化工原理传热

1、1 第五章 传 热 通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律 ，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程 的有关问题。 学习目的 与要求 2 5.1 传热过程概述 第五章 传 热 3 传热 热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热 量传递，简称传热。 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。 二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以 减少热损失。 化工生产中对传热过程的要求 概述 4 5.1 传热过程概述 5.1.1热传导及导热系数 第五章 传 热 5 一、热传导(导热) 热传导(导热) 不依靠物体内部各部分质点的宏观混合运 动而借助于物体分子、原子、离子、自由电子 等微观粒子的热运动产生的

2、热量传递称为热传 导，简称导热。 6 dQt dSn 描述热传导现象的物理定律为傅立叶定律 （Fouriers Law），其表达式为 傅立叶定律（Fouriers Law） 温度梯 度 导热系 数 微分导 热通量 热通量与 温度梯度 方向相反 一、热传导(导热) 7 二、导热系数 导热系数 dQ dS tn 导热系数表征了物质热传导能力的大小，是 物质的基本物理性质之一，其值与物质的形态、 组成、密度、温度等有关。 8 导热系数W/(m.oC) 0.0060.06 0.10.7 0.23.0 15420 0.0030.06 气体 液体 非导电固体 金属 绝热材料 二、导热系数 9 1.固体的导

3、热系数 纯金属的导热系数与电导率的关系可用魏德曼 （Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述 e L T 良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。 二、导热系数 10 对大多数均质固体，导热系数与温度近似呈线 性关系 0 1t 对大多数金属材料，为负值；而对大多数非金 属材料，为正值；对理想气体，=1/T ，1/K。 二、导热系数 11 2.液体的导热系数 除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦 随温度的升高而降低。 金属液体的导热系数比一般的液体要高 纯液体的导热系数比其溶液的要大 二、导热系数 12 3.气体的导热系数 气体导热系数随温度升高而增大。 在相当大的压力范围内，气

4、体的导热系数随压力 的变化很小，可以忽略不计。 二、导热系数 13 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 第五章 传 热 5.1.2 对流 14 对流是由流体内部各部分质点发生宏观运 动和混合而引起的热量传递过程 对流 对流传热 在化工生产中特指流体与固体壁面之间的 热量传递过程。 对流 15 对流传热速率可由牛顿冷却定律描述 dQ t dS 温度差 对流传 热系数 微分对流 传热通量 对流 16 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 5.1.2 对流 第五章 传 热 5.1.3 热辐射 17 热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 称为热辐射。 热辐射 1.

5、可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。 2.不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形 式的转换。 3.任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐 射能，但仅当物体的温度较高、物体间的温度 差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。 18 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 5.1.2 对流 5.1.3 热辐射 第五章 传 热 5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及 换热器 19 一、直接接触式换热和混合式换热器 二、蓄热式换热和蓄热器 三、间壁式换热和间壁式换热器 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 20 图5-1 套管式换热器 1-内管 2-外管 冷热流体（接触）热交换方式及换

6、热器 动画22 21 图5-2 单程管壳式换热器 1-外壳,2-管束,3、4-接管,5-封头,6-管 板,7-挡板,8-泄水池 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 动画21 22 间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程包括以 下三个步骤： （1）热流体以对流方式将热量传递给管壁； （2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另 一侧； （3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给 冷流体。 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 23 5.1 传热过程概述 5.1.1 热传导及导热系数 5.1.2 对流 5.1.3 热辐射 5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及换热器 第五章 传 热 5.1.5 载热体

7、及其选择 24 载热体及其选择 在化工生产中，物料在换热器内被加热或 冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热 量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的 称为加热介质（或加热剂）；起冷却（冷凝） 作用的称为冷却介质（或冷却剂）。 载热体 25 选择载热体原则 （1）载热体的温度易调节控制； （2）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分 解； （3）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐 蚀设备； （4）价格便宜，来源容易。 载热体及其选择 26 第五章 传 热 5.2 热传导 5.2.1 平壁一维稳态热传导 27 一、单层平壁一维稳态热传导 假设： 1.导热系数不随温 度变化，或可取平 均值； 2

