化学工程传热学课件任务三(二)

4.流体无相变时的对流传热系数 对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其粘度小于2倍常 温水的粘度的流体，可用下式求取给热系数。
Nu=0.023Re0.8Prn
0 . 023
d
Re
0 .8
Pr
n
式中n值随热流方向而异，当流体被加热时，n＝0.4；当流 体被冷却时，n＝0.3。 应用范围：Re>10000， 0.7 < Pr < 120 l/d ＞60 。 若L/d <60，需将上式算得的α乘以[1+(d/l)0.7]加以修 正。
K
1 1
i
R Si
b

R So
1
o
（四）总传热系数的经验值
九 传热面积的计算
A＝
Q Ktm
列管式换热器的型号与规格
1．基本参数 列管换热器的基本参数主要有： ①公称换热面积SN；②公称直径DN；③公称压力pN；④ 换热管规格；⑤换热管长度L；⑥管子数量n；⑦管程数Np； 等等。 2．型号表示方法 列管换热器的型号由五部分组成。 — — 1 2 3 4 5 1——换热器代号； 2——公称直径DN，mm； 3——管程数Np，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ； 4——公称压力pN，MPa； 5——公称换热面积SN，m2。
大容积饱和沸腾曲线
自然对流
h
核状沸腾
C
膜状沸腾
不稳 定膜 状
稳 定 区
F E
D B A 0.1 1.0 10 102
Δt = (tw-ts)/℃
103
沸腾温度差和表面传热系数关系
影响沸腾传热的因素
物性： , , 压力： P , ,
, ,

度差的 2 ~ 3 次方成正比。
层流底层：流体仅沿壁面平行流动,在传热方向上无 质点的混合,所以热量传递主要依靠传导进行,由于流体 的热导率很小,使层流底层内的传热热阻很大,所以该层 内流体的温度差较大. 因此，对流传热的热阻主要集中在层流底层，减薄 其厚度是强化传热过程的关键。
2 对流传热基本方程和对流传热系数
（1）牛顿冷却定律
C P： C
P
单位体积流体的热容量
， kJ / m C .
3

C P ，
： ， Re ，
④流体的种类和相变化情况
α气体<α液体
α有相变>α无相变
⑤传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等， 造成边界层分离，增加湍动，使α增大。
3. 对流传热系数准数关联式
流速较大时，且与液膜反向， α减小。
（2）液体的沸腾传热 对液体加热时，液体内部伴有由液相变为气相，即 在液相内部产生气泡的过程，称为液体沸腾（又称沸腾 传热）。工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热 壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为 池内沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为 管内沸腾。
污垢热阻：换热器在实际操作中，传热壁面常有污垢形成， 对传热产生附加热阻。
污垢热阻通常选用经验值。
含有污垢热阻的求K公式：
Ko 1 do
id i
R Si
do di

bd o
d m
R So
1
o
式中 RS i、RS o——管内、外壁面的污垢热阻， (m2· / W。 K)
若传热壁面为平壁或薄管壁时，Ao、Ai、Am相等或近似相等， 则K简化为：
0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4
（三）公式计算
1. 总传热系数的基本公式
1 KA

1
i Ai

b
Am

1
o Ao
式中 Ao、Ai、Am——传热壁的外表面积、内表面积、 平均表面积，m2； αi、αo——间壁两侧流体的对流传热膜系数 W/(m2· K)； λ ——固体间壁的导热系数， W/(m· K)； b ——固体间壁的厚度， m
②
相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；
(1)蒸汽冷凝 饱和蒸汽ts和冷壁面tw接触（ts>tw） 蒸汽放出潜热→在壁面凝成液体→膜状液体和滴状液体 a、膜状冷凝（可润湿） 壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，与直接接 触壁相比，附加了液膜的热阻。δ越厚，传热效果越差。 b、滴状冷凝（不润湿） 壁面大部分的面积直接暴露于蒸汽中。因没液膜阻碍，传热 系数很大。
温度差 : 在核状沸腾区，α 与温
加热壁面的影响：粗糙壁面, α ↑，光滑的壁面, α ↓； 被油脂污染的壁面, α ↓ ，清洁表面, α ↑； 水平管束沸 腾传热，上排管 α ↓ 。
八 总传热系数K的计算
（一）流动通道的选择 流体流经管程或壳程，以固定管板式换热器为例，一般确定 原则如下。 ①不洁净或易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗较方便。 ②腐蚀性流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管 子便于维修和更换。 ③压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，以节省壳体金属 消耗量。 ④被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。 ⑤高温加热剂与低温冷却剂宜走管程，以减少设备的热量或 冷量的损失。 ⑥有相变的流体宜走壳程，如冷凝传热过程，管壁面附着的 冷凝液厚度即传热膜的厚度，让蒸汽走壳程有利于及时排除 冷凝液，从而提高冷凝传热膜系数。
3. 影响对流传热系数的因素
①流体流动状态
湍动程度 ，层流内层厚度减薄，
, ,
'
代价：动力消耗↑。 ② 流体流动原因 强制对流：外部机械作功， 一般流速较大，
α也较大。
自然对流：由流体密度差造成的循环过程, 一般流速较小，α也较小。
③流体的物理性质
： , ,
： , Re , ,
（二）流速的选择 列管换热器内常用的流速范围 流体种类 流速，m/s 管程
0.5~3 ＞1 5~30
一般液体 易结垢液体 气体
壳程 0.2~1.5 ＞0.5 3~15
不同粘度液体在列管换热器中的流速 液体粘度，mPa.s ＞1500 1500~500 500~100 100~35 35~1 1 最大流速，m/s
⑦有毒害的流体宜走管程，以减少泄漏量。 ⑧粘度大的液体或流量小的流体宜走壳程，因流体在有折流 挡板的壳程中流动，流速与流向不断改变，在低 Re>100的 情况下即可达到湍流，以提高传热效果。 ⑨若两流体温差较大时，对流传热系数较大的流体宜走壳程。 因管壁温接近于α 较大的流体，以减小管子与壳体的温差， 从而减小温差应力。 在选择流动路径时，上述原则往往不能同时兼顾，应视具体 情况分析。一般首先考虑操作压力、防腐及清洗等方面的要 求。
膜状冷凝
滴状冷凝

