第4章传 热

1、4.1 概概 述述4.2 热传导热传导4.3 对流传热对流传热4.4 传热计算传热计算4.5 热辐射热辐射4.6 换热器换热器一、传热过程的应用一、传热过程的应用二、传热的基本方式二、传热的基本方式三、冷、热流体热交换形式三、冷、热流体热交换形式四、传热速率方程式四、传热速率方程式 热力学第二定律指出，热力学第二定律指出，凡是有凡是有温度差温度差存在的地方，存在的地方，就必然有热量传递，就必然有热量传递，故在几乎所有的工业部门，如故在几乎所有的工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。1、物料的加热与冷却。2、生产中热能的合理利用，

2、废热回收。3、化工设备和管道的保温，以减少热损失。 根据热力学第二定律，当无外功输入时，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导热传导(conduction)热对流热对流(convection)热辐射热辐射(radiation)q机理：借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递现象。 q特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。（1）金属固体中，导热起主要作用的是自由电子的扩散运动；（2）不良导体的固体和大部分的液体中，导热是通过晶格结构的振动,即原子、分子对其平衡位置附近的振动来实现的；（3）在气体中，导热则是由于分子

3、的不规则运动而引起的。q机理：流体质点发生宏观移动和混合，将热能由高温处传递到低温处。q分类自然对流：因流体内部冷、热部分的密度差异所致。强制对流：用外力（如搅拌流体使流体强制流动。q 机理：物体因本身温度的原因，激发产生电磁波，向空间传播，称为热辐射。 q 特点： 不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换； 传播不需要任何物质做媒介,可以在真空中传播； 是高温物体之间的主要传热形式。1、直接接触式和混合换热器2、间壁式换热和间壁式换热器3、蓄热式换热和蓄热器传热过程中，根据冷热流体接触方式的不同，热传热过程中，根据冷热流体接触方式的不同，热交换可分为三种基本形式，每种传热形式所用换交换可

4、分为三种基本形式，每种传热形式所用换热设备的结构也各不相同。热设备的结构也各不相同。蒸蒸米米饭饭q主要特点：主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体热流体和冷流体直接接触和混合直接接触和混合过程实现的。过程实现的。q优点：优点：传热速度快、效率高，设备简单。传热速度快、效率高，设备简单。q设备：设备：凉水塔、喷洒式冷却塔、洗涤塔、混合凉水塔、喷洒式冷却塔、洗涤塔、混合式冷凝器式冷凝器q适用范围：适用范围：无价值的蒸汽冷凝，或其冷凝液不无价值的蒸汽冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混合的

5、场合。触混合的场合。列管式换热器列管式换热器q主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，在换热过程中，两种流体互不接触两种流体互不接触，热量由热流，热量由热流体体通过间壁通过间壁传给冷流体。传给冷流体。q设备：列管式换热器、套管式换热器。列管式换热器、套管式换热器。q适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。不许直接混合的两种流体间的热交换。冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤：（1 1）热流体以）热流体以对流方式对流方式将热量传递给管壁；将热量传递给管壁；（2 2）热量以）热量以热传导方式热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧；由管壁的

6、一侧传递至另一侧；（3 3）传递至另一侧的热量又以）传递至另一侧的热量又以对流方式对流方式传递给冷流体。传递给冷流体。流体与壁面之间的热量传递以对流为主，并伴随热传导，通常把这一传热过程称为对流传热。q主要特点：蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖等），热、冷流体等），热、冷流体交替交替地流过蓄热器，利用固体地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。q优缺点：结构简单，可耐高温，但设备体积庞大，结构简单，可耐高温，但设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。且不能完全避免两种流体的混合。q适用范围：使用不

