化工原理传热课件.ppt

1、1,第4章 传热,2,主要内容,4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 对流传热系数关联式 4.5 传热过程计算 4.6 辐射传热 4.7 换热器,3,基本要求,了解热传导基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算； 了解对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素；掌握对流传热系数的物理意义和经验关联式的用法、使用条件及注意事项； 了解辐射传热的基本概念及基本定律； 熟练掌握传热过程的计算，传热基本方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径； 了解工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型。,4,4.

2、1 概述,第4章 传 热,5,传热,热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。,一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。 二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。,化工生产中对传热过程的要求,概述,传热的推动力,温度差,传热的方向,高温向低温,6,4.1 概述 4.1.1 传热的基本方式,第4章 传 热,7,1.热传导（又称导热）,若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(又称导热)。,相互接触的物质之间 静止的物质内部 层流流动的物质内部,热传导(导热),发生在,8,1.热传导（又称导热）,热传导的机

3、理,在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动； 在不良导体的固体中和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的； 在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。,9,流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流(简称对流)。 热对流仅发生在流体中。 依据流体中产生对流的原因，又可将对流分为：,对流,2.热对流（对流）,自然对流,强制对流,10,流体流过固体表面时发生传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(又称为给热)。,2.热对流（对流）,对流传热,注意：热对流和对流传热是两个不同的概念。,11,3.热辐射,

4、因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点是：,热辐射,不需要任何介质，可以在真空中传播； 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移； 任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。,12,4.1 概述,4.1.1 传热的基本方式 4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式,13,1. 直接接触式换热和混合式换热器,14,2. 蓄热式换热和蓄热器,15,3.间壁式换热和间壁式换热器,热流体侧的对流传热 间壁的导热 冷流体侧的对流传热,三个串联传热环节,图4-3 间壁两侧流体间传热,对流传热,导热,对流传热

5、,16,4.1 概述,4.1.1 传热的基本方式 4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式 4.1.3 典型的间壁式换热器,17,1. 套管式换热器,18,2. 管壳式换热器,19,2. 管壳式换热器,20,图4-5 单程管壳式换热器 1-外壳 2-管束 3、4-接管 5-封头 6-管板 7-挡板 8-泄水池,2. 管壳式换热器,动画,21,2. 管壳式换热器,图4-6 双程管壳式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板,动画,22,4.1 概述,4.1.1 传热的基本方式 4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式 4.1.3 典型的间壁式换热器 4.1.4 传热速率和热

6、通量,23,q，单位面积的传热速率，J/(s,m2)，W/m2。,Q，单位时间内通过传热面的热量，J/s，W。,基本概念,传热速率,热通量,整个传热面的热阻,单位传热面积的热阻,传热速率=传热推动力(温度差)/传热热阻,24,4.1 概述,4.1.1 传热的基本方式 4.1.2 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式 4.1.3 典型的间壁式换热器 4.1.4 传热速率和热通量 4.1.5 稳态传热和非稳态传热,25,稳态传热和非稳态传热,如不加说明一般都指稳态传热过程。,物理量不随时间而变,物理量不随时间变化,稳态传热,非稳态传热,26,4.1 概述,4.1.1 传热的基本方式 4.1.2

7、 传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式 4.1.3 典型的间壁式换热器 4.1.4 传热速率和热通量 4.1.5 稳态传热和非稳态传热 4.1.6 载热体及其选择,27,在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。,1. 定义,起加热作用,起冷却作用,载热体,高温载热体（加热剂）,低温载热体（冷却剂）,28,2. 载热体的选择及常用载热体,载热体的温度易调节控制； 载热体的饱和蒸气压较低,加热时不易分解； 载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备； 价格便宜，来源容易。,载热体的选择要求,29,4.2 热传导,4.2.1 基本概念和