蒸汽在水平管外膜状冷凝的α
r g 0 . 725 2 / 3 n d 0t
2 3

1/4
n——水平管束在垂直列上的管数； 特性尺寸：管外径do； 定性温度：λ 取tS 下的值，其余为膜平均温度。
c. 影响冷凝传热的因素
冷凝液膜两侧的温度差： t t s t w
正三角形排列：
图4-16管间当量直径的推导
d 0
（2）流速u根据流体流过的最大截面积Smax计算
h——相邻挡板间的距离；D——壳体的内径。
A max hD (1 S max
d0 t
)
6. 有相变化的对流传热
有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾 有相变对流传热的特点
①
相变过程中产生大量相变热（潜热）；
若A取Ao，则有
K0
1 A
o
i Ai

bA
o m
A
1

1
o
Ai
若A取Ai，则有
Ki
1
i

bA i
A m

o Ao
若A取Am，则有
K
m

1 Am
i Ai

b


Am
o Ao
式中 Ki、Ko、Km——基于Ao、Ai、Am的传热系 W／(m2· K)。
2.污垢热阻的影响
自学：
圆形直管内高粘度流体的强制湍流 圆形直管内的强制层流 圆形直管内的过渡状态 弯管内的强制对流 非圆形直管内的强制对流 自然对流 管外强制对流----流体横向流过管束
5. 管外强制对流-------流体在带折流挡板的列管换热器管间流动 圆缺形折流挡板，弓形高度取25%D，的计算式：
N u 0 . 36 Re
几种常用的准数名称
准数名称 努塞尔特准数（给热 准数） 符号 Nu 准数式
l
lu
意义 表示对流传热系 数的准数 确定流动状态的 准数 表示物性影响的 准数
雷诺准数（流型准数） Re 普兰特准数 （物性准数） 格拉斯霍夫准数 （升力准数） Pr Gr

cp

g tl
3 2

2
表示自然对流影 响的准数
流体物性的影响：
t

、 、 、 r 均影响
不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。 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：流速不大时，影响可忽略； 流速较大时，且与液膜同向，α增大；
特征尺寸：Nu、Pr准数中的l取为管内径d。 定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。
在流体温度一定的情况下，流体的物性均为定值，此时， 对流传热系数式可以写成
α与流体的流速u0.8成正比，与管子的管径d0.2成反比。 即增大流速和减小管径都能增大对流传热系数，但以增 大流速更为有效。这一规律对流体无相变时的其它情况 也基本适用。此外，不断改变流体的流动方向，也能使 α得到提高。 Nhomakorabea 沸腾过程：
t t s 时：无气泡产生，热量 传递：加热面 液体
自然对流
t t s 时：气泡首先在汽化核
心上产生，长大后凭浮
力进入液体。
过热度↑，汽化核心数↑，气泡产生和长大的速度↑， 使沸腾加剧，沸腾传热膜系数↑。 说明：由于气泡产生，使液体扰动↑ 因此： 自然对流 沸腾
0 . 55 1
Pr
3
(
w
)
0 . 14
适用范围：Re=2×103～106。 定性温度：进、出口温度平均值；tw→μ w。 特征尺寸：（1）当量直径de 正方形排列： d
e

4 (t
2
0 . 785 d 0 )
2
d 0
4( de 3 2 t 0 . 785 d 0 )
2 2
(上)正方形（下）正三角形
七 对流传热
1. 对流传热分析 当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁 面处总有一层流底层存在。在层流底层 和湍流主体之间有一过渡层。 在湍流主体内，流体质点剧烈混 合并形成漩涡, 在传热方向上， 流体的温度差极小，各处的温度 基本相同，热量传递主要依靠对 流进行，传导所起作用很小。 在过渡层内，流体的温度发生缓 慢变化，传导和对流同时起作用。
Q At
t 1

t R
A
式中 Q ——对流传热速率，W； K); ——对流传热系数，W／(m2· A——对流传热面积，m2； t——流体与壁面间温度差的平均值，K; R＝1/( A )——对流传热热阻，K/W；
（2）对流传热系数
定义式：

Q St
物理意义：对流传热系数是表示在单位温 差下，单位传热面积的对流传热速率；其 值反映了对流传热的效果。α ↑，对流传 热越快。