化工原理(清华大学)第五章传热.pdf
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1、51 第五章传热 Key Words: Heat transfer, Conduction, Convection, Rediation, Fourier Law 第一节 概述 化工过程中经常遇到气一液,液液,气固,液固的换热过程 加热 冷却过程强化 保温削弱过程 一、传热的基本方式: 热传导分子振动 无质点位移 对流传热流体质点相对移动 强制对流、自然对流 电磁波形式传播 热辐射放热辐射能吸收 无需中间介质、能量转换,T 高时的主要方式 传热方式相互依存,并不独立存在 二、冷热流体接触方式:直接接触式 间壁式 蓄热式 三、传热速率: (传热速率)热流量Q: J/s 热流密度(热通量)q=dQ
2、/ds J/m 2s 四、稳态传热和不稳态传热 Q、q、及有关物理量(进出口T, t) 不随时间变化稳态 s Qq d sq: 不随变化(沿管长变化) 不稳定:夹套加热 0 T QQd 第二节热传导 一、温度场和温度梯度: 在时刻物体(或空间)各点温度分布t = f (x,y,z,) 若与 无关稳定温度场 相同t连结组成等温面等温面不相交 等温面上无热量传递 温度梯度: 0 lim n tt nn n:法线方向 二、Fourier定律 52 t dQds n (与牛顿粘性定律相似) :导热系数,负号:热流方向是温度降方向。 三、导热系数 与物质组成、结构、温度、密度、压强等有关。 单位:/w
3、mK 金属10 1102 T 建材10 -1 100 w/mK T 绝缘材料10 -2 10-1 液体10 -1 T (水、甘油除外) 气体10 -2 10-1 固体:= o(1+KT) 0:0导热系数,金属 K0 液体: T (水、甘油除外 ) 气体: T 。高于 2000atm,低于 20mmHg ,p 四、平壁稳定热传导: 一平板,长宽与厚比无限大。 dt constQs dx 积分: 12 1212 / s tttttt Q bbsR 温度分布 11 Qxq tttx s 直线 oo at 22 1212 12 1212 2 (1)()1 2 o o oom as Qtttt b tt
4、Ss atta ttt bb 多层: n 层不同,b 不同 存在 n 个温度差(接触面良好) Q 相同(通过各层) 312 122334 123 14 312 123 i sss Qtttttt bbb ttt Q bbb R sss 由总温差和 i,求 Q, 由 21 iin QRttt,求 五、圆筒壁的稳定热传导 2sr L、Q 相同、 q 不同 53 12 12 21 2 2 ln(/) L tt dtdttt QsrLQ drdrrrR 2121 2 mm brrrr R sLrs 21 21 ln(/) m rr r rr 对数平均值 当 r2 / r1主流 t1 膨胀公式: 11
5、1 11 1ttttggt 体积膨胀系数。强制对流与Re 有关。 3、物性:,pc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, 二、对流传热中的因次分析法: , p fct uL 按确定的几何形状讨论,经因次分析可以得到 32 2 , p c lugt f Nusselt Reynold Prandt Grashof (对流传热)(流动)(物性)(自然对流) 对流强制:Re,PrNuf 自然对流:Re,NufGr 58 滞流:Re,Pr,NufGr 1应用范围: Re,Pr 2定性尺寸:, 3定性温度:物性值 12 () /2tt膜温,壁面主体 12 () /
6、2 2 w ttt 三、流体在管内强制对流的: 1、圆形直管内,强制湍流:Re mn NuCPr 1)低粘度流体( 长 当/60d, 校正项 0.7 (1(/ )d。 例如:/30 40d,校正项:1.071.02 2)高粘度流体(温差过大) 0 . 80 . 3 30 0. 0 2 7 R eP r(/) w Nu /60 Re10000 Pr0.7 16700d, 定性尺寸di 定性温度 12 ()/ 2tt, w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 (Re2000) 1)忽略自然对流影响: 2 32 /2500
7、0Grg t 1/31/31/30.14 1.86RePr(/ )(/) w Nud Re2300,0.6Pr6700Re Pr10 d (短管) w壁温下粘度。12 () / 2ttt 2)25000Gr 0.1 0.20.21/3 0.74RePrPr0.8 10.015NuGrfGr或 水平管、Re2300,/50d 59 特征尺寸di 膜温: 12 ()/ 2,() /2 w ttttt /50ld乘以校正系数40 30 20 15 10 1.02 1.05 1.13 1.18 1.28 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
8、流: Re230010000 之间,用湍流公式乘以 5 1.8 610 11 Re 4、弯曲圆管内: 由于离心力的作用, 加速湍动产生二次环流 11.77 d R 为圆形直管中的 5、非圆形管:4 e d流动截面积/ 浸润周边 套管环隙: 0.530.81/3 12 0.02(/)RePrNudd e d (空气水) Re12000 220000 12 /1.65 1.7dd定性尺寸为de 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)湍流边界层增厚脱
