第四章第四节化原.pptx
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1、化工原理化工原理2024/4/2 周二概述概述4.1热传导热传导4.2对流传热对流传热4.3对流传热系数关联式对流传热系数关联式4.4辐射传热辐射传热4.5传热计算传热计算4.6本章本章内容内容换热器换热器4.7化工原理化工原理2024/4/2 周二本节本节讲授讲授内容内容3 3流体无相变时对流传热系数流体无相变时对流传热系数流体无相变时对流传热系数流体无相变时对流传热系数2 2对流传热过程的因次分析对流传热过程的因次分析对流传热过程的因次分析对流传热过程的因次分析4 4流体有相变时对流传热系数流体有相变时对流传热系数流体有相变时对流传热系数流体有相变时对流传热系数1 1对流传热系数的影响因素
2、对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素第四节第四节 对流传热系数关联式对流传热系数关联式化工原理化工原理2024/4/2 周二1、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况气体、液体、有无相变气体、液体、有无相变 2、流体的物性、流体的物性(1)导热系数)导热系数 层层流流内内层层的的温温度度梯梯度度一一定定时时,流流体体的的导导热热系系数数愈愈大大,对流传热系数也愈大。对流传热系数也愈大。(2)粘度)粘度 流体的粘度愈大,对流传热系数愈低。流体的粘度愈大,对流传热系数愈低。(3)比热和密度)比热和密度 cp:单位体积流体所具有的热容量。:单位体积流体所具有
3、的热容量。cp值值愈愈大大,流流体体携携带带热热量量的的能能力力愈愈强强,对对流流传传热热的的强强度愈强。度愈强。一、一、对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素 化工原理化工原理2024/4/2 周二(4)体积膨胀系数)体积膨胀系数 体体积积膨膨胀胀系系数数值值愈愈大大,密密度度差差愈愈大大,有有利利于于自自然然对对流流。对强制对流也有一定的影响对强制对流也有一定的影响。3、流体的温度、流体的温度 温温度度差差必必然然导导致致密密度度差差,从从而而产产生生附附加加自自然然对对流流,使使对流传热增强。对流传热增强。4、流体流动状态、流体流动状态 层流、湍流层流、湍流 湍湍 层层 5、流体流
4、动的原因、流体流动的原因 6、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 强强 自自 形状:如管、板、管束等;形状:如管、板、管束等;大小:如管径和管长等;大小:如管径和管长等;位位置置:如如管管子子的的排排列列方方式式(管管束束有有正正四四方方形形和和三三角角形形排排列);管或板是垂直放置还是水平放置。列);管或板是垂直放置还是水平放置。化工原理化工原理2024/4/2 周二二、对流传热过程的因次分析二、对流传热过程的因次分析1、流体无相变时的强制对流传热过程、流体无相变时的强制对流传热过程(1)列出影响该过程的物理量,并用一般函数关系表示:)列出影响该过程的物理量,并用一般函数关系
5、表示:(2)确定无因次准数)确定无因次准数i的数目的数目基本因次:长度基本因次:长度L;质量;质量M;时间;时间;温度;温度T物理量因次物理量因次物理量物理量因因 次次化工原理化工原理2024/4/2 周二流体无相变时强制对流时的准数关系式流体无相变时强制对流时的准数关系式(3)无因次数群)无因次数群化工原理化工原理2024/4/2 周二2、自然对流传热过程、自然对流传热过程包括包括7个变量,涉及个变量,涉及4个基本因次,无因次数群个基本因次,无因次数群3个个自然对流传热准数关系式自然对流传热准数关系式化工原理化工原理2024/4/2 周二准数的符号和意义准数的符号和意义准数名称准数名称符号符
6、号准数式准数式意义意义 努塞尔准数努塞尔准数(Nusselt)Nu表示对流传热的系数表示对流传热的系数 雷诺准数雷诺准数(Reynolds)Re确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数(Prandtl)Pr表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数 (Grashof)Gr表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数化工原理化工原理2024/4/2 周二3、应用准数关联式应注意的问题、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温度确定)定性温度:各准数中的物理性质按什么温度确定(2)定性尺寸:)定性尺寸:Nu,Re数中数中L应如何选定
7、。应如何选定。流体的平均温度流体的平均温度壁面平均温度:壁面平均温度:tw膜温膜温t1、t2分分别别为为流流体体的进出口温度的进出口温度(3)应用范围:关联式中)应用范围:关联式中Re,Pr等准数的数值范围。等准数的数值范围。圆管取管直径:圆管取管直径:l=d非圆管取当量直径:非圆管取当量直径:l=de平板:平板:l=板长板长化工原理化工原理2024/4/2 周二三、流体三、流体无相变无相变时的对流传热系数时的对流传热系数1、流体在、流体在管内管内作作强制强制对流对流(1)流体在)流体在圆形直管内圆形直管内作强制作强制湍流湍流 低粘度低粘度(大约低于(大约低于2倍常温水的粘度)流体倍常温水的粘
