化工原理第四章第二三节第14次课课件.ppt

1、2023-2-2上次课内容复习上次课内容复习5、传热速率方程式：、传热速率方程式：6、傅、傅立叶定律：立叶定律：7、单层平壁的稳定热传导速率方程：、单层平壁的稳定热传导速率方程：mtKAQ dxdtAQ ）（21ttAbQ 8、多层平壁的稳定热传导速率方程：、多层平壁的稳定热传导速率方程：n1iii1n1AbttQ 2023-2-2上次课内容复习上次课内容复习9、单层圆筒壁的稳定热传导速率方程：、单层圆筒壁的稳定热传导速率方程：mmlr2A）（21mttAbQ 1212mrrlnrrr1212mAAlnAAA10、单位圆筒壁长度稳定热传导热流密度方程：、单位圆筒壁长度稳定热传导热流密度方程：1

2、221rrlntt2lQq2023-2-22、多层圆筒壁的热传导、多层圆筒壁的热传导 与多层平壁的稳定热传导计算类与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：似，可导出：321QQQQ Q)tt(Ab21m 单层圆筒壁导热速率公式：单层圆筒壁导热速率公式：m21Abtt 多层圆筒壁导热速率公式：多层圆筒壁导热速率公式：miiin1i1nnAbttQ 2023-2-2多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：i1iin1i1nn1rrln1)tt(2lQq 2023-2-2第四章第四章第四章第四章第四章第四章 传热传热传热传热传热传热一、对流传热的分析一、对流传

3、热的分析二、壁面和流体的对流传热二、壁面和流体的对流传热速率速率三、对流传热系数的影响因三、对流传热系数的影响因素素四四、对流传热过程的、对流传热过程的特特征数征数关系式关系式五、流体无相变时的对流传五、流体无相变时的对流传热系数热系数六、流体有相变时的对流传六、流体有相变时的对流传热系数热系数第三节第三节第三节第三节第三节第三节 对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热对流传热2023-2-2一、流体对流传热的分析一、流体对流传热的分析一、流体对流传热的分析一、流体对流传热的分析一、流体对流传热的分析一、流体对流传热的分析 流体沿固体流体沿固体壁面的流动壁面的流动 层流内层层流内层过渡层过渡

4、层湍流主体湍流主体流体分层运动，相邻层间没有流体的流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。宏观运动。在垂直于流动方向上不存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在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。体的热传导。该层中该层中温度差较大，即温度差较大，即温度梯度较大。温度梯度较大。热对流和热传导作用大致相同，热对流和热传导作用大致相同，在该层在该层内温度发生较缓慢的变化。内温度发生较缓慢的变化。温度梯度很小，温度梯度很小，各处的温度基本相同。各处的温度基本相同。2023-2-2 对流传热是集流体对流和热传导于一体的综合现象。对流传热是集流体对流和热传导于一体的综合现象。对流

5、传热的热阻主要集中在层流内层。减薄层流内层的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。厚度是强化对流传热的主要途径。2023-2-2二、壁面和流体间的对流传热方程二、壁面和流体间的对流传热方程二、壁面和流体间的对流传热方程二、壁面和流体间的对流传热方程二、壁面和流体间的对流传热方程二、壁面和流体间的对流传热方程 1、对流传热速率表达式、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：对流传热阻力对流传热阻力对流传热推动力对流传热推动力对流传热速率对流传热速率 推动力：壁面和流体间的

6、温度差推动力：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。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，根据有效膜模型，对流传热速率方程对流传热速率方程可以表示为：可以表示为：AttAtAQ 1 牛顿冷却公式牛顿冷却公式 2023-2-2对流传热系数或称为膜系数，单位对流传热系数或称为膜系数，单位 W/(m2k)或或W/(m2)t对流传热温差，对热流体对流传热温差，对热流体t=T-Tw，对冷流体，对冷流体t=tw-t2、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数对流传热系数定义式：定义式：tAQ 表示表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。单位温度差下，单位

