化工原理电子课件北京化工大学9

3.3.1对流传热过程分析dAt2G1，T1G2，t1T213.3.1对流传热过程分析dAt2G1，T1G2，t1dtA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体层流底层温度梯度大，热传导方式湍流核心温度梯度大，对流方式过渡区域热传导和对流方式2dtA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体层流底层23.3.2对流传热速率——牛顿冷却定律流体被冷却：式中 Q──对流传热速率，W；──对流传热系数，W/(m2·℃)；Tw──壁温，℃；T──流体平均温度，℃；A──传热面积，m2。33.3.2对流传热速率——牛顿冷却定律流体被冷却：式中式中

t──总有效膜厚度；

e──湍流区虚拟膜厚度；

──层流底层膜厚度。下面来推导牛顿冷却定律建立膜模型：流体被冷却：TTWttWt4式中 t──总有效膜厚度；下面来推导牛顿冷却定律建立膜模1.牛顿冷却定律是一种推论，假设Q∝t。2.复杂问题简单化表示。

推动力：阻力：51.牛顿冷却定律是一种推论，假设Q∝t。2.复4.3.3影响对流传热系数的因素1.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强>自

2.流体的物性

，，，cp

64.3.3影响对流传热系数的因素1.引起流动的原因强5.是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾相变>无相变4.传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。3.流动形态

层流、湍流

湍>层

75.是否发生相变4.传热面的形状，大小和位置3.流动4.3.4对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析

式中l——特性尺寸；u——特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。＝f(u，l，，，cp，，gt)84.3.4对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析

Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对对流传热的影响Prandtl，流体物性对对流传热的影响Grashof，自然对流对对流传热的影响9Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对二、实验安排及结果整理以强制湍流为例：Nu＝CReaPrk1．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k2．不同Pr的流体在不同的Re下lgNu/Prk＝algRe＋lgC双对数坐标系中得一直线斜率为a，截距为CPrNukReNu/PrkCa10二、实验安排及结果整理2．不同Pr的流体在不同的Re下PrN定性温度的取法：三、定性温度、特性尺寸的确定2．特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。3．准数关联式的适用范围。1．确定物性参数数值的温度称为定性温度。11定性温度的取法：三、定性温度、特性尺寸的确定2．特性尺寸3．一、流体在管内的强制对流适用范围：Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>604.3.5无相变时对流传热系数的经验关联式1．圆形直管内的湍流12一、流体在管内的强制对流适用范围：4.3.5无相变时对流传特征尺寸为管内径di流体被加热时，k＝0.4；被冷却时，k＝0.3。注意事项：定性温度取13特征尺寸为管内径di注意事项：13强化措施：u,u0.8

d,1/d0.2

流体物性的影响，选大的流体14强化措施：14以下是对上面的公式进行修正：(1)高粘度

Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性温度取tm；特征尺寸为di15以下是对上面的公式进行修正：Re>10000，0.7<Pr<(2)l/d<60(3)过渡流（2000<Re<10000)(4)弯曲管内16(2)l/d<60(3)过渡流（20(5)非圆形管强制湍流1)当量直径法2)直接实验法套管环隙:水-空气系统适用范围：12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1为内管外径，d2为外管内径用de代替di计算，u不同de,要用实际的流通面积计算17(5)非圆形管强制湍流1)当量直径法2)直接实验法套管例题4.3.1一列管式换热器，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，外壳中通入水蒸气进行加热，求：（1）管壁对苯的对流传热系数；（2）管子换为19×2mm，管壁对苯的对流传热系数；（3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？已知：苯的物性18例题4.3.1已知：苯的物性18特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。

2.圆形管内强制层流19特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的2.圆形管内热流方向对层流速度分布的影响20热流方向对层流速度分布的影响20适用范围：当：定性温度：21适用范围：当：定性温度：21二、管外强制对流的对流传热系数1.流体在管束外垂直流过22二、管外强制对流的对流传热系数22在换热器内单排管：23在换热器内单排管：23整个管束：定性温度：适用范围：特性尺寸：管的外径do

