31传热的基本概念

31传热的基本概念内容摘要：

在过渡流时 ， 对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算 ， 根据所得的 α值再乘以校正系数 φ， 即可得到过渡流下的对流传热系数。 5Re1061  39。  )39。 ( rdf i 流体在弯管内流动时 ， 由于受离心力的作用 ， 增大了流体的湍动程度 ， 使对流传热系数较直管内大。 式中 α΄—— 弯管中的对流传热系数 ， w/（ m2•℃ ） α —— 直管中的对流传热系数 ， w/（ m2•℃ ） r’ —— 弯管轴的弯曲半径 ， m （ 4） 流体在弯管内作强制对流 例：一套管换热器 ， 套管为 υ89 ， 内管为 υ25。 环隙中为 p=100kPa的饱和水蒸气冷凝 ， 冷却水在内管中渡过 ， 进口温度为 15℃ ， 出口为 85℃。 冷却水流速为 ， 试求管壁对水的对流传热系数。 解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（ 15+35） /2=25℃ 查 25℃ 时水的物性数据 （ 见附录 ） 如下 ： Cp= 103J/kg ℃ λ= ℃ μ= 103Ns/m2 ρ=997kg/m3 Re=duρ/μ=( 997)/( 105） =8836 Re在 2300~10000之间 ， 为过渡流区 Pr=cpμ/λ=( 103 105)/ 102 = a可按式 Nu= 进行 计算 ，水被加热 ， n=。 952 61061Re 1061 55f校正系数 f kmwfcuddpii2/1 9 7 89 5 2 )()8 8 3 6()()(对流传热系数 采用上述各关联式计算 ， 将管内径改为当量直径 de即可。 当量直径按下式计算 具体采用何种当量直径 ， 根据所选用的关联式中的规定而定。 润湿周边流体流动截面积 4ed传热周边流体流动截面积 4ed或 （ 5） 流体在非圆形管内强制对流 流体外绕壁面强制对流 （ 1） 流体平行流过平板 当 Re3 105（层流）时 Nu=当 Re3 105（湍流）时 Nu=在错列管束外流过时 Nu= 在直列管束外流过时 Nu= 应用范围： Re3000 定性温度：流体进 、 出口温度的平均值。 定性尺寸：管外径 ， 流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 管排数为 10， 若不为 10时 ， 计算结果应校正。 （ 2）流体在管束外强制垂直流动 换热器内装有圆缺形挡板 （ 缺口面积为 25%的壳体内截面积 ） 时 ， 壳方流体的对流传热系数的关联式为： 1） 多诺呼法 Nu=（ μ/μw） 应用范围 : Re=(2~3) 104 特性尺寸 : 取管外径 ， 流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 定性温度 : 除 μw取壁温外 ， 均为 流体进 、 出口温度的算 术平均值。 （ 3） 流体在换热器的管间流动 2） 凯恩法 Nu=（ μ/μw） 注 ：若换热器的管间无挡板 ， 管外流体沿管束平行流动 ， 则仍用管内强制对流的公式计算 ， 只须将公式中的管内径改为管间的当量直径。 应用范围 : Re=2 103~1 105 特性尺寸 : 取当量直径 ， 管子排列不同 ， 计算公式也不同。 定性温度 : 除 μw取壁温外 ， 均为 流体进 、 出口温度的算 术平均值。 加热表面形状 特征尺寸 GrPr 范围 c n 水平 圆管 外径 d0 104~109 1/4 109~1012 1/3 垂直管或板 高度 L 104~109 1/4 109~1012 1/3 Nu=c（ GrPr） n 定性温度 : 取膜的平均温度 ， 即壁面温度和流体平均温度的算 术平均值。 式中的 c、 n值见表 自然对流 蒸汽冷凝有 膜状冷凝 和 滴状冷凝 两种方式。 膜状冷凝 ：由于冷凝液能润湿壁面 ， 因而能形成一层完整的膜。 在整个冷凝过程中 ， 冷凝液膜 是其主要热阻。 滴状冷凝 ： 若冷凝液不能润湿避免 ， 由于表面张力的作用 ， 冷凝液在壁面上形成许多液滴 ， 并沿壁面落下 ， 此中冷凝称为滴状冷凝。 在实际生产过程中 ， 多为膜状冷凝过程。 蒸汽冷凝时的传热推动力是 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。 流体有相变时的对流传热系数 （ 1） 蒸汽冷凝时的对流传热系数 4123)(tlgr1） 在垂直管或垂直板上作膜状冷凝 （ 2） 膜状冷凝时对流传热系数 2） 水平管壁上作膜状冷凝 41023)(tndgr式中 l—— 垂直板或管的高度 ρ、 λ、 μ—— 冷凝液的密度 、 导热系数 、 粘度 r—— 饱和蒸汽的冷凝潜热 Δt—— 蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d—— 管子外径 n—— 管束在垂直面上的列数 不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜 ， 使传热阻力加大 ， 冷凝对流传热系数降低。 蒸汽流速和流向的影响 冷却壁面的高度及布置方式 流体物性 影响冷凝传热的因素： 对液体对流加热时 ， 在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为 沸腾。 工业上沸腾的方法有两种： 1) 管内沸腾 ：液体在管内流动时受热沸腾。 2) 大溶积沸腾 （ 池内沸腾 ） ：加热壁面浸没在液体中 ， 液体在壁面受热沸腾。 沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器 、 蒸发器 、 蒸汽锅炉等。 液体沸腾时的对流传热系数 （ 1） 沸腾传热的特点 α 温度差 Δt q A B C D α线 q线 液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。 在大空间内沸腾时 ， 随着此温度差的不同 ， 过程中的对流传热系数 α和热流密度 q都发生变化。 （ 2） 液体的沸腾过程 根据传热温差的变化 ， 可将液体沸腾传热过程分为以下四个阶段： 1) 自然对流阶段 如 AB段所示 ， 温差小 ， 无明显沸腾现象。 此阶段 α和 q均很小 ， 且随着温差增大而缓慢增加。 2) 泡核沸腾阶段 如 BC段所示 ， 由于气泡运动所产生的对流和扰动作用 ，此阶段 α和 q均随着温差增大而迅速增加。 温差越大 ， 汽化核心越多 ， 气泡脱离表面越多 ， 沸腾越强烈。 影响沸腾传热的因素 3）膜状沸腾阶段 图中 CD所示。 因汽化核心过多而形成不稳定汽膜，使加热面与液体隔开， α和 q下降。 4）稳定腊状沸腾阶段 图中 D点以后，汽泡在加热面上形成和发展。 1） 温度差： 温度差是控制沸腾传热的重要参数 ， 应尽量在核状沸腾阶段操作。 2） 操作压力： 提高操作压力可提高液体的饱和温度 ， 从而使液体的粘度及表面张力均下降 ， 有利于气泡的生成与脱离壁面 ，其结果是强化了对流传热过程。 3） 流体物性： 气泡离开表面的快慢与液体对金属表面的浸润能力及液体的表面张力的大小有关 ， 表面张力小 ， 润湿能力大的液体 ， 形成的气泡易脱离表面 ， 对沸腾传热有利。 此外 λ、 μ、ρ等也有影响。 4） 加热面的影响： 加热面的材料 、 粗糙度的影响。 （ 3） 沸腾对流传热系数的计算 在应用对流传热计算公式时应注意以下几点： 首先分析所处理的问题是属于哪一类 ， 如：是强制对流或是自然对流 ， 是否有相变等。 选定响应的对流传热系数计算式 ， 特别应注意的是所选用的公式的使用条件。 当流体的流动类型不能确定时 ， 采用试差法进行计算 ，再进行验证。 计算公式中的各物性数据的单位。 对流传热系数小结 （ 1） 热辐射能 物质受热激发起原子的复杂运动 ， 进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。 接受这种电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能。 — 1010— 1010— 1 102 104 106 104 102 106 γ射线 无线电波 微波 X射线 紫外 热射线 红外 能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作 热射线。 电磁波的波长范围及热射线 辐射传热 （ 2） 吸收率 A， 反射率 R 和透过率 D （ Absorption, Reflection and Diaphaneity ) DRA EEEE 1 EEEEEE DRA1 DRA根据能量守恒定律： ER ED EA N E 物体辐射的能力 单色辐射 :单一波长的辐射。 单色辐射能：一定温度下 ， 从单位物体表面在单位时间内发射单一波长辐射的辐射能 ， 用 Eλ表示 ， 其单位为 W/m2 灰体 （ A+R＝ 1,D＝ 0） ： 能吸收从 0~无穷长的所有波长范围的辐射能且吸收率相等的物体称灰体。 表面现象 容积现象 （ 3） 黑体 、 白体和透体和灰体 黑体 A=1 白体 R=1 透体 D=1 （ 1）单色辐射能 Eλ及 Plank’s Law 黑体的单色辐射能 Ebλ 可用 Plank’s Law 精确地描述： 1251e TCbCE 由黑体辐射谱中能量分布图可知：随着温度的提高 ， 物体最大辐射能渐向波长缩短的方向移动。 E bλ λ T=1400 K T=1200 K 0 10 Ebλ—黑体的单色辐射能力， w/m3 λ—波长， m T—物体的热力学温度， K C1—常数，其值为 1016Wm2 C2—常数，其值为 102mK （ 2） 斯蒂芬 — 波尔茨曼 （ StephenBoltzman ） 定律 全辐射能 （ 辐射照度 ） 为所有单色辐射能之和 ， 即 对黑体 4040)100( TcTdEE bb     σ称为 斯蒂芬 — 波尔茨曼 辐射常数 ， 其值为 108 w/(m2K 4) c0称为黑体辐射系数 上式说明 ， 黑体的全发射能力正比于热力学温度的四次方 ， 此关系称为 斯蒂芬 — 波尔茨曼定律 ， 亦称 四次方定律。  0  dEE(W/m2) bEE黑体发射能力物体发射能力黑体吸收辐射能的能力物体吸收辐射能的能力 黑度 ε：辐射率 （ 3）克希霍夫（ Kirschoff）定律 当两物休，在相同的环境处于温度平衡之下，则： 2211AEAE E1 E0 （ 1A1） E0 A1E0 Ⅰ 灰体 Ⅱ 黑体  42412121 )100()100(TTACQ C 1— 2 称为总辐射系数； φ 称为角系数 ， 表示由辐射面 A发射出的能量为另一物体所截获的分数 ，与两物体几何排列和面积有关。 两固体间的辐射传热 辐射加热的方法 食品热 加工分直接加热和间接加热。 （一）红外线加热 （二）高频加热 （三）微波加热 传热计算主要有两种类型：  设计计算 (热负荷 ) 根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。  校核计算 （ 操作型 ） 计算给定换热器的传热量 、 流体的温度或流量。 稳定 传热过程计算 对间壁式换热器作能量恒算 ， 在忽略热损失的情况下有 上式即为 换热器的热量恒算式。 式中 Q—— 换热器的热负荷 ， kJ/h或 w。