化工原理(清華大學)05第五章傳熱3

1、 化化 工工 原原 理理 （上）（上） 主講人：戴猷元主講人：戴猷元 2003.2 目目 錄錄 緒論緒論 第一章第一章 流體流動流體流動 第二章第二章 流體輸送機械流體輸送機械 第三章第三章 流體流過顆粒和顆粒層的流動流體流過顆粒和顆粒層的流動 第四章第四章 非均相物系的分離非均相物系的分離 第五章第五章 傳熱傳熱 第六章第六章 蒸發(fā)蒸發(fā) 總結總結 第五章第五章 傳傳 熱熱 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導熱傳導 第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱 第四節(jié)第四節(jié) 兩流體間的傳熱兩流體間的傳熱 第五節(jié)第五節(jié) 對流傳熱系數(shù)的關聯(lián)式對流傳熱系數(shù)的關聯(lián)式 第六節(jié)第六節(jié) 熱輻射熱輻射 第七節(jié)第七

2、節(jié) 換熱器換熱器 第五節(jié)第五節(jié) 對流傳熱系數(shù)的關聯(lián)式對流傳熱系數(shù)的關聯(lián)式 一、影響傳熱膜系數(shù)的因素一、影響傳熱膜系數(shù)的因素 1、流體流動狀態(tài)、流體流動狀態(tài) 層流：忽略自然對流時，層流底層層流：忽略自然對流時，層流底層r 湍流：主要熱阻在層流層，湍流：主要熱阻在層流層，Re ，邊界層，邊界層 減薄，減薄， （注意管件、內構件影響，（注意管件、內構件影響，Re 2000？）？） 層湍 2、引起流動的原因、引起流動的原因 自然對流時，近壁面處溫度自然對流時，近壁面處溫度t 主流主流t1 膨脹公式：膨脹公式： 體積膨脹系數(shù)。體積膨脹系數(shù)。 強制對流與強制對流與Re有關。有關。 11 1 11 1tt

3、t tgg t ， 3、物性：、物性： 都是都是t的函數(shù)的函數(shù) 4、傳熱面形狀，大小，位置。（特、傳熱面形狀，大小，位置。（特 征尺寸）征尺寸） 5、有無相變化、有無相變化 , , , , p c 二、對流傳熱中的因次分析法二、對流傳熱中的因次分析法 按確定的幾何形狀討論按確定的幾何形狀討論 經因次分析可以得到經因次分析可以得到 Nusselt Reynolds Prandt Grashof (對流傳熱對流傳熱) (流動流動) (物性物性) (自然對流自然對流) , , , , p fct u L 32 2 , p c lugt f Re,Pr Pr, Re,Pr, Nuf NufGr Nuf

4、Gr 強制對流： 自然對流： 滯流： 1、應用范圍：、應用范圍：Re，Pr 2、定性尺寸：、定性尺寸： 3、定性溫度：、定性溫度： 物性值物性值 12 12 (1)()/2 ()/2 (2) 2 w tt ttt 膜溫，壁面主體 三、流體在管內強制對流的三、流體在管內強制對流的 1、圓形直管內，強制湍流、圓形直管內，強制湍流 1) 低粘度流體（低粘度流體（ 長長 12 ()/2ttt 0.7 /60(1(/ ) /30 40,1.071.02 dd d 當，校正項。 例如：校正項 2)高粘度流體（溫差過大）高粘度流體（溫差過大） 0.80.330.14 12 0.027Re Pr( /) (1

5、) /60 Re 10000 Pr0.716700 (2) (3)()/2 w i w Nu d d tt ， 定性尺寸 定性溫度， 壁溫下的粘度 2、圓形直管內，強制滯流、圓形直管內，強制滯流 1) 速度分布不同速度分布不同 復雜性復雜性 2) 存在自然對流影響存在自然對流影響 3) 入口段較大入口段較大100d （Re2000） 1)忽略自然對流影響忽略自然對流影響 232 1/31/31/30.14 12 /25000 1.86RePr( / )(/) Re2300,0.6Pr6700 RePr10 ()()/2 w w Grg t Nud d ttt 短管壁溫下粘度。 2) 0.1 0