24整个管束：定性温度：适用范围：特性尺寸：管的外径do242．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆形、圆缺形252．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆形、圆缺形25壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：

定性温度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：当量直径ded0tt26壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：定性温度：正方形排列：正流速u按流通截面最大处的截面计算：式中h——两块折流挡板间距离，m；D——换热器壳径，m；do——管子的外径，m；t——相邻两管中心距，m。27流速u按流通截面最大处的截面计算：式中h——两块折注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径。提高壳程对流传热系数的措施：3）加强湍动，2）1）28注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管三、大空间的自然对流传热

注意：c,n与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。定性温度：膜温特征尺寸：垂直的管或板为高度水平管为管外径29三、大空间的自然对流传热注意：c,n与传热面的一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝4.3.6有相变时的对流传热系数滴>膜

30一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝4.3.62.冷凝过程的热阻：液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1）水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子数；r——汽化潜热（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：管外径do定性温度：膜温

312.冷凝过程的热阻：液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1）水平湍流2）竖壁或竖管上的冷凝层流适用条件：Re<1800适用条件：Re>1800特性尺寸l：管或板高H定性温度：膜温

32湍流2）竖壁或竖管上的冷凝层流适用条件：Re<1800适用条4．冷凝传热的影响因素和强化措施1)流体物性冷凝液

,

；冷凝液,；潜热r

,

2)温差液膜层流流动时，t=ts－tW，,3)不凝气体

不凝气体存在，导致，定期排放。4）蒸汽流速与流向（u>10m/s）同向时，；反向时，；u334．冷凝传热的影响因素和强化措施335)蒸汽过热包括冷却和冷凝两个过程。6)冷凝面的形状和位置目的：减少冷凝液膜的厚度垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列345)蒸汽过热34沸腾种类1）大容积沸腾

2）管内沸腾1.汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？过热度：t=tW－ts

汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层

二、液体沸腾35沸腾种类1）大容积沸腾二、液体沸腾352.沸腾曲线1）自然对流阶段t<5C2）

核状沸腾阶段25C>t>5C3）不稳定膜状沸腾

25C>t>5C工业上：核状沸腾4）稳定膜状沸腾250C>t>25C优点：大，tW小362.沸腾曲线工业上：核状沸腾4）稳定膜状沸腾3、沸腾传热的影响因素及强化措施1）液体的性质强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2）温差在核状沸腾阶段温差提高，

3）操作压强373、沸腾传热的影响因素及强化措施强化措施：加表面活性剂（乙醇4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面，大强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒384）加热面3839393.3.1对流传热过程分析dAt2G1，T1G2，t1T2403.3.1对流传热过程分析dAt2G1，T1G2，t1dtA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体层流底层温度梯度大，热传导方式湍流核心温度梯度大，对流方式过渡区域热传导和对流方式41dtA2A1tWtTWT传热壁冷流体热流体层流底层23.3.2对流传热速率——牛顿冷却定律流体被冷却：式中 Q──对流传热速率，W；──对流传热系数，W/(m2·℃)；Tw──壁温，℃；T──流体平均温度，℃；A──传热面积，m2。423.3.2对流传热速率——牛顿冷却定律流体被冷却：式中式中

t──总有效膜厚度；

e──湍流区虚拟膜厚度；

──层流底层膜厚度。下面来推导牛顿冷却定律建立膜模型：流体被冷却：TTWttWt43式中 t──总有效膜厚度；下面来推导牛顿冷却定律建立膜模1.牛顿冷却定律是一种推论，假设Q∝t。2.复杂问题简单化表示。

推动力：阻力：441.牛顿冷却定律是一种推论，假设Q∝t。2.复4.3.3影响对流传热系数的因素1.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强>自

2.流体的物性

，，，cp

454.3.3影响对流传热系数的因素1.引起流动的原因强5.是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾相变>无相变4.传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。3.流动形态

