第三章传热过程

1、第三章 传热过程1第三章第三章 传热过程传热过程教学内容：教学内容： 一、概述一、概述 二、传导传热二、传导传热 三、对流传热三、对流传热 四、热交换的计算四、热交换的计算 五、强化传热的途径五、强化传热的途径 六、热交换器六、热交换器 七、传热媒质七、传热媒质教学目的教学目的 掌握传导传热和对流传热速率方程，掌握传导传热和对流传热速率方程，掌掌握握热阻和对流传热的虚拟膜概念，热阻和对流传热的虚拟膜概念，掌握掌握对流对流传导传导对流总传热方程和主要热阻控制传热速率的概念；通对流总传热方程和主要热阻控制传热速率的概念；通过准数关联式了解影响传热膜系数的因素，了解优化过准数关联式了解影响传热膜系数

2、的因素，了解优化传热应采用的措施；能够进行定态传热计算；了解传传热应采用的措施；能够进行定态传热计算；了解传热方法概况，在此基础上了解夹套换热器、列管换热热方法概况，在此基础上了解夹套换热器、列管换热器、平板换热器的基本构造、特性和使用范围。器、平板换热器的基本构造、特性和使用范围。第三章 传热过程21 1、生产中对传热过程的生产中对传热过程的基本要求基本要求： 要求高的传热速率，以减小设备尺寸；要求高的传热速率，以减小设备尺寸； 隔绝热的传递，以减小热损失。隔绝热的传递，以减小热损失。2 2、传热的基本方式传热的基本方式热传导热传导( (conduction)conduction)；热对流热

3、对流( (convection)convection)；热辐射热辐射( (radiation)radiation)。 热力学第二定律指出了热传递的方向：在不消耗外界功的热力学第二定律指出了热传递的方向：在不消耗外界功的条件下，热仅能从高温往低温方向传递或传播。条件下，热仅能从高温往低温方向传递或传播。 热的传递是由于系统内或物体内热的传递是由于系统内或物体内温度不同温度不同而引起的，根据而引起的，根据传热机理不同，传热机理不同，传热的基本方式传热的基本方式有三种：有三种：一一 、概述、概述研究传热的目的：正确的选定、使用换热器。研究传热的目的：正确的选定、使用换热器。两者目的不同，但传热机理和

4、设备基本结构在很多方面是相同的。两者目的不同，但传热机理和设备基本结构在很多方面是相同的。第三章 传热过程3热传导：热传导： 热传导又称导热热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向。是指热量从物体的高温部分向同一同一物体物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接直接接触触的低温物体传热的过程。的低温物体传热的过程。导热是静止物体的一种传热方导热是静止物体的一种传热方式，不依靠物质的宏观位移式，不依靠物质的宏观位移。 物体各部分之间不发生相对位移物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热

5、量传递。由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。 热传导在气、液、固三相中均可以进行，但传导的机理热传导在气、液、固三相中均可以进行，但传导的机理不同。金属不同。金属自由电子的扩散运动；非金属和大部分液自由电子的扩散运动；非金属和大部分液体（除水银等）体（除水银等）分子的动量传递；气体分子的动量传递；气体分子的不分子的不规则热运动。规则热运动。 如：一根铁棒一端放在火炉上烧，热量会通过铁棒传递如：一根铁棒一端放在火炉上烧，热量会通过铁棒传递到另一侧，但无物质的宏观位移。到另一侧，但无物质的宏观位移。第三章 传热过程4热量传递方式之一热量传递方式之一热传导：依靠物体中微观粒子的热运动。第三章

6、传热过程5强制对流：强制对流：搅拌器搅拌器3 3维动态模拟维动态模拟.gif.gif 因泵（或风机）或搅拌等因泵（或风机）或搅拌等外力外力所导致的对流称为强制对流。所导致的对流称为强制对流。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。一般来说，有可能同时发生自然对流和强制对流。一般来说，强制对流比强制对流比自然对流有较好的传热效果自然对流有较好的传热效果。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流： 由于流体各处的由于流体各处的温度不同而引起的密度差异温度不同而引起的密度差异，致使流体，致使

7、流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。产生相对位移，这种对流称为自然对流。热对流：热对流： 流体各部分之间发生流体各部分之间发生相对位移相对位移所引起的热传递过程称所引起的热传递过程称为热对流。为热对流。 热对流仅发生在流体中热对流仅发生在流体中。第三章 传热过程6热量传递方式之二：热对流热量传递方式之二：热对流 流体内部传热；流体内部传热； 固体与流体之间的传热。固体与流体之间的传热。 流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热。第三章 传热过程7热辐射：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。