8、.一维稳态 3.忽略热损失。 图5-3 单层平壁热传导 28 对平壁一维稳态热传导 dt QS dx 积分并整理得 12 () S Qtt b 微分式 积分式 一、单层平壁一维稳态热传导 29 12 ttt Q b R S 12 ttQt q b SR 热传导推动力 热传导速率 热传导热阻 导热热 阻 一、单层平壁一维稳态热传导 30 二、多层平壁的一维稳态热传导 图5-4 三层平壁热传导 假设： 1.导热系数不随温 度变化，或可取平 均值； 2.一维稳态 3.忽略热损失 4.没有接触热阻 31 通过各层平壁截面的传热速率必相等 1234 QQQQQ 233412 123 123 tttttt

9、 QSSS bbb 233412 123 123 tttttt Q bbb SSS 或 二、多层平壁的一维稳态热传导 32 三层平壁稳态热传导速率方程 14 312 123 tt Q bbb SSS 对n层平壁，其传热速率方程可表示为 11n i i tt Q b S 二、多层平壁的一维稳态热传导 33 接触热阻 因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。 接触热阻包括通过实际接触面的导热热阻和 通过空穴的导热热阻（高温时还有辐射传热）。 接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触 面上压力等因素有关，可通过实验测定。 二、多层平壁的一维稳态热传导 34 图图5-5 5-5 接触热阻的影响接触热阻的

10、影响 接触热 阻 二、多层平壁的一维稳态热传导 35 练 习 题 目 思考题 1. 热量传递的三种基本方式是什么？分别用什么 定律可以描述？ 2.在热传导问题中，术语“一维”是什么意思？ 何谓稳态热传导？ 3.试写出有接触热阻存在时多层平壁热传导的计 算公式。 36 第五章 传 热 5.2 热传导 5.2.1 平壁一维稳态热传导 5.2.2 圆筒壁的一维稳态热传导 37 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导 常量 常量 传热速率传热面积热通量 平壁 圆筒壁 常量 随半径变 常量 随半径变 38 图5-6 单层圆筒壁的热传导 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导 39 通过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为 (

11、2) dtdt QSrL drdr 12 21 2 ln() tt QL r r 积分并整理得 微分式 积分式 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导 40 可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式 12 21 m tt QS rr 21 21 22 ln() mm rr SLr L r r 其中 圆筒壁的 对数平均 面积 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导 41 2121 22 11 22 2 lnln 2 m LrLrSS S LrS LrS 21 2 1 ln m rr r r r 或 圆筒壁的 对数平均 半径 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导 42 二、多层圆筒壁的稳态热传导 假设层与层之 间接触

12、良好，即互 相接触的两表面温 度相同。 图5-7 多层圆筒壁的热传导 43 热传导速率可表示为 1414 332432421 112233112233 111 lnlnln 222 mmm tttt Q rrrrrrrrr LrLrlrSSS 对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为 1 1 n n i i imi tt Q b S 或 11 1 1 1 ln 2 n n i i ii tt Q r Lr 二、多层圆筒壁的稳态热传导 44 第五章 传 热 5.3 换热器的传热计算 5.3.1 热平衡方程 45 假设换热器绝热良好，热损失可以忽略不 计，则在单位时间内换热器中热流体放出的热 量必等

13、于冷流体吸收的热量。 ,m hhm cc dQqdIqdI 对于整个换热器，其热量衡算式为 ,12,21 ()() Tm hhhm ccc QqIIqII 热平衡方程 46 若换热器中两流体均无相变，且流体的定压 比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的值， ,1212 ()() mmhphcpc T QcTTcttqq 若换热器中流体有相变，例如饱和蒸气冷凝 ,21 () mmhcpc T Qcttqrq 热平衡方程 47 若换热器中流体有相变，例如饱和蒸气冷凝， 且冷凝液在低于饱和温度下离开换热器 ,221 ()() mmhphscpc T QrcTTcttqq 热平衡方程 48 第五章

14、传 热 5.3 换热器的传热计算 5.3.1 热平衡方程 5.3.2 总传热速率微分方程和总传热系数 49 一、总传热速率微分方程 冷、热流体通过间壁换热的传热机理为对 流-传导-对流的串联过程，对稳态传热过程， 各串联环节的传热速率必然相等，即 ()()() iwiwwmowo dQTTdSTtdStt dS b 11 wwww iimoo TTTttt dQ b dSdSdS 或 50 根据串联热阻叠加原理，可得 ()()() 1111 wwww iimoiimoo o TTTtttTt dQ bb dSdSdSdSdSdS 上式两边均除以 O dS 1 oo o iio m dQTt d

