化工原理上考研精品課程對流傳熱

1、化工原理上考研精品課程對流傳熱第1頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二第2頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二4.3.1 對流傳熱分析（1）流體主流：由于流體內(nèi)漩渦叢生，流體各部分激烈混合，所以傳熱熱阻很小，橫向（徑向）的溫度趨于一致；（2）層流底層：傳熱以導熱方式進行的，流體膜雖薄，卻是對流傳熱的主要熱阻所在，溫度降也主要集中在層流底層中。溫度分布為一直線；（3） 過渡區(qū)：溫度分布為一曲線第3頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二4.3.2 對流傳熱的分類無相變強制對流流體在外力作用下強制流動引起的傳熱 自然對流流體內(nèi)部存在溫度差而產(chǎn)

2、生內(nèi)循環(huán) 有相變 蒸汽冷凝傳熱液體沸騰傳熱設(shè)a處密度為，b處的密度為a、b兩點的壓力差環(huán)流速度：第4頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二4.3.3 對流傳熱速率方程（牛頓冷卻定律）流體假設(shè)：（1）熱流體溫度T和固體壁面溫度TW之差全部集中在厚度t的有效膜層內(nèi)；（2）穿過有效膜的傳熱方式僅為熱傳導。第5頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二根據(jù)傅立葉定律，有：熱流體被冷卻，從熱流體主體向固體壁面的對流傳熱。冷流體被加熱，從固體壁面向冷流體主體的對流傳熱。上兩式稱為對流傳熱速率方程，也稱為牛頓冷卻定律第6頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二

3、常見流體流動類型的大致范圍 傳熱類型/ W(m2K)-1傳熱類型/ W(m2K)-1空氣自然對流空氣強制對流水自然對流水強制對流有機液體強制對流525303002001000100080005001500水蒸氣冷凝有機蒸汽冷凝水沸騰有機物沸騰500015000500300015003000050015000第7頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二4.3.4 影響對流傳熱系數(shù)的因素流體類型與物性：，C流體的流動狀態(tài) ：湍流、層流 、過渡流傳熱面特性尺寸：形狀（如圓管、平板、管束）、大?。ㄈ绻荛Ll、管徑d等）以及位置等對流流動的起因 ：強制對流：流速u；自然對流：浮升力gt流體

4、的相變化：蒸汽的冷凝，液體的沸騰等； 有相變的值比無相變時大很多 獲得的主要方法：理論分析法 解析求解、數(shù)值求解實驗法： 半理論半經(jīng)驗方法，是目前的主要方法。第8頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二無相變時變量8個，基本因次4個，由定理無因次準數(shù)n=8-4=4個定理：基本因次有4個：長度m，時間s，質(zhì)量kg，溫度K無相變時變量數(shù)有8個：第9頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二準數(shù)的物理意義注意：a. 應用范圍：各準數(shù)關(guān)聯(lián)式都有一定適用范圍（實驗范圍），外推是不可靠的；b. 定性溫度：流體和傳熱面的溫度是沿程變化的，流體物性也是變化的； c. 特性尺寸：傳

5、熱面幾何因素有時很復雜，選取起決定作用的幾何參數(shù)作特征尺寸。 準數(shù)名稱符 號 意義 努塞爾準數(shù)(Nusselt number)表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾準數(shù)(Reynolds number)表示流體的流動狀態(tài)和湍動程度對對流傳熱的影響普蘭特準數(shù)(Prandtl number)表示流體物性對對流傳熱的影響格拉斯霍夫準數(shù)(Grashof number)表示自然對流對對流傳熱的影響第10頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二4.3.5 對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式1、流體在管內(nèi)強制對流n 0.4-流體被加熱0.3-流體被冷卻討論：（a）適用范圍：Re104,0.7Pr160，低粘度；特性