8、因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何不需要任何介质作媒介（即可在真空中传播）介质作媒介（即可在真空中传播）。 任何物体只要在任何物体只要在绝对零度（绝对零度（K K）以上）以上都能发射辐射能，但是都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才成为主要的传热形式。只有在物体温度较高的时候，热辐射才成为主要的传热形式。 实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互伴随着出现的。伴随着出现的。第三章 传热过程8热量传递方式热量传递

9、方式之三：热辐射之三：热辐射 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象。热辐射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。第三章 传热过程9机理：三种传热的基本方式n传导：分子运动n（层流、固体）n对流：流体宏观运动n（流体与固体界面）n辐射：电磁波n温差大n三种方式通常组合形式出现第三章 传热过程10传热机理实例分析传热机理实例分析n天气冷热变化原因n管式石油加热炉：由耐火材料建造的燃烧室，向其中喷入可燃性气体混合物并令其在室内燃烧。石油流过悬挂在炉壁与炉顶附近的管网，温度高达2000的燃烧气体向管子的外壁面传递热量。 电暖器与暖气片的作用 热水瓶胆的两层玻璃之间抽真空，内

10、 胆外壁和外胆内壁涂了发射率很低的 银，试分析保温机理，碰破抽气口有 什么影响？ 热量的传递过程很少以单一机理进行，而通常是几种机理的串联或并联组合方式进行。地球内部热量的释放方式地球内部热量的释放方式？第三章 传热过程11再说再说 热辐射！热辐射！ 第三章 传热过程123 3、定态传热和非定态传热定态传热和非定态传热 定态传热定态传热：传热面各点的温度：传热面各点的温度不随时间而改变不随时间而改变，均，均衡的连续操作多属于这种情况。衡的连续操作多属于这种情况。 非定态传热：传热面各点的温度非定态传热：传热面各点的温度随时间而变化随时间而变化，间，间歇操作大多是非定态传热。歇操作大多是非定态传

11、热。T t 间壁式工业上应用最多的一种传热方式。工业上应用最多的一种传热方式。第三章 传热过程13 特点特点：是在冷、热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热：是在冷、热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热性能好的非金属壁）隔开，以使两种流体在性能好的非金属壁）隔开，以使两种流体在不相混合的情况不相混合的情况下进下进行热量传递。行热量传递。 夹套式夹套式列管式列管式套管式套管式 t1T1 T2 t2 套管式 T1 T2 夹套式 t1T1 T2 t2 列管式间壁式换热器间壁式换热器第三章 传热过程14管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程 t1T1 T2 t2 单管程、单壳程

12、 t1T2 T1 t2 双管程列管式列管式换热器列管式换热器管内流体的行程称为管内流体的行程称为管程管程（管内管内）。）。壳体与管间流体的行程称为壳体与管间流体的行程称为壳程壳程（管间管间）。）。第三章 传热过程15传热同时伴随传质过程，常用于气体或水蒸汽的冷却。传热同时伴随传质过程，常用于气体或水蒸汽的冷却。 在此类换热器中，冷、热两流体通过在此类换热器中，冷、热两流体通过直接混合直接混合进行进行热量交换。在热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合工艺上允许两种流体相互混合的情况下，的情况下，这是比较方便和有效的，且其结构也比较简单。它这是比较方便和有效的，且其结构也比较简单。它常用常用于气体

13、的冷却或水蒸汽的冷凝于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。第三章 传热过程16冷流体冷流体 当冷、热两种流体当冷、热两种流体交交替替地通过同一蓄热室时，地通过同一蓄热室时，即可通过填料将得自热流即可通过填料将得自热流体的热量，传递给冷流体，体的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。此类换达到换热的目的。此类换热器的结构较为简单，且热器的结构较为简单，且可耐高温，可耐高温，常用于气体的常用于气体的余热及其冷量的利用余热及其冷量的利用。其。其缺点是设备体积较大，而缺点是设备体积较大，而且两种流体交替时难免有且两种流体交替时难免有一定程度的混合。一定程度的混合。 交替：一通一停。（间歇操作） 第三章 传热过程1