7、多，常用于高温气体热量的回使用不多，常用于高温气体热量的回收或冷却。收或冷却。q 稳态传热：传热系统中各点的温度仅随位置的变化而变化，不随时间变化而变化。 特点：在同一热流方向上的传热速率为常量。q 非稳态传热：传热系统中各点的温度不仅随位置不同而不同，而且随时间发生变化。 连续生产过程中所进行的传热多为稳态传热。 在间歇操作的换热设备中或连续操作的换热设备处于开、停车阶段以及改变操作条件时所进行的传热，都属于非稳态传热。q 传热速率Q（rate of heat transfer）：又称热流量（rate of heat flow），指单位时间内通过传热面的热量，单位W 。 整个换热器的传热速率

8、表征了换热器的生产能力。q 热流密度q：又称热通量（heat flux），指单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位W/m2 。 在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度。AQq 传热过程的推动力：两流体的温度差，通常用平均温度差tm进行计算，单位为K或。 经验指出，在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体的温度差tm成正比。即传热速率方程式为：热阻推动力KAttKAQmm1其中，比例系数K为总传热系数（overall heat transfer coefficient），单位为W/(m2.K)一、傅里叶定律一、傅里叶定律二、导

9、热系数二、导热系数三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上，感到冷得多，为什么？一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？ 讨论：讨论：1温度场温度场（temperature field）任一瞬间，物体或系统内所有各点的温度分布称为温度场。2等温面等温面指同一时刻，温度场中相同温度各点所组成的面，彼此不相交 。3等温线等温线指等温面与同一平面相交的交线。4温度梯度（温度梯度（temperature gradient）指温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。方向与给定点等温面的法线

10、方向一致，以温度增加的方向为正。dxdtAQ 式中：Q导热速率，W A导热面积，m2 材料的导热系数，W/（m.）或W/（m.K） dt/dx沿x方向的温度梯度，/m或K/m。x方向为热流方向，即温度降低的方向，故为负值。在质地均匀的物体中，若等温面上各点的温度梯度相在质地均匀的物体中，若等温面上各点的温度梯度相同，则单位时间内传导的热量与温度梯度和垂直于热同，则单位时间内传导的热量与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。流方向的导热面积成正比。在数值上等于单位温度梯度下，单位导热面积上的导热速率。它表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，通常用实验测定。dxdtAQ 物质的导热系数

11、主要与物质的种类和温度有关。纯金属合金非金属建筑材料液体绝缘材料气体q金属：金属是最好的导热体。纯金属：熔融状态时变小。合金：随纯度。随T 。q非金属建筑材料和绝热材料与温度、组成和结构的紧密程度有关。随T ，随密度 ，存在最佳密度，使最小。q水的导热系数最高。 水=0.6。q除水、乙二醇和甘油外，随T。q一般，溶液纯有机液体。气体的导热系数最小，对导热不利，但利于保温隔热。q随Tq常压下，随压力的增减变化很小，可忽略不计。过高或过低压力时 (200 MPa 或2.7KPa ) ，随P。对于大多数的物质，在温度变化范围不大时，导热系数与温度近似成直线关系：0 (1+t)式中：物质在温度 t 时

12、的导热系数， 0物质在温度 0 时的导热系数， 温度系数，-1，对大多数金属材料和液体为负值，而对大多数非金属材料和气体为正值。在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数应在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数应取最高温度和最低温度下导热系数的算术平均值，或者由取最高温度和最低温度下导热系数的算术平均值，或者由平均温度平均温度t=(t1+t2)/2求得。求得。 1、单层平壁热传导单层平壁热传导 t1t2bQ由傅立叶定律： dxdtAQ 分离变量后积分，可得导热速率方程为： )(21ttAbQ 热热阻阻传传热热推推动动力力 RtAbttQ )(21上式也可写为： )(21ttbA

13、Qq 式中q为单位面积的导热速率，称为热流密度，单位为W/m2。 b1b2b3Qtt1t2t3t4x在稳定传热时，通过串联平壁的导热速率都是相等的。 AbttAbttAbttQ334322321121)()()( 根据等比定律总总热热阻阻总总推推动动力力 RtAbAbAbttQ33221141)( 对n层平壁， niiiAbtQ1 对于多层平壁的稳态导热过程而言，下列论断正确的是：对于多层平壁的稳态导热过程而言，下列论断正确的是：（1）传热推动力和热阻是可以加和的，总热阻等于各层热阻之和，总推动力等于各层推动力之和。（2）哪层热阻大，哪层温差大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。（3）通过每层