8、度)流体 当流体当流体被加热被加热时时n=0.4,流体,流体被冷却被冷却时,时,n=0.3。化工原理化工原理2024/4/2 周二管长与管径比管长与管径比 将计算所得的将计算所得的乘以乘以应用范围:应用范围:定性尺寸:定性尺寸:Nu、Re等准数中的等准数中的l取为管内径取为管内径di。定性温度:定性温度:取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进、出口温度的算术平均值。高粘度高粘度的液体的液体 为考虑热流体方向的校正项。为考虑热流体方向的校正项。化工原理化工原理2024/4/2 周二当温度一定时当温度一定时 应用范围:应用范围:定性尺寸:定性尺寸:取为管内径取为管内径di。定性温度:定性温度
9、:除除w取取壁壁温温以以外外,其其余余均均取取液液体体进进、出出口口温温度度的算术平均值。的算术平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二(2)流体在圆形直管内作强制)流体在圆形直管内作强制层流层流 当当管管径径较较小小,流流体体与与壁壁面面间间的的温温度度差差较较小小,自自然然对对流流对对强强制层流传热的影响可以忽略时制层流传热的影响可以忽略时应用范围:应用范围:定性尺寸:定性尺寸:管内径管内径di。定性温度:定性温度:除除w取取壁壁温温以以外外,其其余余均均取取液液体体进进、出出口口温温度度的算术平均值。的算术平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二(3)流体在圆形直管内呈)流体
10、在圆形直管内呈过渡流过渡流对对于于Re=230010000时时的的过过渡渡流流范范围围,先先按按湍湍流流的的公公式式计算计算,然后再乘以校正系数,然后再乘以校正系数。(4)流体在弯管内作强制对流)流体在弯管内作强制对流(5)流体在非圆形管中作强制对流)流体在非圆形管中作强制对流d1d2化工原理化工原理2024/4/2 周二(1)流体横向流过管束)流体横向流过管束2、流体在、流体在管外管外强制对流强制对流管子的排列方式管子的排列方式正三角形正三角形转角正三角形转角正三角形正方形正方形转角正方形转角正方形化工原理化工原理2024/4/2 周二流体在错列管束外流过时,平均对流传热系数流体在错列管束外
11、流过时,平均对流传热系数流体在直列管束外流过时,平均对流传热系数流体在直列管束外流过时,平均对流传热系数应用范围:应用范围:特征尺寸:特征尺寸:管管外外径径do,流流速速取取流流体体通通过过每每排排管管子子中中最最狭狭窄窄通道处的速度。通道处的速度。注意:注意:管束排数应为管束排数应为10,若不是,若不是10时,计算结果应校正。时,计算结果应校正。定性温度:定性温度:流体进、出口温度的算数平均值。流体进、出口温度的算数平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二(2)流体在换热器的)流体在换热器的管间管间流动流动 环盘形环盘形弓形弓形圆缺形圆缺形化工原理化工原理2024/4/2 周二当当管管
12、外外装装有有割割去去25%直直径径的的圆圆缺缺形形折折流流板板时时,壳壳方方的的对对流流传热系数关联式为:传热系数关联式为:应用范围:应用范围:Re=2103106 定性尺寸:定性尺寸:当量直径当量直径de。定性温度:定性温度:除除w取取壁壁温温以以外外,其其余余均均取取液液体体进进、出出口口温温度的算术平均值。度的算术平均值。化工原理化工原理2024/4/2 周二管子呈正方形排列时:管子呈正方形排列时:管子呈三角形排列时:管子呈三角形排列时:管外流速可以根据流体流过的最大截面积管外流速可以根据流体流过的最大截面积A计算计算 当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算:当量直径可根据管子
13、排列的情况别用不同式子进行计算:h两挡板之间的距离两挡板之间的距离D换热器外壳的内径换热器外壳的内径do管子的外径管子的外径 t相邻两管中心距相邻两管中心距化工原理化工原理2024/4/2 周二3、自然自然对流对流定性温度定性温度:膜温。膜温。特征尺寸:特征尺寸:垂直的管或板取垂直高度,水平管为管外径垂直的管或板取垂直高度,水平管为管外径。注注意意:C,n与与传传热热面面的的形形状状(管管或或板板)、放放置置位位置置(垂垂直、水平)有关。直、水平)有关。化工原理化工原理2024/4/2 周二4、提高对流传热系数的途径、提高对流传热系数的途径(1)湍湍 层层,并并且且Re,应应力力求求使使流流体
14、体在在换换热热器器内达到内达到湍流湍流流动。流动。当温度一定时当温度一定时与流速的与流速的0.8呈正比,与管径的呈正比,与管径的0.2次方呈反比次方呈反比 在在流流体体阻阻力力允允许许的的情情况况下下,增增大大流流速速比比减减小小管管径径对对提提高高对对流传热系数的效果更为显著。流传热系数的效果更为显著。(2)湍流时,圆形直管中的对流传热系数)湍流时,圆形直管中的对流传热系数化工原理化工原理2024/4/2 周二(3)流体在换热器管间流过时,在管外加折流板的情况)流体在换热器管间流过时,在管外加折流板的情况 对对流流传传热热系系数数与与流流速速的的0.55次次方方成成正正比比,而而与与当当量量
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