14、7n基本概念1n传热速率传热速率=Q/ (W)=Q/ (W)传热速率传热速率是指单位时间内传递的热量。是指单位时间内传递的热量。第三章 传热过程18n基本概念2n传热强度（热流密度）传热强度（热流密度）q=Q/A=/A (W/mq=Q/A=/A (W/m2 2) ) 传热强度传热强度是单位时间内、单位传热面所传递的热量。是单位时间内、单位传热面所传递的热量。它是传热设备的性能标志之一。它是传热设备的性能标志之一。第三章 传热过程19冷、热两种流体通过列管换热器的管壁进行热量交换，管壁表面积即为传热面积，若已知管数 n、管外径 d2 和管长 l，则可求得基于管外表面的传热面积： 若换热管内径为

15、d1，管程数为 m，则管程流体的流通截面积为： 2Anld214fndAm显热显热（无相变、温升或温降）：（无相变、温升或温降）：Q=mCQ=mCP Pt t、=q=qm mCCP Pt t 潜热潜热（相变、无温度变化）：（相变、无温度变化）： Q=mQ=m、 =q=qm m基本概念3第三章 传热过程20二、传导传热二、传导传热 温度场温度场( (temperature field)temperature field)：某一瞬间空间中各点的某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场温度分布，称为温度场( (temperature field)temperature field)。式中：式中：t

16、温度；温度； x, y, z 空间坐标；空间坐标； 时间。时间。 物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t = f (x，y，z，) 1 1、导热基本定律、导热基本定律傅里叶定律傅里叶定律1 1）温度场和温度梯度）温度场和温度梯度 第三章 传热过程21 一维温度场：一维温度场：温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。 一维温度场的温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为： t = f (x,) 等温面的特点等温面的特点： （1 1）等温面不能相交；）等温面不能相交； （2 2）沿等温面无热量传递。）沿等温面无热量

17、传递。非定态温度场：非定态温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。温度场内如果各点温度随时间而改变。定态温度场：定态温度场：若温度不随时间而改变。若温度不随时间而改变。 等温面：等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。第三章 传热过程22 注意注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面的度以沿与等温面的垂直方向垂直方向为最大。为最大。xxtxxt),(),(dxdtxxtxxt

18、gradtx),(),(lim0 对于一维温度场，等温面对于一维温度场，等温面x及及(x+x)的温度分别为的温度分别为t(x,)及及t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：则两等温面之间的平均温度变化率为： 温度梯度温度梯度: : 温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。随传热距离（即物料厚度）而引起的温度变化。方向为正。随传热距离（即物料厚度）而引起的温度变化。第三章 传热过程23dxdtdAd 傅里叶定律傅里叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度

19、及垂直于热流方向的截面积成正比，即导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即 导热系数导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。一，其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。式中式中 单位时间内传导的热量，简称传热速率，单位时间内传导的热量，简称传热速率，W W； A A导热面积，即垂直于热流方向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m m2 2； 导热系数导热系数( (thermal conductivity)thermal conductivity)，W/(mW/(m

20、K)K)。 （注意：（注意：与上一章中摩擦阻力系数与上一章中摩擦阻力系数的区别！的区别！）式中的式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反负号指热流方向和温度梯度方向相反。 2 2）傅里叶定律）傅里叶定律第三章 传热过程24xdAdAt+t+t tt tt-t-t tdt/ddt/dx图图 温度梯度和傅里叶定律温度梯度和傅里叶定律第三章 传热过程253 3）导热系数）导热系数 ：表征物质导热能力的物性参数表征物质导热能力的物性参数。 固体固体 式中：式中： 0 0为固体在为固体在0 0 C C的导热系数，的导热系数，W/(mW/(m K)K)或或W/(mW/(m C)C)； 为温度系数，为温度系数

21、， 1/ 1/ C C。 金属的导热系数最大金属的导热系数最大，其中以银和铜的导热系数值最高；，其中以银和铜的导热系数值最高； 若金属材料的纯度不纯，会使若金属材料的纯度不纯，会使值大大降低；固体非金属次值大大降低；固体非金属次 之；之；绝热材料绝热材料0.23 W/(m0.23 W/(m K)K)。 液体液体 导热系数较小（除导热系数较小（除金属液体金属液体外，水的外，水的 值最大。）值最大。） (1)(1) 金属液体：金属液体：t t , , (2)(2) 非金属液体（除水、甘油外）：非金属液体（除水、甘油外）：t t , , （略减小）（略减小） (3)(3) 有机化合物水溶液的导热系数

22、估算式为有机化合物水溶液的导热系数估算式为第三章 传热过程26 式中式中i i组分组分i i的质量分率。的质量分率。 (4) (4) 有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为有机化合物互溶混合液的导热系数估算式为 气体气体 导热系数最小（导热系数最小（氢的氢的 值值最大最大），对导热不利，但有利于保温和绝热），对导热不利，但有利于保温和绝热 (1) (1) (2) (2) 压力对固体、液体导热系数的影响很小，可忽略不计；对气体压力对固体、液体导热系数的影响很小，可忽略不计；对气体PP (3) (3) 常压下气体混合物的导热系数估算式为常压下气体混合物的导热系数估算式为 式中式中 组分组分i i的

