清华大学化工原理05第五章传热

《清华大学化工原理05第五章传热》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清华大学化工原理05第五章传热（61页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 化 工 原 理 （上）主讲人：戴猷元2003.2 目 录 绪 论第 一 章 流 体 流 动第 二 章 流 体 输 送 机 械第 三 章 流 体 流 过 颗 粒 和 颗 粒 层 的 流 动第 四 章 非 均 相 物 系 的 分 离第 五 章 传 热第 六 章 蒸 发 总 结 第五章 传 热第 一 节 概 述第 二 节 热 传 导第 三 节 对 流 传 热第 四 节 两 流 体 间 的 传 热第 五 节 对 流 传 热 系 数 的 关 联 式第 六 节 热 辐 射第 七 节 换 热 器 第五节 对流传热系数的关联式一 、 影 响 传 热 膜 系 数 的 因 素 1、 流 体 流 动 状 态 层

2、流 ： 忽 略 自 然 对 流 时 ， 层 流 底 层 r 湍 流 ： 主 要 热 阻 在 层 流 层 ， Re， 边 界 层减 薄 ， （ 注 意 管 件 、 内 构 件 影 响 ， Re2000？ ） 层湍 2、 引 起 流 动 的 原 因 自 然 对 流 时 ， 近 壁 面 处 温 度 t 主 流 t1 膨 胀 公 式 ： 体 积 膨 胀 系 数 。 强 制 对 流 与 Re有 关 。 1 111 1 1 t t t t g g t ， ， 3、 物 性 ： 都 是 t的 函 数4、 传 热 面 形 状 ， 大 小 ， 位 置 。 （ 特征 尺 寸 ）5、 有 无 相 变 化, , ,

3、,pc 二 、 对 流 传 热 中 的 因 次 分 析 法 按 确 定 的 几 何 形 状 讨 论 经 因 次 分 析 可 以 得 到 Nusselt Reynolds Prandt G rashof(对 流 传 热 ) (流 动 ) (物 性 ) (自 然 对 流 ) , , , , , , ,pf c t u L 3 22, ,pclu g tf Re,PrPr,Re,Pr,Nu fNu f GrNu f Gr强 制 对 流 ：自 然 对 流 ：滞 流 ： 1、 应 用 范 围 ： Re， Pr2、 定 性 尺 寸 ：3、 定 性 温 度 ： 物 性 值1 2 1 2(1)( )/2 (

4、)/2(2) 2wt t t t t 膜 温 ， 壁 面 主 体 三 、 流 体 在 管 内 强 制 对 流 的 1、 圆 形 直 管 内 ， 强 制 湍 流 1) 低 粘 度 流 体 （ 长1 2( )/2t t t 0.7/ 60 (1 ( / ) )/ 30 40, 1.07 1.02d dd 当 ， 校 正 项 。例 如 ： 校 正 项 2)高 粘 度 流 体 （ 温 差 过 大 ）0.8 0.33 0.14 1 2 0.027Re Pr ( / )(1) / 60Re 10000Pr0.716700(2)(3) ( )/2 wi w Nud dt t ， ，定 性 尺 寸定 性 温

5、度 ， 壁 温 下 的 粘 度 2、 圆 形 直 管 内 ， 强 制 滞 流 1) 速 度 分 布 不 同 复 杂 性 2) 存 在 自 然 对 流 影 响 3) 入 口 段 较 大 100d （ Re 2000） 1)忽 略 自 然 对 流 影 响 2 3 21/3 1/3 1/3 0.14 1 2 / 250001.86Re Pr ( / ) ( / )Re 2300,0.6 Pr 6700 RePr 10( ) ( )/2w w Gr g tNu d dt t t 短 管 壁 温 下 粘 度 。 2) 0.10.2 0.21/3 1 2 0.74Re Pr Pr0.8 1 0.015(1

6、) Re 2300, / 50(2)(3) ( )/2, ( )/2 iw Nu Grf Gr ddt t t t t 或 水 平 管特 征 尺 寸膜 温 25000Gr (4) l/d50 乘 以 校 正 系 数 40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 (5) 垂 直 管 流 动 方 向 与 自 然 对 流 方 向 一 致 ， +15% 流 动 方 向 与 自 然 对 流 方 向 相 反 ， -15% 3、 圆 形 直 管 过 渡 流 Re 2300 10000之 间 ， 用 湍 流 公 式 乘 以 4、 弯 曲 圆 管 内 ： 由 于 离 心 力 的