8、傅里叶定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 通过平壁的稳态热传导 4.2.4 通过圆筒壁的稳态热传导,30,1. 温度场和温度梯度,温度的分布状况。,沿等温面法线方向的温度的变化率。,温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正，与热量传递的方向相反。,温度场,温度梯度,等温面和等温线,31,2. 傅里叶（Fourier）定律,傅立叶定律表明导热速率与温度梯度及传热面积成正比，而热流方向却与温度梯度相反。,温度梯度,导热系数,微分导热速率,Q与温度梯度方向相反,32,3. 导热系数, 是物质的固有性质，是分子微观运动的宏观表现。, 在数值上等于单位温度梯度下的热通量，故物质的越

9、大，导热性能越好。, 与物质的种类、热力学状态（T、P）有关。,金属固体 非金属固体 液体 气体,T ， 气体， 水，其它液体的 。,33,4.2 热传导,4.2.1 基本概念和傅里叶定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 通过平壁的稳态热传导,34,1.单层平壁的热传导,假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失。,图4-8 单层平壁热传导,35,对平壁一维稳态热传导,积分并整理得,1.单层平壁的热传导,导热热阻,单层平壁的热传导速率方程式,36,2.多层平壁的热传导,图4-9 三层平壁热传导,假设： 导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失；

10、没有接触热阻。,37,2. 多层平壁的热传导,显然，通过每一层的Q=常数，或q=常数,推广至n层平壁，,多层平壁的热传导速率方程式,38,2. 多层平壁的热传导,思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。,温差与热阻的关系：,各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。,39,2. 多层平壁的热传导,影响因素： 接触材料的种类及硬度 接触面的粗糙程度 接触面的压紧力 空隙内的流体性质,接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计,接触热阻,接触热阻,40,4.2 热传导,4.2.1 基本概念和傅里叶定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 通过平壁的稳态热传导

11、4.2.4 通过圆筒壁的稳态热传导,41,图4-11 单层圆筒壁的热传导,1.单层圆筒壁的热传导,假设：一维稳态温度场。,Q为常数，但传热面积S和热通量q均随半径而变。,42,通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为,积分并整理得,微分式,积分式,1.单层圆筒壁的热传导,43,可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式,其中:,圆筒壁的对数平均面积,1.单层圆筒壁的热传导,或,单层圆筒壁的热传导速率方程式,圆筒壁的对数平均半径,注：当 r2/r1TW,T,TW,热流体,51,1. 对流传热速率方程,对热流体而言：,对冷流体而言：,若热流体走管内，冷流体走管外：,具体表达式：,热流体,冷流体,tw,T

12、w,t,T,52,1. 对流传热速率方程,采用平均传热系数表示：,流体与壁面温差的平均值,平均对流传热系数,对流传热热阻,牛顿冷却定律,思考：写出图示的冷、热流体牛顿冷却定律的具体表达式？,牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律。,53,2. 对流传热系数,物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2)；,反映对流传热的快慢， 越大，对流传热越快；,不是流体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。,54,2. 对流传热系数,空气中,水中,总之：,油类中,的量级,55,4.3 对流传热概述,4.3.1

13、 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介,56,对流传热是借流体质点的移动和混合而完成的，因此对流传热与流体流动状况密切相关。,对流传热,图4-13 对流传热的温度分布情况,1.对流传热分析,57,层流内层 缓冲层 湍流核心,湍流边界层,传热方式 热传导 热传导和对流 对流,1. 对流传热分析,温度梯度 较大 居中 较小,热阻 较大 居中 较小,对流传热是集热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，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,58,2. 热边界层,靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温

14、度基本上相同，即温度梯度可视为零。,热边界层,图 4-14 平板上的热边界层,o,59,若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即,紧靠壁面处薄层流体的温度梯度,2. 热边界层,根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为,换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温,换热器任一截面上热流体的平均温度,60,因此有,上式为对流传热系数的另一定义式，该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得。 热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而就

15、愈大。反之，则相反。,2.热边界层,61,流体在管内流动时，热边界层的发展过程也和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径，此时称为充分发展流动。 流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到达到基本稳定的这一段距离称为进口段。,2. 热边界层,62,4.3 对流传热概述,4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介 4.3.3 保温层的临界直径,63,保温层的临界直径,问题：保温层越厚，保温效果越好吗？,或,临界半径,临界直径,64,保温层的临界直径,图4-15 保温层的临界直径,dc,