6、.20.2 1/3 12 0.74RePrPr 0.8 10.015 (1)Re2300,/50 (2) (3)()/ 2,()/ 2 i w NuGr fGr d d ttttt 或 水平管 特征尺寸 膜溫 25000Gr (4) l/d50 乘以校正系數(shù)乘以校正系數(shù) 40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 (5) 垂直管垂直管 流動方向與自然對流方向一致，流動方向與自然對流方向一致， +15% 流動方向與自然對流方向相反，流動方向與自然對流方向相反， -15% 3、圓形直管過渡流、圓形直管過渡流 Re230010000之間，用湍流公式乘以之間，用湍流

7、公式乘以 4、彎曲圓管內：由于離心力的作用，加速、彎曲圓管內：由于離心力的作用，加速 湍動產生二次環(huán)流湍動產生二次環(huán)流 5 1.8 6 10 11 Re 1 1.77 d R ， 為圓形直管中的 5、非圓形管、非圓形管 0.530.81/3 12 12 4 0.02(/)RePr() Re 12000220000 /1.651.7 e e e d d Nud d d dd 流動截面積/浸潤周邊 套管環(huán)隙： 空氣水 定性尺寸為 四、流體在管外強制對流的四、流體在管外強制對流的 1、管外流體平行流過：、管外流體平行流過：de的計算。的計算。 2、管外流體垂直流過、管外流體垂直流過 1)單管單管 邊

8、界層增厚邊界層增厚 邊界層脫離邊界層脫離 Re小時，層流邊界層小時，層流邊界層 （低點）脫離（低點）脫離 Re大時，層流邊界層大時，層流邊界層 （低點）湍流邊界（低點）湍流邊界 層層境厚境厚脫離脫離 2) 管束管束 Re3000 do，u取最狹處：取最狹處： 定性溫度定性溫度 排數(shù)不為排數(shù)不為10，乘以校正系數(shù)。，乘以校正系數(shù)。 3 0.60.33 Re Pr0.26Re Pr 0.33Re Pr n NuNu Nu 直列： 錯列： 1 2 o o xd td 12 ()/2tt 3) 換熱器管間流動換熱器管間流動 流速，流向不斷變化，流速，流向不斷變化，Re100湍流湍流

9、擋板形式，（圓缺擋板）擋板形式，（圓缺擋板） 出現(xiàn)旁流，不能達到垂直流動出現(xiàn)旁流，不能達到垂直流動 若圓缺擋板，截去若圓缺擋板，截去25。 0.61/30.14 4 12 22 22 ( )0.23Re Pr ( /) Re 32 10()/2 :4/ 4 3 :4/ 24 w o o eoo eooo A d tt d dtddt dtddd ， 流 速 ， 最 狹 小 處 通 道 流 速 ，： 相 鄰 兩 管 中 心 距 離 ， ： 外 徑 1/ :1.050.951 o AhDdt hD 冷卻 速度計算： ：擋板間距， ：外殼內徑 加熱氣體 0.551/30.14 36 12 ( )0.

10、36RePr () Re 2 10 1 10 ()/2 ew e B d dtt 小結：小結： 1、對流傳熱與流動、物性有關（溫差）、對流傳熱與流動、物性有關（溫差） Re 由此：由此： 熱流方向熱流方向 溫差溫差物性物性 w 2、必須注意經驗公式的使用條件、必須注意經驗公式的使用條件 L，t，Re，Pr 3、含、含Gr，使用膜溫，使用膜溫 4、 的大小的大小 a) 湍 湍 層層 短短 長長 b)換熱器換熱器 c)加強湍動程度加強湍動程度 0.80.55 0.20.45 e uu dd 管內，管外 25% 五、五、流體作自然對流的流體作自然對流的 定性溫度：膜溫，定性溫度：膜溫，tw與與 (t

