环工原理讲稿实用教案

1、2022-5-10传热(chun r)边界层速度(sd)边界层温度(wnd)边界层冷流体热壁u=0.99u0T=0.99T0温度边界层的厚度比速度边界层薄。温度边界层越薄，温度梯度越大，传热速率就越高。dbdTAQ第1页/共36页第一页，共37页。2022-5-10 对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要(zhyo)集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要(zhyo)途径。 第2页/共36页第二页，共37页。2022-5-10二、对流(duli)传热系数的影响因素 1、流体(lit)的相变化2、流体(lit)的物性1）导热系数 滞流内层的温度梯度一定时，流

2、体(lit)的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。2）粘度 流体(lit)的粘度愈大，对流传热系数愈低。3）比热和密度第3页/共36页第三页，共37页。2022-5-10 cp：单位体积流体所具有的热容量。 cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流(duli)传热的强度愈强。（4）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流(duli)。对强制对流(duli)也有一定的影响。3、流体的温度4、流体流动状态 湍流的对流(duli)传热系数远比滞流时的大。第4页/共36页第四页，共37页。2022-5-105、流体流动(lidng)的原因 强制(qingzh)对流：自然(zrn)对流

3、：由于外力的作用 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：tggg00001t1 6、传热面的性状、大小和位置 第5页/共36页第五页，共37页。2022-5-10三、壁面和流体间的对流传(lichun)热速率 1、对流传(lichun)热速率表达式 据传递过程速率的普遍(pbin)关系，壁面和流体间的对流传热速率：对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率 推动力系数推动力：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。 对流传热速率方程可以表示为： dATTdQw1dATTw)(牛顿冷却定律 第6页/共36页第六页，共3

4、7页。2022-5-10 在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但在工程计算(j sun)中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为：TAQ2、对流(duli)传热系数对流(duli)传热系数a定义式： TAQ 表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率(sl)。 单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。 第7页/共36页第七页，共37页。2022-5-10四、对流(duli)传热系数的计算（一）对流(duli)传热系数的微分式00)()(yyTTyyTTdAdQdAdQ得：由此时(c sh)表明，近壁处温度梯度越大，传热系数越大。第8页/共36页

5、第八页，共37页。2022-5-10（二）无量(wling)纲准数关联式列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示： ),(TgucLfp，包括7个变量，涉及(shj)4个无量纲准数，),(4321NuL1Pr3pcGrTgL2234Ldu2第9页/共36页第九页，共37页。2022-5-10准数的符号(fho)和意义准数名称(mngchng)符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）NuL表示对流传热的系数 雷诺准数（Reynolds）ReLu确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Prpc表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr223TLg表示自然对流影响的准数第1

6、0页/共36页第十页，共37页。2022-5-10应用准数关联式应注意的问题1）定性温度：各准数中的物理性质按什么(shn me)温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。 hfaGrkNuPrRe第11页/共36页第十一页，共37页。2022-5-10（三）流体无相变时在管内(un ni)作强制对流的对流传热系数1、流体在圆形直管内作强制湍流(tunli)a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体 nreuPRN8 . 0023. 0nriPdud8 . 0023. 0或当流体被加热(ji r)时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3

7、。第12页/共36页第十二页，共37页。2022-5-10,1206 . 0 ,10000rePR管长与管径比 60/idl时，若60/idl将计算所得的乘以7 . 0)(1 Ldi应用(yngyng)范围： 定性(dng xng)尺寸： Nu、Re等准数中的l取为管内径(ni jn)di。定性温度： 取为流体进、出口温度的算术平均值。b) 高粘度的流体 14. 023. 08 . 0027. 0wreuuPRN14. 0wu为考虑热流体方向的校正项。 2outinTTT第13页/共36页第十三页，共37页。2022-5-10 应用(yngyng)范围： 60,167007 . 0,1000R

8、eirdLP定性(dng xng)尺寸： 取为管内径(ni jn)di。定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 2、 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时第14页/共36页第十四页，共37页。2022-5-10应用(yngyng)范围： 14. 031313186. 1wireuLdPRN10,25000, 6 . 06700,2300ReLdPRGPirerr定性(dng xng)尺寸： 管内径(ni jn)di。 定性温度： 除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。 时，当250