14、壁面的热量相等。（4）温差确定后减少阻力就可强化传热，可通过减少壁厚或增加导热系数和平壁面积来达到。【例4-1】某平壁燃烧炉由一层100mm厚的耐火砖和一层80mm厚的普通砖砌成，其导热系数分别为1.0W/（m.）及0.8W/（m.）。操作稳定后，测得炉壁内表面温度为720，外表面温度为120。为减小燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚为30mm，导热系数为0.03W/（m.）的保温材料。待操作稳定后，又测得炉壁内表面温度为800，外表面温度为80。设原有两层材料的导热系数不变，试求：（1）加保温层后炉壁的热损失比原来减少的百分数；（2）加保温层后各层接触面的温度。解：（1）加保温层后炉

15、壁的热损失比原来减少的百分数22211311/30008 . 008. 0110. 0120720mWbbttq加保温层前，为双层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失，即热通量q1为： 加保温层后，为三层平壁的热传导，单位面积炉壁的热损失，即热通量q2为2332211412/60003. 003. 08 . 008. 0110. 080800mWbbbttq加保温层后热损失比原来减少的百分数为%80%10030006003000%100121qqq解：（2）加保温层后各层接触面的温度已知q2=600w/m2，且通过各层平壁的热通量均为此值。各层的温度差和热阻的数值 6060011 . 02111

16、qbt 74060800112ttt 606008 . 008. 02222qbt 68060740223ttt 60060003. 003. 02333qbt 80600680334ttt 温度差t()热阻b/A(m2 /W)耐火砖60 0.1普通砖60 0.1保温材料6001 【例4-2】某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数= 0.043W/(m)，中层为石棉板，厚40mm，导热系数= 0.10W/ (m) ，外层为混凝土，厚200mm，导热系数= 1.3W/ (m) ，测得内墙表面为-18，外墙表面温度为24， 计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚

17、度不变，冷损失量将如何变化。233221141/343 . 120. 0043. 0040. 01 . 0015. 02418mWbbbttq互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。 将内、中层材料互换而厚度不变时：t1-18，t4=24， 1= 0.10W/(m) ， 2= 0.043W/(m) ， 3=1.3W/ (m) 233221141/5 .463 . 120. 01 . 0040. 0043. 0015. 02418mWbbbttq解：t1-18，t4=24， 1=0.043W/(m)， 2=0.10W/(m)， 3=1.3W/ (m

18、) ldtrdrQ 2 1、单层圆筒壁热传导单层圆筒壁热传导 Qdrrr1r2t1t2l在在r处，传热面积处，传热面积A=2rl。drdtrldrdtAQ 2 )(2ln2112ttlrrQ mAbttrrttlQ )(ln)(2211221 121212ln2rrrrrlrArrbmmm 对对数数平平均均半半径径：其其中中： 说说 明明q在任一半径在任一半径r处，温度表示为处，温度表示为:表明温度沿表明温度沿r方向为对数曲线分布，温度梯度随方向为对数曲线分布，温度梯度随r增大而减小。增大而减小。11ln2rrlQtt q在稳态下，传热速率在稳态下，传热速率Q为常量，与坐标为常量，与坐标r无关

19、。但热流密度无关。但热流密度q=Q/(2rl)随坐标随坐标r变化。所以，工程上通常取单位圆筒壁长度计变化。所以，工程上通常取单位圆筒壁长度计算传热速率，记为算传热速率，记为ql，单位是，单位是W/m。1221ln)(2rrttql 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttlQ 344332332212211ln)(2ln)(2ln)(2rrttlrrttlrrttlQ 总总热热阻阻总总推推动动力力 RtAbAbAbttQmmm33322211141)( 说说 明明q总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。q各层的导热速率相同，温差与热阻成正比。q不论圆筒壁由多少层