23、摩尔分率。的摩尔分率。 组分组分i i的摩尔质量，的摩尔质量，kg/kmolkg/kmol。一般规律一般规律 (1) (1) (2)(2) (3)(3) (4)(4) iim9 . 0iim显著）(,t3/13/1iiiiimMyMyiyiM非金金gls非晶晶)(气体除外混纯第三章 传热过程27第三章 传热过程28第三章 传热过程29推算壁面的热损失推算壁面的热损失第三章 传热过程30如图所示：如图所示：bt1t2tt1t2obx平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为壁面积为A A；壁的材质均匀，导热系数壁的材质均匀，导热系数不不随温度变化，视为常数；随温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于

24、壁面平壁的温度只沿着垂直于壁面的的x x轴方向变化，故等温面皆为垂轴方向变化，故等温面皆为垂直于直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。平壁侧面的温度平壁侧面的温度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。2 2、平壁的定态热传导、平壁的定态热传导1 1）单层平壁定态的热传导）单层平壁定态的热传导第三章 传热过程31dxdtARtAbttttAb2121)( 式中式中t=tt=t1 1-t-t2 2为为导热的推动力导热的推动力( (driving forcedriving force) )，而而R=b/R=b/（AA）则为则为导热的热阻导热的热阻( (thermal resistancetherm

25、al resistance) )。 根据傅里叶定律根据傅里叶定律 分离积分变量后积分，分离积分变量后积分，积分边界条件：当积分边界条件：当x x=0=0时，时，t= tt= t1 1；x=bx=b时，时，t= tt= t2 2，第三章 传热过程32如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例b1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁的厚度分别为假定各层壁的厚度分别为b b1 1、b b2 2、b b3 3，各层材质均匀，导热系数分别各层材质均匀，导热系数分别为为1 1、2 2、3 3，皆视为常数；皆视为常数；层与层之间接触良好，相互接触层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面

26、亦皆的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于为垂直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。壁的面积为壁的面积为A A，在在定态导热定态导热过程过程中，穿过各层的中，穿过各层的传热速率传热速率必相等。必相等。2 2）多层平壁的定态热传导）多层平壁的定态热传导 第三章 传热过程33)(21111ttAb121111tttAb3333tAb2222tAb第一层第一层 第三层第三层第二层第二层对于定态导热过程：对于定态导热过程：1=2=3=321332211)(tttAbAbAb第三章 传热过程34)()(33221141332211321AbAbAbttAbAbAbttt32141321321RRRttR

27、RRtttRttAbttnniiiin11011同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层传热速率的一般公式为层的平壁，穿过各层传热速率的一般公式为式中式中i为为n层平壁的壁层序号。层平壁的壁层序号。 多层平壁定态热传导时，传热的推动力是内壁面和外壁多层平壁定态热传导时，传热的推动力是内壁面和外壁面间的总温差；传热的总热阻是各层热阻的总和；各层的温面间的总温差；传热的总热阻是各层热阻的总和；各层的温度降与该层的热阻成正比。度降与该层的热阻成正比。 q=/A=qq=/A=q1 1=q=q2 2=q=q3 3= =q=qn n第三章 传热过程35例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为例：某冷库外壁内、

28、外层砖壁厚均为1212cmcm，中间夹层厚中间夹层厚1010cmcm，填填以绝缘材料。砖墙的热导率为以绝缘材料。砖墙的热导率为0.700.70W/mW/mK K，绝缘材料的热导率为绝缘材料的热导率为0.040.04W/mW/mK K，墙外表面温度为墙外表面温度为1010，内表面为，内表面为-5-5，试计算进入，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。233221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mWbbbttAq按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t31 . 970. 012.