7、传热面积的对流传热速率。反映了反映了对流传热的快慢对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。，对流传热系数大，则传热快。tAQ P129 例例4-52023-2-2三、对流传热系数三、对流传热系数三、对流传热系数三、对流传热系数三、对流传热系数三、对流传热系数 的影响因素的影响因素的影响因素的影响因素的影响因素的影响因素 1、流体的物性、流体的物性1）导热系数）导热系数 层流内层的温度梯度一定时，层流内层的温度梯度一定时，流体的热导率流体的热导率 ，对流，对流传热系数传热系数 。2）黏度）黏度 流体的黏度流体的黏度 ，流动阻力越大，对流传热系数，流动阻力越大，对流传热系数 。3）比热容）比热容

8、 CP和密度和密度（CP 单位单位 J/kgK）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 ，流体携带热量的能力愈强，流体携带热量的能力愈强，对流传热对流传热 。2023-2-2（4）体积膨胀系数）体积膨胀系数（单位（单位 1/K1/K）体积膨胀系数体积膨胀系数值值，密度差愈大，密度差愈大，有利于自然对流，有利于自然对流，对强制对流也有一定的影响，对流传热系数对强制对流也有一定的影响，对流传热系数。2、流体流动的原因、流体流动的原因 强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：由于外力的作用引起的对流。工业上常见。由于外力的作用引起的对流。工业上常见。由于流体内部存在

9、温度差，使得各部分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：。单位体积的流体所受的浮力为：tggg 22221t1 2023-2-23、流体主体的流动状态、流体主体的流动状态 湍流的对流传热系数湍流的对流传热系数层流的对流传热系数层流的对流传热系数。4、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况 液体的液体的 气体的气体的 对于同一液体，对于同一液体，rCP（r比汽化热，比汽化热，J/kg）相变时的相变时的无相变时的无相变时的5、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 传热面的位置：水

10、平、垂直；形状：圆管、平板；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。特征尺寸：对流体流动和传热有决定性影响的尺寸。2023-2-2四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式四、对流传热的特征数关系式四、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、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：列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：)(tgclufp ，确定确定n的数目：的数目：8 n根据根据定理：定理：mnN 2023

11、-2-22、列出各物理量的量纲、列出各物理量的量纲各物理量的量纲各物理量的量纲物理量物理量量纲量纲13 TM lL3 LM11 LMPC1 L122 TL 13 TML utg 2-TL 确定确定m的数目：的数目：4 m确定确定N的数目：的数目：448 N特征数之间的关系式：特征数之间的关系式：（半经验式）（半经验式）cbPatglCluKl 223 2023-2-2各特征数的符号和意义各特征数的符号和意义准数名称准数名称符号符号特征数特征数意义意义努塞尔数努塞尔数（Nusselt）Nul表示对流传热系数表示对流传热系数 雷诺数雷诺数（Reynolds）Relu表示流体的流动状态和表示流体的流

12、动状态和湍动程度对传热的影响湍动程度对传热的影响普朗特数普朗特数（Prandtl）Prpc表示流体各物性对传热表示流体各物性对传热的影响的影响格拉晓夫数格拉晓夫数（Grashof）Gr223tlg表示自然对流对对流传表示自然对流对对流传热的影响热的影响2023-2-23、应用特征数关联式应注意的问题、应用特征数关联式应注意的问题1）应用范围：关联式中）应用范围：关联式中Re、Pr、Nu、Gr等特征数的数值等特征数的数值范围以及常数范围以及常数K、指数、指数a、b、c，一般根据，一般根据实验确定，使用时不能超出该范围。实验确定，使用时不能超出该范围。2）特征尺寸：特征尺寸：Nu、Re、Gr数中数

13、中l应如何选定。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。）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：将关联式用各特征数的符号表示：cbaGrKNuPrRe 2023-2-2五、流体无相变时的对流传热系数的经五、流体无相变时的对流传热系数的经五、流体无相变时的对流传热系数的经五、流体无相变时的对流传热系数的经五、流体无相变时的对流传热系数的经五、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式验关联式验关联式验关联式验关联式验关联式（一）流体在管内作强制对流传热（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、流体在圆形直管内作强

14、制湍流时的值值1)低黏度（低黏度（2mPas）流体）流体 nr.euPR.N800230nP8.0cdud023.0 或或当流体被当流体被加热时加热时n=0.4，流体被，流体被冷却时，冷却时，n=0.3。cPJ/kgK2023-2-2,1207.0,104 rePR管长与管径比管长与管径比 60/dl应用范围：应用范围：特征尺寸：特征尺寸：Nu、Re等准数中的等准数中的l取为管内径取为管内径d。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。2)高黏度高黏度（2mPas）的液体的液体 14.033.08.0027.0 wreuPRN 14.0 w 为考虑

