代价动力消耗(1)ppt课件

1、,h，层流内层厚度减薄，湍动程度代价：动力耗费代价：动力耗费。4.4 外表传热系数的阅历关联外表传热系数的阅历关联4.4.1 影响外表传热系数的要素影响外表传热系数的要素 2流体流动缘由流体流动缘由 强迫对流：外部机械作功，强迫对流：外部机械作功， 普通流速较大，普通流速较大， h也较大。也较大。 自然对流：由流体密度差呵斥的循环过程自然对流：由流体密度差呵斥的循环过程, 普通流速较小，普通流速较小，h也较小。也较小。1流体流动形状流体流动形状, h：,hRe：./3CmkJCCPP，单位体积流体的热容量：hCP，hRe，：3流体的物理性质流体的物理性质 定性温度：计算外表传热系数的特征温度定

2、性温度：计算外表传热系数的特征温度 普通，普通，)(2121tttm4传热面的外形、位置和大小传热面的外形、位置和大小 壁面的外形，尺寸，位置、管陈列方式等，壁面的外形，尺寸，位置、管陈列方式等， 呵斥边境层分别，添加湍动，使呵斥边境层分别，添加湍动，使h增大。增大。5相变化的影响相变化的影响 有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾， 无相变传热：强迫对流、自然对流，无相变传热：强迫对流、自然对流， 普通地，有相变时外表传热系数较大。普通地，有相变时外表传热系数较大。 例：水例：水 强迫对流，强迫对流， 蒸汽冷凝，蒸汽冷凝，KmWh2/10000250：KmWh2/15

3、0005000：4.4.2 无相变化时对流传热过程的量纲分析无相变化时对流传热过程的量纲分析 1量纲分析过程量纲分析过程优点：减少实验次数；优点：减少实验次数；根据：物理方程各项量纲一致；根据：物理方程各项量纲一致；步骤：步骤：a经过实际分析和实验察看，确定相关要素；经过实际分析和实验察看，确定相关要素；b构造函数方式；构造函数方式；hfpedcbatgclKuh)(ifPatglcluKhl)()()(223),(pCtglufh无相变：c列出量纲指数的线性方程组列出量纲指数的线性方程组M、L、T、 ；d规定知量规定知量指数指数， 确定余下指数表达式；确定余下指数表达式；e整理特征数方程方式

4、。整理特征数方程方式。)(rreuGPRfN，无相变对流传热：努赛尔数努赛尔数hlNultdydty0)(平均温度梯度壁面处温度梯度无量纲温度梯度阐明：阐明： 反映对流传热的强弱，包含外表传热系数反映对流传热的强弱，包含外表传热系数； 努赛尔数恒大于努赛尔数恒大于1 1。粘滞力惯性力duuduRe2 阐明：阐明： 反映流动形状对反映流动形状对 h h 的影响。的影响。l：特征尺寸，平板 流动方向的板长； 管 管径或当量直径；thdydtqy0)(2特征数的物理意义特征数的物理意义雷诺数雷诺数 普朗特数普朗特数pPrCCP/热扩散系数导温系数动量扩散系数运动粘度)()(av阐明：阐明： 反映流体

5、物性对传热的影响反映流体物性对传热的影响 反映热分散和动量分散的相对大小反映热分散和动量分散的相对大小 反映流动边境层和热边境层的相对厚度反映流动边境层和热边境层的相对厚度travP, 1travP, 1travP, 1运用时留意：运用时留意： * * 查取定性温度下的物性；查取定性温度下的物性； * * 计算所用单位，计算所用单位，SISI制。制。阐明：阐明： 反映自然对流的强弱程度。反映自然对流的强弱程度。 格拉晓夫数浮升力特征数223tlgGr,化：单位体积流体浮力变tg ),(reuPRfN 1 . 0/2erRG),(rruPGfN 10/2erRG),(,rreuPGRfN 10/