29、027. 5101112bqtt、1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqt解：解： 根据题意，已知根据题意，已知t t1 1=10 =10 ，t t4 4=-5 =-5 ，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b b2 2=0.10m=0.10m，1 1= = 3 3= = 0.70W/m0.70W/mK K， 2 2= = 0.04W/m0.04W/mK K。按热流密度公式计算按热流密度公式计算q q：第三章 传热过程36Qt2t1r1rr2drL如图所示：如图所示：设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r r1 1，内内壁温度为壁温度为t t1 1，外半径为

30、外半径为r r2 2，外壁温度为外壁温度为t t2 2。温度只沿半径方向变化，温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。等温面为同心圆柱面。圆筒圆筒壁与平壁不同点是其面随半壁与平壁不同点是其面随半径而变化径而变化。在半径在半径r r处取一厚度为处取一厚度为drdr的的薄层，若圆筒的长度为薄层，若圆筒的长度为 L L，则半径为则半径为r r处的传热面积为处的传热面积为A=2rLA=2rL。3 3、圆筒壁的定态热传导、圆筒壁的定态热传导1 1）单层圆筒壁的定态热传导）单层圆筒壁的定态热传导第三章 传热过程37drdtrLdrdtA21221ln2rrttL将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积

31、分并整理得 根据傅里叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的传热速率为根据傅里叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的传热速率为上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即122121)()(rrttAbttAmm第三章 传热过程38LrrrrrLAmm2ln)(212121212lnrrrrrm12121212ln22ln)(2AAAALrLrrrLAm上两式相比较，可得上两式相比较，可得其中其中 式中式中 rm圆筒壁的圆筒壁的对数平均半径对数平均半径，m 当当1/2r1/2r2 2/r/r1 122时，可认为时，可认为r rm m= =（r r1 1+r

32、+r2 2）/2/2 Am圆筒壁的内、外表面对数平均面积，圆筒壁的内、外表面对数平均面积，m2 当当1/2A1/2A2 2/A/A1 122时，可认为时，可认为A Am m= =（A A1 1+A+A2 2）/2/2第三章 传热过程39r1r2r3r4t1t2t3t4 对定态导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦对定态导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。即经过各单层壁所传导的热量。 如图所示：以三层圆筒壁为例。如图所示：以三层圆筒壁为例。假定各层壁厚分别为假定各层壁厚分别为b b1 1= r= r2 2- - r r1 1，b b2 2= r= r3

33、3- r- r2 2，b b3 3= r= r4 4- r- r3 3；各层材料的导热系数各层材料的导热系数1 1、2 2、3 3皆视为常数；皆视为常数；层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，各等温接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。面皆为同心圆柱面。2 2) ) 多层圆筒壁的定态热传导多层圆筒壁的定态热传导第三章 传热过程4012211ln2rrttL34433ln2rrttL23322ln2rrttL 多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。 对于第一、二、三层圆筒壁有对于第一、二、三层圆筒壁有第三章 传热过程4

34、1根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLniiiiinrrttL1111ln1)(2同理，对于同理，对于n层圆筒壁，穿过各层传热速率的一般公式为层圆筒壁，穿过各层传热速率的一般公式为注意：注意： 对于圆筒壁的定态热传导，通过各层的传热速率都是对于圆筒壁的定态热传导，通过各层的传热速率都是相等的，但是传热强度却不相等。相等的，但是传热强度却不相等。 q q1 1r r1 1=q=q2 2r r2 2=q=q3 3r r3 3= =q=qn nr rn n第三章 传热

35、过程42结论：结论： （1 1）多层壁的定态热传导，传热推动力和）多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻可以加和；总热阻等于各层热阻之和，总热阻可以加和；总热阻等于各层热阻之和，总推动力等于各层推动力之和。推动力等于各层推动力之和。 （2 2）在定态多层壁导热过程中，哪层热阻）在定态多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大小取决于总热阻的大小。小取决于总热阻的大小。第三章 传热过程43LrrrLttRRttff010121121ln21 分析：当分析：

36、当r r1 1不变、不变、r r0 0增大时，热阻增大时，热阻R R1 1增大，增大，R R2 2减小，因此有减小，因此有可能使总热阻（可能使总热阻（R R1 1+R+R2 2）下降，导致热损失增大。下降，导致热损失增大。 通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径对于小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，可圆管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，可能反而使热损失增大。能反而使热损失增大。 假设保温层内表面温度为假设保温层内表面温度为t t1 1，环境温度为环境温度为t tf f，保温层的内保温层的内、外半径分别为

37、、外半径分别为r r1 1和和r r0 0，保温层的导热系数为保温层的导热系数为，保温层外壁保温层外壁与空气之间的对流传热系数为与空气之间的对流传热系数为。热损失为：热损失为：保温层的临界直径保温层的临界直径第三章 传热过程44上式对上式对r r0 0求导，可求出当求导，可求出当最大时的临界半径，即最大时的临界半径，即01)/ln()11)(22012010rrrrrttLdrdoof解得解得 r0=/当保温层的外径当保温层的外径d do o 2/2/时，增加保温层的厚度才使热损失时，增加保温层的厚度才使热损失减少。减少。对管径较小的管路包扎对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，要核算较大的保

