化学工程传热学课件任务三(二)2

1、七七 对流传热对流传热1. 对流传热分析对流传热分析当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处总有一层流底层存在。在层流底层面处总有一层流底层存在。在层流底层和湍流主体之间有一过渡层。和湍流主体之间有一过渡层。在湍流主体内，流体质点剧烈混在湍流主体内，流体质点剧烈混合并形成漩涡合并形成漩涡, 在传热方向上，在传热方向上，流体的温度差极小，各处的温度流体的温度差极小，各处的温度基本相同，热量传递主要依靠基本相同，热量传递主要依靠对对流流进行，传导所起作用很小。进行，传导所起作用很小。在过渡层内，流体的温度发生缓在过渡层内，流体的温度发生缓慢变化，慢变化，传导和对流传

2、导和对流同时起作用。同时起作用。 层流底层：流体仅沿壁面平行流动层流底层：流体仅沿壁面平行流动,在传热方向上无在传热方向上无质点的混合质点的混合,所以热量传递主要依靠传导进行所以热量传递主要依靠传导进行,由于流体由于流体的热导率很小的热导率很小,使层流底层内的传热热阻很大使层流底层内的传热热阻很大,所以该层所以该层内流体的温度差较大内流体的温度差较大. 因此，对流传热的热阻主要集中在层流底层，减薄因此，对流传热的热阻主要集中在层流底层，减薄其厚度是强化传热过程的关键。其厚度是强化传热过程的关键。2 对流传热基本方程和对流传热系数对流传热基本方程和对流传热系数（1）牛顿冷却定律）牛顿冷却定律Rt

3、AttAQ1式中式中 Q 对流传热速率，对流传热速率，W； 对流传热系数，对流传热系数，W(m2K); A对流传热面积，对流传热面积，m2； t流体与壁面间温度差的平均值，流体与壁面间温度差的平均值，K; R1/( )对流传热热阻，对流传热热阻，K/W；A（2）对流传热系数）对流传热系数定义式：定义式： 物理意义：对流传热系数是表示在单位温物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；其差下，单位传热面积的对流传热速率；其值反映了对流传热的效果。值反映了对流传热的效果。，对流传，对流传热越快。热越快。tSQ,，层流内层厚度减薄，湍动程度代价：代价：动力消耗动力消耗。3.

4、 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 流体流动原因流体流动原因 强制对流：强制对流：外部机械作功，外部机械作功， 一般流速较大，一般流速较大， 也较大。也较大。 自然对流：由流体密度差造成的循环过程自然对流：由流体密度差造成的循环过程, , 一般流速较小，一般流速较小，也较小。也较小。流体流动状态流体流动状态,：,eR：./3CmkJCCPP，单位体积流体的热容量：，PC，：eR流体的物理性质流体的物理性质 流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况 气体气体无相变无相变传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，壁面的形状，尺寸，位置、

5、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使造成边界层分离，增加湍动，使增大。增大。 几种常用的准数名称几种常用的准数名称 准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义努塞尔特准数（给热努塞尔特准数（给热准数）准数）NuNu表示对流传热系表示对流传热系数的准数数的准数雷诺准数（流型准数雷诺准数（流型准数）ReRe确定流动状态的确定流动状态的准数准数普兰特准数普兰特准数（物性准数）（物性准数）PrPr表示物性影响的表示物性影响的准数准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数（升力准数）（升力准数）GrGr表示自然对流影表示自然对流影响的准数响的准数llupc223tlg3. 对流传热系数准数关联式对流传热系

6、数准数关联式4.流体无相变时的对流传热系数流体无相变时的对流传热系数 对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其粘度小于对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其粘度小于2倍常倍常温水的粘度的流体，温水的粘度的流体，可用下式求取给热系数。可用下式求取给热系数。ndPrRe023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值随热流方向而异，当流体被加热时，值随热流方向而异，当流体被加热时，n0.4；当流；当流体被冷却时，体被冷却时，n0.3。 应用范围：应用范围：Re10000， 0.7 Pr 120 l/d 60 。若若L/d tw） 蒸汽放出潜热蒸汽放出潜热在壁面凝成液体在壁面凝成液体膜

