第三章 传热过程(第二讲)

1、1 一、对流传热机理一、对流传热机理 对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现 象。它是依靠象。它是依靠流体质点的移动流体质点的移动进行热量传递的，故与进行热量传递的，故与 流体的流动状况有密切的关系。无论是什么流动类型，流体的流动状况有密切的关系。无论是什么流动类型， 其靠近壁面处为滞流流动，这层流体称为滞流底层。其靠近壁面处为滞流流动，这层流体称为滞流底层。 对流传热主要与滞流底层有关对流传热主要与滞流底层有关。 工业上，间壁式换热器两侧流体与固体壁面之间工业上，间壁式换热器两侧流体与固体壁面之间 的热交换即为对流传热。的热交换即为对流传热。流体

2、将热量传给固体壁面或流体将热量传给固体壁面或 者由壁面将热量传给流体的过程者由壁面将热量传给流体的过程。 第三节第三节 对流传热对流传热 2 如图为热流体与壁面对流传热如图为热流体与壁面对流传热 及壁面与冷流体的对流传热。工业及壁面与冷流体的对流传热。工业 上将对流传热的热阻予以虚拟，折上将对流传热的热阻予以虚拟，折 合为相当厚度为合为相当厚度为t的滞流底层热阻，的滞流底层热阻， 流体与壁面之间的温度变化可认为流体与壁面之间的温度变化可认为 全部发生在厚度为全部发生在厚度为t的一个膜层内的一个膜层内， 通常将这一存在温度梯度的区域称通常将这一存在温度梯度的区域称 为为传热边界层传热边界层。传热

3、边界层以外，传热边界层以外， 温度是一致的、没有热阻温度是一致的、没有热阻. 3 式中式中流体的热导率，流体的热导率， 11 KmW t传热边界层厚度，传热边界层厚度，m； t对流传热温度差，对流传热温度差， 或或 由于传热边界层厚度难以确定，工程上定义：由于传热边界层厚度难以确定，工程上定义： 该式称为对流传热速率方程，也称牛顿（该式称为对流传热速率方程，也称牛顿（Newton）冷却定律）冷却定律 或给热方程，或给热方程，a a为对流传热系数为对流传热系数，单位为，单位为 12 KmW 将对流传热归结为传热边界层的热传导，用热传导基本方将对流传热归结为传热边界层的热传导，用热传导基本方 程来

4、描述对流传热过程程来描述对流传热过程 t tA Q d dt AQ w TTt ttt w t a A t tAQ a a 1 4 二、对流传热系数的影响因素及其求取二、对流传热系数的影响因素及其求取 影响影响a a的因素很多，主要有以下几个方面：的因素很多，主要有以下几个方面： 1. 流体的流动型态流体的流动型态 流体流动型态对流动边界层有较大影响，对流边界层有流体流动型态对流动边界层有较大影响，对流边界层有 影响也较大，层流整个区域可视为热边界层，影响也较大，层流整个区域可视为热边界层，湍流程度越湍流程度越 大，热边界层越薄，当温度差一定时，对流传热系数增大大，热边界层越薄，当温度差一定时

5、，对流传热系数增大。 一般换热流体都是在湍流形式下进行换热（或搅拌情况进一般换热流体都是在湍流形式下进行换热（或搅拌情况进 行换热）。行换热）。 3. 流体的物理性质流体的物理性质 如导热系数、热容、膨胀系数、密度和粘度等，其中导热如导热系数、热容、膨胀系数、密度和粘度等，其中导热 系数、热容、密度、膨胀系数增大对传热有利；而粘度大，系数、热容、密度、膨胀系数增大对传热有利；而粘度大， 则滞流层厚，对流传热系数变小。则滞流层厚，对流传热系数变小。 2. 流体的对流状态：强制对流自然对流时流体的对流状态：强制对流自然对流时a a为大。为大。 tA Q a t a 5 4. 传热的温度传热的温度

6、温度对流体的物理性质有显著的影响温度对流体的物理性质有显著的影响。因此，壁面和流体。因此，壁面和流体 的温度以及两者的温度差对给热系数有间接但是明显的影响。的温度以及两者的温度差对给热系数有间接但是明显的影响。 如如粘度随温度的升高而降低粘度随温度的升高而降低，在其他条件不变的情况下，热，在其他条件不变的情况下，热 边界层减薄，有利于传热边界层减薄，有利于传热 。因此在使用物理参数时，要考。因此在使用物理参数时，要考 虑温度。虑温度。 5. 流体传热时的相变化流体传热时的相变化 相变会引起与壁面接触处流体的相变会引起与壁面接触处流体的运动形式改变运动形式改变，如加剧搅动。，如加剧搅动。 一般来

