急剧下降急剧下降，应，应定期排放。定期排放。化工原理化工原理2024/4/2 周二液液体体与与高高温温壁壁面面接接触触被被加加热热汽汽化化并并产产生生气气泡泡的的过过程程称称为为沸沸腾传热。腾传热。2、液体沸腾时的对流传热系数、液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾液体沸腾 大容积沸腾大容积沸腾 管管内内沸沸腾腾 指指加加热热面面沉沉浸浸在在具具有有自自由由表表面面的的液液体体中中所所发发生生的的沸沸腾腾现现象象，此此时时，液液体体的的运运动动由由自自然然对对流流和和汽汽泡泡的的扰动所引起的。扰动所引起的。指指液液体体在在管管内内流流动动的的过过程程中中而而受受热热沸沸腾腾的的现现象象，此此时时，汽汽泡泡不不能能自自由由升升浮浮，而而是是受受迫迫随随液液体体一一起起流流动动，形形成成汽汽液液两两相相流流动动，沿途吸热，直至全部汽化。沿途吸热，直至全部汽化。化工原理化工原理2024/4/2 周二过热度过热度：t=tWts 汽化核心汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处：一般为粗糙加热面的细小凹缝处（1）汽泡产生的条件）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？问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？汽化核心汽化核心生成汽泡生成汽泡长大长大脱离壁面脱离壁面新汽泡形成新汽泡形成搅动液层搅动液层液体沸腾液体沸腾化工原理化工原理2024/4/2 周二（2）沸腾曲线）沸腾曲线 自然对流区自然对流区t5，液体内产生自然，液体内产生自然对流，没有汽泡从液体逸对流，没有汽泡从液体逸出液面，仅在液体表面蒸出液面，仅在液体表面蒸发，发，较小，且随温度升较小，且随温度升高较慢。高较慢。泡状沸腾或泡核状沸腾泡状沸腾或泡核状沸腾25 C t5 Ct ，汽化核心增加，汽化核心增加，长大速率长大速率，搅动，搅动化工原理化工原理2024/4/2 周二膜状沸腾膜状沸腾 t25 C气气化化核核心心数数进进一一步步增增多多，且且气气泡泡产产生生的的速速度度大大于于它它脱脱离离表表面面的的速速度度，气气泡泡在在脱脱离离表表面面前前连连接接起起来来，形形成成一一层层不不稳稳定定的的蒸蒸汽汽膜膜，汽汽膜膜 小小，出出现现 ；当当t，壁壁温温升升高高，辐辐射射影影响响，不不变变，q，这这段段称称为为稳稳定定的膜状沸腾。的膜状沸腾。临界点临界点化工原理化工原理2024/4/2 周二（3）沸腾传热系数的计算）沸腾传热系数的计算壁面过热度壁面过热度对比压强对比压强应用条件：应用条件：化工原理化工原理2024/4/2 周二（4）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素 液体性质的影响液体性质的影响一一般般情情况况下下，随随、的的增增加加而而加加大大，而而随随和和增增加加而而减减小。小。强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）温度差温度差t 的影响的影响 在核状沸腾阶段温差提高，在核状沸腾阶段温差提高，化工原理化工原理2024/4/2 周二 操作压强的影响操作压强的影响提提高高沸沸腾腾压压强强，液液体体的的表表面面张张力力和和粘粘度度均均下下降降，有有利利于于气气泡泡的的生生成成和和脱脱离离，强强化化了了沸沸腾腾传传热热。在在相相同同t的的下下，传传热热系系数数增加。增加。加热表面的影响加热表面的影响 新新的的或或清清洁洁的的加加热热面面，较较高高。当当壁壁面面被被油油脂脂沾沾污污后后，会会使使急剧下降。急剧下降。壁面愈粗糙，壁面愈粗糙，气泡核心愈多，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。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。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。强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒。化工原理化工原理2024/4/2 周二4、某厂精馏塔顶，采用列管式冷凝器，共有、某厂精馏塔顶，采用列管式冷凝器，共有252.5mm的管子的管子60根，根，管长为管长为2m，蒸汽走管间，蒸汽走管间，冷却水走管内，水的流速为冷却水走管内，水的流速为1m/s。进、出口温度。进、出口温度分别为分别为20和和60，在定性温度下水的物性数据为，在定性温度下水的物性数据为:=992.2kg/m3 =0.6338W/（m）=6.5610-4Pa.s Pr=4.31（1）求管内水的对流给热系数；）求管内水的对流给热系数；（2）如使总管数减为）如使总管数减为50根，水量和水的物性视为根，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不变，此时管内水的对流给热系数又为多大?化工原理化工原理2024/4/2 周二解：（解：（1）流体被加热流体被加热 n=0.4 化工原理化工原理2024/4/2 周二（2）当管子根数减少时，流速变大）当管子根数减少时，流速变大化工原理化工原理2024/4/2 周二5、一套管换热器，由、一套管换热器，由483mm和和252.5mm的钢的钢管组成，两种流体在内管和环隙流过，分别测得对管组成，两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为流给热系数为 1 和和2，若两流体的流量保持不变，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。求将内并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。求将内管改管改322.5mm后，管内对流给热系数有何变化后，管内对流给热系数有何变化?（假设流动状态皆为湍流）（假设流动状态皆为湍流）化工原理化工原理2024/4/2 周二解：解：原内管外径原内管外径 内径内径 新内管外径新内管外径 内径内径 设改用设改用322.5钢管后，内管对流给热系数钢管后，内管对流给热系数 化工原理化工原理2024/4/2 周二 书书P292：21作业作业Chemistry and chemical engineering instituteLook out!Students小小 结结Chemistry and chemical engineering institute?