15、bd dS dd 一、总传热速率微分方程 51 令 1 1 o oo iimo K dbd dd 则() oo dQK Tt dS 同理可得 () ii dQK Tt dS () mm dQKTt dS 总传热速率微分方程 总传热速率微分方程 总传热速率微分方程 一、总传热速率微分方程 52 1 1 i ii imoo K bdd dd 1 m iioo m m K d bd dd 1 1 o oo iimo K dbd dd 基于管内表面积的 局部总传热系数 基于平均表面积的 局部总传热系数 基于管外表面积的 局部总传热系数 一、总传热速率微分方程 53 显然有 oi io i o dS K

16、d KdSd omm moo KdSd KdSd 管内径 管外径 平均管径 工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中， 除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。 一、总传热速率微分方程 54 二、总传热系数 总传热系数K表示单位传热面积，冷、热流体 单位传热温差下的传热速率，它反映了传热过程 的强度。 K是评价换热器性能的一个重要参数，也是对 换热器进行传热计算的依据。 K的数值取决于流 体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型 等，可通过计算、实验测定或查阅相关手册得到。 55 1.总传热系数的计算 设计中应考虑污垢热阻的影响 0 11 oo o o siso iiim ddbd RR

17、 Kddd 管壁外表 面污垢热 阻 管壁内表面 污垢热阻 总传热系数计算式 二、总传热系数 56 提高总传热系数途径的分析 总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻 0 11 oo o o siso iiim ddbd RR Kddd 壁 阻 总热 阻 管内 热阻 管内 垢阻 管 外 垢 阻 管 外 热 阻 二、总传热系数 57 若传热面为平壁或薄管壁 111 siso io b RR K oi o K 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 111 io K 若管壁外侧对流传热控制 二、总传热系数 58 oi i K 若管壁内侧对流传热控制 o , i 若管壁内、外侧对流传热控制相当 若

18、管壁两侧对流传热热阻很小， 而污垢热阻很大 污垢热阻控制 二、总传热系数 59 欲提高 值，强化传热，最有效的办法是 减小控制热阻。 K 二、总传热系数 值总是接近且永远小于 中的小者。 当两侧对流传热系数相差较大时， 近似等 于 中小者。 Ko , i K o , i 60 2.总传热系数的测定 对于已有的换热器，可以通过测定有关数 据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然 后由传热基本方程式计算值。显然，这样得到 的总传热系数值最为可靠。 二、总传热系数 61 3.总传热系数的推荐值 附录二十中列出了管壳式换热器的推荐值， 可供设计时参考。 在实际设计计算中，总传热系数通常采用 推荐值。这

19、些推荐值是从实践中积累或通过实 验测定获得的。 二、总传热系数 62 在选用总传热系数的推荐值时，应注意以下 几点： 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳 程的流体相一致； 设计中流体的性质（黏度等）和状态（流速等） 应与所选的流体性质和状态相一致； 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型 相一致； 二、总传热系数 63 总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时 可根据实际情况选取中间的某一数值。若需降 低设备费（减小换热面积）可选取较大的值； 若需降低操作费（增大换热面积）可选取较小 的值。 二、总传热系数 64 练 习 题 目 思考题 1.什么叫热阻？试说明在多层平壁和多层筒壁热传 导

20、中应用热阻的优点。 2.换热器中总的传热热阻包括哪几部分 ？在强化 传热中，如何有效地减小热阻？ 65 第五章 传 热 5.3 换热器的传热计算 5.3.1 热平衡方程 5.3.2 总传热速率微分方程和总传热系数 5.3.3 传热计算方法 66 一、平均温度差法 () oo dQK Tt dS 对总传热速率微分方程 积分，可得 Tm QKS t总传热速率积分方程 传热过程冷、热流 体的平均温度差 67 推导平均温度差的表达式时，对传热过程 作以下简化假定： 传热为稳态操作过程； 两流体的定压比热容均为常量； 总传热系数为常量； 忽略热损失。 一、平均温度差法 68 1.恒温传热时的平均温度差

21、换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两 流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温 传热。 T ( - )QKS tKS T t 冷流体 温度 热流体 温度 一、平均温度差法 69 2.变温传热时的平均温度差 （1）逆流和并流时的平均温度差 逆流 并流 一、平均温度差法 70 由热量恒算并结合假定条件和，可得 ,m hph dQ qc dT 常数 ,m cpc dQ qc dt 常数 一、平均温度差法 71 因此， 及 都是直线关系，可分别 表示为 QTQt TmQktm Qk 上两式相减，可得 也呈直线关系。将 上述诸直线定性地绘于图5-9中 Qt 一、平均温度差法 72 图5-9 逆流时平