7、状液体和滴状液体膜状液体和滴状液体 a、膜状冷凝（可润湿）、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。触壁相比，附加了液膜的热阻。越厚，传热效果越差。越厚，传热效果越差。b b、滴状冷凝（不润湿）、滴状冷凝（不润湿） 壁面大部分的面积直接暴露于蒸汽中。因没液膜阻碍，传热壁面大部分的面积直接暴露于蒸汽中。因没液膜阻碍，传热系数很大。系数很大。 膜状冷凝膜状冷凝 滴状冷凝滴状冷凝 蒸汽在水平管外蒸汽在水平管外膜状冷凝的膜状冷凝的4/103/232725. 0tdngrn n水平管束在垂直列上的管数；

8、水平管束在垂直列上的管数；特性尺寸：管外径特性尺寸：管外径d do o；定性温度：定性温度：取取t tS S 下的值，其余为膜平均温度。下的值，其余为膜平均温度。c. 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素冷凝液膜两侧的温度差：冷凝液膜两侧的温度差：流体物性的影响：流体物性的影响：不凝性气体的影响不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。形成气膜，表面传热系数大幅度下降。蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。和

9、蒸汽冷凝处理。蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，流速较大时，且与液膜同向，增大；增大； 流速较大时，且与液膜反向，流速较大时，且与液膜反向， 减小。减小。ttttws均影响、r（2）液体的沸腾传热）液体的沸腾传热 对液体加热时，液体内部伴有由液相变为气相，即对液体加热时，液体内部伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡的过程，称为在液相内部产生气泡的过程，称为液体沸腾液体沸腾（又称沸腾（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

10、体受热沸腾，称为壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为池内沸腾池内沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾管内沸腾。沸腾过程沸腾过程：液体传递：加热面时：无气泡产生，热量自然对流stt力进入液体。心上产生，长大后凭浮时：气泡首先在汽化核stt 过热度过热度，汽化核心数，汽化核心数，气泡产生和长大的速度，气泡产生和长大的速度，使沸腾加剧，使沸腾加剧，沸腾传热膜系数沸腾传热膜系数。自然对流沸腾说明：由于气泡产生，使液体扰动说明：由于气泡产生，使液体扰动 因此：因此：0.11.010102103hABCDEF自然对流核状沸腾膜状沸腾稳定区

11、不稳定膜状沸腾温度差和表面传热系数关系沸腾温度差和表面传热系数关系t=(tw-ts)/大容积饱和沸腾曲线大容积饱和沸腾曲线 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素,物性：,P压力： 次方成正比。度差的在核状沸腾区，与温温度差32: 加热壁面的影响：加热壁面的影响：粗糙壁面粗糙壁面, ，光滑的壁面，光滑的壁面, ； 被油脂污染的壁面被油脂污染的壁面, ，清洁表面，清洁表面, ； 水平管束沸水平管束沸腾传热，上排管腾传热，上排管 。 八八 总传热系数总传热系数K的计算的计算（一）（一）流动流动通道的选择通道的选择流体流经管程或壳程，以固定管板式换热器为例，一般确定流体流经管程或壳程，以固定管板式换热

12、器为例，一般确定原则如下。原则如下。不洁净或易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗较方便。不洁净或易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗较方便。腐蚀性流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管腐蚀性流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管子便于维修和更换。子便于维修和更换。压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，以节省壳体金属压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，以节省壳体金属消耗量。消耗量。被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。高温加热剂与低温冷却剂宜走管程，以减少设备的热量或高温加热剂与低温冷却剂宜走管程，以减少设备的热量或冷量的损失。冷量的损

