【化工原理 课件】4.3对流传热

4 3对流传热4 3 1对流传热过程分析4 3 2对流传热速率4 3 3影响对流传热系数的因素4 3 4对流传热系数关联式的建立4 3 5无相变时的对流传热系数关联式4 3 6有相变时的对流传热系数关联式 4 3 1对流传热过程分析 A t2 qm1 T1 qm2 t1 T2 4 3 2对流传热速率 牛顿冷却定律 t 总有效膜厚 e 湍流区和过渡区虚拟膜厚 层流底层膜厚 膜模型 h 对流传热系数 传热膜系数 W m 2 1 牛顿冷却定律 流体被冷却 t T TW被加热 t tW t 1 2 复杂问题简单化表示 h 4 3 3影响对流传热系数的因素 一 引起流动的原因 自然对流 壁面处t2和主体t1 如t2 t1时 2 1 体积膨胀系数 温度改变1 C时 流体体积的变化率 对理想气体 h强 h自 二 流体的物性 cp 强制对流 单位体积流体所受浮升力 单位质量流体所受浮升力 g t 代表自然对流的能力 u 五 是否相变蒸汽冷凝 液体沸腾 四 传热面的形状 大小和位置 三 流动型态 h湍 h层 h相变 h无相变 特性尺寸l 对流动与换热有主要影响的传热面尺寸 4 3 4对流传热系数关联式的建立 一 因次分析 基本因次 长度L 温度t 质量M 时间 变量总数 8个由 定理 8 4 4 可知有4个无因次数群 h f u l cp g t 待定准数 流动型态 流体物性 自然对流 二 实验安排及结果整理强制湍流 Nu CReaPrk 1 采用不同Pr的流体 固定RelgNu klgPr lgCRea双对数坐标系得一直线 斜率为k 2 相同Pr的流体在不同的Re下lg Nu Prk algRe lgC在双对数坐标系中得一直线斜率为a 截距为C 三 使用h关联式的注意事项 1 特征尺寸l对于管内流动 特征尺寸为直径d 对于垂直放置的平板的自然对流 特征尺寸为板的长度l 3 适用范围 2 确定物性参数数值的温度称为定性温度 h关联式 无相变 有相变 自然对流 强制对流 湍流过渡区层流 蒸汽冷凝液体沸腾 一 流体在管内的强制对流 适用范围 Re 10000 0 760 4 3 5无相变时的对流传热系数关联式 1 圆形直管内的湍流 流体被加热时 k 0 4 被冷却时 k 0 3 定性温度 液体 特性尺寸 di 气体 强化措施 d一定 h u0 8 u h u一定 h 1 d0 2 d h 以下是对上面的公式进行修正 1 高黏度 适用范围 Re 10000 0 760定性温度 tm特性尺寸 di 2 l d 60 3 过渡区 2000 Re 10000 4 弯曲管内 h h h 5 非圆形管强制湍流 a 当量直径法 b 直接实验法 套管环隙 适用范围 1 2 104 Re 2 2 105 d2 d1 1 65 17d1 内管外径 d2 外管内径 用de代di u用实际A流通计算 例4 4 一列管式换热器 由38根 25 2 5mm的无缝钢管组成 苯在管内流动 由20 加热到80 苯的流量为8 32kg s 1 外壳中通入水蒸气进行加热 求 1 管壁对苯的h 2 管子换为 19 2mm 管壁对苯的h 3 当苯的流量提高一倍 h变化如何 4 如苯走壳程 水蒸气走管内 h如何计算 设外壳直径为450mm 已知 苯的物性 1 管壁对苯的h 2 管子换为 19 2mm 管壁对苯的h 3 当苯的流量提高一倍 4 如苯走壳程 水蒸气走管内 特点 导致速度分布受热流方向影响层流受自然对流影响大 h 2 圆形管内强制层流 液体 适用范围 当 定性温度 流体平均温度 特性尺寸 di 二 管外强制对流的h 1 流体在管束外垂直流过 整个管束 适用范围 特征尺寸 do 定性温度 单列管 2 流体在列管换热器壳程的流动 挡板形式 圆形圆缺形 目的 1 增强壳程流体的湍动 提高h 2 支承管束 圆缺形 正方形 正三角形 适用范围 u按流过管间最大截面积计算 H 两挡板间距离D 