22、均温度差的推导 一、平均温度差法 73 21 () T ttdt dQQ 21 () T ttdt K tdSQ 根据假定条件，积分上式得 21 2 1 ln Tm tt QKSKS t t t 总传热速率方程式 一、平均温度差法 74 21 2 1 ln m tt t t t 对数平均温度差 逆流和并流时计算平均温度差的通式。 一、平均温度差法 75 讨论： （1）在工程计算中，当 时，可用算 术平均温度差（ ）代替对数 平均温度差，其误差不超过4%。 21 /2tt 12 ()/2 m ttt （2）在冷、热流体的初、终温度相同的条件下， 逆流的平均温差较并流的为大。 一、平均温度差法 7

23、6 逆流： 采用逆流操作，若换热介质流量一定，则可 以节省传热面积，减少设备费；若传热面积一定， 则可减少换热介质的流量，降低操作费，因而工 业上多采用逆流操作。 并流： 若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热 时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低 于某一温度，则宜采用并流操作。 一、平均温度差法 77 （2）错流和折流时的平均温度差 单管程，多管程 单壳程，多壳程 一、平均温度差法 78 图5-10 错流和折流示意图 一、平均温度差法 79 mtm tt 温差校 正系数 ( ,) t f R P 安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图 算法 一、平均温度差法 先按逆流计

24、算对数平均温度差，然后再乘以 考虑流动方向的校正因素。即 80 12 2 21 11 1 TT R tt tt P Tt 热流体的温降 冷流体的温升 冷流体的温升 两流体的最初温度差 具体步骤如下： 根据冷、热流体的进、出口温度，算出纯逆流 条件下的对数平均温度差tm。 按下式计算因数 R 和 P： 一、平均温度差法 81 根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校 正系数； 将纯逆流条件下的对数平均温度差乘以温度 差校正系数，即得所求的。 mtm tt 一、平均温度差法 一边恒温时1 t 82 值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时 存在逆流和并流的缘故。 t ()()()ttt 并流错、

25、折流逆流 通常在换热器的设计中规定， 值不应小 于0.8，否则值太小，经济上不合理。若低于此 值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串 联使用，使传热过程接近于逆流。 t 一、平均温度差法 83 二、传热单元数法 1. 传热效率 max T Q Q 实际的传热量 最大可能的传热量 换热器的传热效率定义为 84 定义最大可能传热量 maxmin11 ()() mp Qq cTt 式中 WCp 称为流体的热容量流率，下标 min表 示两流体中热容量流率较小者，并称此流体为最 小值流体。 换热器中可 能达到的最 大温差 较小者具 有较大温 差 二、传热单元数法 85 ,21 21 ,1111 ()

26、() m cpc m cpc qctt tt qcTtTt 若冷流体为最小值流体，则传热效率为 ,12 12 ,1111 () () m hph m hph qcTT TT qcTtTt 若热流体为最小值流体，则传热效率为 二、传热单元数法 86 若已知传热效率，则可确定换热器的传热 量和冷、热流体的出口温度 maxmin11 ()() Tmp QQq cTt 2111 ()ttTt 2111 ()TTTt 二、传热单元数法 87 （2）传热单元数 NTU 由换热器热平衡方程及总传热速率微分方程 , () m hphm cpc dQqc dTqc dtK Tt dS 对于冷流体 ,m cpc

27、dtKdS Ttqc 二、传热单元数法 88 2 1 ,0 () t S c m cpct dtKdS NTU Ttqc 对于热流体，同样可写出 1 2 () T h T dT NTU Tt 积分上式得 基于冷流体的传热单元数 基于热流体的传热单元数 二、传热单元数法 89 传热单元数是温度的量纲为一函数，它反 映传热推动力和传热所要求的温度变化，传热 推动力愈大，所要求的温度变化愈小，则所需 要的传热单元数愈少。 二、传热单元数法 90 3.传热效率与传热单元数的关系 现以单程并流换热器为例做推导。假定冷流 体为最小值流体， min max R C C C 热容量流率比 令 min,m cp