7、讲，一般来讲，相变有利于传热相变有利于传热。这就是用蒸汽加热的原因之一。这就是用蒸汽加热的原因之一。 6 6. 壁面的形状、排列方式和尺寸壁面的形状、排列方式和尺寸 流体流过固体表面的状况对流体流过固体表面的状况对流体的流动有影响，同时影响流体的流动有影响，同时影响 热边界的形成和发展热边界的形成和发展。当管长增加时，传热边界层中温度分。当管长增加时，传热边界层中温度分 布将逐渐变得更为平坦，当通过很长的管长时，温度梯度会布将逐渐变得更为平坦，当通过很长的管长时，温度梯度会 消失，此时传热也就停止了。所以管子的尺寸和形状对消失，此时传热也就停止了。所以管子的尺寸和形状对有较有较 大的影响。管子

8、排列时：大的影响。管子排列时：错列的错列的a a高于直列高于直列 x2 x2 x2 x1 x1 x1 a、直列、直列 b、正三角错列、正三角错列 c、正方形错列、正方形错列 7 工程上采用因次分析的方法，将影响工程上采用因次分析的方法，将影响a a诸多因素组合诸多因素组合 成若干个无因次的特征数群，确定这些特征数在不同情况成若干个无因次的特征数群，确定这些特征数在不同情况 下的相互联系，从而得到经验性的关联公式。下的相互联系，从而得到经验性的关联公式。 （一）流体无相变过程表面传热系数的求取（一）流体无相变过程表面传热系数的求取 描述对流传热过程的特征数关系为：描述对流传热过程的特征数关系为：

9、 cba GrKNuPrRe 各特征数的含义如下表所示各特征数的含义如下表所示 8 al Nu 表示对流传热系数的特征数表示对流传热系数的特征数 应用准数关联式时，必须确定：应用准数关联式时，必须确定： 1) 应用范围应用范围 2) 特性尺寸特性尺寸 对流体运动或者传热发生主导影响的尺寸。管内对流对流体运动或者传热发生主导影响的尺寸。管内对流 传热取管内径；管外强制对流传热取管外径；对非圆管取当量直径。传热取管内径；管外强制对流传热取管外径；对非圆管取当量直径。 3）定性温度）定性温度 大多数取流体进出口温度的算术平均值。温度确定后，大多数取流体进出口温度的算术平均值。温度确定后， 查表确定物

10、性，有时应用线性插值公式。查表确定物性，有时应用线性插值公式。 9 当流体被加热时，当流体被加热时，m0.4；当流体被冷却时，；当流体被冷却时，m0.3。 长径比长径比 Ld50，适用于低粘度流体（小于，适用于低粘度流体（小于 2mPa.s），且过程中无相变化。），且过程中无相变化。 适用范围：适用范围： 对于流体在对于流体在圆管内强制湍流圆管内强制湍流对流传热对流传热 对对低粘度流体低粘度流体，a a的关联式为的关联式为 m d NuPrRe023. 0 8 . 0 a m p c dv d m d a 8 . 0 023. 0PrRe023. 0 8 . 0 ， 4 10Re ，120Pr

11、7 . 0 10 例例3-5 在一单程换热器中用在一单程换热器中用120的蒸汽将常压空气从的蒸汽将常压空气从20 加热到加热到80，管束为，管束为38mm3mm，蒸汽走壳程，空气走管，蒸汽走壳程，空气走管 程，其流速为程，其流速为14ms-1。求管壁对空气的表面对流传热系数。求管壁对空气的表面对流传热系数。 解解: 空气的定性温度为空气的定性温度为 t定 定=(20+80)/2=50 查查50下空气的物性数据下空气的物性数据 Cp=1017 Jkg-1K-1 =1.9610-5 Pas=1093 kgm-3 =2.8310-2 Wm-1K-1 d=0.032 mv=14 ms-1 得得 249