16、故Q有极大值。,65,4.4 传热过程计算,4.4.1 热量衡算 4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数 4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程 4.4.4 总传热速率方程的应用 4.4.5 传热单元数法,66,换热器的热负荷（传热任务）,热流体： Wh cph T1,冷流体： Wc cpc t1,冷流体: t2,热流体：T2,（1）无相变时：,（2）有相变时（无温度变化）：,假设无热损失，则：,热流体放出的热量=冷流体吸收的热量。,67,热量衡算式,（3）有温变也有相变过程, 需分段计算,例: 在1atm下,120、W(kg/s)过热蒸汽变为60 水,求单位时间放出的热量。,120 蒸

17、汽100 蒸汽 100 水 60 水,1,2,3,68,4.4 传热过程计算,4.4.1 热量衡算 4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数,69,通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即,1.总传热速率微分方程,热流体,冷流体,t,T,70,总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。,总传热速率微分方程,1. 总传热速率微分方程,71,显然有,管内径,管外径,平均管径,工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。,1.总传热速率微分方程,72,2. 总传热系

18、数,总传热系数 K 综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数 1/K 称为传热过程的总热阻。,取得K的途径:,（1）分析计算 （2）实验查定 （3）经验数据,73,两流体通过管壁的传热包括以下过程: 热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热； 通过管壁的热传导； 管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。,2. 总传热系数,1）总传热系数的计算,热流体,冷流体,tw,t,Tw,T,74,对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即,或,2. 总传热系数,移项后相加，得,热流体,冷流体,tw,t,Tw,T,75,2. 总传热系数,比较,76,基于管内表面积的 局部总传热系数

19、,基于平均表面积的 局部总传热系数,基于管外表面积的 局部总传热系数,得,2. 总传热系数,77,设计中应考虑污垢热阻的影响，即,管壁外表面污垢热阻,管壁内表面污垢热阻,总传热系数计算式,某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。,2. 总传热系数,污垢热阻(又称污垢系数),因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往会成为主要热阻，必须给予足够重视。,78,提高总传热系数途径的分析,总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻,壁阻,总热阻,管内热阻,管内垢阻,管外垢阻,管外热阻,2. 总传热系数,79,2. 总传热系数,对平壁或薄管壁，ddi do dm，且管壁热阻和污垢

20、热阻可以忽略。,管壁内侧对流传热控制,若,管壁内、外侧对流传热控制,相当,若,管壁外侧对流传热控制,，则,80,欲提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。,当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于 中小者。,2. 总传热系数,81,2. 总传热系数,2）K的实验查定,3）总传热系数的经验值（查P229表4-6）,在有关传热手册和专著中载有某些情况下 K 的经验数值，可供设计参考。,82,练 习 题 目,思考题,作业题: 3、4,1.什么叫热阻？试说明在多层平壁和多层筒壁热传导中应用热阻的优点。 2.换热器中总的传热热阻包括哪几部分？在强化传热中，如何有效地减小热阻？,83,4.4 传热

21、过程计算,4.4.1 热量衡算 4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数 4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程,84,传热为稳态操作过程； 两流体的比热容均为常量(可取为换热器进、出口下的平均值)； 总传热系数K为常量，即K值不随换热器的管长而变化； 换热器的热损失可以忽略。,85,冷流体温度,热流体温度,1.恒温传热时的平均温度差,T,t,蒸汽冷凝,液体沸腾,S,86,1)逆流和并流时的平均温度差,逆流,并流,2.变温传热时的平均温度差,图4-16 变温传热时的温度变化 (a)逆流 (b)并流,87,以逆流为例，推导出计算平均温度差的通式。,常量,常量,二、变温传热时的平均温度差,88