28、c Cqc max,m hph Cqc 二、传热单元数法 91 min 1 exp ()(1) 1 R R NTUC C 推导可得 min min, () m cpc KSKS NTU cqc 式中 二、传热单元数法 92 min min, () m hph KSKS NTU Cqc , min max, m hph R m cpc qc C C Cqc 若热流体为最小值流体，则 min 1 exp ()(1) 1 R R NTUC C 式中 二、传热单元数法 93 对于单程逆流换热器，可推导出传热效率与传热 单元数的关系为 min min 1 exp ()(1) 1exp ()(1) R R

29、R NTUC CNTUC 当两流体中任一流体发生相变时 min 1 exp ()NTU 二、传热单元数法 94 当两流体的热容流率相等 单程并流换热器 单程逆流换热器 1 exp 2() 2 NTU 1 NTU NTU 1 R C 二、传热单元数法 95 3. 传热单元数法 采用 法进行换热器校核计算的步骤如下：NTU (1)根据换热器的工艺及操作条件，计算（或选 取）总传热系数； (2)计算 及 ，确定 及 ； ,m hph qc ,m cpc qc max () mp q c min () mp q c 二、传热单元数法 96 （3）计算： min minmax () ()() mp R

30、mpmp q c KS NTUC q cq c 及 （4）根据换热器中流体流动的型式，由 和 查得相应的 ； NTU R C Q （5）根据冷、热流体进口温度及 ，可求出 传热量 及冷、热流体的出口温度。 二、传热单元数法 97 应予指出，一般在设计换热器时宜采用平均温 度差法，在校核换热器时宜采用 法。NTU 二、传热单元数法 98 练 习 题 目 思考题 1.对数平均温度差值与哪些因素有关？ 2.换热器传热计算有哪两种方法，它们之间的区 别是什么？ 3.在管壳式换热器设计中，为什么要限制温度差 校正系数大于0.8 99 第五章 传 热 5.4 对流传热 100 对流传热是 指运动流体与固

31、体壁面之间的热 量传递过程，对 流传热与流体的 流动状况密切相 关。 对流传热 概述 图5-12 对流传热的温度分布情况 101 无相变 有相变 强制对流 自然对流 对流传热 蒸汽冷凝 液体沸腾 概述 102 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1对流传热机理和对流传热系数 103 图5-12 对流传热的温度分布情况 一、对流传热机理 104 一、对流传热机理 当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流 边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将 进行热交换。 层流内层 缓冲层 湍流核心 湍流边 界层 传热方式 热传导 热传导和涡流传热 涡流传热 105 层流内层 缓冲层 湍流核心 湍流边

32、界层 温度梯度 较大 居中 较小 热阻 较大 居中 较小 对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减 薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 一、对流传热机理 106 二、热边界层及对流传热系数 靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义 为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的 温度基本上相同，即温度梯度可视为零。 热边界层 107 图 5-13 平板上的热边界层 二、热边界层及对流传热系数 108 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传 导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即 ()w dt dQdS dy 紧靠壁面处 薄层流体的 温度梯度 二、热

33、边界层及对流传热系数 109 根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传 热速率方程为 () 1 () w w TT dQTTdS dS 换热器任一截面 上与热流体相接 触一侧的壁温 换热器任一截 面上热流体的 平均温度 二、热边界层及对流传热系数 110 ()() ww w dtdt TTdyt dy 因此有 对流传热系数的另一定义式，它表明了对流传 热系数与壁面温度梯度之间的关系。 二、热边界层及对流传热系数 111 二、热边界层及对流传热系数 当流体流过圆管进行传热时，管内热边界 层的形成和发展。 对于一定的管长，破坏边界层的发展也能 强化对流传热。 对于同一种流体，强制对流传热的对流传 热

34、系数要大于自然对流的，有相变化的要大于 无相变化的。 112 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 113 一、影响对流传热系数的因素 1.流体的种类和相变化的情况 2.流体的特性：导热系数、黏度、比热容、密 度以及体积膨胀系数 3.流体的温度 4.流体的流动状态 5.流体流动的原因 6.传热面的形状、位置和大小 114 二、对流传热过程的量纲分析 1.根据对问题的观察，找出影响对流传热过程 的因素 2.通过量纲分析确定相应的量纲为一数群（准 数） 3.通过实验确定相应的经验关联式公式。 量纲分析步骤 115 量纲分析的基本依