13、失。有相变的流体宜走壳程，如冷凝传热过程，管壁面附着的有相变的流体宜走壳程，如冷凝传热过程，管壁面附着的冷凝液厚度即传热膜的厚度，让蒸汽走壳程有利于及时排除冷凝液厚度即传热膜的厚度，让蒸汽走壳程有利于及时排除冷凝液，从而提高冷凝传热膜系数。冷凝液，从而提高冷凝传热膜系数。有毒害的流体宜走管程，以减少泄漏量。有毒害的流体宜走管程，以减少泄漏量。粘度大的液体或流量小的流体宜走壳程，因流体在有折流粘度大的液体或流量小的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，流速与流向不断改变，在低挡板的壳程中流动，流速与流向不断改变，在低ReRe100100的情的情况下即可达到湍流，以提高传热效果。况下即可达

14、到湍流，以提高传热效果。若两流体温差较大时，对流传热系数较大的流体宜走壳程。若两流体温差较大时，对流传热系数较大的流体宜走壳程。因管壁温接近于因管壁温接近于较大的流体，以减小管子与壳体的温差，较大的流体，以减小管子与壳体的温差，从而减小温差应力。从而减小温差应力。在选择流动路径时，上述原则往往不能同时兼顾，应视具体在选择流动路径时，上述原则往往不能同时兼顾，应视具体情况分析。一般首先考虑操作压力、防腐及清洗等方面的要情况分析。一般首先考虑操作压力、防腐及清洗等方面的要求。求。（二）（二）流速流速的选择的选择流体种类流体种类流速，流速，m/sm/s管程管程壳程壳程一般液体一般液体易结垢液体易结垢

15、液体 气体气体0.530.531 15305300.21.50.21.50.50.5315315列管换热器内常用的流速范围列管换热器内常用的流速范围液体粘度，液体粘度，mPa.smPa.s最大流速，最大流速，m/sm/s150015001500500150050050010050010010035100353513511 10.60.60.750.751.11.11.51.51.81.82.42.4不同粘度液体在列管换热器中的流速不同粘度液体在列管换热器中的流速（三）公式计算（三）公式计算1. 总传热系数的基本公式总传热系数的基本公式 oomiiAAbAKA111式中式中 Ao、Ai、Am传热

16、壁的外表面积、内表面积、传热壁的外表面积、内表面积、 平均表面积，平均表面积，m2； i、o间壁两侧流体的对流传热膜系数间壁两侧流体的对流传热膜系数 W/ /(m2K)； 固体间壁的导热系数，固体间壁的导热系数， W/ /(mK)； b 固体间壁的厚度，固体间壁的厚度， m若若A取取Ao，则有，则有 若若A取取Ai，则有，则有 若若A取取Am，则有，则有oiibAK1AAA1moo0ooiiiiAAbAKmA11oomiimmAAbAAK1式中式中 Ki、Ko、Km基于基于Ao、Ai、Am的传热系的传热系 W(m2K)。2.污垢热阻的影响污垢热阻的影响污垢热阻：换热器在实际操作中，传热壁面常有

17、污垢形成，污垢热阻：换热器在实际操作中，传热壁面常有污垢形成，对传热产生附加热阻。对传热产生附加热阻。污垢热阻通常选用经验值。污垢热阻通常选用经验值。oSoiSiiioRbdRdK1dddd1mooo含有污垢热阻的求含有污垢热阻的求K公式：公式：式中式中 RS i、RS o管内、外壁面的污垢热阻，管内、外壁面的污垢热阻， (m2K) / W。若传热壁面为平壁或薄管壁时，若传热壁面为平壁或薄管壁时，Ao、Ai、Am相等或近似相等，相等或近似相等，则则K K简化为：简化为：oSoSiiRbRK111（四）总传热系数的经验值（四）总传热系数的经验值 九九 传热面积的计算传热面积的计算mtKQA 列管式换热器的型号与规格列管式