6、1 . 02erRG22Re)(bblu,/ 1 C：体积膨胀系数，.Re数：表示自然对流的雷诺b强迫对流强迫对流自然对流自然对流混合对流混合对流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管内强迫对流Nu/Pr0.4与Re的关系Nu / Pr0.4Re14.4.3 无相变化的对流传热无相变化的对流传热1管内强迫对流传热管内强迫对流传热 普通关系式：普通关系式： nrmeuPCRN 传热流动形状划分区别于流体流动时规律传热流动形状划分区别于流体流动时规律 2300eR层流：10000eR湍流：100002300eR过渡流： 流体在圆形直管内湍流时的外表

7、传热系数流体在圆形直管内湍流时的外表传热系数nreuPRN8 . 0023. 0npiicuddh8 . 0023. 0或：a) 普通流体普通流体流动形状不同，那么 c、m、n 值不同流体被加热，n= 0.4流体被冷却，n= 0.310000eR1606 . 0rP50/dlPa3102定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径di10000eRnrP保证流体到达传热湍流；适用条件：适用条件：阐明：阐明：50/dl避开传热进口段，保证稳态传热。 传热进口段：传热正在开展，传热进口段：传热正在开展，h不稳定不稳定 (随管长添加随管长添加h减小减小)OxNux或

8、hxNuxhx Nux或hx的变化趋势tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分开展了的边境层 层流情况下流体在管内温度分布进口段温度分布和部分外表传热系数的变化传热进口段长度：进口到传热边境层集合点间的长度。传热进口段长度：进口到传热边境层集合点间的长度。阐明：阅历公式，有一定误差。阐明：阅历公式，有一定误差。reentPRx05. 0层流：dxent50湍流：b)粘度较大流体粘度较大流体14. 033. 08 . 0)/(027. 0wreuPRN近似取：05. 1)(14. 0w流体被加热：95. 0)(14. 0w流体被冷却：适用条件：适用条件： 10000eR1677 . 0rP60/

9、 dl定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径dic)流体流过短管流体流过短管l/d8080，边境层分别，使，边境层分别，使hh，有一个最低点。有一个最低点。 2 2高雷诺数高雷诺数140000219000140000219000有两个最低点：有两个最低点： N01 N01： =70-80 =70-80，层流边境，层流边境 层层湍流边境层；湍流边境层； N02 N02： =140 =140分别点，分别点， 发生边境分别。发生边境分别。400300200100500800700600160o120o40o0o80oNu不同Re下流体横向流过圆管时部分努塞尔数

10、的变化Re=219000186000140000101300708001700003/1rneuPCRN常数C、指数n见下表沿整个管周的平均外表传热系数：沿整个管周的平均外表传热系数：ReCn0.44440404000400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外径特征尺寸：管外径 管束的陈列方式管束的陈列方式 直列正方形、直列正方形、 错列正三角形错列正三角形 b) 流体横向流过管束的外表传热系数流体横向流过管束的外表传热系数x2x1d直列管束中管子的陈列和流体在管束中运动特性的表示

11、x1x2d错列管束中管子的陈列和流体在管束中运动特性的表示直列直列第一排管第一排管 直接冲刷直接冲刷 ；第二排管第二排管 不直接冲刷；扰动减弱不直接冲刷；扰动减弱第二排管以后根本恒定。第二排管以后根本恒定。错列错列第一排管第一排管 错列和直列根本一样；错列和直列根本一样； 第二排管第二排管 错列和直列相差较大，错列和直列相差较大， 阻挠减弱，冲刷阻挠减弱，冲刷 加强；加强； 第三排管以后根本恒定。第三排管以后根本恒定。x2x1dx1x2d各排管各排管h的变化规律的变化规律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o9 0o3 0o0o6 0oNu2.01.81 5 0o180o0o

12、90o180o直列管束中，不同排数的圆管上部分h沿周向的变化Re=1.4104，空气1237Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60o2.01.8150o180o0o90o180o错列管束中，不同排数的圆管上部分h沿周向的变化Re=1.4104，空气 可以看出，错列传热效果比直列好。可以看出，错列传热效果比直列好。传热系数的计算方法传热系数的计算方法 任一排管子：任一排管子：4 .0rneuPRCNC、n 取决于管陈列方式和管排数。特征尺寸：管外径700005000eR52 . 1/1dx52 . 1/2dx适用范围：适用范围：iiiAAhh/整个管束平