35、据是定理：一个表示n个 物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转 换成包含n-m个独立的量纲为一数群间的关联式， m指n个物理量中所涉及的基本量纲的数目。量纲 分析的核心在于确定n和m，并用一定技巧将各个 量纲为一数群的内涵确定下来。 量纲分析基本依据 二、对流传热过程的量纲分析 116 1.流体无相变时的强制对流传热过程 （1）列出影响该过程的物理量 ( , , ) p f lcu 传热设备的 特征尺寸 二、对流传热过程的量纲分析 117 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲： 长度、质量、时间和温度 依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 123 (

36、,) 二、对流传热过程的量纲分析 118 通过量纲分析，可确定 1 l Nu 2 Re lu 努赛尔特数 (Nusselt number) 雷诺数 (Reynolds number) 表示对流传热系数的准数 表示惯性力与黏性力之比，是表征流动状态的 准数 二、对流传热过程的量纲分析 119 3 Pr p c 普兰德数 (Prandtl number) 表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数， 反映与传热有关的流体物性。 (Re,Pr)Nu 强制对流（无相变） 传热时的准数关联式 因此，有 二、对流传热过程的量纲分析 120 2.自然对流传热过程自然对流传热过程 （1）列出影响该过程的物理量

37、 传热设备的 特征尺寸 ( ,) p f lcgt 作用在单位 体积流体上 的浮力 ggt 二、对流传热过程的量纲分析 121 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲： 长度、质量、时间和温度 依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 123 (,) 二、对流传热过程的量纲分析 122 通过量纲分析，可确定 1 l Nu 2 Pr p c 努赛尔特数 (Nusselt number) 普兰德数 (Prandtl number) 二、对流传热过程的量纲分析 123 格拉斯霍夫数 (Grashof number) 32 3 2 lgt Gr 表示由温度差引起的浮力

38、与黏性力之比 (,Pr)NuGr 自然对流（无相变） 传热时的准数关联式 因此，有 二、对流传热过程的量纲分析 124 3.使用由实验数据整理得到的关联式应注意的 问题 （1）应用范围 关联式中Re、Pr等准数的数值 范围等； （2）特性尺寸 Nu、Re等准数中的应如何确定； （3）定性温度 各准数中的流体物性应按什么 温度查取。 二、对流传热过程的量纲分析 125 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 126 一、流体在管内作强制对流 1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流 （1）低黏度流

39、体可应用迪特斯（Dittus）贝尔 特（Boelter）关联式 0.8 0.023RePr n Nu 0.8 0.023()() pn i i C d u d 或或 当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 127 特性尺寸：管内径。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围： 4 Re100.7Pr120 /60 i L d /60 i L d 若，可将由上式求得的值乘以 0.7 1 (/ ) i dL 进行校正。 一、流体在管内作强制对流 128 （2）高黏度流体可应用西德尔（Sieder）泰 特（Tate）关联式 0.81 3 0.027RePrNu 0.81

40、30.14 0.027()() () p i iw C d u d 或或 壁温下 的黏度 0.14 () w 考虑热流方向的校正项 一、流体在管内作强制对流 129 特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出 口温度的算术平均值。 应用范围： 4 Re100.7Pr1700 /60 i L d 一、流体在管内作强制对流 130 1 30.14 1.86(RePr) () i W d Nu L 2.流体在光滑圆形直管内作强制层流 特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进、 出口温度的算术平均值。 应用范围： Re23000.7Pr6700 RePr/100 i dL

41、 一、流体在管内作强制对流 131 51.8 1 6 10 Re Re2300 10000 当 时，对流传热系数可先用 湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正 系数。 3. 流体在光滑圆形直管中呈过渡流 一、流体在管内作强制对流 132 (1 1.77) i d R 4. 流体在弯管内作强制对流 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 较直管内的大 管子的弯 曲半径 一、流体在管内作强制对流 133 22 22 12 12 22 4() 4 e dd dd d dd 5. 流体在非圆形管内作强制对流 流体在非圆形管内作强制对流时，只要将管 内径改为当

42、量直径，则仍可采用上述各关联式。 传热当量直径定义： 究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决定。 一、流体在管内作强制对流 134 练 习 题 目 思考题 1.对流传热系数的定义是什么？说明对流传热的机 理及求算对流传热系数的途径。 2.量纲分析的步骤，所应用的基本定理是什么？ 3.传热过程所涉及到的量纲为一准数的名称、计算 式、含义是什么 ？ 135 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 136 二、流体在换热器的管间作强制对流 换热器管间流体的流动： 装有折流挡板。 流体的流向和流速