9、00rG按上式计算出后，再乘以一校正因子31015. 018 . 0rGf第15页/共36页第十五页，共37页。2022-5-103、流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=230010000时的过渡流范围， 先按湍流的公式计算，然后(rnhu)再乘以校正系数f。 8 . 151061eRf4、流体在弯管内作强制(qingzh)对流 Rdi/77. 11第16页/共36页第十六页，共37页。2022-5-105、流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径(ni jn)改为当量直径de。 套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式

10、为： 318 . 053. 02102. 0reePRddd应用(yngyng)范围：Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性(dng xng)尺寸： 当量直径de定性温度： 流体进出口温度的算术平均值。 润湿周边长度流道截面积4de第17页/共36页第十七页，共37页。2022-5-10（四）大空间自然(zrn)对流nrruPGCNnpCtlglC332或 对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传(lichun)热，通过实验侧得的c,n的值在表4.3.2中。定性(dng xng)温度 ：取壁温Tw和流体进出口平均温度的算术平均值。第18页/共

11、36页第十八页，共37页。2022-5-10*提高(t go)对流传热系数的途径 1）流体(lit)作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，并且Re，应力求使流体(lit)在换热器内达到湍流流动。 2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数 nriiPudd8 . 0023. 0,4 . 0 时当 n8 . 06 . 04 . 0023. 0uCp第19页/共36页第十九页，共37页。2022-5-10 与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力(zl)允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。 3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况14.

12、03155. 036. 0wpeeCudd45. 055. 0eduB 对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量(dngling)直径的0.45次方成反比第20页/共36页第二十页，共37页。2022-5-10 设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。 4) 不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹(luwn)管的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。 第21页/共36页第二十一页，共37页。2022-

13、5-10（五）流体(lit)有相变时的对流传热系数1、蒸汽(zhn q)冷凝时的对流传热系数 1）蒸汽(zhn q)冷凝的方式 a) 膜状冷凝： 若冷凝(lngnng)液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜 b)滴状冷凝： 若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下 第22页/共36页第二十二页，共37页。2022-5-10第23页/共36页第二十三页，共37页。2022-5-10 2）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 假设(jish)： 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷

14、凝潜热 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。 第24页/共36页第二十四页，共37页。2022-5-104132943. 0TLrg修正(xizhng)后 413213. 1TLrg定性(dng xng)尺寸： L取垂直(chuzh)管或板的高度。定性温度： 蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物性取液膜平均温度。应用范围：1800Re第25页/共36页第二十五页，共37页。2022-5-10若膜层为湍流(tunli)（Re1800）时4 . 031232Re(0077. 0）g滞流时，Re值增加(zngji)，减小；湍流时，Re值增加

15、(zngji)，增大；第26页/共36页第二十六页，共37页。2022-5-10第27页/共36页第二十七页，共37页。2022-5-10b) 蒸汽在水平(shupng)管外冷凝 4/1032725. 0Tdgrc)蒸汽在水平管束(gunsh)外冷凝4103232725. 0Tdngrm75. 075. 0275. 0121zzmnnnnnnn第28页/共36页第二十八页，共37页。2022-5-10413213. 1TLrg垂直4/1032725. 0Tdgr水平在条件相同时，对比(dub)水平管和垂直管的对流传热系数的计算式4/1)64. 00dL（垂直水平因为(yn wi)L/d通常较大

16、，所以一般情况下水平/垂直1，即水平放置的管子比竖直方式的传热系数要大。第29页/共36页第二十九页，共37页。2022-5-103）影响冷凝传热的因素a）冷凝液膜两侧的温度差t 当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。b）流体物性 液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。c) 蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大；蒸汽和液膜逆向流动， 减小，摩擦力超过液膜重力(zhngl)时， 液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大；第30页/共36页第三十页，共37页。2022-5-10d) 蒸汽中不凝气体含量的影响

17、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。e)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(gun zi)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。第31页/共36页第三十一页，共37页。2022-5-10第32页/共36页第三十二页，共37页。2022-5-10五、保温层的临界(ln ji)直径 TciTfd1d2Tw第33页/共36页第三十三页，共37页。2022-5-10LdLddTTLdTTLddTTQfcifwwci21221212ln12ln稳态传热：Qd2dc2cd2d1dcbc临界厚度第34页/共36页第三十四页，共37页。2022-5-10LdLddTTLdTTLddTTQfcifwwci21221212ln12ln稳态传热：Qd2dc2cd2d1dcbc临界厚度第35页/共36页第三十五页，共37页。2022-