圆筒与对流传热课堂教材教学课件.ppt

准数关联式计算示例 例4-4 一水平蒸汽管，长20m，外径为159mm，管外壁温度为120℃，周围空气温度为20℃，计算该管段由于自然对流散失的热量。 定性温度：t＝(120+20)/2＝70℃ 70℃下空气物性：ρ＝1.03kg/m3，μ＝2.06×10-5Pa·s l ＝0.0297W/m·K，β＝1/(273+70)=1/340 1/K，Pr＝0.694 4.4.8 流体有相变时的对流传热系数 蒸汽冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。这类传热过程的特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温度基本不变。因此在壁面附近流体层中的温度梯度较高，从而对流传热系数比无相变时的更大。 4.4.8.1 蒸汽冷凝传热 其优点是：(1)饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制；(2)蒸汽冷凝的对流传热系数较无相变时大得多。这是因为蒸汽在壁面上冷凝的同时，蒸汽将迅速流到壁面补充空位，汽相主体与壁面间温差极小，因此饱和蒸汽冷凝时汽相中几乎无温差存在。 1.蒸汽冷凝方式 蒸气冷凝时，根据其冷凝液是否能够润湿壁面分成两种方式： (1)膜状冷凝：若冷凝液能够完全润湿壁面，则将在壁面上形成一层连续的液膜，并向下流动。壁面完全被冷凝液所覆盖，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，与壁面不进行直接接触，冷凝潜热只能以导热和对流的方式通过液膜传给壁面。 因蒸汽冷凝时有相的变化，一般热阻很小，故冷凝液膜就成为冷凝的主要热阻。 若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动，则所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高，则整个壁面的平均对流传热系数也越小。 冷凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面附着力的关系，当附着力大于表面张力时则会形成膜状冷凝。 (2)滴状冷凝 若冷凝液不能够润湿壁面，则由于表面张力的作用，在壁面上形成液滴，液滴长大到一定程度后而脱落壁面，这种形式称为滴状冷凝。此时壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接触，由于没有液膜阻碍热流，所以其热阻很小，因而对流传热系数要比膜状冷凝高出5～10倍。 滴状冷凝虽然比膜状冷凝传热效果好，但在工业上很难实现，因此生产中大多为膜状冷凝。 2.膜状冷凝对流传热系数 冷凝液膜的流动也可分为滞流和湍流两种流型，判断流型也可用Re，而Re常常表示为冷凝负荷M的函数，即：Re=f(M)。 冷凝负荷M：单位时间单位长度润湿周边上流过的冷凝液量，kg/(m·s) 设液膜流通截面积为A m2，润湿周边长为b m,冷凝液质量流量为W kg/s，则： (1)蒸汽在水平管(或管束)外冷凝 (2)蒸汽在垂直管外(或板上)冷凝 计算步骤(试差法) 假设一种流型 选择公式计算h 计算热负荷q=hoSo(ts-tw) 计算质量流量W=q/r 计算冷凝负荷M=W/b 计算Re并校核 3.影响冷凝传热的因素 液膜两侧的温度差：Δt↑，δ↑，a↓ 流体的物性：传热冷凝液的密度越大，粘度越小，则液膜的厚度越小，因而冷凝对流传热系数a越大。导热系数大也有利于传热，冷凝潜热大，则在同样的热负荷下冷凝液减少，液膜变薄，a增大 蒸汽的流速和流向：当蒸汽流速较大时，蒸汽与液膜间的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，这种作用将使液膜减薄并促使其产生一定波动，因而使a增大。若逆向流动，这种作用会阻碍液膜流动，使其增厚导致传热恶化。但当这种作用超过重力作用时液膜会被蒸汽带动而脱离壁面，反而使a急剧增大。 不凝性气体的影响：蒸汽冷凝时不凝性气体将在液膜表面形成一层气体膜，由于其导热系数很小，使热阻增大，a大为降低。当蒸汽中不凝性气体含量为1%时，可使冷凝时a降低60%左右。因此在冷凝器的设计和操作中，都必须考虑不凝气的排除。 冷凝壁面的影响： 冷凝液膜为膜状冷凝的主要热阻，设法减薄其厚度是强化传热的关键，最直接的方法是从冷凝壁的高度和布置方式上着手。对水平放置的列管式冷凝器，应减少垂直方向上管排的数目。在垂直壁面上，开若干纵向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以减薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑时对流传热系数提高。 4.4.8.2 液体沸腾传热 液体与高温壁面接触时被加热，并产生大量气泡变为蒸汽的过程称为液体沸腾。这种传热方式由于在加热面上不断经历着汽泡的形成、长大和脱离的过程，造成对壁面处流体的强烈扰动，因而对流传热系数要比无相变时大。化工中常用的蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等，都是通过液体沸腾而产生蒸汽。 液体在加热表面上沸腾时，按其沸腾所处的空间可分为大容器沸腾和管内沸腾。大容器沸腾是指加热面被沉浸在无宏观流动的液体表面下所产生的沸腾，这种情况下汽泡脱离表面后能自由浮升，液体的运动只是由自然对流和气泡扰动引起。当液体以一定流速在加热管内流动时的沸腾称为管内沸腾，此时产生的汽泡不能自由浮升，被迫与液体一起流动，也称为强