43、不断地变化。 在Re100时即可达到湍流。 137 图5-14 换热器折流挡板 二、流体在换热器的管间作强制对流 138 图5-15 管间管束排列形式 二、流体在换热器的管间作强制对流 139 0.551 3 0.36RePrNu 凯恩（Kern）法 应用范围： 。 特性尺寸：传热当量直径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进出口温 度的算术平均值。 36 Re2 10 1 10 二、流体在换热器的管间作强制对流 140 三、自然对流 (Pr) n Nuc Gr 通过实验测得的c和n值列于表5-7中。 141 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2

44、 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 5.4.4 流体有相变时的对流传热系数 142 一、蒸汽冷凝传热 1.蒸汽冷凝方式 图5-16蒸汽冷凝方式 滴状 冷凝 膜状 冷凝 143 2.膜状冷凝时的对流传热系数 （1）层流膜状冷凝时的对流传热系数 膜状冷凝时对流传热系数关系式推导中作了以 下假设： 冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜 的热传导。 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。 一、蒸汽冷凝传热 144 蒸汽冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜 热，蒸汽温度和壁面温度保持不变。 冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为 常数。 一、蒸汽冷凝传热 145 对蒸汽在垂直管外或垂

45、直平板侧的冷凝 1 4 23 0.943 rg L t 蒸汽的饱和 温度与壁面 温度之差 sw ttt 饱和蒸汽的 冷凝潜热 一、蒸汽冷凝传热 146 麦克亚当斯(McAdams)建议在工程设计时， 应将计算结果提高20%，即 1 4 23 1.13 () sw rg L tt 一、蒸汽冷凝传热 147 （2）湍流膜状冷凝时的对流传热系数 当液膜呈现湍流流动时可应用柯克柏瑞德 (Kirkbride)的经验公式计算，即 1 3 2 0.4 2 0.0076Re f g 一、蒸汽冷凝传热 148 冷凝时Ref的计算： Re eb f d u 当量直径 凝液的平 均流速 若以 表示凝液的流通面积，

46、表示润湿周边 长度， 表示凝液的质量流率，则有 AP m q 4 4 Re m m f qA qPA P 一、蒸汽冷凝传热 149 单位长度润湿周边上的凝液质量流率 m q P 4 Re f 则 从层流到湍流的 临界值一般可取为1800。 Re f 一、蒸汽冷凝传热 150 （3）水平管外膜状冷凝时的对流传热系数 对于蒸气在单根水平管外的层流膜状冷凝，努 赛尔特曾经获得下述关联式 1 4 23 0.725 () osw rg d tt 特征尺 寸管外 径 一、蒸汽冷凝传热 151 水平管束外冷凝 1 4 23 0.725 () osw rg nd tt 垂直列 上的管 数 若各列管子在垂直方向

47、上的排数不相等 4 12 0.750.750.75 12 () z m z nnn n nnn 一、蒸汽冷凝传热 152 比较 垂直管外 水平管外 1 4 23 1.13 () sw rg L tt 1 4 23 0.725 () osw rg d tt 2式相比 14 0.64 O L d 水平 垂直 对于长1.5m，外径20mm的圆管，水平放置时其层 流膜状冷凝对流传热系数约为垂直放置时的2倍。 一、蒸汽冷凝传热 153 应予指出，若蒸气中含有空气或其它不凝 性气体，则壁面可能为气体（导热系数很小） 层所遮盖而增加一层附加热阻，使对流传热系 数急剧下降。故在冷凝器的设计和操作中，必 须考虑

48、排除不凝气。 一、蒸汽冷凝传热 154 二、液体沸腾传热 所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，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。 液体沸腾 155 液体沸腾的方式 过冷沸腾 饱和沸腾 二、液体沸腾传热 池内沸腾 管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾) 156 1.液体沸腾曲线 图5-17水的沸腾曲线 二、液体沸腾传热 157 2.液体沸腾传热的影响因素 （1）液体性质的影响 通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有 助于强化沸腾传热。 二、液体沸腾传热 158 （2）温度差的影响 温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。 一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的 对流传热系

