化工原理课件10

T 4 Tw 4 ( ) −( ) 100 100
tw − t
热损失 : Φ = ( hc + hR ) Aw (t w − t ) = hT (t w − t ) Aw
对流辐射联合表面传热系数：hT = hc + hR
经验关联式： 经验关联式： 空气自然对流时， 空气自然对流时， 平壁保温层外 ： hT = 9.8 + 0.07(t w − t ) 圆管保温层外 ： hT = 9.4 + 0.052(t w − t ) ●空气沿粗糙表面强制对流时， 空气沿粗糙表面强制对流时， 空气沿粗糙表面强制对流时 空气流速 u≤5m/s 空气流速 u>5m/s hT=6.2+4.2u hT=7.8u0.78
∆t ↑ h↓
◇ 流体物性的影响： ρ、η、λ、r均影响h 流体物性的影响： ◇ 不凝性气体的影响 不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。
rρ gλ h = 0.725( ) ηd0∆t
2
3 1 4
◇ 蒸气过热的影响 蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传 热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按 饱和蒸汽冷凝处理。 ◇ 蒸气流速的影响 蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，h增大； 流速较大时，且与液膜反向，h减小。 ts t
自然对流 管外强制对流
Nu = C ( GrPr ) n
流体垂直流过管束
Nu = C ε Re n Pr 0 .4
有折流板的管束
Nu = 0.36 Re 0.55 Pr 1/ 3 (η / η w ) 0.14
4.3.6 有相变化的对流传热
6
化工生产中，有相变的对 流传热过程非常常见
5
B2 3
B1
pv对应饱和温度 气泡内温度
tsv
2σ pv − pl = r
tv = tsv
p1对应饱和温度 液体温度
pl pv r
ts1
气泡的产生和生长都需 要从液体中获得热量
t1 ∵
σ
∴ tv = tsv ∴
t1 > tv tsv > ts1
σ
t1 > ts1
液体温度高于其饱和温度
2σ pv − pl = r
rρ gλ h = 0.725( ) ηd0∆t
2
3 1 4
（b）水平管束外冷凝 ） 水平管束的排列通常有直排和错排两种 ：
1 2 2 4 3
1
2
3
水平管束的排列及其对冷凝液膜厚度的影响
第一排管子： 第一排管子：冷凝情况与单根水平管相同。 其他各排管子： 其他各排管子：冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的影响。 凝液量增加，液膜变厚，表面传热系数依次下降； 扰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ加剧，表面传热系数依次增加。
CD：汽化核心数↑，部分气泡在脱离之前连接形成不稳定气膜，壁面与液体隔开。 DE：稳定气膜 EF：辐射传热影响加大
3) 影响的因素
物性： λ , ρ ↑ , h ↑
压力： p ↑ , η , σ ↓
η ,σ ↑, h ↓
温度差：不同阶段，影 响不同
加热壁面的影响： 加热壁面的影响： ◇ 粗糙壁面, h↑，光滑的壁面, h↓；
(3) 绝热层的临界半径
λ
t∞
增加保温层厚度
ri h
ro ti
•增加辐射面积，增加辐射能，热损 失增加 •保温层外壁温度降低，不利于联合 传热，热损失减少
R2 t∞
t1
R1
绝热层的分析示意图
设稳态传热，管道外表面与环境间热损失为：
Φ=
∑
∆t R
=
ti − t∞ r0 ln ri 1 + 2 πLλ 2 πr0 LhT
Φ=
∑
∆t R
=
ti − t∞ r0 ln ri 1 + 2 πLλ 2 πr0 LhT
tW < t s
滴状冷凝
膜状冷凝
(2) 膜状冷凝表面传热系数
◆ 膜状冷凝的真实过程
该过程包含： 冷凝、对流传热、热传导过程 非常复杂 处理方法：数学模型法 简化模型→数学处理→求解校正
◆努塞尔特膜状冷凝简化的物理模型 ① ② 层流流动，传热方式为导热 导热，温度分布为线性； 液膜很薄，层流 层流 导热
努塞尔特膜状冷凝简化模型
◆ 建立数学模型求解 做受力分析、质量衡算、热量衡算，得：
倾斜壁面： 倾斜壁面：
rρ 2 gλ3 sin ϕ 1 h = 0.943( )4 ηL∆t L∆
g sin ϕ
ϕ
蒸气在斜壁上的冷凝
ρ gλ h = 1.47( 2 ) Re η
2 3 1 3
−
1 3
h = 1.47 Re
黑体发射系数：C0 = 5.67W （m 2 ⋅ K 4） /
灰体的发射能力
T 4 实验证明： E = C ( ) 100
C：灰体的发射系数 C<C0 C = f (物性、温度、表面)
灰 发射 力 < 黑 发射 力 0 体 能 E 体 能 E
黑度（发射率） 黑度（发射率）
ε=
E E0
表明： 表明：灰体接近黑体的程度， 黑体：ε =1 ε值由实验测定。
≠
吸收辐射能
发射辐射能
(2) 特点
* 以电磁波形式传播，不需要任何介质进行传递。 两次能量形式转化: * 两次能量形式转化: 内能1 →电磁波能→内能2。
(3) 辐射传热的特性
★ ★ ★
ΦR
Φ
具有反射、折射和吸收的特性； 服从光的反射、折射定律； 能在均一介质中作直线传播。
因为： Φ = ΦA + ΦR + ΦD
理论计算平均值：
r ρ 2 g λ3 4 h = 0.725( ) ηnd o ∆t
rρ 2 gλ3
1
实验值：
h = 0.725(
ηn 2 / 3d o ∆t
1 )4
管排数不同时， 管排数不同时，
▲
采用平均管排数：
nav = (
) 0.75 0.75 0.75 n1 + n2 + n3 + ....