12、83Re du 704. 0Pr p c 计算结果表明计算结果表明:空气在管内流动空气在管内流动Re10000, 120Pr0.7, 必然符合必然符合 下式的条件下式的条件 124 . 08 . 0 1 .58PrRe023. 0 KmW d a 11 液体通过固体壁面被加热的液体通过固体壁面被加热的 对流传热过程中，若伴有液对流传热过程中，若伴有液 相变为气相，即在液相内部相变为气相，即在液相内部 产生气泡或气膜的过程称为产生气泡或气膜的过程称为 液体沸腾液体沸腾，又称，又称沸腾传热沸腾传热。 液体沸腾的情况因固体壁面液体沸腾的情况因固体壁面 温度温度tw与液体饱和温度与液体饱和温度ts之之

13、 间的差值而变化，如图为水间的差值而变化，如图为水 的沸腾曲线：的沸腾曲线： （二）流体有相变过程的表面传热系数（二）流体有相变过程的表面传热系数 化工生产中多见的相变给热是化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾液体受热沸腾和和饱和水蒸饱和水蒸 气的冷凝气的冷凝。 1. 液体的沸腾液体的沸腾 a a a 12 当温差较小时，加热面上的液体仅产生当温差较小时，加热面上的液体仅产生自然对流自然对流在液体在液体 表面蒸发，如图中表面蒸发，如图中AB段曲线；当段曲线；当t逐渐增高时，由于气泡逐渐增高时，由于气泡 的产生、脱离和上升对液体剧烈扰动，此段情况称为的产生、脱离和上升对液体剧烈扰动，此段情况称

14、为泡状泡状 沸腾沸腾； 工业生产中工业生产中, 总是设法维持在泡状沸腾下操作总是设法维持在泡状沸腾下操作。 继续增大继续增大t时，产生的气泡大大增多且产生的速度大时，产生的气泡大大增多且产生的速度大 于脱离加热表面的速度，形成一层不稳定的水蒸气膜，气于脱离加热表面的速度，形成一层不稳定的水蒸气膜，气 膜的附加热阻使膜的附加热阻使q和和a a均急剧下降，传热面几乎全部被气膜均急剧下降，传热面几乎全部被气膜 覆盖称为覆盖称为膜状沸腾膜状沸腾。 13 饱和水蒸气与温度较低的固体壁面接触时，水蒸气放饱和水蒸气与温度较低的固体壁面接触时，水蒸气放 出热量并在壁面上冷凝成液体出热量并在壁面上冷凝成液体。表

15、面张力的作用而形成许。表面张力的作用而形成许 多液滴沿壁面落下，此种冷凝称为多液滴沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝滴状冷凝。若水蒸气很。若水蒸气很 好地润湿壁面，冷凝液在壁面形成一层完整的液膜，称为好地润湿壁面，冷凝液在壁面形成一层完整的液膜，称为 膜状冷凝膜状冷凝。 2. 水蒸气冷凝水蒸气冷凝 滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍 乃至数十倍。乃至数十倍。但是目前难以实现持久性滴状冷凝，工业中但是目前难以实现持久性滴状冷凝，工业中 遇到的大多是膜状冷凝。遇到的大多是膜状冷凝。 14 常见流体的表面传热系数大致范围常见流体的表面传热系

16、数大致范围 a aa a 15 1热负荷及热量衡算热负荷及热量衡算 生产工艺对换热器换热能力的要求，即单位时间内需要对生产工艺对换热器换热能力的要求，即单位时间内需要对 物料加入或取出的热量称为换热器的工艺热负荷物料加入或取出的热量称为换热器的工艺热负荷QL。 通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率传热速率， 再依据此传热速率可计算换热器所需的再依据此传热速率可计算换热器所需的传热面积传热面积等。等。 （1）热负荷）热负荷 第四节第四节 间壁式热交换器的计算间壁式热交换器的计算 热负荷的计算根据工艺特点有两种情况：热负荷的计算根据工艺特点有

17、两种情况： 流体在传热中只有相变的场合流体在传热中只有相变的场合 rW L Q 式中式中 W流体的质量流量，流体的质量流量，kgs-1； r流体的相变热流体的相变热kJkg-1 16 流体在传热中仅有温度变化流体在传热中仅有温度变化不发生相变不发生相变的场合的场合 QL=Wcp(t2-t1) 式中式中cp流体的比定压热容，流体的比定压热容，kJkg-1K-1； t1，t2流体传热前后的温度，流体传热前后的温度，K； 若换热器中两种流体若换热器中两种流体无相变化无相变化，且流体的，且流体的定压比热不随温度变定压比热不随温度变 化化或可取平均温度下的定压比热时：或可取平均温度下的定压比热时： （2