49、数与的关系可用下式表达，即 () n kt 二、液体沸腾传热 159 （3）操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和 温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于 气泡的生成和脱离。 二、液体沸腾传热 160 （4）加热壁面的影响 加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影 响。 清洁而粗糙的加热壁面传热系数较高。 加热壁面的布置情况，也对沸腾传热有明显的 影响。 二、液体沸腾传热 161 3.液体沸腾传热系数的计算 1 3 Pr() L sf n LLv ctQ S C rrg 由于沸腾传热的机理相当复杂，目前还没有适当 的分析解可以描述整个沸腾传热过程，故其传热 系数的计算仍主要

50、借助于经验公式，以下是工业 计算中常用的罗森奥（Rohsenow）公式，即 二、液体沸腾传热 162 第五章 传 热 5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 5.4.4 流体有相变时的对流传热系数 5.4.5 非牛顿型流体的传热（选读） 163 练 习 题 目 思考题 1.试说明流体有相变化时的对流传热系数大于无 相变时的对流传热系数的理由。 2为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷 凝的传热系数高？ 3对于膜状冷凝，雷诺数是如何定义的？ 4. 液体沸腾曲线的意义。 164 第五章 传 热 5.5 辐射传

51、热 5.5.1 基本概念和定律 165 辐射 辐射能 热辐射 热射线 物体以电磁波方式传递能量的过程 物体以电磁波方式传递的能量 因热的原因引起的电磁波辐射 波长0.40.8m的可见光线和 波长0.820 m的红外光线 概述 166 图5-18 辐射能的吸收、反射和透过 概述 透过 反 射 吸收 167 根据能量守恒定律，可得 ARD QQQQ 1 ARD QQQ QQQ 1 ARD 概述 168 A Q A Q R Q R Q D Q D Q 吸收率 反射率 透过率 量纲为一 量纲为一 量纲为一 概述 169 一、黑体、镜体、透热体和灰体 能透过全部辐射能的物体称为透热体。 黑体 镜体 透热

52、体 能全部吸收辐射能的物体称为黑体或 绝对黑体。 能全部反射辐射能的物体称为镜体或绝 对白体。 能够以相等的吸收率吸收所有波长辐 射能的物体称为灰体。 灰体 170 黑体 镜体 灰体 一般单原子气体和对称的 双原子气体（如He、O2、N2 和H2等）均可视为透热体 透热体 理想物体 一、黑体、镜体、透热体和灰体 171 二、物体的辐射能力E 辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积，单位时 间内所发射的全部波长的辐射能，称为该物体 在该温度下的辐射能力。 E 单位为 W/m2 单色辐射能力E 单位为 W/m3 在相同条件下，物体发射特定波长的能力， 称为单色辐射能力。 172 dE E d 0

53、bb EE d 黑体辐射能力和单色辐射能力之间满足 黑体辐 射能力 黑体单 色辐射 能力 二、物体的辐射能力E 173 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 1.普朗克（planck）定律 普朗克定律揭示了黑体的单色辐射能力随波 长变化的规律，其表达式为 2 5 1 / 1 b CT C E e 162 1 3.743 10W mC 2 2 1.4387 10 m KC 174 图5-19黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 175 图5-19黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克

54、希霍夫定律 176 2.斯蒂芬（Stefan）玻尔兹曼（Boltzman）定律 斯蒂芬玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能 力与其表面温度的四次方成正比这一定量关系： 44 00( ) 100 b T ETC 82 0 5.67 10 W/(mK) 黑体的辐射常数 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 177 3.克希霍夫（kirchhoff）定律 任何物体（灰体）的辐射能力与吸收率的 比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和 物体的绝对温度有关。 44 0( )() 100100 TT EACC 0 CAC为灰体的辐射系数 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 178

55、克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力与吸 收率之间的关系。对于实际物体，因A100）下即可达到 湍流，以提高对流传热系数。 若两流体温差较大，宜使对流传热系数 大的流体走壳程，因壁面温度与大的流体接近， 以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 一、换热器设计的基本原则 205 2.流体流速的选择 增大流速 加大对流传热系数 减少污垢的形成 流动阻力加大 总传热系数增大 动力消耗增多 一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表 5-11至表5-13列出了常用的流速范围，可供设计 时参考。 一、换热器设计的基本原则 206 3.冷却介质（或加热介质）终温的选择 一般来说，设计时冷却水的进出口温度差 可取510。缺水地区可选用较大温差，水 源丰富地区可选用较小的温差。 一、换热器设计的基本原则 207 4.管子的规格和