Re > 10000
l / d > 60
没有充分发展
h ′ = [1 + ( d / l ) 0.7 ]h
圆形弯管内湍流 圆形直管内强制层流 圆形直管内强制层流
di h′ = (1 + 1.77 ) h R
Nu = 1.86( Re ⋅ Pr ⋅ d i / l )1/ 3 (η / η w ) 0.14
2897.8 λm = T
斯忒藩-波耳茨曼定律 波耳茨曼定律（ ② 斯忒藩 波耳茨曼定律（Stefan-Boltzmann) 表明黑体的发射能力与温度的关系。
E0 = σ T 4
T 4 或：E0 = C0 ( ) 100
斯忒藩 − 波耳兹曼常数 : σ = 5.67 × 10 −8 W （ m 2 ⋅ K 4） /
n1 + n2 + n3 +
4
∑n =( ∑n
i 4 0.75 i
)
（c）水平管内冷凝 ） 特点：考虑蒸汽流速对h的影响 特点 （1）蒸汽流速不大时，凝液可顺利排出， ） 可采用管外冷凝公式计算。 （2）当蒸汽速度较大时，可能形成两相流动， ） 应参考有关公式。
不凝气 蒸汽
凝液
(4) 影响冷凝传热的因素 ◇ 冷凝液膜两侧的温度差： ∆t = ts − t w 冷凝液膜两侧的温度差：
（5）液体沸腾传热 ） 大容积饱和沸腾 加热面被沉浸在无强制 对流的液体中
管内沸腾 流体以一定流速流经 加热管时，
1) 大容积饱和沸腾传热机理 假设气泡是球形
πr 2 ( p v − pl ) = 2 πrσ
2σ pv − pl = r
pl pv r
σ a b c d
σ
气泡的生成过程
气泡的力平衡
∂u x 蒸汽静止，汽-液界面无粘性应力 | y =δ = 0 ； ∂y
③ 汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度tδ=ts； ④ 忽略饱和液体过冷所放出的显热。
b
x
δ
y
ts
η
du x b dx dy
dx y x
u x,y t h, W t h, y
∂u x ∂y
=0
∂
t h,s
ρg (δ − y )bdx
辐射能的吸收、反射和透射
灰体：能以相同的吸收率A，吸收全部波长辐射能的物体。 灰体 工业上，多数物体都可近似视为灰体 相差不大 相差不大)。 工业上，多数物体都可近似视为灰体(A相差不大 。
4.4.2 发射能力和辐射基本定律
(1) 发射能力 E (辐射能力 W/m2 辐射能力) 辐射能力 一定温度下，单位时间，单位面积上，物体所能发射出的全 部波长的总能量。 △ 单色发射能力 Eλ：W/m2 一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一波 长的总能量。
2
B4 B3 1 4 7 8
液体沸腾和蒸气冷凝 既是热交换过程也是流体流动过程，
同时还有相变 潜热大 相变化传热优点 表面传热系数大 饱和水蒸气冷凝温度恒定，易于控制
(1) 蒸汽冷凝机理
蒸气与低于其饱和温度的壁面接触，蒸汽冷凝，释 放汽化热 冷凝方式： 冷凝方式： ① 滴状冷凝 凝液结为小液滴（附着力小于表面张力）， 有裸露壁面，直接传递相变热。 ② 膜状冷凝 凝液呈液膜状（附着力大于表面张力）， 热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面。 比较两种冷凝方式的表面传热系数 h滴状冷凝＞h膜状冷凝，相差几倍到几十倍， 但工业操作 工业操作上，多为膜状冷凝。 工业操作