外壳内径 无折流挡板时 流体平行流过管束 h按管内强制对流计算 但di换为de 提高壳程h的措施 3 加强湍动 h 2 1 三 大空间的自然对流传热 定性温度 膜温特性尺寸 垂直的管或板为H 水平管为do C n 由实验测定 例 4 5 在外径为152mm的水平管内通有171oC的饱和水蒸气 管外空气温度为21oC 试求 1 管道不保温 每米管长因空气自然对流引起的热损失 2 管外包有一层50mm厚的保温层 使保温层的表面温度降为59oC 此时每米管长因空气自然对流造成的热损失又为多少 保温层的导热系数是多少 解 1 管道不保温 空气的定性温度 查定性温度下空气的物性参数 0 956kg m 3 3 167 10 2W m 1 K 1 Pr 0 694 2 17 10 5kg m 1 s 1 1 t定 1 96 273 1 369K 1 因5 102 Gr Pr 5 107 查表得C 0 54 n 1 4 所以空气自然对流传热系数h有 热损失Q L h do t 7 4 0 152 171 21 530W m 1 W m 2 K 1 2 管道保温后 空气的定性温度 查该定性温度下空气的物性参数 1 128kg m 3 2 754 10 2W m 1 K 1 Pr 0 696 1 191 10 5kg m 1 s 1 1 t定 1 40 273 1 313K 1 因5 102 Gr Pr 5 107 查表4 3得C 0 54 n 1 4包保温层后空气自然对流传热系数h 包保温层后的热损失Q L h do t 4 9 0 252 59 21 147 3W m 1 W m 2 K 1 保温层的导热系数有 为什么把蒸汽温度看成是管外壁温度 一 蒸汽冷凝 冷凝方式膜状冷凝滴状冷凝 4 3 6有相变时的对流传热系数关联式 h滴 h膜 主要热阻 液膜 2 蒸汽冷凝的h 1 水平管束外 n 水平管束在垂直列上的管数r 汽化潜热 按ts查 特性尺寸 do 定性温度 膜温 2 竖直壁或管外 qm 冷凝液量 kg s 1M 冷凝负荷 单位时间单位长度湿润周边的冷凝液量 kg s 1 m 1 层流 Re 1800 Re 1800 湍流 4 冷凝传热的影响因素和强化措施 1 流体物性冷凝液 r h 2 温差层流 t ts tW h 3 不凝气体不凝气存在 h 定期排放 4 蒸汽流速与流向 u 10m s 同向时 h 反向时 h u h 5 蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程一般不考虑过热蒸汽的影响 即忽略过热蒸汽的冷却过程 6 冷凝面的形状和位置 强化措施 减少液膜的厚度开纵向沟槽 采用错列 安装金属丝或翅片 例 4 6 一单根垂直管式降膜蒸发器 管长为1m 管外径为100mm 温度为108oC饱和蒸气在管外冷凝 其冷凝对流传热系数为8000W m 2 oC 1 冷凝液膜作层流流动 管壁温度为101oC 如果加热蒸气改为115oC饱和蒸气在管外冷凝 其他条件保持不变 忽略管壁热阻 求冷凝传热系数 当管由垂直放置改为水平放置 加热蒸气为108oC饱和蒸气时的冷凝传热系数为多少 解 温度为108oC饱和蒸气 冷凝传热系数为 温度为115oC饱和蒸气时 冷凝传热系数为 h 0 84 h 0 84 8000 6722 7W m 2 oC 1 当管由垂直改为水平放置 冷凝传热系数为 h 1 14 8000 9120W m 2 oC 1 沸腾种类 1 大容积沸腾 2 管内沸腾主要特征 液体内部有汽泡产生 二 液体沸腾 1 汽泡产生的条件过热度 t t ts汽化核心 一般为粗糙加热面的细小凹缝处 问题 为什么汽泡只在加热面个别地方产生 气泡的依托 含少量气体 过热度最大 2 沸腾曲线 工业上 核状沸腾 不稳定 CD段 250 C t 25 C t h 稳定 DE段 t 250 C t h t高 热辐射影响大 优点 tW小 h大