11、1+t2)/2的平均的平均 值值 定性尺寸定性尺寸 水平管水平管do，垂直管，垂直管L 查表查表! (Pr) n Nuc Gr 六、蒸汽冷凝的六、蒸汽冷凝的 1、冷凝過程機理、冷凝過程機理 加熱介質飽和蒸汽加熱介質飽和蒸汽 壁面壁面低于飽和蒸汽溫度低于飽和蒸汽溫度 汽相溫度唯一。汽相溫度唯一。 無汽相熱阻（忽略氣流補充的壓降）無汽相熱阻（忽略氣流補充的壓降） 冷凝放出的潛熱必須通過液膜傳向壁面冷凝放出的潛熱必須通過液膜傳向壁面 給熱的熱阻主要來自于壁面上的液膜給熱的熱阻主要來自于壁面上的液膜 液體浸潤壁面膜狀冷凝液體浸潤壁面膜狀冷凝 不浸潤滴狀冷凝，不浸潤滴狀冷凝，比前者大幾至十幾比前者大幾至

12、十幾 倍倍 膜狀冷凝：膜狀冷凝： 膜厚不同，膜厚不同，不同。不同。 L足夠大時，湍流足夠大時，湍流 若液膜滯流若液膜滯流熱傳導為主。熱傳導為主。 1 x x xx x LL x OO x dQdS t tx dQdS t dx dx LL 平均 ：液膜兩側溫差， ：離頂部 處膜厚 2、垂直壁面的膜狀冷凝、垂直壁面的膜狀冷凝 1）理論分析）理論分析 物性物性const 假設假設 蒸汽存在對液膜無磨擦阻力蒸汽存在對液膜無磨擦阻力 滯流滯流 可以導出：可以導出： 定性尺寸：定性尺寸：L 定性溫度：膜溫：定性溫度：膜溫： r：飽和溫度下的冷凝潛熱：飽和溫度下的冷凝潛熱 1 2 3 4 0.943/()

13、rgL t 平 均 值 1 2 wSs ttt， 飽和溫度 若傳熱量一定，若傳熱量一定，r ，冷凝量，冷凝量 ，膜厚，膜厚 ， ，單位體積受力單位體積受力 ，流動快，膜厚，流動快，膜厚 ， （通過膜導熱）（通過膜導熱） 膜厚膜厚 ， t 傳熱推動力傳熱推動力 ，冷凝液，冷凝液 ，膜厚，膜厚 ， 傾斜直壁：與水平夾角為，傾斜直壁：與水平夾角為， singg 2）實驗結果：滯流下，蒸汽與液膜間磨擦）實驗結果：滯流下，蒸汽與液膜間磨擦 3）流型判斷）流型判斷 滯流：滯流：Re2100 Re 壁下端壁下端Re 值值 涉及冷凝負荷涉及冷凝負荷 1/4 23 1.13 rg L t 冷凝負荷冷凝負荷M：單

14、位浸潤周邊上的冷凝液質量：單位浸潤周邊上的冷凝液質量 流量流量 4 4 (/)Re e s w duwM b s Mkg m s b 4）無因次）無因次* 對于滯流：對于滯流： 對于湍流：對于湍流： 1/3 2 23 QWrMr t AbLLg 令無因次 1/3 0.4 1.88Re 0.0077Re 3、水平管壁蒸汽冷凝、水平管壁蒸汽冷凝 （1）單管）單管 水平管可以看成不同角度傾斜水平管可以看成不同角度傾斜 壁面，進行積分壁面，進行積分 1/ 4 23 0 0.25 0.725 () 0.64 o o rg dt d L d 水 平 垂 直 當很 小 時 ， 可 以 看 成 滯 流 與 垂

15、 直 管 相 比 ： （2）管束）管束 1/ 4 23 2 /3 4 12 0.750.750.75 12 0.725 o z m z rg ndt nnn n nnn ， n垂直列上的管數(shù) ， 垂直管數(shù)不同時取平均值 4、幾點討論：、幾點討論： 對于過熱蒸汽，一般可以按飽和蒸汽對于過熱蒸汽，一般可以按飽和蒸汽 蒸汽流向蒸汽流向: 向下流，向下流， 向上流，向上流， 向上流速向上流速， () pSvS Sw rrCtt ttt 仍為 （3）不冷凝氣：在蒸汽與液膜之間形成氣）不冷凝氣：在蒸汽與液膜之間形成氣 膜。汽中含膜。汽中含1不凝氣，不凝氣，50。 （4）不光滑壁，冷凝液阻力大，膜厚）不光滑

