化工原理第四章第二、三节(第14次课)ppt课件

2020/5/14,.,1,上次课内容复习,1、传热的三种基本方式：,热传导、对流传热、热辐射。,2、冷热两流体热交换的三种方式：,直接接触式换热、蓄热式换热、间壁式换热。,3、传热速率（热流量）与传热速度（热通量）的关系为：,4、稳态传热时，同一热流方向上的传热速率Q为常数（Q1=Q2=Q3=Qn）。,2020/5/14,.,2,上次课内容复习,5、传热速率方程式：,6、傅立叶定律：,7、单层平壁的稳定热传导速率方程：,8、多层平壁的稳定热传导速率方程：,2020/5/14,.,3,上次课内容复习,9、单层圆筒壁的稳定热传导速率方程：,10、单位圆筒壁长度稳定热传导热流密度方程：,2020/5/14,.,4,2、多层圆筒壁的热传导,与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,单层圆筒壁导热速率公式：,多层圆筒壁导热速率公式：,2020/5/14,.,5,多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：,2020/5/14,.,6,第四章传热,一、对流传热的分析二、壁面和流体的对流传热速率三、对流传热系数的影响因素四、对流传热过程的特征数关系式五、流体无相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数,第三节对流传热,2020/5/14,.,7,一、流体对流传热的分析,流体沿固体壁面的流动,层流内层,过渡层,湍流主体,流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。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体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。,热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。,温度梯度很小，各处的温度基本相同。,2020/5/14,.,8,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。,2020/5/14,.,9,二、壁面和流体间的对流传热方程,1、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：,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。根据有效膜模型，对流传热速率方程可以表示为：,牛顿冷却公式,2020/5/14,.,10,对流传热系数或称为膜系数，单位W/(m2k)或W/(m2)t对流传热温差，对热流体t=T-Tw，对冷流体t=tw-t,2、对流传热系数对流传热系数定义式：,表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。,P129例4-5,2020/5/14,.,11,三、对流传热系数的影响因素,1、流体的物性1）导热系数层流内层的温度梯度一定时，流体的热导率，对流传热系数。2）黏度流体的黏度，流动阻力越大，对流传热系数。3）比热容CP和密度（CP单位J/kgK）cp：单位体积流体所具有的热容量。cp值，流体携带热量的能力愈强，对流传热。,2020/5/14,.,12,2、流体流动的原因,强制对流：,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。单位体积的流体所受的浮力为：,2020/5/14,.,13,3、流体主体的流动状态湍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液体的气体的对于同一液体，rCP（r比汽化热，J/kg）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。,2020/5/14,.,14,四、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列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：,确定n的数目：,根据定理：,2020/5/14,.,15,2、列出各物理量的量纲,各物理量的量纲,物理量,量纲,确定m的数目：,确定N的数目：,特征数之间的关系式：（半经验式）,2020/5/14,.,16,各特征数的符号和意义,准数名称,符号,特征数,意义,努塞尔数（Nusselt）,Nu,表示对流传热系数,雷诺数（Reynolds）,Re,表示流体的流动状态和湍动程度对传热的影响,普朗特数（Prandtl）,Pr,表示流体各物性对传热的影响,格拉晓夫数（Grashof）,Gr,表示自然对流对对流传热的影响,2020/5/14,.,17,3、应用特征数关联式应注意的问题1）应用范围：关联式中Re、Pr、Nu、Gr等特征数的数值范围以及常数K、指数a、b、c，一般根据实验确定，使用时不能超出该范围。2）特征尺寸：Nu、Re、Gr数中l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。,将关联式用各特征数的符号表示：,2020/5/14,.,18,五、流体无相变时的对流传热系数的经验关联式,（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值1)低黏度（2mPas）流体,当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。,cPJ/kgK,2020/5/14,.,19,管长与管径比,应用范围：,2)高黏度（2mPas）的液体,为考虑热流体方向的校正项。,2020/5/14,.,20,W壁温下的液体黏度，单位Pas；流体被加热时：取=1.05流体被冷却时，取=0.95,应用范围：,2020/5/14,.,21,3)对于短管（l/d10m/s时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大；,2020/5/14,.,36,4)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，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。5)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，使传热系数下降。例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。,2020/5/14,.,37,（二）液体沸腾时的对流传热系数,液体沸腾,大容器内沸腾把加热面浸入大容器的液体中，液体被壁面加热而引起无强制对流的沸腾现象。,管内沸腾,1、沸腾曲线,当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度t随上升而增加，急剧增大。称为饱和沸腾或核状沸腾。,2020/5/14,.,38,A-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：ttc,2020/5/14,.,39,当t再增大，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起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。当t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C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温差，临界热通量和临界对流传热系数。工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作。,2020/5/14,.,40,2、影响沸腾传热的因素1)液体性质的影响一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。,2）温度差t的影响,核状沸腾区：,2020/5/14,.,41,3)操作压强的影响提高沸腾压强，液体的饱和温度上升，液体的表面张力和黏度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同t的下，传热系数增加。4)加热表面的影响新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后，气化核心减少，会使急剧下降。壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。,核状沸腾区：,2020/5/