22、,因此， 及 都是直线关系，可分别表示为,2. 变温传热时的平均温度差,两式相减,t与Q呈直线关系。,89,图4-17 逆流时平均温度差的推导,2. 变温传热时的平均温度差,90,由前述假定知K为常量，故积分上式可得,总传热速率方程式,2.变温传热时的平均温度差,因此,91,对数平均温度差,上式为逆流和并流时计算平均温度差的通式。,在工程计算中，当 时，可用算术平均温度差（ ）代替对数平均温度差，其误差不超过4%。,2.变温传热时的平均温度差,92,2）错流和折流时的平均温度差,2.变温传热时的平均温度差,图4-18 错流和折流示意图 (a)错流 (b)折流,错流,折流,93,温差校正系数,采

23、用安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法,2. 变温传热时的平均温度差,2）错流和折流时的平均温度差,按逆流计算的对数平均温差,错流和折流的平均温差,94,温度差校正系数t值可根据P和R两因数从图4-19中的相应图中查得。,2. 变温传热时的平均温度差,95,温差修正曲线 (P232),96,值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故。,通常在换热器的设计中规定， 值不应小于0.8。若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流。,2. 变温传热时的平均温度差,97,2. 变温传热时的平均温度差,3）流向的选择,任务:冷流体被加

24、热,求加热剂消耗量。,（1）流体最终温度和载热体消耗量比较:,逆流:t1,并流:t2,98,2. 变温传热时的平均温度差,（2）传热温差的比较,并流,逆流,99,2. 变温传热时的平均温度差,总结：,一般情况下，逆流优于并流，工程上，多采用逆流操作：当流体进、出口温度已经确定时，逆流操作的平均温度差比并流时大，传递相同热量Q，所需传热面积小，而且可以节省加热介质或冷却介质的用量。 某些情况下，只能采用并流操作： （1）热敏性物料的加热，采用并流可避免出口温度过高影响产品质量； （2）高温换热器中，逆流时t2和T1集中在一端，采用并流，可降低该处壁温，延长换热器使用寿命。,100,小 结,LMT

25、D法-对数平均温差法,（逆、并流）,（其他流动情况）,101,4.4 传热过程计算,4.4.1 热量衡算 4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数 4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程 4.4.4 总传热速率方程的应用,102,1. 传热面积的计算,S =？,能否用并流？,103,2. 实验测定总传热系数K,例:为测定一台列管式换热器的K,将1100m3/h(标态)压缩空气经换热器从140冷却至60,冷却介质为水,水温从28 升到38 (逆流),该换热器规格为:252 2200mm;n=91根。此换热器在此操作条件下K=?,0C,100C,查哪个温度？,104,3. 换热器的操作型计算,

26、例：有一逆流操作的换热器,热流体为空气,1100 W/(m2 ),冷却水走管内,22000 W/(m2. )。已知t120 , t285 , T1100 ,T270 ,忽略管壁热阻和传热面积的变化。当水流量增加一倍时,试求: （1）水和空气的出口温度t2和T2； （2）热流量Q 比原热量Q增加多少？,比较原工况和新工况,解：对原工况：,105,（原工况）,同样：,（新工况）,其中：,106,由热量衡算式有：,(2)新旧两种工况的传热速率之比：,107,4.4 传热过程计算,4.4.1 热量衡算 4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数 4.4.3 平均温度差法和总传热速率方程 4.4.4 总

27、传热速率方程的应用 4.4.5 传热单元数法,108,问题：在操作型计算中，需要同时确定 T2 和 t2 (在传热速率方程式的对数项中)，若采用传热速率方程和热量平衡方程联立求解的方法，比较麻烦。 解决方法：传热单元数（NTU）法 手段：将两个出口温度用热量衡算式消去一个。,概述,109,1. 传热效率,换热器的传热效率定义为,假设换热器中流体无相变化及热损失可忽略，则Q可由换热器的热量衡算式得到：,110,最大可能的传热量可用下式表示，,式中Wcp 称为流体的热容量流率，下标min表示两流体中热容量流率较小者，并称此流体为最小值流体。,换热器中可能达到的最大温差,较小者具有较大温差,1. 传