18、）热量衡算）热量衡算 12,21, QttcWTTcW cpchphL 17 式中式中QL换热器的热负荷，换热器的热负荷，kJs-1； , , p hp c cc 分别指热、冷流体的比定压热容，分别指热、冷流体的比定压热容，kJkg-1K-1； 1221 , ,T T t t 分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口 温度，温度，K。 若换热器中的热流体有相变，如若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气冷凝同饱和水蒸气冷凝同 温度冷凝液温度冷凝液时：时： 12, QttcWrW cpchL 18 2传热总方程传热总方程 如图，如图，传热过程是传热过

19、程是热流体给热流体给 热热间壁导热间壁导热冷流体给热冷流体给热 的串联过程。的串联过程。 换热器内进行的大都是换热器内进行的大都是定态定态 传热过程传热过程： 2211 11 A w A b ww A w tttTTT Q aa 2211 11 AA b A tT Q aa 或 19 间壁式换热器的传热总方程间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温面，适用于传热面为等温面 的间壁式热交换过程。的间壁式热交换过程。 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性 总阻力 总推动力 R t R t Q i i 3. 传热系数传热系数K 2211 11 1

20、AA b A t KA t tKAQ aa 20 当换热器的间壁为单层平面壁时，因当换热器的间壁为单层平面壁时，因A1=A2=A， 则传热系数为：则传热系数为： 若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若 A1A2A，即传热系数与传热面积对应时：，即传热系数与传热面积对应时： 2211 11 1 AA b A m KA aa 21 11 1 aa b K 21 K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主 要取决于要取决于流体的物性流体的物性、传热过程的操作条件传热过程的操作条件及及换热器换热器 的类型的类型等。等。 化工中常

21、见传热过程的化工中常见传热过程的K值范围值范围 22 例例3-6 某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径 为为1.0m，釜壁铜板厚，釜壁铜板厚8mm（=50Wm-1K-1）若釜内壁面结有垢）若釜内壁面结有垢 层厚层厚2mm（Rh1=0.002 W-1m2K）夹套中用）夹套中用115的饱和水蒸气的饱和水蒸气 进行加热（进行加热（a a19000 Wm-2K-1），釜内有机物温度为），釜内有机物温度为80（a a2 250 Wm-2K-1）。试求该条件下的面积热流量和各热阻的百）。试求该条件下的面积热流量和各热阻的百 分率。分率。 解解：因反应釜内

22、径：因反应釜内径1.0 m与外径与外径1.16 m相差不大，可近相差不大，可近 似地当作平面壁来处理似地当作平面壁来处理.取传热面积为取传热面积为 2 1.0Am 时：时： 求得求得 4 1 101 . 1 1 a 4 1 1 106 . 1 b 3 1 102 h R 3 2 104 1 a W-1m2K W-1m2K W-1m2K W-1m2K 23 得得 K=159 Wm-2K-1 传热总阻力为：传热总阻力为： 3 1 1 1 1027. 6 21 1 1 aah b RRW-1K 反应釜的面积热流为反应釜的面积热流为 58. 5tKqkWm-2 计算结果表明，计算结果表明，主要热阻在垢

23、层和有机物这一侧，主要热阻在垢层和有机物这一侧， 其中垢层热阻占总热阻的其中垢层热阻占总热阻的31.9%，有机物热阻占，有机物热阻占 63.8%；而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的；而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的 1.75%和和2.55%。 RA K 1 24 4传热过程的平均温度差传热过程的平均温度差 冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个 换热过程的温度差。换热过程的温度差。 （1）定态恒温传热）定态恒温传热 定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在壁壁 面的任

24、何位置、任何时间都不变化面的任何位置、任何时间都不变化，即两流体的温度差沿换热，即两流体的温度差沿换热 面处处相等，恒定不变。面处处相等，恒定不变。 （2）定态变温传热（换热器常见情况）定态变温传热（换热器常见情况） 定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温 度沿传热面的不同位置发生变化，度沿传热面的不同位置发生变化，两流体间的温度差两流体间的温度差t沿换沿换 热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关。 25 图分别为逆流和并流传热时图分别为逆流和并流传热时t随换热器壁面位置的变化图随换热器壁面位置的变化图 工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流和并流逆流和并流。 26 热热 T1T2 t1 t2 冷冷 211 tTt 122 tTt 逆流逆流 T1T2 t2t1 热热 冷冷 111 tTt 222 tTt 并流并流 2 1 ln 21 t t m tt t