38、温材料时，要核算d d0 0是否是否小于小于d dc c。所以，所以，临界半径临界半径为为 rc=/ 或或 dc=2/第三章 传热过程45例例 在一在一 603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/m，外层为外层为20mm的石棉层，其平均导热系数的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管现用热电偶测得管内壁温度为内壁温度为500，最外层表面温度为，最外层表面温度为80，管壁的导热系数，管壁的导热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。试求每米管长的热

39、损失及两层保温层界面的温度。 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttL解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=(0.06- -20.0035)/2=0.0265m r2=0.06/2=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09m第三章 传热过程46mWL/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.32保温层界面温度保温层界面温度t323212131ln1ln1)(2rrrrttL03.007.0ln07.010265.003.0ln4

40、51)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 第三章 传热过程47 选用隔热材料包裹管路时，在耐热性等条件允许下，选用隔热材料包裹管路时，在耐热性等条件允许下，导热系数小的应包在内层。导热系数小的应包在内层。 见教材见教材P109页例题页例题4-3第三章 传热过程48对流传热对流传热： 是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。切相关。 流体流动的形态对于对流传热有决定性的影响。流体流动的形态对于对流传热有决定性的影响。当

41、流体作当流体作层流层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传热传导导（亦有较弱的自然对流）的方式进行，即传热主要依靠（亦有较弱的自然对流）的方式进行，即传热主要依靠流体分子传导传热流体分子传导传热；导热系数比较小，因而在这层中有导热系数比较小，因而在这层中有较大的温度梯度，其热阻为主要热阻较大的温度梯度，其热阻为主要热阻。过渡流过渡流这部分的传热既有这部分的传热既有传导传热传导传热，也有因，也有因流体质点位移而碰撞的传热流体质点位移而碰撞的传热。此层中存在此层中存在较小的温度梯度较小的温度梯度。在在湍流湍流中，传热依靠中，传热依靠流

42、体质点的骚动、位移和混合流体质点的骚动、位移和混合，此层中，此层中基本上不存在基本上不存在温度梯度温度梯度。 1 1、对流传热机理、对流传热机理三、对流传热三、对流传热第三章 传热过程49传热过程传热过程高温流体高温流体湍流主体湍流主体壁面两侧壁面两侧层流底层层流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍流主体湍流主体对流传热对流传热温度分布均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯度大温度梯度大p壁面壁面导热导热(导热系数较导热系数较流体大流体大)有温度梯度有温度梯度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：传热边界层传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层

43、。温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。温度温度距离距离TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传热方向传热方向对流传热示意图对流传热示意图第三章 传热过程50传热边界层传热边界层 形成形成 当流体流过与其温度不同的壁面时，因其本身受热或冷却而使当流体流过与其温度不同的壁面时，因其本身受热或冷却而使壁面附近流体的温度发生变化，从而产生温度梯度。壁面附近流体的温度发生变化，从而产生温度梯度。 传热边界层（温度边界层）传热边界层（

44、温度边界层）：壁面附近存在温度梯度的流体层：壁面附近存在温度梯度的流体层，一般取传热边界层外缘的过余温度，一般取传热边界层外缘的过余温度 。 主流区主流区：边界层以外的区域。：边界层以外的区域。 发展（限于管内）发展（限于管内） 与流动边界层类似，传热边界层的形成也有一个发展的过程，与流动边界层类似，传热边界层的形成也有一个发展的过程，但但传热边界层在充分发展后因传热过程的继续而不能形成稳定的传传热边界层在充分发展后因传热过程的继续而不能形成稳定的传热边界层，最后会消失热边界层，最后会消失。 虽然管道内充分发展后的传热边界层（温度分布）不能稳定，虽然管道内充分发展后的传热边界层（温度分布）不能

45、稳定，但局部传热膜系数但局部传热膜系数 可以基本稳定。因为传热膜系数取决于层流底可以基本稳定。因为传热膜系数取决于层流底层的厚度，见层的厚度，见 的物理意义。的物理意义。 进口段（稳定段）进口段（稳定段）：从进口处到局部传热膜系数：从进口处到局部传热膜系数 基本稳定的基本稳定的这一段距离。这一段距离。 若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则 从进口处开始降从进口处开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已发展为湍流，则在低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，层流向湍流过渡时， 有所回升，然后趋于恒定。当湍流十分激