28、热效率,111,若冷流体为最小值流体，则传热效率为,如果热流体为最小值流体，则传热效率为,1. 传热效率,112,2. 传热单元数NTU,对冷流体：,基于冷流体的传热单元数,113,对于热流体，同样可写出,基于冷流体的传热单元数,基于热流体的传热单元数,2. 传热单元数NTU,114,2. 传热单元数NTU,传热单元数的物理意义:,传热单元长度，Hc,传热单元数(NTU)c,管长,115,温度的量纲为1的函数，反映传热推动力和传热所要求的温度变化。若传热推动力愈大，所要求的温度变化愈小，则所需要的传热单元数愈少。 长度量纲，是传热的热阻和流体流动状况的函数。若总传热系数愈大，即热阻愈小，则传热

29、单元长度愈短，所需传热面积愈小。,2.传热单元数NTU,传热单元数,传热单元长度,116,2. 传热单元数NTU,即：,什么是传热单元数？,传热单元的个数就是传热单元数。,以逆流为例，将整个传热面分成若干段，每段为一个传热单元，应满足：,117,若冷流体为最小值流体，则,若热流体为最小值流体，则,3.传热效率与传热单元数的关系,118,对一定形式的换热器，可推导出传热效率和传热单元数的关系。,3.传热效率与传热单元数的关系,单程并流换热器,119,对于单程逆流换热器，,1）当两流体中任一流体发生相变时,3. 传热效率与传热单元数的关系,2）当两流体的热容流率相等，即,时,120,3. 传热效率

30、与传热单元数的关系,说明：,对任一流体， 三者之间存在一定的关系，已知两者可求第三者。避免反复试算； 对于并流、错流、折流等复杂流动，均可推导出 的关系式。为便于计算，通常绘成算图（P241图4-224-24 ），以供查用。,121,4. 传热单元数法的应用,若热流体是最小值流体：,若冷流体是最小值流体：,应用传热单元数法的解题思路：, 判断最小值流体；,122,3. 传热效率和传热单元数的关系, 确定待求项包含在 哪个参数？ 求出另外两个已知参数； 根据 三者的关系（可查图4-2225，也可用相应公式算，将未知参数求出，进一步求出待求项。,一般说来，换热器的设计型计算宜用平均温度差法，换热器

31、的操作型计算宜用-NTU法。,123,例1：逆流操作，空气1100W/ (m2 )，冷却水走管内22000W/(m2)。已知t120，t285，T1100 ，T270 ，忽略管壁热阻和传热面积的变化。当水流量增加一倍时，试求(1)t2和T2(2)Q /Q？,查p241图4-23有：,冷流体为最小值流体，以冷流体作计算基准。,124,125,解一： LMTD 法,逆流时：,(以外表面为基准),126,并流时： Q、t2、Ko与逆流时相同,(以外表面为基准),解一： LMTD 法,127,逆流时：,解二： -NTU法,代入式(1)得：,以热流密度最小的热流体为基准计算。,128,(以外表面为基准)

32、,解二： -NTU法,前面已求得：,129,解二： -NTU法,并流时：,代入式(2)得：,130,练 习 题 目,思考题,作业题: 7、10、14,1.对数平均温度差值与哪些因素有关？ 2.试分析平均推动力(tm)法和传热单元(NTU)法间的关系。 3.在管壳式换热器设计中，为什么要限制温度差校正系数大于0.8？,131,4.5 对流传热系数关联式,4.5.1 影响对流传热系数的因素 4.5.2 对流传热过程的量纲分析 4.5.3 流体无相变时的对流传热系数 4.5.4 流体有相变时的对流传热系数 4.5.5 壁温的估算,132,a的影响因素,1.流体的种类和相变化情况: 2.流体的特性:

33、3.流体的温度 4.流体的流动状态: 5.流体流动的原因： 6.传热面的形状、位置和大小,al ag， a相变 a非相变,a湍流 a层流,a强制对流 a自然对流,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。,Re;Re ; ;cpcp ； ,133,4.5 对流传热系数关联式,4.5.1 影响对流传热系数的因素 4.5.2 对流传热过程的量纲分析,134,对流传热分类 :(从大类小类具体情况),对流传热,有相变传热,无相变传热,冷凝传热,沸腾传热,自然对流,强制对流,管外 对流,管内对流,圆形直管,非圆