20、组成，通过各层导热速率Q和ql为常量，但q不为常量；q其中每一层的温度分布为对数曲线，但各层分布曲线不同。【例4-3】在一60mm3.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数=0.07W/（m.），外层为20mm的石棉层，其平均导热系数=0.15W/（m.）。现用热电偶测得管内壁的温度为500，最外层表面温度为80，管壁的导热系数=45W/（m.）。试求每米管长的热损失及保温层界面的温度。 1119107. 009. 0ln15. 0103. 007. 0ln07. 010265. 003. 0ln451)80500(14. 32 mWq解：解：（1）每米管长的热

21、损失）每米管长的热损失 343232121411ln1ln1ln12rrrrrrttlQq 此处， mrmr03. 00035. 00265. 00265. 02053. 021 ，mrmr09. 002. 007. 007. 004. 003. 043 ，（2）保温层界面温度）保温层界面温度t3 解得，解得， 232121311ln1ln12rrrrttq 03. 007. 0ln07. 010265. 003. 0ln451)500(14. 321913 tCt 1323例4-4：有直径38mm2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的热导率为=1.163W/（m.），试计

22、算水垢热阻是黄铜管热阻的多少倍？黄铜管的热导率为=110W/（m.）。思考1： 气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？b1b2 1 2Q21 思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？b2b1 2 1Q 思考思考1：导热系数导热系数 _，保温效果越好。，保温效果越好。导热速率导热速率Q _，保温效果越好。，保温效果越好。131212111311)(2)/()ln(/ )ln()(2MttlbrbbrrbrttlQ 231122122312)(2)/()ln(/ )ln()(2MttlbrbbrrbrttlQ )11()()(ln)()(ln)()(ln)/()ln(/

23、)ln()/()ln(/ )ln(212121221211212112212221211121 bbrrbrbrbbrrbrbrbbrrbrbrbrbbrrbrbrbbrrbrMM0)()(ln0)()(2121212121 bbrrbrbrbbbbrrbrbr衣衣服服应应该该穿穿在在里里层层。也也就就是是说说保保暖暖性性能能好好的的小小。率率服服穿穿在在里里层层时时，导导热热速速小小（保保暖暖性性能能好好）的的衣衣即即：若若QQQMM 212121 思考思考2：保温层越厚，保温效果越好吗？保温层越厚，保温效果越好吗？ t1 t2 t0 r1 r2 Q rcr2 21201212LrLrrtt

24、Q ln总热阻总热阻总推动力总推动力所以，如果保温层的半径小于rc，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。由此可知，对管径较小的管路包扎较大的保温材料时，需要核算保温层的半径是否小于rc。02 drdQ令令 cr输送水蒸气的圆管外（ 35mm2mm ）包覆两层厚度相同（b=5mm）、热导率不同的保温材料， 1=1.0W/（m.）， 2=0.1W/（m.），若改变两层保温材料的先后次序，其保温效果如何变化？(圆管的热阻忽略不计)若被保温的是平壁而不是圆管，保温材料的先后次序对保温效果有何影响？思考思考3：1、平壁稳定热传导过程，通过三层厚度相同的材料，每、平壁稳定热传导过程，通过三层厚度相同的材料

25、，每层间温度变化如图所示，则导热系数的大小顺序为层间温度变化如图所示，则导热系数的大小顺序为，每层热阻的大小顺序为，每层热阻的大小顺序为。t1t2t3t41232、某圆形管道外有两层厚度相同的保温材料，温度曲线、某圆形管道外有两层厚度相同的保温材料，温度曲线如图所示，则导热系数的大小关系为如图所示，则导热系数的大小关系为_，将，将_层材料放在里层保温效果较好。层材料放在里层保温效果较好。t1t2t3AB一、对流传热的给热机理一、对流传热的给热机理二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程三、对流传热系数三、对流传热系数四、对流传热中的量纲分析四、对流传热中的量纲分析五、流体无相变时的对流传热五、