15、热流体方向的校正项。为考虑热流体方向的校正项。14.033.08.0027.0 wPCdud 2023-2-2W壁温下的液体黏度，单位壁温下的液体黏度，单位Pas；流体被加热时：取流体被加热时：取 =1.05 流体被冷却时，取流体被冷却时，取 =0.9514.0 w 14.0 w 应用范围：应用范围：60,167007.0,10Re4 dlPr特征尺寸：特征尺寸：l 取为管内径取为管内径 d。定性温度：定性温度：除除w取壁温以外，其余物性参数的定性温度均取取壁温以外，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。液体进、出口温度的算术平均值。2023-2-23)对于短管（对于短管（l

16、/d60）可采用前面的两个公式计算可采用前面的两个公式计算值再乘以值再乘以管入口效应校正管入口效应校正系数系数：7.011 ld 4)对于弯管对于弯管 可采用前面的两个公式计算可采用前面的两个公式计算值再乘以值再乘以弯管效应校正系弯管效应校正系数数：RdR77.11 P133 例例4-62023-2-22、流体在圆形直管内作强制层流时的流体在圆形直管内作强制层流时的值值 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，流速比较低当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，流速比较低，Gr直列直列。直列直列错列错列2023-2-2流体在管外垂直流过时的对流传热系数关联式：流体在管外垂直流过时的对流传热系数关联式

17、：4.0PrRenCNu C、n由实验确定。由实验确定。特征尺寸：特征尺寸：l 取管外径取管外径d定性温度：定性温度：流体进出口温度的算术平均值。流体进出口温度的算术平均值。应用范围：应用范围：52.1,52.1,107-105Re2143 dxdx流速流速u取流动方向上最窄通道处的流速。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：管束的平均对流传热系数计算公式：iiimAAAAAAAA 3213322112023-2-21）流体）流体在错列管束外流过时在错列管束外流过时，平均对流传热系数，平均对流传热系数33060330.PrRe.Nu 2）流体）流体在直列管束外流过时在直

18、列管束外流过时，平均对流传热系数，平均对流传热系数33060260.PrRe.Nu 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。2023-2-2（三）大空间自然对流传热（三）大空间自然对流传热 nrruPGCN npCtlglC 332或或定性温度定性温度：壁温壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温膜温。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

19、有阻碍自然对流的自然对流，并且周围没有阻碍自然对流的物体。物体。2023-2-2六、流体有相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数六、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（一）蒸气冷凝时的对流传热系数 1、蒸气冷凝的方式、蒸气冷凝的方式 1)膜状冷凝：膜状冷凝：若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜。整的液膜。2)滴状冷凝：滴状冷凝：若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作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

20、形成许多液滴，并沿壁面用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。落下。2023-2-22、饱和蒸气膜状冷凝的传热系数饱和蒸气膜状冷凝的传热系数4103232725.0 tdnrg n水平管束在垂直裂伤的管子数；水平管束在垂直裂伤的管子数；d0管外径；管外径；t饱和蒸气温度饱和蒸气温度 ts 与壁温与壁温 tw 之差；之差；定性温度定性温度：壁温壁温tw和饱和蒸气温度和饱和蒸气温度ts的算术平均值。的算术平均值。特征尺寸特征尺寸：l 取管外径取管外径d0。2023-2-2液膜为层流时：液膜为层流时：413213.1 tlrg 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。定

21、性温度：定性温度：蒸汽冷凝潜热蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度取其饱和温度ts下的值，其余物下的值，其余物性取膜温（性取膜温（ts与与 tw 的算术平均值的算术平均值）。）。应用范围：应用范围：1800Re滞流时，滞流时，Re值增加，值增加，减小；减小；2023-2-2若膜层为湍流（若膜层为湍流（Re1800）时）时4.031232Re(0077.0）g 湍流时，湍流时，Re值增加，值增加，增大；增大；饱和蒸气冷凝时饱和蒸气冷凝时值的计算需采用试差法：值的计算需采用试差法：假设流型假设流型计算计算值值验算验算Re与流型范围比对与流型范围比对2023-2-2 Re表达式表达式设冷凝液液膜的流动截面积为