34、管道,弯管,湍流,过渡流,滞流(层流),对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。,135,1. 3个无因次数群,努塞尔数 (Nusselt number),表示对流传热系数的准数；,反映物性的影响。一般，气体的Pr1,1）,2）,普朗特数 (Prandtl number),136,1. 3个无因次数群,3）,4）,雷诺数 (Reynolds number),表示惯性力与黏滞力之比，是表征流动状态的准数；,格拉晓夫数 (Grashof number),表示自然对流影响的准数。,137,2.准数关联式,强

35、制对流（无相变） 传热时的准数关联式,自然对流（无相变） 传热时的准数关联式,具体关联式由实验确定，使用关联式时应注意以下问题。,定性温度。各准数中的流体物性应按什么温度查取。 特性尺寸。Nu、Re等准数中的l应如何确定。,138,4.5 对流传热系数关联式,4.5.1 影响对流传热系数的因素 4.5.2 对流传热过程的量纲分析 4.5.3 流体无相变时的对流传热系数,139,1. 流体在管内作强制对流,思考： 与u、d有何比例关系？,（4-70）,1）流体在圆形管内作强制湍流,140,被冷却情况怎样？,思考：为什么加热时n取0.4，冷却时取0.3？,层流底层温度高于平均温度, 减小,层流底层

36、变薄, 变大。Pr1; Pr0.4Pr0.3,层流底层温度高于平均温度, 更大,层流底层更厚, 更小。Pr1; Pr0.410,4）管子的规格、管子的排列和管间距,(1)管子规格,对于单根管,洁净流体取小管径；不洁净或易结垢流体取较大管径。 一般采用252.5mm 及192mm两种,标准钢管长为6m,一般l取为1.5、2、3和6m,2.管壳式换热器设计和选用时应考虑的问题,201,(2)管子的排列和管间距,t=1.251.5d0,5）管程和壳程数的确定,管壳式换热器系列标准中管程数有1、2 、4 、6四种,通常每程的管数相等。当S大,l又不能太大,为了提高流速,采用多管程。当0.8时,应采用多

37、壳程,但一般采用串联使用。,202,6）折流挡板的选用 ：,挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。挡板的间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外给热系数下降；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。 我国系列标准规定的挡板间距： 固定管板式：150、300 和 600 mm 三种规格； 浮头式：150、200、300、480 和 600 mm 五种规格。,作用：提高管外的给热系数；,形状：园缺型、园盘型、 分流型等；,203,7)外壳直径的确定:,初步设计可用下式估算外壳直径:,D 壳体直径,m; t 管中心距,m; nc 位于管束中心线上的管数; b 管束中心线上最外层管的中心至

38、壳体内壁距离,一 般取b =(11.5)d0 ,m。,8)流体流经换热器的阻力(压降)计算 ：,(1)管程流体阻力,式中：p1流体流经直管的压力降，N/m2；,p2流体流经回弯管时的压力降，N/m2；,Ft结垢修正系数，对于252.5mm的管子， 取为1.4，对于 192mm的管子，取为1.5； Ns串联的壳程数； Np管程数。,204,直管压力降 p1 可按流体力学的一般公式进行计算； 回弯管中的压力降 p2 由下面的经验公式估算：,(2)壳程流体阻力,壳程流体阻力的计算公式很多，但由于壳程流体的流动状况十分复杂，由不同的公式计算的结果相差较大。 埃索法计算壳程压降 p0 的公式：,式中： p1/ 流体横过管束的压力降，N/m2； p2 / 流体通过折流板园缺时的压力降，N/m2； Fs 壳程压力降的结垢修正系数，对于液体取1.5, 对于气体或可凝蒸汽取1.0。,205,(2)壳程流体阻力,式中：F 管子排列方法对压力降的修正系数，对于正三角形排列 F = 0.5，对于正方形排列 F = 0.3，对于正方形斜转 45 度 F = 0.4； f0 壳程流体的摩擦系