化工原理第四章第二、三节(第14次课)

*上次课内容复习1、传热的三种基本方式：热传导、对流传热、热辐射。2、冷热两流体热交换的三种方式：直接接触式换热、蓄热式换热、间壁式换热。3、传热速率（热流量）与传热速度（热通量）的关系为：4、稳态传热时，同一热流方向上的传热速率Q为常数（Q1=Q2=Q3=……Qn）。*上次课内容复习5、传热速率方程式：6、傅立叶定律：7、单层平壁的稳定热传导速率方程：8、多层平壁的稳定热传导速率方程：*上次课内容复习9、单层圆筒壁的稳定热传导速率方程：10、单位圆筒壁长度稳定热传导热流密度方程：*2、多层圆筒壁的热传导与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：单层圆筒壁导热速率公式：多层圆筒壁导热速率公式：*多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：*第四章传热一、对流传热的分析二、壁面和流体的对流传热速率三、对流传热系数的影响因素四、对流传热过程的特征数关系式五、流体无相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数第三节对流传热*一、流体对流传热的分析流体沿固体壁面的流动层流内层过渡层湍流主体流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。温度梯度很小，各处的温度基本相同。*对流传热是集流体对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。*二、壁面和流体间的对流传热方程1、对流传热速率表达式据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。根据有效膜模型，对流传热速率方程可以表示为：——牛顿冷却公式*α——对流传热系数或称为膜系数，单位W/(m2·k)或W/(m2·℃)△t——对流传热温差，对热流体△t=T-Tw，对冷流体△t=tw-t2、对流传热系数对流传热系数α定义式：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。P129例4-5*三、对流传热系数α的影响因素1、流体的物性1）导热系数λ层流内层的温度梯度一定时，流体的热导率，对流传热系数α。2）黏度μ流体的黏度μ，流动阻力越大，对流传热系数α。3）比热容CP和密度ρ（CP单位J/kg·K）ρcp：单位体积流体所具有的热容量。ρcp值，流体携带热量的能力愈强，对流传热α。*（4）体积膨胀系数β（单位1/K）体积膨胀系数β值，密度差愈大，有利于自然对流，对强制对流也有一定的影响，对流传热系数α。2、流体流动的原因强制对流：自然对流：由于外力的作用引起的对流。工业上常见。由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移。单位体积的流体所受的浮力为：*3、流体主体的流动状态湍流的对流传热系数α>层流的对流传热系数α。4、流体的种类和相变化的情况液体的α>气体的α对于同一液体，r>CP（r—比汽化热，J/kg）相变时的α>无相变时的α5、传热面的性状、大小和位置传热面的位置：水平、垂直；形状：圆管、平板；特征尺寸：对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。*四、对流传热的特征数关系式1、无因次分析在流体无相变对流传热中的应用列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：确定n的数目：根据π定理：*2、列出各物理量的量纲各物理量的量纲物理量量纲确定m的数目：确定N的数目：特征数之间的关系式：（半经验式）*各特征数的符号和意义准数名称符号特征数意义努塞尔数（Nusselt）Nu表示对流传热系数雷诺数（Reynolds）Re表示流体的流动状态和湍动程度对传热的影响普朗特数（Prandtl）Pr表示流体各物性对传热的影响格拉晓夫数（Grashof）Gr表示自然对流对对流传热的影响*3、应用特征数关联式应注意的问题1）应用范围：关联式中Re、Pr、Nu、Gr等特征数的数值范围以及常数K、指数a、b、c，一般根据实验确定，使用时不能超出该范围。2）特征尺寸：Nu、Re、Gr数中l应如何选定。3）定性温度：各特征数中的各物理参数按什么温度确定。将关联式用各特征数的符号表示：*五、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式（一）流体在管内作强制对流传热1、流体在圆形直管内作强制湍流时的α值1)低黏度（μ<2mPa·s）流体当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。cP——J/kg·K*管长与管径比应用范围：特征尺寸：Nu、Re等准数中的l取为管内径d。定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。2)高黏度（μ≥2mPa·s）的液体为考虑热流体方向的校正项。*μW——壁温下的液体黏度，单位Pa·s；流体被加热时：取=1.05流体被冷却时，取=0.95应用范围：特征尺寸：l取为管内径d。定性温度：除μw取壁温以外，其余物性参数的定性温度均取液体进、出口温度的算术平均值。*3)对于短管（l/d<60）可采用前面的两个公式计算α值再乘以管入口效应校正系数：4)对于弯管可采用前面的两个公式计算α值再乘以弯管效应校正系数：P133例4-6*2、流体在圆形直管内作强制层流时的α值当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，流速比较低，Gr<2.5×104时，自然对流对强制层流的传热的影响可以忽略。应用范围：特征尺寸：l取管内径d。定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。