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南京理工大学(化工原理)课件chapt4

第四章 传 热 本章主要内容 4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热 4.4传热过程的分析和计算 4.5 换热器 4.1 概述 直接蒸汽加热 间壁式换热器 4.2 热传导 4.2.1傅里叶定律 4.2.4 圆筒壁的热传导 多层圆筒壁热传导 4.3 对流传热 4.3.1 牛顿冷却定律和对流传热系数 根据有效膜概念,对于热流体: 影响α的因素 1.流体的种类及相变化情况 2.流体的物理性质(ρ、μ、cp、λ) 3.流体运动状态 4.对流状况: 自然对流、强制对流 5.传热壁的形状、大小及安装位置 一、无相变强制对流传热过程 f(Nu,Re,Pr)=0 二、无相变自然对流传热过程 f(Nu,Pr,Gr)=0 定性温度:取流体平均温度。 特征尺寸:圆管取管径d;非圆形管,通常取当量直径de为特征尺寸;对大空间内自然对流,取加热(或冷却)表面的垂直高度为特征尺寸。 4.3.3 对流传热系数的经验关联式 如果流体在圆直管内作强制过渡流(层流),此时对流传热系数应增大还是减小?若Nu=0.023Re0.8Prnf?,则?f1还是f1? 4.3.4 有相变对流传热系数计算 Wh——饱和蒸气(即热流体)的冷凝速率(kg/h); r——饱和蒸气的冷凝潜热(kJ/kg); cph——冷凝液的比热容(kJ/(kg·℃)); Ts——冷凝液的饱和温度(℃)。 4.4.2 总传热速率微分方程 二、提高总传热系数的途径 1.减小任何环节的热阻都可提高传热系数。 2.当各环节的热阻相差较大时,总热阻的数值 将主要由其中的最大热阻所决定。此时强化传热的关键在于提高该环节的传热系数。 4.4.4 传热推动力和总传热速率方程 2.错流和折流 错流和折流时的平均温度差,先按逆流操作计算对数平均温度差,再乘以考虑流动方向的校正因素。 传热效率—传热单元数法(ε-NTU) 1.传热效率 2.传热单元数NTU 换热器的热量衡算和传热速率方程的微分式为 单程并流 (假定热流体热容量流率最小) 逆流时 : 热容量流率相等时 (5)被冷却的液体宜走壳程,便于散热; (6)若两流体温差较大,对于刚性结构的换热器,宜将对流传热系数大的流体通入壳程,可减少热应力; (7)流量小而黏度大的液体一般宜走壳程,因在壳程Re100即可达到湍流,但这不是绝对,如流动阻力损失允许,将这种流体通入管内并采用多管程结构,反而能得到更多的对流传热系数。 冷凝器中管子的切向旋转 液体沸腾 水的沸腾曲线 4.4 传热过程的分析和计算 4.4.1 热量衡算 (忽略热损失) cp——流体的平均比热容(kJ/(kg·℃)); W——流体的质量流量(kg/s); t——冷流体的温度(℃); T——热流体的温度(℃); Q ——传热速率(kW)。 1.冷热流体均无相变 2. 热流体发生相变(如饱和蒸汽冷凝) Q=? 冷凝液为饱和液体(Ts) 冷凝液为过冷液体(T) t1 T2 T1 t2 T1 T2 t1 t2 L T,αi t,αo TW tW 分别为各传热环节的热阻(℃/W)。 对于微元管段dL: 令 dQ=KdS(T-t)—总传热速率方程的微分表达式。 总传热系数,W/(m2· ℃); 单位传热面积、温差下的总传热速率。 微元管段总传热推动力 4.4.3 总传热系数K 一、总传热系数K的计算表达式 传热面为圆筒壁 传热面为平壁 污垢热阻 若α1α2,K=?此时提高对流传热系数措施?若污垢热阻为控制因素,则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。 一、恒温传热 Q=KS(T-t)=KSΔt 二、变温传热 1.逆流和并流 2. 错流和折流 逆流(并流)传热平均推动力的推导 (a)逆流 (b)并流 逆流时平均温度差推导 传热面积增加的方向(逆流) ——对数平均温度差 逆流时: 并流时: 加热物质为饱和蒸汽(冷凝液为饱和液体)时( T为饱和蒸汽温度): 在换热器的传热速率Q及总传热系数K相同的条件下,因为逆流时的Δ tm大于并流时的Δ tm,采用逆流操作可节省传热面积。 逆流操作可节省加热介质或冷却介质的用量。 逆流操作优点: Δtm= ΔtΔtm′ 温度差校正系数,与冷、热流体温度变化有关 4.4.5 稳定传热的计算 稳定传热计算的基本公式为 热量衡算方程:

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