13、均：3/16 . 033. 0reuPRN 大致估算： c) 流体在列管换热器管壳间的传热流体在列管换热器管壳间的传热装有圆缺折流板的列管换热器 圆缺折流板管板折流挡板折流挡板 ： 壳程流体的流动方向不断改动，壳程流体的流动方向不断改动， 较小较小ReRe=100，即可到达湍流。，即可到达湍流。 缺陷：流动阻力缺陷：流动阻力，壳程压降，壳程压降的重要要素。的重要要素。作用：作用： 提高湍动程度，提高湍动程度，h，强化传热；，强化传热； 加固、支撑壳体。加固、支撑壳体。 圆缺折流板表示图管板1010210310410102114. 031W管壳式换热器外表传热系数计算曲线ReRePr有折流挡板时

14、壳程流体外表传热系数：有折流挡板时壳程流体外表传热系数：14. 03/155. 0)/(36. 0wreuPRN14. 03/155. 0)/(36. 0wreePRdh或：6102000eR适用条件：挡板切割度：25%D。2/ )(21tttm定性温度：特征尺寸：流道的当量直径。特征尺寸：流道的当量直径。0202)4(4ddtde正方形陈列正方形陈列d0t也可采用关联式：0202)423(4ddtde正三角形陈列正三角形陈列 流速确实定：按最大流通截面流速确实定：按最大流通截面 (最小流速最小流速) 计算。计算。 12SS 一般地，)1 (0tdBDSDS1S2B 阐明：阐明： 无折流板时，

15、流体平行流过管束，无折流板时，流体平行流过管束， 按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。d0t(3) 自然对流传热自然对流传热 温度差引起流体密度不均，导致流体流动。温度差引起流体密度不均，导致流体流动。 分类：大空间自然对流传热：边境层开展不受限制分类：大空间自然对流传热：边境层开展不受限制和干扰。和干扰。 有限空间自然对流传热：边境层开展遭到限有限空间自然对流传热：边境层开展遭到限制和干扰。制和干扰。大空间自然对流传热：大空间自然对流传热：竖直壁面上外表传热系数的分布近壁处温度与流速的分布 沿竖壁自然对流的流动和换热特征ut,hW,htht1htuyxxh

16、大空间内流体沿垂直壁面进展自然对流：大空间内流体沿垂直壁面进展自然对流：外表传热系数的求取：外表传热系数的求取：查图求解查图求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流体沿垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流体沿程度壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)nrruPGCN)(大空间内流体沿垂直或程度壁面进展自然对流传热时：定性温度：膜温定性温度：膜温 2/ )2(21wmtttt定型

17、尺寸：竖板，竖管，定型尺寸：竖板，竖管，L； 程度管，外径程度管，外径 do影响要素：物性，传热面积、外形、放置方式；影响要素：物性，传热面积、外形、放置方式；系数系数C和指数和指数n的取值见下表：的取值见下表： 阅历关联阅历关联doL传热面的形状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板及圆柱面10-1104104 109109 1013查图4.1.15(a) 0.59 0.1查图4.1.15(a)1/41/3高度L水平圆柱面 010-510-510410410910910110.4查图4.1.15(b)0.530.130查图4.1.15(b)1/41/3外径d0水平板热面朝上或水平板冷面朝下21

18、048106 810610110.540.151/41/3矩形取两边平均值圆盘0.9d狭长条取短边水平板热面朝下或水平板冷面朝上10510110.581/5有相变对流传热的特点有相变对流传热的特点相变过程中产生大量相变热潜热；相变过程中产生大量相变热潜热；例：水例：水 4.4.4 有相变化的对流传热有相变化的对流传热kgkJrC/4 .22581000时，汽化潜热CkgkJCpC00/187. 41000，比热无相变相变一般：hh相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。(1) 蒸汽冷凝机理蒸