16、壁，冷凝液阻力大，膜厚 （5）強化：）強化： 直管直管 溝槽溝槽 金屬絲（張力作用）金屬絲（張力作用）18復蓋面復蓋面 積時積時 最大。最大。 水平管：（傾斜）水平管：（傾斜） 膜、滴交錯膜、滴交錯 七、液體沸騰時的七、液體沸騰時的 ： 鍋爐、蒸發(fā)器、再沸器鍋爐、蒸發(fā)器、再沸器 溫差溫差 容積沸騰：加熱面浸于液體中容積沸騰：加熱面浸于液體中 自然對流自然對流 汽泡運動汽泡運動 管內沸騰：一定流速流動，加熱管管內沸騰：一定流速流動，加熱管 1、沸騰現(xiàn)象：、沸騰現(xiàn)象： 特征：有氣泡產生；由加熱表面首先生成；特征：有氣泡產生；由加熱表面首先生成； 必要條件必要條件過熱過熱 加熱表面過熱度最大，加熱表

17、面過熱度最大， 縫隙依托縫隙依托 表面不平整表面不平整 汽化核心，汽化核心， t 殘留氣體殘留氣體 過熱過熱生成生成長大長大上浮上浮補充過熱補充過熱 22 22 / 2 / bLbL p rp rrpppr pr ， 汽泡生成，存在 p由過熱 t造成 自然對流區(qū)自然對流區(qū) t 小小， ， 小 小K 如如 汽汽水水 冷凝冷凝水水 注意注意:若若K i，改換基準，改換基準 0.80.8 u d 5-54. 套管換熱器，氣體T190，T250； 水 t115 t230 求（1）t110時，措施； （2）若WS120，t1=15，措施。 生產任務：冷卻 (1) 原工況: 新工況：t

18、1, t1 10，生產狀況不變Q不變 11122221mSpSp KA tw cTTw ctt 0 9050 30156035 46.4 6035ln(60 /35) m tC S不變， T2，T1不變(物性不變)， 措施：若K不變工況不變，tm不變。 （物性變化不大）（物性變化不大） 措施： m QKSt 22 2 2 9050 904010 46.4 90 9040 ln 40 m T tt t t t 0 2 36.6tC 21 22211221222 21 0.564 SpSpSSS tt wcttw cttwww tt 2S w 原工況： 新工況： 由 0 4 6 .4 m tC 1

19、 1 1.2()1.2 S S wu wu 液 氣 氣 大 小 0.8 ()1.157 Ku K Ku 氣， 112Spm wcTTKAt 1.2,1.157 m QK t 倍倍 22 , mS ttw 2 2 9050 15 9035 t t 2 2 9035 90 ln 35 m t t t 112 112 Spm Spm wcTTK St wcTTK St 1 1 1.21.157 46.4 Smm Sm wttK wKt 0 2 2 2 9035 48.1225.8 90 ln 35 m t ttC t 112221 1112221 SpSp SpSp wcTTwctt wcTTwct

20、t 12221 22 12212 25.8 15 1.21.67 30 15 SSS SS SSS wwwtt ww wwttw 5-58 列管式冷凝器列管式冷凝器 （1）WS250（加熱） 原工況： 忽略壁阻： 2 122 423 40,25 2.540 ,80,25 / 0.2,1.2 10/2.1 10/120 S p AmmmtCtCwT h MPaw m K cJ kg KTC 冷 油 飽和蒸汽壓力，查 120 120 40808040 57.7 8040ln(80/40) m T t tC 2221Sp w cttKA t 3 22212 25000 2.1 108040 3600

21、 252.74 / 40 57.7 Sp m w ctt Kw mK A t 2 4 111111 25 322.7 252.741.2 1020 o i oiii d w m K Kd 0.822 0.82 3 2 2 111 322.7 1.5446.4 / 346.8 / 1.5349.58 / 1.5 250002.1 1040 3600 1.576940 346.8 40 o i oii m d w m KKw m K K KKw m K t tt 利用 2 2 2 2 2 0 2 120 120 8012040 1.576940 80 80120 ln 120 77.5 tt t t t tC 若用若用 (b)飽和壓力飽和壓力0.3MPa，T由由120升至升至133， K與與(a)中中K相同相同 2221 2221 Sp m Spm wctt tK wcttKt 2 0 22 2 40 80 ln 40120 1.51.38377.8 804057.7 t tt t