9、离 2) 管束 直列错列 直列: 0.40.60.33 Re Pr0.26RePr n NuCNu 错列: 0.60.33 0.33RePrNu Re3000 do,u 取最狭处: 1 2 o o xd td 60 定性温度 12 ()/ 2tt,排数不为10,乘以校正系数。 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) 出现旁流,不能达到垂直流动 若圆缺挡板,截去25。 (A) 0.61/ 30.14 0.23RePr(/) w o d , 4 Re 3 2 10, 12 () / 2tt do 流速,最狭小处通道流速 22 22 :4/ 4 3 :4
10、/ 24 eoo eooo dtddt dtddd :相邻两管中心距离 :外径 速度计算:1/ o AhDdth:档板间距D:外壳内径 :1.050.951 冷却 加热气体 (B) 0.551/ 30.14 0.36RePr() ew d 36 Re210 1 10 e d 12 () / 2tt 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 Gr,使用膜温 4、的大小 a) 湍层短长 b)换热器: 0.80.55 0.20.45 e uu dd 管内,管外25% c)加强湍动程度。 五、流体作自然
11、对流的:(Pr) n Nuc Gr 定性温度:膜温,tw与 (t1+t2)/2 的平均值 定性尺寸水平管 do,垂直管 L 查表! 六、蒸汽冷凝的: 1、冷凝过程机理: 61 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, 不同。 L 足够大时,湍流 若液膜滞流热传导为主。 x dQdSt t:液膜两侧温差, x:离顶部 x 处膜厚 xx x dQdS t 1 LL x OO x dx dx LL 平均
12、 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: 1 23 4 0.943/rgLt(平均值) 定性尺寸: L 定性温度:膜温: 1 2 wStt ,ts饱和温度 r:饱和温度下的冷凝潜热 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,singg 2)实验结果:滞流下,蒸汽与液膜间磨擦 1/ 4 23 1.13 rg Lt 3)流型判断: 滞流: Re2100 Re 壁下端 Re 值 涉及冷凝负荷 62 冷凝负荷M:单位浸润周边上的冷凝液
13、质量流量 4 4 (/)Re e s w d uwM bs Mkg m s b 4)无因次 * 1/3 2 23 QWrMr t AbLLg 令无因次 对于滞流: 1/3 1.88Re 对于湍流: 0.4 0.0077Re 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 1/4 23 0.725 o rg dt (当 do很小时,可以看成滞流) 与垂直管相比: 1/ 4 0.64 o L d 水平 垂直 (2)管束: 1/ 4 23 2 / 3 0.725 o rg ndt n:垂直列上的管数。 4 12 0.750.750.75 12 z m z nnn n nn
14、n 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 () pSvS Sw rrCtt ttt仍为 蒸汽流向 : 向下流, 向上流, 向上流速, (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 63 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 22 2 bL prprr2/
15、 bL pppr 2/pp 汽泡生成,存在p由过热t造成 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 过热生成长大上浮补充过热 自然对流区 t小,小K 如汽水冷凝水 注意 :若 K i,改换基准 习题课: 5-54. 套管换热器,气体T190, T2 50;水 t115t2 30 求( 1) 1 t10时,措施;(2)若 WS120, t1=15,措施 生产任务:冷却 11122221mSpSp KA tw cTTw ctt (1) 原工况 : 0 9050 30156035 46.4 6035ln(60 /35) m tC 新工况: t1, 1 t10,生产状况不变Q
16、不变 m QKStS 不变 65 T2,T1不变 (物性不变 ) 措施若 K 不变工况不变, m t不变 22 2 2 9050 904010 46.4 90 9040 ln 40 m T tt t t t 0 2 36.6tC(物性变化不大) 由 21 22211221222 21 0.564 SpSpSSS tt wcttw cttwww tt 措施: 2Sw (2)原工况, 0 46.4 m tC 新工况: 1 1 1.2()1.2 S S wu wu 液 气 气 大 小 0.8 ()1.157 Ku K Ku 气, 由 112Spm w cTTK A t 1.2,1.157 m QKt
17、倍倍 22,mSttw 2 2 9050 15 9035 t t 2 2 9 03 5 90 ln 35 m t t t 112 112 Spm Spm wcTTK St wcTTKSt 1 1 1.21.157 46.4 Smm Sm wttK wKt 0 2 2 2 9035 48.1225.8 90 ln 35 m t ttC t 112221 1112221 SpSp SpSp wcTTwctt wcTTwctt 66 12221 22 12212 25.815 1.21.67 3015 SSS SS SSS wwwtt ww wwttw 558 列管式冷凝器 2 122 423 40
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- 化工 原理 清华大学 第五 传热
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