19、汽冷凝机理 优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制 蒸汽冷凝的外表传热系数较大。蒸汽冷凝的外表传热系数较大。 冷凝方式：冷凝方式： 膜状冷凝膜状冷凝 凝液呈液膜状附着力大于外表张力，凝液呈液膜状附着力大于外表张力， 热量：蒸汽相热量：蒸汽相液膜外表液膜外表固体壁面。固体壁面。 滴状冷凝滴状冷凝 凝液结为小液滴附着力小于外表张力，凝液结为小液滴附着力小于外表张力， 有裸露壁面，直接传送相变热。有裸露壁面，直接传送相变热。比较两种冷凝方式的外表传热系数比较两种冷凝方式的外表传热系数 h滴状冷凝滴状冷凝h膜状冷凝，相差几倍到几十倍，膜状冷凝，相差几倍

20、到几十倍， 但工业操作上，多为膜状冷凝。但工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝(2) 膜状冷凝外表传热系数膜状冷凝外表传热系数 努塞尔方程的实际推导努塞尔方程的实际推导 研讨：垂直管外或壁面的膜状冷凝；研讨：垂直管外或壁面的膜状冷凝；方法：真实模型方法：真实模型简化模型简化模型数学模型求解。数学模型求解。 膜状冷凝的真实过程膜状冷凝的真实过程 hx 简化的物理模型简化的物理模型 液膜很薄，层流流动，传热方式为导热，温度分布为线性；液膜很薄，层流流动，传热方式为导热，温度分布为线性； 蒸汽静止，汽蒸汽静止，汽-液界面无粘性应力液界面无粘性应力 ；汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜外表温度

21、汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜外表温度t=ts；冷凝液为饱和液体。冷凝液为饱和液体。0|yxyuxbyuxdddxbygd)(bstsh,tWh,tyth,x,yuyxxd0yuxyx努塞尔特膜状冷凝简化模型 建立数学模型求解建立数学模型求解 按假设，按假设， xh推导膜厚推导膜厚： 412)4(grtxhx.壁温膜表面温度其中，wsttt4132)4(txgrhx则：lxdxhLhL01，则平均值：若竖壁高为bdxy)( 取微元体做受力分析、质量衡算、热量衡算，得：4132)(943. 0tLgrh努塞尔方程：2/ )(wsmttt定性温度：膜温 特征尺寸：L竖壁或圆管壁高度4132)

22、sin(943. 0tLgrhwsttt倾斜壁面：倾斜壁面： 蒸气在斜壁上的冷凝sing 努塞尔方程的无量纲化努塞尔方程的无量纲化 液膜流动雷诺数液膜流动雷诺数)/)(/4(SqbSudRmeeMbqm4)/( 4S 为流通面积 ；b 为周边长度 ；qm/S=G 质量流速。冷凝负荷冷凝负荷: M= qm /b 单位润湿周边上凝液的质量流率，单位润湿周边上凝液的质量流率，kg/ms；由热量衡算得，rqthAm有相变：tLMrtbLrqtAhm则：4132)(943. 0Mhgh3131232)(47. 1eRgh于是有：31322)(ghh 令：阐明：假设为垂直管外冷凝，亦可采用上述努塞尔特方程

23、，阐明：假设为垂直管外冷凝，亦可采用上述努塞尔特方程，只只 是是Re中的润湿周边中的润湿周边b需用需用d0替代，替代，d0为竖管外径。为竖管外径。 ,系数：无量纲冷凝表面传热hMhtLr即：将上式代入努塞尔方程，那么有：3147. 1eRh 量纲为一努塞尔方程。 实验结果：实测值高于实际值约实验结果：实测值高于实际值约20% 缘由：液膜的动摇、假设的不确切性缘由：液膜的动摇、假设的不确切性(3) 膜状冷凝传热膜系数的阅历关联膜状冷凝传热膜系数的阅历关联 垂直管外或壁面上的冷凝垂直管外或壁面上的冷凝 a液膜层流液膜层流 1800eR4132)(13. 1tLgrh3188. 1eRh实测：b液膜

