食品工程原理的对流传热.ppt

1、3.3对流传热概述，3.3.1对流传热速率方程和对流传热系数3.3.2对流传热机理，对流传热是指流体中颗粒的相对位移和混合引起的传热。对流传热只发生在流体中，这与流体的流动条件有关。对流传热伴随着流体之间的热传导。一般来说，对流传热是指流体和固体壁之间的传热过程。自然对流：温差导致密度差和流体流动。强制对流：流体通过外部动力流动，引起对流。对流传热速率方程和对流传热系数1。对流传热速率方程是指湍流体与固体壁之间的传热过程(反之亦然)。在工程中，对流传热率用牛顿冷却定律表示。当流体被加热时，当流体被冷却时，dQ通过微元件传热表面的局部对流传热速率为dS，w；dS微型元件的传热面积；m2。t热交换

2、器任何部分的热流体平均温度；与热流体接触的Tw热交换器任一段一侧的壁温；t热交换器任何部分的冷却液平均温度；与冷流体接触一侧的任何一段换热器的壁温；比例系数，也称为局部对流传热系数，w/(m2。)；)；在工程中，利用平均对流传热系数，牛顿冷却定律可以表示为：平均对流传热系数，w/(m2)。S)总传热面积，m2；t流体和壁之间温差的平均值(反之亦然)；1 /(*S)对流传热阻力。热流体在热交换器管内流动；冷流体在热交换器管外流动：硅和硫热交换器的内表面积和外表面积，m2；进出口换热器管内外流体对流传热系数(w/m2)；注意：(1)平均对流传热系数与局部对流传热系数的差异。(siiso的对应关系。

3、(3)牛顿冷却定律的局限性：公式简单，矛盾集中在地面。壁温Tw和tw难以测量，应用受到限制。3.对流传热系数定义公式：物理意义：对流传热系数是单位温差下单位传热面积的对流传热率，w/(m2)；它的值反映了对流传热的效果。对流传热越快。注：导热系数是一个物理性质，但对流传热系数不是一个物理性质，而是一个受多种因素影响的物理量。影响对流换热系数的因素有：流体的物理性质有：Cp，流体对流的原因有强制对流和自然对流。3.3.2对流传热机理介绍、对流传热分析当分隔壁两侧的流体沿壁面湍流流动时，壁面附近总有一薄层流体形成滞流。叫做停滞内层。在停滞的内层和湍流主体之间有一个缓冲层。湍流体：在远离壁面的湍流体

4、内，流体颗粒剧烈运动并充分混合，传热主要通过对流进行。粒子相互混合传递热量，因此热阻很小，温度趋于一致。缓冲层：热传导和对流同时工作，流体温度变化缓慢。停滞内层：流体颗粒仅平行于壁面流动，在传热方向没有颗粒混合，传热主要通过热传导进行。由于流体的低热导率，停滞的内层中的热传导阻力很大，并且该层中的流体具有很大的温差。从以上分析可以看出，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合传热现象。对流换热的热阻主要集中在停滞的内层。因此，减小停滞内层的厚度和增加流体的湍流是增强对流传热的主要途径。2.热边界层(1)区域联系：研究方法相似，而且密切相关。流动边界层对热边界层的影响：湍流区：颗粒相互混合换热，温

5、差小。缓冲层：粒子混合和分子运动共同作用，温度变化平稳。层流内层：导热，热阻大，温差大。结果表明，流动边界层对传热边界层有显著影响，改善流动条件，特别是减小薄层流动的内层厚度，可以大大提高传热速率。3.4传热过程的计算，分区换热器的传热计算有两种类型：一种是设计计算，即根据生产所需的传热率，确定换热器的传热面积；二是校核计算，即判断换热器能否满足生产要求，或预测流体流量和温度对换热器传热能力的影响。3.4.1热交换器采用热平衡，假设热交换器隔热良好，Q损耗=0，那么Q放=Q吸收一，焓差法Q=Wh(Ih1-Ih2)=Wc(Ic2-Ic1):Q热交换器的热负荷，KJ/h或Kw；w流体质量流量，kg

6、/h；I每单位质量流体的焓，kj/kg；热流体；冷流体；焓参考标准规定，在常压下，液态水在0时的焓规定为零kj/kg；各种物质的焓值可在相关手册中查阅，用焓差法计算热平衡时必须采用相同的基准。第二，显热法(两种流体没有相变)q=whcph=(t1-T2)=wccpc(T2-t1)CP流体的平均恒压比热容，kj/(kg)。)；热流体的温度；冷却液温度。3。潜热法如果热流体有相变，如饱和蒸汽凝结，但冷流体没有相变，那么：Q=WhrWc。Cpc(t2-t1)饱和蒸汽的Wh冷凝速率，kg/h；r饱和蒸汽的冷凝热，kj/kg；如果热流体被饱和蒸汽冷凝，冷流体被饱和液体沸腾，并且冷流体和热流体在分隔热交换

