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1、1,4.3 对流传热 4.3.1 对流传热过程分析 4.3.2 对流传热速率 4.3.3 影响对流传热系数的因素 4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立 4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式 4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式,2,3.3.1 对流传热过程分析,3,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,4,3.3.2 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。,5,式中 t总有效膜厚度; e湍流区虚拟膜厚
2、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:,T,TW,t,tW,t,6,1. 牛顿冷却定律是一种推论,假设Qt。,2. 复杂问题简单化表示。,推动力:,阻力:,7,4.3.3 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,8,5. 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
3、.流动形态 层流、湍流 湍 层,9,4.3.4 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),10,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,11,二、实验安排及结果整理 以强制湍流为例:NuCReaPrk 1采用不同Pr的流体,固定Re lgNuklgPrlgCRea 双对数坐标系得一直线,斜率为k,2不同Pr的流体在不同的R
4、e下 lgNu/PrkalgRelgC 双对数坐标系中得一直线 斜率为a,截距为C,12,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。,13,一、流体在管内的强制对流,适用范围: Re10000,0.760,4.3.5 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,14,特征尺寸为管内径di 流体被加热时,k0.4;被冷却时,k0.3。,注意事项: 定性温度取,15,强化措施: u,u0.8 d, 1/d0.2 流体物性的影响,选大的流体 ,16,以下是对上面的公式
5、进行修正: (1)高粘度,Re10000,0.760 定性温度取tm;特征尺寸为di,17,(2) l/d60 ,(3) 过渡流(2000Re10000) ,(4) 弯曲管内 ,18,(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: 12000Re220000;d2/d1=1.6517 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,19,例题4.3.1 一列管式换热器,由38根252.5mm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
6、: (1)管壁对苯的对流传热系数; (2)管子换为192mm,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,20,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,21,热流方向对层流速度分布的影响,22,适用范围:,当:,定性温度:,23,二、管外强制对流的对流传热系数 1. 流体在管束外垂直流过,24,在换热器内单排管:,25,整个管束:,定性温度:,适用范围
7、:,特性尺寸:管的外径do,26,2流体在换热器壳程的流动,挡板形式:圆形、圆缺形,27,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de,28,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。,29,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),30,三、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
8、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,31,一、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,32,2. 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,33,湍流,2)竖壁或竖管上的冷凝,层流,适用条件:Re1800,适用条件:Re1800,特性尺寸l:管或板高H,定性温度:膜温,34,4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
9、,t=tstW,, 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 (u10m/s ) 同向时, ;反向时, ; u ,35,5) 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,36,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=tWts 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,37,2. 沸腾曲线 1)自然对流阶段 t t5C 3)不稳定膜状沸腾 25C t5C,工业上:核状沸腾,4)稳定膜状沸腾 250C t25C,优点:大,tW小,38,3、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,39,4)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,40,
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