7、 作 用 ， 加 速湍 动 产 生 二 次 环 流 51.86 101 1Re 1 1.77d R ， 为 圆 形 直 管 中 的 5、 非 圆 形 管 0.53 0.8 1/31 2 1 2 40.02( / ) Re Pr ( )Re 12000220000/ 1.651.7e e e d dNu d dd d d 流 动 截 面 积 /浸 润 周 边套 管 环 隙 ： 空 气 水定 性 尺 寸 为 四 、 流 体 在 管 外 强 制 对 流 的 1、 管 外 流 体 平 行 流 过 ： de的 计 算 。 2、 管 外 流 体 垂 直 流 过 1)单 管 边 界 层 增 厚 边 界 层

8、脱 离 Re小 时 ， 层 流 边 界 层 （ 低 点 ） 脱 离 Re大 时 ， 层 流 边 界 层 （ 低 点 ） 湍 流 边 界层 境 厚 脱 离 2) 管 束 Re3000 do， u取 最 狭 处 ： 定 性 温 度 排 数 不 为 10， 乘 以 校 正 系 数 。 0.4 0.6 0.330.6 0.33Re Pr 0.26Re Pr0.33Re PrnNu NuNu 直 列 ：错 列 ： 12 o ox dt d1 2( )/2t t 3) 换 热 器 管 间 流 动 流 速 ， 流 向 不 断 变 化 ， Re100湍 流 挡 板 形 式 ， （ 圆 缺 挡 板 ） 出 现

9、旁 流 ， 不 能 达 到 垂 直 流 动 若 圆 缺 挡 板 ， 截 去 25 。 0.6 1/3 0.144 1 2 2 22 2 ( ) 0.23 Re Pr ( / )Re 32 10 ( )/2: 4 /43: 4 / 2 4 woo e o oe o o o A d t tdd t d d td t d d d ，流 速 ， 最 狭 小 处 通 道 流 速， ： 相 邻 两 管 中 心 距 离， ： 外 径 1 /: 1.05 0.95 1oA hD d th D 冷 却速 度 计 算 ： 挡 板 间 距 ， ： 外 壳 内 径加 热 气 体 0.55 1/3 0.143 61 2

10、( ) 0.36 Re Pr ( )Re 2 10 1 10( )/2e weB dd t t 小结：1、 对 流 传 热 与 流 动 、 物 性 有 关 （ 温 差 ） Re 由 此 ： 热 流 方 向 温 差 物 性 w 2、 必 须 注 意 经 验 公 式 的 使 用 条 件 L， t， Re， Pr 3、 含 G r， 使 用 膜 温4、 的 大 小 a) 湍 层 短 长 b)换 热 器 c)加 强 湍 动 程 度 0.8 0.55 0.2 0.45eu ud d 管 内 ， 管 外 25% 五 、 流 体 作 自 然 对 流 的 定 性 温 度 ： 膜 温 ， tw与 (t1+t2)

11、/2的 平 均值 定 性 尺 寸 水 平 管 do， 垂 直 管 L 查 表 !( Pr)nNu c Gr 六 、 蒸 汽 冷 凝 的 1、 冷 凝 过 程 机 理加 热 介 质 饱 和 蒸 汽壁 面 低 于 饱 和 蒸 汽 温 度 汽 相 温 度 唯 一 。无 汽 相 热 阻 （ 忽 略 气 流 补 充 的 压 降 ）冷 凝 放 出 的 潜 热 必 须 通 过 液 膜 传 向 壁 面给 热 的 热 阻 主 要 来 自 于 壁 面 上 的 液 膜 液 体 浸 润 壁 面 膜 状 冷 凝 不 浸 润 滴 状 冷 凝 ， 比 前 者 大 几 至 十 几倍 膜 状 冷 凝 ： 膜 厚 不 同 ， 不

12、 同 。 L足 够 大 时 ， 湍 流 若 液 膜 滞 流 热 传 导 为 主 。 1x xx x xL LxO O xdQ dS tt xdQ dS t dxdxL L 平 均： 液 膜 两 侧 温 差 ， ： 离 顶 部 处 膜 厚 2、 垂 直 壁 面 的 膜 状 冷 凝 1） 理 论 分 析 物 性 const 假 设 蒸 汽 存 在 对 液 膜 无 磨 擦 阻 力 滞 流 可 以 导 出 ：定 性 尺 寸 ： L定 性 温 度 ： 膜 温 ： r： 饱 和 温 度 下 的 冷 凝 潜 热 12 3 40.943 / ( )rg L t 平 均 值 12 w S st t t ， 饱