7、器的两侧发生相变，那么q=whh=饱和液体的汽化热，KJ/kg；3.4.2总传热速率和总传热系数的微分方程，1。总传热速率微分方程用传热速率方程或对流传热速率方程计算过程的传热速率时，必须知道壁温(Tw，tw)，但实际上很难测量壁温。为了便于计算和避免壁温的影响，利用冷、热流体的温度直接导出了隔墙两侧流体间传热的总传热速率方程。两侧流体之间热交换的总传热速率的微分方程可以从隔板换热器的任何无穷小的面积ds导出，其中：dQ通过微分传热面积dS的传热速率，w；k局部总传热系数，t热交换器任何部分的热流体平均温度；t热交换器任何部分的冷却液平均温度；t局部传热温差，2.总传热系数K在数值上等于单位传

8、热面积和单位温差下的传热率。k是表示换热设备性能的重要参数，是换热设备计算和评价的依据。1)换热器隔墙两侧流体之间的传热过程。热交换器分隔壁两侧的流体之间的热传递过程和温度分布，以及通过管壁从热流体到内壁的对流热传递(Tw-tw)是管壁的任何部分的两侧的温差。冷流体在管道外壁上的对流传热，2)稳态传热条件下K的计算：dQ=dQ1=dQ2=dQ3，增加了三个公式，也就是说，正因为如此，上述公式可以与：K表示为热阻形式，当传热表面为平壁或薄壁管壁时，那么，3)污垢热阻换热器使用一段时间后，传热壁往往会积累。污垢热阻与流体性质、流速、温度、设备结构有关4)关于提高K值的讨论如果：管壁热阻和污垢热阻可

9、以省略，如果：如果：结论：如果要提高K值，必须提高；当，为了增加k的值，它必须增加；如果差别不大，如果要增加k值，就必须同时增加。增加流体流量和定期清洗换热器可以降低污垢热阻Rs i和Rs o，提高K值。3.4.3平均温差法和总传热速率方程、总传热速率微分方程积分后具有实际意义。积分的结果是用平均温差代替局部温差。平均温差及其计算方法与换热器中两种流体的流型有关。换热器中两种流体的温度变化可分为恒温传热和变温传热。为了推导传热的平均温差，应作如下简化假设：(1)稳态运行：(2)(取换热器入口和出口的平均值)；(3)K=常数(K值不随换热管长度而变化)；(4)品质损失=0，1。恒温传热过程中的平

10、均温差。热流体：蒸汽冷凝冷流体：液体沸腾温差不随换热器管长而变化。2。变温传热过程中的平均温差(1)逆流和顺流之间的平均温差如图(a)所示：双管换热器中的两种流体逆流：(a)逆流(b)顺流，热平衡计算的微分公式：根据假设(1)，2) T或T相对于Q绘制，t Q或tQ为线性关系，逆流过程中平均温差的导数为T。其中：tm为对数平均温差。讨论：(a)虽然上述公式是从逆流推导出来的，但它也适用于顺流。(2)习惯上，较大的温差记录为大温差，较小的温差记录为小温差。(c)当t大/t小2时，对数平均温差可用算术平均值代替。即：当tday=tthe tm=t tday=tday时，误差小于4%，这在工程上是允

11、许的。(e)在冷热流体的初始和最终温度相同的条件下。在Q和K相同的情况下，采用逆流传热可以节省传热面积，因此在工业生产中经常采用逆流操作。(2)错流与折流的平均温差：错流与折流的平均温差计算，首先要根据逆流计算对数平均温差tm，然后乘以温差修正系数。即温度修正系数t不仅与r和p有关，还与壳程流体的流动方式有关，因此计算时请参考相关手册。t值总是小于1，管壳式换热器设计中规定t不应小于0.8。如果低于该值，应增加壳方程的数量，以使传热过程接近逆流操作。3.5对流换热系数的相关公式，3.5.1对流换热系数的主要影响因素1。对流传热系数随流体类型和相变而变化。流体发生相变时会出现气泡，干扰内部流体，

12、导致对流传热系数大于无相变时的对流传热系数。流体的物理性质流体的导热系数、比热容、粘度和密度等物理性质对它们有很大的影响。(，Cp)，3.流体的流动状态是停滞的：流体在热流方向上没有额外的脉动，其传热形式主要是流体停滞内层的热传导，因此其数值很小。湍流：Re，滞流内层厚度减少。4.流体流动的原因自然对流：流体中的温差导致密度差产生浮力，这导致流体中的颗粒移动和混合，流速小，数值不大。强制对流：由机械振动的外力引起的流体流动，3.5.2对流传热过程的量纲分析，1。量纲分析，非相变流体强制对流传热的影响因素：量纲分析得到精确的关系式：非相变流体自然对流传热的影响因素：u被替换。量纲分析得到的精确数

13、关系式：在上式中：l特征尺寸，m；流体的体积膨胀系数，1/；流体和壁之间的温差。努塞尔待定准则，雷诺，流动类型对对流传热的影响，普朗特，流体物理性质对对流传热的影响，格拉夫，自然对流对对流传热的影响，定性温度的选择，2。定性温度和特征尺寸的确定，2)特征尺寸是对流动和传热有重要影响的几何尺寸。3)准数相关的适用范围。1)确定物理参数值的温度称为定性温度。1。管内流体的强制对流，适用范围：无相变对流传热系数的经验关联式，1)直圆管内的湍流，di流体受热时其特征尺寸为n 0.4冷却时，注意事项3:采取定性温度，加强措施：u、u0.8 d、1/d0.2流体物理性质的影响，选择大流体，以下是对上述公式的修正：对于高粘度液