46、烈有所回升，然后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。时，进口段的影响即消失。 )(99. 0WWtttt第三章 传热过程51式中式中 对流传热速率，对流传热速率，W； A传热面积，传热面积，m2; t对流传热温度差，对流传热温度差，t= T-TW 或或t= tW -t，K或或； T热流体平均温度，热流体平均温度，K或或； TW与热流体接触的壁面温度，与热流体接触的壁面温度，K或或； t冷流体平均温度，冷流体平均温度，K或或； tW与冷流体接触的壁面温度，与冷流体接触的壁面温度，K或或； h、c分别为热、冷流体对流传热系数分别为热、冷流体对流传热系数(heat transfer co

47、nfficient)，又称为传热膜系数或称为传热分系数，又称为传热膜系数或称为传热分系数，W/m2K或或W/m2。 RtATThW1上式称为上式称为牛顿传热方程牛顿传热方程。 简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为t的有效的有效膜内，但有效膜的厚度膜内，但有效膜的厚度t 又难以测定，所以以又难以测定，所以以代替代替/t 而用下而用下式描述对流传热的基本关系：式描述对流传热的基本关系： = h A（T-TW）2 2、对流传热速率、对流传热速率= c A（tW - t）RtAttcW1第三章 传热过程521） 流体的状态：流体的状态：液体、气体、蒸汽及

48、在传热过程中是否有相变。有相液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相 变时传热膜系数比无相变时大的多；变时传热膜系数比无相变时大的多； 2） 流体的物理性质：流体的物理性质：影响较大的物性如密度影响较大的物性如密度、比热、比热cp、导热系数导热系数 、粘度粘度等；等；3） 流体的流动形态和对流情况：流体的流动形态和对流情况：层流、过渡流或湍流；层流、过渡流或湍流；自然对流、自然对流、 强制对流；强制对流；4） 传热的温度：传热的温度：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。间接间接、明显的、明显的 作用。作用。5 ） 传热表面的形状、位置及大小：传热表面的形状

49、、位置及大小：如管、板、管束、管径、管如管、板、管束、管径、管长、长、 管子排列方式、垂直放置或水平放置等。管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 3 3、 影响传热膜系数的主要因素影响传热膜系数的主要因素第三章 传热过程53),(tgclufpgkpatlgcluCl)()()(223gkaGrCNuPrRe无相变时，影响传热膜系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响传热膜系数的主要因素可用下式表示： 八个变量个数涉及四个基本因次：质量八个变量个数涉及四个基本因次：质量kgkg、长度、长度m m、时、时间间s s、温度、温度K K。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：通过因次分析可得

50、，在无相变时，准数关系式为：即即4 4、对流传热中的因次分析、对流传热中的因次分析第三章 传热过程54准数符号及意义准数符号及意义准数名称准数名称符号符号意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数（Nusselt）Nu=l/ 表示传热膜系数的准数表示传热膜系数的准数雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Re=du/ 确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数（Prandtl）Pr=cp/ 表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr=gt l32/2 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数第三章 传热过程55 准数关联式是一种经验公式，在利用关

51、联式求传热膜系数准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求传热膜系数时，不能超出实验条件范围。时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应在应用关联式时应注意注意以下几点：以下几点：应用范围应用范围 用在用在一定变数范围内（有条件）一定变数范围内（有条件）的经验公式。的经验公式。特性尺寸特性尺寸 无因次准数无因次准数NuNu、ReRe等中所包含的传热面尺寸称为等中所包含的传热面尺寸称为特性尺寸（特征尺寸、定性尺寸）。通常是选取对流体流动和特性尺寸（特征尺寸、定性尺寸）。通常是选取对流体流动和传热发生传热发生主要影响的尺寸主要影响的尺寸作为特征尺寸。作为特征尺寸。定性温度定性温度 流体在对流传热过程

52、中温度是变化的。确定准数流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为中流体物理特性参数的温度称为定性温度定性温度。一般定性温度有三。一般定性温度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。面的平均温度（膜温）。准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。单位制度。第三章 传热过程56定性温度、特性尺寸、特征速度的确定定性温度、特性尺寸、特征速度的确定（1 1）定性温度）定性温度 在给热过程中，流体的温度各处不同