*自然对流的影响不能忽略，按上式计算出α后，再乘以一校正系数：3、流体在圆形直管内呈过渡流态时的α值对于Re=2300~104时的过渡区范围，先按湍流的公式计算α，然后再乘以校正系数f。*4、流体在非圆形管中作强制对流对于非圆形管内对流传热系数的计算，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。（二）流体在管外作强制对流传热流体在管外垂直流过单管管束*1、流体在管束外强制垂直流动第一排管子的流动情况相同，错列α>直列α。直列错列*流体在管外垂直流过时的对流传热系数关联式：C、ε、n由实验确定。特征尺寸：l取管外径d定性温度：流体进出口温度的算术平均值。应用范围：流速u取流动方向上最窄通道处的流速。管束的平均对流传热系数计算公式：*1）流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数2）流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。*（三）大空间自然对流传热定性温度：壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。大空间自然对流：指传热壁面放置在很大的空间内，由于壁面温度与周围流体的温度不同，而引起的自然对流，并且周围没有阻碍自然对流的物体。*六、流体有相变时的对流传热系数（一）蒸气冷凝时的对流传热系数1、蒸气冷凝的方式1)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。2)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、饱和蒸气膜状冷凝的传热系数n——水平管束在垂直裂伤的管子数；d0——管外径；△t——饱和蒸气温度ts与壁温tw之差；定性温度：壁温tw和饱和蒸气温度ts的算术平均值。特征尺寸：l取管外径d0。*①液膜为层流时：定性尺寸：l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，其余物性取膜温（ts与tw的算术平均值）。应用范围：滞流时，Re值增加，α减小；*②若膜层为湍流（Re＞1800）时湍流时，Re值增加，α增大；饱和蒸气冷凝时α值的计算需采用试差法：假设流型计算α值验算Re与流型范围比对*③Re表达式设冷凝液液膜的流动截面积为S，壁面湿润周边长度为Ⅱ则冷凝液的质量流量为：蒸气冷凝时向避免传递的热量：得：*3、影响冷凝传热的因素1）冷凝液膜两侧的温度差△t当液膜呈滞流流动时，若△t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。2）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（ρ、λ、r，α；μ，α）。3)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大；蒸汽和液膜逆向流动，α减小；当u>10m/s时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，α急剧增大；*4)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α急剧下降。5)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动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。冷凝面的表面情况对α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，α下降。*（二）液体沸腾时的对流传热系数液体沸腾大容器内沸腾——把加热面浸入大容器的液体中，液体被壁面加热而引起无强制对流的沸腾现象。管内沸腾1、沸腾曲线当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α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△t随上升而增加，α急剧增大。称为饱和沸腾或核状沸腾。*αqABCDA-B：自然对流区B-C：核状沸腾区C-D：膜状沸腾区C点：临界点，又称烧毁点工业操作：△t≤△tc*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，形成一层不稳定的蒸汽膜。当△t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，α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、对流传热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作。*2、影响沸腾传热的因素1)液体性质的影响一般情况下，α随λ、ρ的增加而加大，而随μ和σ增加而减小。2）温度差△t的影响核状沸腾区：*3)操作压强的影响提高沸腾压强，液体的饱和温度上升，液体的表面张力和黏度均下降，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α增加。4)加热表面的影响新的或清洁的加热面，α较高。当壁面被油脂沾污后，气化核心减少，会使α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。核状沸腾区：*七、选用对流传热系数关联式的注意事项1、针对要解决的传热问题类型，选择适当的关联式；α的计算公式半经验式（量纲分析法）经验式2、要注意关联式的使用条件；3、注意正确使用各物理量的单位；4、应学会分析各关联式中各物理量对α的影响；5、强制对流时液体α>空气α，水的α>有机液体α，同一液体，有相变α>无相变α。*作业P1824-4、4-6