24、湍流液膜湍流 4 . 0232)4()(0077. 031rtLhgh或：4 . 00077. 0eRh 留意：壁温未知时，计算应采用试差法。留意：壁温未知时，计算应采用试差法。neCRh 2000eR完全由实验获得 程度圆管外膜状冷凝阐明：此式计算值和实验结果根本一致。阐明：此式计算值和实验结果根本一致。 程度管冷凝外表传热系数 a程度单管外冷凝 实际计算：按倾斜壁对方位角做积分0-1800。41032)(725.0tdgrh或：3151. 1eRh)44Re(Mbqm其中， 层流时，层流时， 程度管外膜状冷凝程度管外膜状冷凝 b程度管束外冷凝程度管束外冷凝程度管束的陈列通常有直排和错排两种

25、 ：12342123第一排管子：冷凝情况与单根程度管一样。第一排管子：冷凝情况与单根程度管一样。其他各排管子：冷凝情况必遭到其上排管流下冷凝液的其他各排管子：冷凝情况必遭到其上排管流下冷凝液的 影响，外表传热系数依次下降。影响，外表传热系数依次下降。 程度管束的陈列及其对冷凝液膜厚度的影响41032)(725. 0tndgrh理论计算平均值：管排数不同时，管排数不同时， 采用平均管排数：采用平均管排数：475. 0375. 0275. 01321).(nnnnnnnzav475. 0)(iinn4103/232)(725. 0tdngrh实验值： 近似取壳体直径上的管根数近似取壳体直径上的管根

26、数NTc5 . 01 . 1TTcNN正三角形排列：5 . 019. 1TTcNN正方形排列：c程度管内冷凝程度管内冷凝 特点：思索蒸汽流速对特点：思索蒸汽流速对h的影响的影响 1蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出，蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出， 可采用管外冷凝公式计算。可采用管外冷凝公式计算。2当蒸汽速度较大时，能够构成两相流动，当蒸汽速度较大时，能够构成两相流动， 应参考有关公式。应参考有关公式。蒸汽蒸汽凝液凝液不凝气不凝气(4) 影响冷凝传热的要素影响冷凝传热的要素 冷凝液膜两侧的温度差： 流体物性的影响： 不凝性气体的影响：构成气膜，外表传热系数大幅度下降。 蒸气过热的影响：过热蒸汽，假

27、设壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热一样；假设壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处置。 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，h增大； 流速较大时，且与液膜反向，h减小。httttwshr均影响、 沸腾沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生，沸腾时，液体内部有气泡产生， 气泡产生和运动情况，对气泡产生和运动情况，对h影响极大。影响极大。 沸腾分类：沸腾分类： 按设备尺寸和外形不同按设备尺寸和外形不同 池式沸腾大容积饱和沸腾；池式沸腾大容积饱和沸腾； 强迫对流沸腾有复杂的两相流。强迫对流沸腾有复杂的两相流。 按液体主体温度不同按液体主体温度不同 过冷沸腾：液体主体

28、温度过冷沸腾：液体主体温度t ts， 气泡进入液体主体后冷凝。气泡进入液体主体后冷凝。 饱和沸腾：饱和沸腾：tts， 气泡进入液体主体后不会冷凝。气泡进入液体主体后不会冷凝。5液体沸腾传热液体沸腾传热液体主体 t液体主体液体主体 tts 液体主体液体主体 t ts 1) 大容积饱和沸腾传热机理大容积饱和沸腾传热机理 a 汽泡可以存在的条件：汽泡可以存在的条件： rpprlv2)(2rpplv2abcd气泡的生成过程 气泡的力平衡plpvr 必需有汽化中心lvppr时，要求当0b 汽泡产生的条件汽泡产生的条件 液体必需过热液体必需过热 提供必需的汽化热量提供必需的汽化热量 阐明：阐明： 因此无汽化中心，气泡不会产生；因此无汽化中心，气泡不会产生； 液体过热度