层流、湍流

湍>层

465.是否发生相变4.传热面的形状，大小和位置3.流动4.3.4对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析

式中l——特性尺寸；u——特征流速。基本因次：长度L，时间T，质量M，温度变量总数：8个由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。＝f(u，l，，，cp，，gt)474.3.4对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析

Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对对流传热的影响Prandtl，流体物性对对流传热的影响Grashof，自然对流对对流传热的影响48Nusselt待定准数Reynolds，流动型态对二、实验安排及结果整理以强制湍流为例：Nu＝CReaPrk1．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k2．不同Pr的流体在不同的Re下lgNu/Prk＝algRe＋lgC双对数坐标系中得一直线斜率为a，截距为CPrNukReNu/PrkCa49二、实验安排及结果整理2．不同Pr的流体在不同的Re下PrN定性温度的取法：三、定性温度、特性尺寸的确定2．特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。3．准数关联式的适用范围。1．确定物性参数数值的温度称为定性温度。50定性温度的取法：三、定性温度、特性尺寸的确定2．特性尺寸3．一、流体在管内的强制对流适用范围：Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>604.3.5无相变时对流传热系数的经验关联式1．圆形直管内的湍流51一、流体在管内的强制对流适用范围：4.3.5无相变时对流传特征尺寸为管内径di流体被加热时，k＝0.4；被冷却时，k＝0.3。注意事项：定性温度取52特征尺寸为管内径di注意事项：13强化措施：u,u0.8

d,1/d0.2

流体物性的影响，选大的流体53强化措施：14以下是对上面的公式进行修正：(1)高粘度

Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性温度取tm；特征尺寸为di54以下是对上面的公式进行修正：Re>10000，0.7<Pr<(2)l/d<60(3)过渡流（2000<Re<10000)(4)弯曲管内55(2)l/d<60(3)过渡流（20(5)非圆形管强制湍流1)当量直径法2)直接实验法套管环隙:水-空气系统适用范围：12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1为内管外径，d2为外管内径用de代替di计算，u不同de,要用实际的流通面积计算56(5)非圆形管强制湍流1)当量直径法2)直接实验法套管例题4.3.1一列管式换热器，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，外壳中通入水蒸气进行加热，求：（1）管壁对苯的对流传热系数；（2）管子换为19×2mm，管壁对苯的对流传热系数；（3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？已知：苯的物性57例题4.3.1已知：苯的物性18特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。

2.圆形管内强制层流58特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的2.圆形管内热流方向对层流速度分布的影响59热流方向对层流速度分布的影响20适用范围：当：定性温度：60适用范围：当：定性温度：21二、管外强制对流的对流传热系数1.流体在管束外垂直流过61二、管外强制对流的对流传热系数22在换热器内单排管：62在换热器内单排管：23整个管束：定性温度：适用范围：特性尺寸：管的外径do

63整个管束：定性温度：适用范围：特性尺寸：管的外径do242．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆形、圆缺形642．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆形、圆缺形25壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：

定性温度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：当量直径ded0tt65壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：定性温度：正方形排列：正流速u按流通截面最大处的截面计算：式中h——两块折流挡板间距离，m；D——换热器壳径，m；do——管子的外径，m；t——相邻两管中心距，m。66流速u按流通截面最大处的截面计算：式中h——两块折注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径。提高壳程对流传热系数的措施：3）加强湍动，2）1）67注意：换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，对流给热系数按管三、大空间的自然对流传热

注意：c,n与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。定性温度：膜温特征尺寸：垂直的管或板为高度水平管为管外径68三、大空间的自然对流传热注意：c,n与传热面的一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝4.3.6有相变时的对流传热系数滴>膜

69一、蒸汽冷凝1.冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝4.3.62.冷凝过程的热阻：液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1）水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子数；r——汽化潜热（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：管外径do定性温度：膜温

702.冷凝过程的热阻：液膜的厚度3.蒸汽冷凝的1）水平湍流2）竖壁或竖管上的冷凝层流适用条件：Re<1800适用条件：Re>1800特性