22、设冷凝液液膜的流动截面积为S，壁面湿润周边长度为，壁面湿润周边长度为则则 Sde4 ude Re冷凝液的质量流量为：冷凝液的质量流量为：Suqm mq4Re 蒸气冷凝时向避免传递的热量：蒸气冷凝时向避免传递的热量：tltAQ tlrqm 得：得：rtlqm rtl4Re uS4Re 2023-2-23、影响冷凝传热的因素、影响冷凝传热的因素1）冷凝液膜两侧的温度差）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈滞流流动时，当液膜呈滞流流动时，若若t加大加大，则蒸汽冷凝速率增加，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。冷凝传热系数降低。2）流体物性）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系

23、数，蒸汽的冷凝潜热，都影液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数（响冷凝传热系数（、r ，；，）。）。3)蒸汽的流速和流向蒸汽的流速和流向 蒸汽和液膜蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使同向流动，厚度减薄，使增大；增大；蒸汽和液膜蒸汽和液膜逆向流动，逆向流动，减小；减小；当当u10m/s时，液膜被蒸汽吹离壁面，时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，当蒸汽流速增加，急剧增大；急剧增大；2023-2-24)蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，遮

24、盖，增加了一层附加热阻，使使急剧下降急剧下降。5)冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响 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。热系数下降。例如例如管束，管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此逐渐增厚，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。冷凝面的表面情况对冷凝面的表面情况对影响也很大，影响也很大，若壁面粗糙不平或有若壁面粗糙不平或有氧化层，氧化层，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。2023-2-2（二）液体沸腾时的对流传热系数（

25、二）液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾液体沸腾 大容器内沸腾大容器内沸腾把加热面浸入大容器的液体把加热面浸入大容器的液体中，液体被壁面加热中，液体被壁面加热而引起而引起无强制对流的沸腾现象。无强制对流的沸腾现象。管内沸腾管内沸腾 1、沸腾曲线、沸腾曲线 当当温度差较小温度差较小时，液体内部产生时，液体内部产生自然对流自然对流，较小，且较小，且随温度升高较慢。随温度升高较慢。当当t逐渐升高逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为部位置称为气化核心气化核心。气泡产生的速度。气泡产生的速度t随上升而增加，随上升而增加，急剧增大。急剧增大。称为称为饱和

26、沸腾或核状沸腾。饱和沸腾或核状沸腾。2023-2-2qABCDA-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：ttc2023-2-2 当当t再增大，再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡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，形成一层起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。不稳定的蒸汽膜。当当t在增大，在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，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

27、稳定的膜状沸腾。由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。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。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。2023-2-22、影响沸腾传热的因素、影响沸腾传热的因素 1)液体性质的影响液体性质的影响 一般情况下，一般情况下，随随、的增加而加大，而随的增加而加大，而随和和增加增加而减小。而减小。2）温度差）温度差t的影响的影响 ntC 核

28、状沸腾区：核状沸腾区：2023-2-23)操作压强的影响操作压强的影响 提高沸腾压强，液体的饱和温度上升，提高沸腾压强，液体的饱和温度上升，液体的表面张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。热。在相同在相同t的下，传热系数的下，传热系数增加。增加。4)加热表面的影响加热表面的影响 新的或清洁的加热面，新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后较高。当壁面被油脂沾污后，气化核心减少，会使，气化核心减少，会使急剧下降。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

29、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。nmptC 核状沸腾区：2023-2-2七、选用对流传热系数关联式的注意事项七、选用对流传热系数关联式的注意事项七、选用对流传热系数关联式的注意事项七、选用对流传热系数关联式的注意事项七、选用对流传热系数关联式的注意事项七、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；、针对要解决的传热问题类型，选择适当的关联式；的计算公式的计算公式半经验式（量纲分析法）半经验式（量纲分析法）经验式经验式2、要注意关联式的使用条件；、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；、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、应学会分析各关联式中各物理量对 的影响的影响；5、强制对流时液体、强制对流时液体 空气空气，水的，水的有机液体有机液体，同一，同一液体，有相变液体，有相变无相变无相变。2023-2-2作作 业业P182 4-4P182 4-4、4-64-6