6、尺寸：管內(nèi)徑d； 定性溫度：流體平均溫度，t=(t1+t2)/2,T=(T1+T2)/2；一、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)(1)、流體在圓形直管內(nèi)強制湍流（b）高粘度流體：第11頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二(2)、流體在圓形直管內(nèi)強制過渡流(3)、流體在圓形直管內(nèi)強制層流即：當壁溫不好測量時,取第12頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二R圓形彎管的曲率半徑(4)、流體在圓形彎管內(nèi)的流動(5)、流體在非圓形直彎管內(nèi)的強制對流第13頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二2、管外強制對流流體在管外垂直流過時的傳熱系數(shù)沿管表面的變化 工業(yè)

7、上常見的是在換熱器內(nèi)流體橫向流過管束的情況(1)直列 (2)正三角形錯列 (3)正方形錯列 第14頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二（2）、流體在管束外強制對流式中常數(shù)c、n與管束的排列方式、管子所在位置有關(guān)。整個管束的平均傳熱系數(shù)為：式中：定性溫度為流體平均溫度；定性尺寸為管外徑；流速取垂直于流動方向最窄處的流速。（1）、流體在單管外強制對流當Re=8103時 當Re1032105時 第15頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二（3）、換熱器殼程的傳熱 ( 殼層是圓筒狀，各排的管數(shù)不同。換熱器內(nèi)裝有圓缺擋板，大部分是橫向流過管束，但在繞過析流檔板時，變

8、更了流向，不垂直于管束。 )上式中，特性溫度除w取壁溫外，其余均取流體平均溫度。特性尺寸采用當量直徑de 。管子為正方形直列時：管子為三角形錯列時：流速u按最大流通截面A計算： 常用的列管換熱器，大多裝有折流擋板，各排的管數(shù)不同。第16頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二3、自然對流的傳熱系數(shù) (大型冷庫內(nèi)冷卻蛇管)定性溫度取壁溫tW與流體平均溫度tm的平均值，稱為膜溫；定性尺寸根據(jù)情況決定。C和n可通過實驗測得。 第17頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二二、 有相變時的對流傳熱1、蒸汽冷凝的對流傳熱（1）膜狀冷凝與滴狀冷凝傳熱推動力：t=ts - t

9、W工業(yè)上應用較多的是膜狀冷凝根據(jù)傅立葉定律：（2）蒸汽冷凝對流傳熱系數(shù)蒸汽在水平管外冷凝蒸汽在垂直管外冷凝第18頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二（3）影響冷凝傳熱因素及強化傳熱方法 不凝性氣體的存在，使傳熱系數(shù)降低。在冷凝器上方應設(shè)有排氣口。 過熱蒸汽的冷凝：推動力仍為 t=ts-tW 冷凝潛熱 蒸汽的流向及流速：影響液膜的厚度。蒸汽入口設(shè)在換熱器的上方 強化傳熱的基本方法：有效減小液膜的厚度、第19頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二2、液體沸騰沸騰傳熱的推動力為：t=tw-ts兩種沸騰：管內(nèi)沸騰和大容積沸騰（1）沸騰現(xiàn)象：沸騰的條件：過熱度t=t

10、w-ts汽化核心氣泡易在凹縫中產(chǎn)生。產(chǎn)生的氣泡不斷生成、長大、脫離加熱面，使沸騰傳熱系數(shù)大大加大。核狀沸騰好，工業(yè)上采用。（2）影響沸騰傳熱的因素： 液體的性質(zhì)：表面張力，cp 加熱表面的粗糙情況和表面物理性質(zhì) 操作壓強和溫度差第20頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，星期二（3） 沸騰傳熱的計算式中：A和B通過實驗測定，不同表面與液體的組合其值不同； t=tw-ts tw 壁溫 ts 蒸汽的飽和溫度。（4） 沸騰傳熱過程的強化 液體物性： 和增大， 和減小，有利于沸騰傳熱； 加入少量的某種添加劑以改變沸騰液體的表面張力 ； 加熱面狀況：表面粗糙，孔膜多，可提供較多的汽化核心； 溫度差和壓力：過熱度tW-ts愈大，或tW-ts恒定提高壓差，有利沸騰傳熱。第21頁，共22頁，2022年，5月20日，0點32分，