13、和 温 度 若 传 热 量 一 定 ， r， 冷 凝 量 ， 膜 厚 ， ， 单 位 体 积 受 力 ， 流 动 快 ， 膜 厚 ， （ 通 过 膜 导 热 ） 膜 厚 ， t 传 热 推 动 力 ， 冷 凝 液 ， 膜 厚 ， 倾 斜 直 壁 ： 与 水 平 夹 角 为 ， sing g 2） 实 验 结 果 ： 滞 流 下 ， 蒸 汽 与 液 膜 间 磨 擦3） 流 型 判 断 滞 流 ： Re2100 Re 壁 下 端 Re 值 涉 及 冷 凝 负 荷 1/42 31.13 rgL t 冷 凝 负 荷 M： 单 位 浸 润 周 边 上 的 冷 凝 液 质 量流 量 4 4( / ) Re

14、 e s wduw Mb sM kg m sb 4） 无 因 次 * 对 于 滞 流 ： 对 于 湍 流 ： 1/322 3Q Wr Mrt A bL L g 令 无 因 次1/3 0.41.88Re0.0077Re 3、 水 平 管 壁 蒸 汽 冷 凝（ 1） 单 管 水 平 管 可 以 看 成 不 同 角 度 倾 斜壁 面 ， 进 行 积 分1/42 3 0 0.250.725( )0.64o orgd td Ld 水 平垂 直当 很 小 时 ， 可 以 看 成 滞 流与 垂 直 管 相 比 ： （ 2） 管 束 1/42 32/3 4 1 20.75 0.75 0.751 20.725

15、o zm zrgn d tn n nn n n n ，n垂 直 列 上 的 管 数 ，垂 直 管 数 不 同 时 取 平 均 值 4、 几 点 讨 论 ： 对 于 过 热 蒸 汽 ， 一 般 可 以 按 饱 和 蒸 汽 蒸 汽 流 向 : 向 下 流 ， 向 上 流 ， 向 上 流 速 ， ( )pS v SS wr r C t tt t t 仍 为 （ 3） 不 冷 凝 气 ： 在 蒸 汽 与 液 膜 之 间 形 成 气膜 。 汽 中 含 1 不 凝 气 ， 50 。（ 4） 不 光 滑 壁 ， 冷 凝 液 阻 力 大 ， 膜 厚 （ 5） 强 化 ： 直 管 沟 槽 金 属 丝 （ 张 力

16、 作 用 ） 18 复 盖 面积 时 最 大 。 水 平 管 ： （ 倾 斜 ） 膜 、 滴 交 错 七 、 液 体 沸 腾 时 的 ： 锅 炉 、 蒸 发 器 、 再 沸 器 温 差 容 积 沸 腾 ： 加 热 面 浸 于 液 体 中 自 然 对 流 汽 泡 运 动 管 内 沸 腾 ： 一 定 流 速 流 动 ， 加 热 管 1、 沸 腾 现 象 ： 特 征 ： 有 气 泡 产 生 ； 由 加 热 表 面 首 先 生 成 ；必 要 条 件 过 热 加 热 表 面 过 热 度 最 大 ， 缝 隙 依 托 表 面 不 平 整 汽 化 核 心 ， t 残 留 气 体 过 热 生 成 长 大 上 浮

17、 补 充 过 热2 2 2 2 /2 /b L b Lp r p r r p p p rp r ，汽 泡 生 成 ， 存 在 p 由 过 热 t造 成 自 然 对 流 区 t小 ， 小 K 如 汽 水 冷 凝 水 注 意 :若 Ki， 改 换 基 准0.8 0.80.2 0.40.5ud 5-54. 套 管 换 热 器 ， 气 体 T1 90 ， T2 50 ； 水 t1 15 t2 30求 （ 1） t1 10 时 ， 措 施 ； （ 2） 若 WS120 ， t1=15 ， 措 施 。生 产 任 务 ： 冷 却 (1) 原 工 况 : 新 工 况 ： t 1, t1 10 ， 生 产 状