53、。以在给热过程中，流体的温度各处不同。以什么温度为基准查取所需的物性数据？什么温度为基准查取所需的物性数据？ 选定性温度，应以简单、方便为准，所以选定性温度，应以简单、方便为准，所以流体主体的平均温度流体主体的平均温度便成为一个广为使用的定便成为一个广为使用的定性温度。性温度。 使用经验公式时，要注意实际测定和关联使用经验公式时，要注意实际测定和关联时所选用的定性温度。时所选用的定性温度。第三章 传热过程57 （2 2）特性尺寸）特性尺寸 也即特征数中的也即特征数中的 l，一般选取对流动和传热一般选取对流动和传热情况情况起决定作用起决定作用的几何尺寸作为定性尺寸的几何尺寸作为定性尺寸: : 管

54、内流动取管内径作为定性尺寸；管内流动取管内径作为定性尺寸； 管外的横向流动取管外径作为定性尺寸；管外的横向流动取管外径作为定性尺寸； 非圆形管取当量直径作为定性尺寸。非圆形管取当量直径作为定性尺寸。 第三章 传热过程58 （3 3）特征速度）特征速度 在在ReRe中的速度中的速度u u称为特征速度，此速度需根称为特征速度，此速度需根据不同情况选取有意义的流速：据不同情况选取有意义的流速： 流体在管内流动时取横截面上流体的平均流体在管内流动时取横截面上流体的平均速度；速度； 流体在换热器内管间流动时取根据管间最流体在换热器内管间流动时取根据管间最大横截面积计算的速度。大横截面积计算的速度。第三章

55、 传热过程59 npiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n n值视热流方向而定，当流体值视热流方向而定，当流体被加热时，被加热时，n=0.4n=0.4；被冷却时，被冷却时，n=0.3n=0.3。 ？ 见教材见教材P113-114P113-114页页应用范围应用范围 ： Re10000，0.7Pr 60。 若若 l /di 1Pr1，PrPr0.40.4 PrPr0.30.3，加热时加热时值值较大较大。 这是因为：当液体被加热时，管壁处层流底层这是因为：当液体被加热时，管壁处层流底层的温度高于液体主体的平均温度，由于液体粘度随的温度高于液体主体的平

56、均温度，由于液体粘度随温度升高而降低，故紧贴壁处液体粘度较小，使层温度升高而降低，故紧贴壁处液体粘度较小，使层流底层的实际厚度比用液体主体温度计算的厚度要流底层的实际厚度比用液体主体温度计算的厚度要薄，而导热系数随之变化不大，其总效果使薄，而导热系数随之变化不大，其总效果使值较大。值较大。 气体气体的的Pr1Pr1，PrPr0.40.4 1000010000，0.70.7Pr16700Pr6060。特性尺寸特性尺寸 取管内径。取管内径。定性温度定性温度 除除w w 取壁温外，均为流体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。术平均值。当液体被加热时当液体被加热时（/w）0.

57、14=1.05当液体被冷却时当液体被冷却时（/w）0.14=0.95 对于气体，不论加热或冷却皆取对于气体，不论加热或冷却皆取1。 高粘度流体高粘度流体 第三章 传热过程62例：例：常压下，空气以常压下，空气以1515m/sm/s的流速在长为的流速在长为4 4m m，60603.5mm3.5mm的的钢管中流动，温度由钢管中流动，温度由150150升到升到250250。试求管壁对空气的传。试求管壁对空气的传热膜系数。热膜系数。 解：此题为空气在圆形直管内作强制对流解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度定性温度 t=（150+250）/2=200 查查200时空气的物性数据（附录）如下时空

58、气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026103J/kg =0.03928W/m =26.010-6Ns/m2 =0.746kg/m3 Pr=cp/=0.68特性尺寸特性尺寸 d=0.060- -20.0035=0.053m l /d=4/0.053=75.560 第三章 传热过程63Re=d u/=(0.05315 0.746)/(26.0 10-6) =2.28 104 104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-6)/0.03928=0.688 .444 .60053. 003928. 0NudW/m2本题中空气被加热，本题中空气被加热，n=0.4代入代入 Nu

59、=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 第三章 传热过程64 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流方向对传热膜系数的影响。然对流及热流方向对传热膜系数的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算： Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di / l）1/3（/w）0.14 应用范围：应用范围： Re2300，0.6Pr10。 特性尺寸：取管内径特性尺寸：取管内径 di 定性温度：除定性温度：除w 取壁温外，均为流体进、出口温度的取

60、壁温外，均为流体进、出口温度的 算术平均值。算术平均值。 流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流第三章 传热过程65 当自然对流的影响不能忽略时，而自然对流的影响又因管当自然对流的影响不能忽略时，而自然对流的影响又因管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。对水平管，按下式计算对水平管，按下式计算应用范围：应用范围：Re50； 当管子较短，当管子较短， l /d3000。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性尺寸：管外