化工原理3-3.ppt

化工原理 第三节对流传热 3 3 1对流传热分析 3 3 2牛顿冷却定律及对流传热系数 3 3 3对流传热中量纲分析法的应用 的求算 3 3 4无相变时的对流传热系数 的确定 3 3 5有相变时流体对流传热系数 的确定 第四节传热计算 3 4 1热负荷 的确定 3 4 2总传热速率方程 3 4 3总传热系数K 3 4 4平均温度差法 书面作业 P174 14 19 3 3 2牛顿冷却定律及对流传热系数 一 对流传热速率方程 流体与壁面间的对流传热速率由牛顿冷却定律表达式 对流传热系数和传热面积以及温度差相对应 见图 二 对流传热系数 及其影响因素 对流传热系数的物理意义表示流体与壁面间温差为 时 单位时间通过单位面积以对流传热方式传递的热量 表示了对流传热的强度 影响 的因素 流体的种类及相变化情况 流体的物理性质 Cp 流体运动状态依Re划分 对流状况自然对流 强制对流 传热壁的形状 大小及安装位置 返回 3 3 3对流传热中量纲分析法的应用 的求算 对不同的传热情况 需选用不同的对流传热的关联式 注意关联式的使用条件 适用范围 定性温度 特征尺寸 返回 3 4 1热负荷 数值上等于传热速率 的确定 根据能量衡算 单位时间内热流体放出之热量等于冷流体吸收的热量 即Q Qh Qc 无相变时Qh Wh Cph T1 T2 Qc Wc Cpc t2 t1 有相变时Qh Wh rnQc Wc rc 返回 3 4 2总传热速率方程 冷 热流体通过间壁的传热过程是热流体与壁面的对流传热 壁内的导热和另一侧壁面与冷流体的对流传热三个环节的串联过程 对于稳定传热过程 冷 热流体间的传热速率 返回 3 4 3总传热系数K 1 外表面为基准的总传热系数 不包括污垢热阻 计算式为 2 以外表面为基准的总传热系数 包括污垢热阻 计算式为 推导 例 3提高总传热系数的途径 推导 返回 3 4 4平均温度差 一 恒温传热 二 变温传热 1 逆流或并流 当 2时 例 2 错流和折流时的按逆流计算 加以校正 即 式中 按逆流计算的对数平均温差 温差校正系数 f P R 例 P155例3 7 R 0 5 P 0 57查图 返回 热传递三种基本方式 传导 对流和辐射 传热过程的总热阻1 K是由各串联环节的热阻叠加而成 原则上减小任何环节的热阻都可以提高传热系数 但是 当各个环节的热阻相差较大时 总热阻的数值将主要由其中的最大热阻所决定 此时强化传热的关键在于提高该环节的传热系数 例如 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 污垢热阻式可简化为1 k 1 1 1 2 若 1 2 则1 k 1 2 欲要提高K值 关键在于提高对流传热系数较小一侧的 2 若污垢热阻为控制因素 则必须设法减慢污垢形成的速率或及时清除污垢 返回 14 在列管式换热器中用冷水冷却油 水在直径为 19 2mm的列管内流动 已知管内水侧对流传热系数为3490W m2 管外油侧对流传热系数为258W m2 换热器在使用一段时间后 管壁两侧均有污垢形成 水侧污垢热阻为0 00026m2 W 油侧污垢热阻为0 000176m2 W 管壁导热系数为45W m 试求 1 基于管外表面积的总传热系数 2 产生污垢后热阻增加的百分数 解 1 基于管子外表面积的总传热系数KO W m2 2 产生垢淀后热阻增加的百分数 返回 T热流体平均温度 t冷流体平均温度 壁温TW 壁温tW 假设对流传热过程是在厚度为 t的有效膜内进行的 而且膜内只有热传导 t是集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜厚 T t tW TW 返回 大案要案 返回 无相变流体 的确定 因次分析法 找出影响因素 f Cp L u g t 列出各物理量因次 因次分析 M 3T 1 ML 3T 1 ML 3 ML 1 1 L LM0L0 0T0 M 3T 1 ML 3 x1 ML 1 1 y1 ML 3T 1 Z1LW1 解得 X1 0Y1 0Z1 1W1 1 1 L Nu努塞尔特准数 2 uL Re雷诺准数 3 Cp Pr普兰特准数 4 g tL3 2 2 Gr格拉斯霍夫准数 关联式f Nu Re Pr Gr 0或Nu CRem Prn Gric m n i由实验测得 返回 对流传热系数的经验关联式 一 管内的强制对流 1 流体在圆形直管内作强制湍流 Nu 0 023Re0 8Prn或 0 023 Re0 8Prn d 流体被加热n 0 4 流体被冷却n 0 3 2 流体在圆形直管内作强制层流 Nu Nu 0 8 1 0 015Gr 1 3 3 流体在圆形直管的过渡区流动 1 6 105 Re1 8 二 管外强制对流 1 流体垂直于管束流动 如图为换热器折流挡板示意图 管子的排列方式 直列 错列直列管束 Nu 0 26Re0 6Pr0 33 错列管束 Nu 0 33Re0 6Pr0 33 2 流体在换热器管间流动 Nu c Prn GriNu c Pr Gr nc n查表可知 返回 返回 一 蒸汽冷凝 饱和蒸汽ts和冷壁面tw接触 ts tw 蒸汽放出潜热 在壁面凝成液体 膜状液体和滴状液体 1 膜状冷凝 可润湿 壁面形成液膜 蒸汽只能在液膜表面冷凝 与直接接触壁相比 附加了液膜的热阻 因 液小 所以R液大 所以Q变小 越厚 传热效果越差 2 滴状冷凝 不润湿 表面张力F 液滴 长大降落带走下方液滴 壁面重新覆盖 蒸汽与大部分壁面接触 无附加热阻 二 液体的沸腾传热 在液体的对流传热过程之中 伴有由液相变为气相 即在液相内部产生气泡或气膜的过程 称为液体沸腾 又称沸腾传热 工业上液体沸腾的方法有两种 一种是将加热壁面浸没在无强制对流的液体中 液体受热沸腾 称为大容积沸腾 另一种是液体在管内流动时受热沸腾 称为管内沸腾 如图为水的沸腾曲线 它从一个方面可以说明液体沸腾的规律 返回 热流体一侧对流传热速率 间壁导热速率 冷流体一侧对流传热速率 T t tW TW 三式相加得 与总传热速率方程dQ KdS T t 相比 得 若为平壁 dS dSi dSm dS0 则 若为圆筒壁 dS dSi dSm dS0 则 1 以外表面为基准 dS dS0 的总传热系数K0 2 以内表面为基准 dS dSi 的总传热系数Ki 同理可得 3 以平均传热面积为基准 dS dSm 的总传热系数Km 同理可得 返回 t1 t2 T1 T2 L 管长 t1 T2 T1 t2 t1 t2 T1 T2 L 管长 t1 T2 T1 t2 动画 返回 有一列管换热器 热水走管内 冷水在管外 逆流操作 经测定热水的流量为200kg h 热水进出口温度分别为323K 313K 冷水的进出口温度分别为283K 296K换热器的传热面积为1 85m2 试求该操作条件的传热系数K值 解 水的平均比热取4 18kJ kg K 换热器的热负荷为 Q WcP T1 T2 传热温度差T323 313因 t1 30 t296 283 t2 27 t2730 2 所以 返回 P R