18、况 不 变 Q不 变 1 1 1 2 2 2 2 1m S p S pKA t w c T T w c t t 090 5030 15 60 35 46.460 35 ln(60/35)mt C S不 变 ， T2， T1不 变 (物 性 不 变 )， 措 施 ： 若 K不 变 工 况 不 变 ， tm不 变 。 （ 物 性 变 化 不 大 ） 措 施 ： mQ KS t 22 2290 50 90 4010 46.4 9090 40 ln 40mT tt t tt 02 36.6t C 2 12 2 2 1 1 2 2 1 2 2 22 1 0.564S p S p S S St tw c

19、t t w c t t w w wt t 2Sw 原 工 况 ： 新 工 况 ： 由 04 6 .4mt C 11 1.2 ( ) 1.2SSw uw u 液气 气大 小 0.8( ) 1.157K uK K u 气， 1 1 2S p mw c T T K A t 1.2 , 1.157 mQ K t 倍 倍 2 2,m St t w 2 290 501590 35t t 2 290 3590ln 35m tt t 1 1 21 1 2S p mS p mw c T T K S tw c T T K S t 11 1.2 1.157 46.4S m mS mw t tKw K t 02 22

20、90 35 48.12 25.890ln 35m tt t Ct 1 1 2 2 2 11 1 1 2 2 2 1S p S pS p S pw c T T w c t tw c T T w c t t 1 2 22 1 2 2 1 2 2 1 2 25.8 151.2 1.6730 15S S S S SS S Sw w wt t w ww w t t w 5-58 列 管 式 冷 凝 器（ 1） WS250 （ 加 热 ）原 工 况 ： 忽 略 壁 阻 ： 2 1 2 24 2 340 , 25 2.5 40 , 80 , 25 /0.2 , 1.2 10 / 2.1 10 / 120Sp

21、A m mm t C t C w T hMPa w mK c J kg K T C 冷 油饱 和 蒸 汽 压 力 ， 查120 12040 80 80 40 57.780 40 ln(80/40)mTt t C 2 2 2 1S pw c t t KA t 32 2 2 1 225000 2.1 10 80 403600 252.74 /40 57.7S p mw c t tK w m KA t 241 1 1 1 1 1 25 322.7252.74 1.2 10 20o io i i id wm KK d 0.8 2 2 0.8 2 3 2 21 1 1322.7 1.5 446.4 /

22、346.8 /1.5 349.58 /1.525000 2.1 10 403600 1.5769 40346.8 40 oi o i im dw m K K w m KKK K w m K tt t 利 用 22 22 202120 120 80 12040 1.5769 408080 120 ln12077.5 tt tt tt C 若 用 (b)饱 和 压 力 0.3MPa， T由 120 升 至 133 ， K与 (a)中 K相 同 2 2 2 12 2 2 1S p mS p mw c t t tKw c t t K t 2 02 2 24080ln40 1201.5 1.383 77

23、.880 40 57.7tt t t C 2 2 1, 2.25p u p p (c） 并 联 ： 每 个 换 热 器 0.75wS2， S加 倍 2 2 2 12 2 2 1 2 02 2 24093ln40 1331.5 1.383 83.980 40 57.7S p mS p mw c t t tKw c t t K ttt t t C 求 出 0.8 2 02 20.75 0.794 4080ln40 1200.75 0.79480 40 57.7K K Ktt t C 2（ 并 联 ）求 出 t =81.6 串 联 ： 第 一 级 出 口 (第 二 级 入 口 ) t2*=77.80

24、C假 设 K=K”=K 阻 力 加 倍 。(2) 2 2 2 02 22 2 277.8 77.8 37.8/ 97.7442.2 8077.8 40 ln ln120 42.2S pS pw c t t t Cw c t 串 联 2 10.53Q Q 0.4 0.4 2 / 2 0.758K K K K K 02 2 2 240 400.758 72.68080 40 57.5 ln120t t t Ct (3) 油 污 垢 ： = 2mm =0.2w/mK， R总 Kdi由 20mm 16mm , i, u= (20/16)2u, di=16di/20比 较 热 阻 1.8 2(20/16) 482.2 /i i w m K 1 13 2 5 52 22 2 02 2 1 13.24 10 1.39 10 5.56 10 8.33 1057.87 / 252.74 /40 4057.87 8080 40 252.74ln120 51.7457.7o o oi i m m od d dd d dK w m K w m Kt t t t C 原