3.2.2对流传热 课件(共30张PPT)-《化工单元操作(第三版) 》同步教学(化工版·2022)

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3.2.2对流传热 课件(共30张PPT)-《化工单元操作(第三版) 》同步教学(化工版·2022)

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(共30张PPT)
第3章 传热
Heat transfer
3.2.2 对流传热
主要内容:
1.对流传热分析
2.热对流基本概念
常见类型
速率方程
传热系数α
2.对流传热系数关联式
一、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滞流内层存在。在滞流内层和湍流主体之间有一过渡层。(录象)
在湍流主体内,由于流体质点湍动剧烈,所以在传热方向上,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。
1、滞流内层:流体呈滞流流动,沿壁面法向没有质点的移动和混合,即没有对流传热,传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小,因此热阻较大,温度梯度大。
2、缓冲层:流体流动介于滞流和湍流之间,热传导和对流传热同时起作用,热阻较小。
3、湍流主体:质点剧烈运动,完全混合,温度基本均匀,无温度梯度。
因此,对流传热的热阻主要集中在滞流内层,减薄其厚度是强化传热过程的关键。
在滞流内层中,流体仅沿壁面平行流动,在传热方向上没有质点位移,所以热量传递主要依靠传导进行,由于流体的导热系数很小,使滞流内层中的导热热阻很大,因此在该层内流体温度差较大。
由以上分析可知,在对流传热(或称给热)时,热阻主要集中在滞流内层,因此,减薄滞流内层的厚度或破坏滞流内层是强化对流传热的重要途径。
二、热对流基本概念
1、对流传热的类型(4种)
(1)流体强制对流传热----由于外界机械能的输入,如在泵、风机或搅拌器的作用下,流体被迫流过固体壁面时的给热。
(2)流体自然对流传热----当静止流体与不同温度的固体壁面接触,在流体内部产生温度差异。流体内部温度不同必然导致流体密度不同。密度大的往下沉,密度小的朝上浮。于是,在流体内部发生了流动。这种流动称为流体自然对流。
(3)蒸汽冷凝给热——蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时,蒸汽放热并凝结成液体,凝液在重力作用下沿壁面流下。
(4)液体沸腾给热——液体从固体壁面取得热量而沸腾,在液体内部产生汽泡,汽泡在上浮时因继续发生液体汽化而长大。
上述第1、2类型为流体无相变的给热,3、4类型为流体有相变的给热。
2、对流传热速率
(1)牛顿冷却定律
α——平均对流传热系数,w/(m2℃)
S——总传热面积,m2;
△t——流体与壁面(或反之)间温度差的平均值,℃;
1/(αS ) ——对流传热热阻。
(2)对流传热系数
定义式:
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。
代价:动力消耗↑。
(3) 影响对流传热系数的因素
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。
①流体流动状态
③流体的物理性质
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。
几种常用的准数名称
准数名称
符号
准数式
意义
努塞尔特准数(给热准数)
Nu
表示对流传热系数的准数
雷诺准数(流型准数)
Re
确定流动状态的准数
普兰特准数
(物性准数)
Pr
表示物性影响的准数
格拉斯霍夫准数
(升力准数)
Gr
表示自然对流影响的准数
3、对流传热系数准数关联式
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
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/di ≥60 。 若L/di <60,需将上式算得的α乘以[1+(di/L)0.7]加以修正。
特征尺寸:Nu、Pr准数中的l取为管内径di。 定性温度:取为流体进、出口温度的算术平均值。
注意:提高对流传热系数,减小对流传热热阻,是强化对流传热的关键。
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。
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);
例:水
5. 有相变化的对流传热
② 相变过程有其特殊传热规律,传热更为复杂;
③ 分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。
一.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
1、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.因 λ液小,所以R液大,所以Q变小.δ越厚,传热效果越差。
2、滴状冷凝(不润湿)
表面张力F→液滴→长大降落带走下方液滴,壁面重新覆盖。蒸汽与大部分壁面接触,无附加热阻。
 
工业上遇到的大多是膜状冷凝,因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理
膜状冷凝
滴状冷凝
(4) 影响冷凝传热的因素
  ◇ 冷凝液膜两侧的温度差:
◇ 流体物性的影响:
◇ 不凝性气体的影响:形成气膜,表面传热系数大幅度下降。
◇ 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;
流速较大时,且与液膜反向, α减小。
二、液体的沸腾传热
在液体的对流传热过程之中,伴有由液相变为气相,即在液相内部产生气泡或气膜的过程,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,称为大容积沸腾;另一种是液体在管内流动时受热沸腾,称为管内沸腾。
沸腾: 沸腾时,液体内部有气泡产生,
气泡产生和运动情况,对α影响极大。
沸腾分类:
① 按设备尺寸和形状不同
池式沸腾(大容积饱和沸腾);
强制对流沸腾(有复杂的两相流)。
② 按液体主体温度不同
过冷沸腾:液体主体温度t < ts,
气泡进入液体主体后冷凝。
饱和沸腾:t≥ts,
气泡进入液体主体后不会冷凝。
液体主体
t
液体主体
t≥ts
液体主体
t < ts
沸腾过程:
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:
实验条件: 大容积、饱和沸腾。
2) 大容积饱和沸腾曲线
曲线获得:
0.1
1.0
10
102
103
h
A
B
C
D
E
F
自然对流
核状沸腾
膜状沸腾
稳定区
不稳定膜状
沸腾温度差和表面传热系数关系
Δt = (tw-ts)/℃
AB段 :无相变自然对流,无汽泡产生,α 缓慢增加
BC段 :核状沸腾
一方面,临界值:Δt、q、Q
另一方面,汽膜覆盖↑,又使α ↓;
当两者作用相抵消,出现转折点—临界点(C点)。
沸腾曲线意义:
CD段 :核状、膜状共存,膜覆盖为主,Δt↑, α ↓;
DEF段:稳定膜状沸腾,全部膜覆盖,
Δt↑, α ↓;
而后辐射作用加强, Δt↑, α ↑。
说明:工业上,应严格控制在核状沸腾区内操作。
3) 影响的因素
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 ↓ 。

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