26、流体无相变时的对流传热六、流体有相变时的对流传热六、流体有相变时的对流传热q机理：机理：由于流体质点发生由于流体质点发生宏观宏观移动和混合，流体质点携移动和混合，流体质点携带着热能在不断的带着热能在不断的流动流动中将热能由一处传递到另一处。中将热能由一处传递到另一处。 电热炉烧水q分类分类自然对流自然对流：因流体内部各处温度不同而引：因流体内部各处温度不同而引起的局部密度差异所致。起的局部密度差异所致。强制对流强制对流：用外力（如泵、风机、搅拌器：用外力（如泵、风机、搅拌器等使流体流动。等使流体流动。滞流底层滞流底层过渡流层过渡流层湍流主体湍流主体滞流底层：滞流底层：热传导，热传导，导热热阻很

27、大，导热热阻很大，因此该层中温度差较大。因此该层中温度差较大。过渡流层：过渡流层：热传导热传导+ +热对流，热对流，该层中该层中温度发生了缓慢的变化。温度发生了缓慢的变化。湍流主体：湍流主体：热对流，热对流，流体质点剧烈混合流体质点剧烈混合并充满了旋涡，因此并充满了旋涡，因此该层中该层中温差极小，温差极小，各处的温度基本上相同。各处的温度基本上相同。根据对流传热的根据对流传热的有效膜理论模型，有效膜理论模型，按平壁导热处理得：按平壁导热处理得：AttAQ 牛顿冷却定律牛顿冷却定律 令令/=，则上式为：，则上式为：AttAQ 1 固体与流体间的传热速率，与传固体与流体间的传热速率，与传热壁面积成

28、正比，与壁面和流体热壁面积成正比，与壁面和流体间的温度差成正比。间的温度差成正比。 即：在单位温度差下，对流传热系数在数值上等于由对流即：在单位温度差下，对流传热系数在数值上等于由对流传热产生的热通量（即单位面积的对流传热速率）。传热产生的热通量（即单位面积的对流传热速率）。单位单位：W/(m2)或或W/(m2K) tAQ 定义式：定义式：据牛顿冷却定律得据牛顿冷却定律得qAQ 时，时，当当1t物理意义物理意义：值数量级范围值数量级范围 换热换热方式方式 空气自空气自然对流然对流 气体强气体强制对流制对流 水自然水自然对流对流 水强制水强制对流对流 水蒸汽水蒸汽冷凝冷凝 有机蒸有机蒸汽冷凝汽冷

29、凝 水沸腾水沸腾 W/(m2)525 20100 201000100015000 500015000 5002000 250025000 对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响的的主要因素有：主要因素有：1.流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况2.流体的物性流体的物性3.流体的温度流体的温度4.流体的流动状态流体的流动状态5.流体流动的原因流体流动的原因6.传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小气体气体液体液体无相变

30、无相变1.流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况换热换热方式方式 空气自空气自然对流然对流 水自然水自然对流对流 水蒸汽水蒸汽冷凝冷凝 W/(m2)525 201000500015000 2.流体的物理性质流体的物理性质对对影响较大的流体物性有导热系数影响较大的流体物性有导热系数、粘度、粘度、比热、比热Cp、密、密度度及对自然对流影响较大的体积膨胀系数及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。 、Cp 、 、 湍流时，随着湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，增大。增大。 滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故滞流时，流体在热流方向上

31、基本没有混杂作用，故较湍流时较湍流时小。小。 即：即： 滞流滞流 湍流湍流4.流体的流动状态流体的流动状态 计算中要修正温度对物性的影响。计算中要修正温度对物性的影响。 在传热计算过程中，当温度发生变化时，用以确定物性所规在传热计算过程中，当温度发生变化时，用以确定物性所规定的温度称为定的温度称为定性温度定性温度。3.流体的温度流体的温度形状形状：圆管、翅片管、管束、平板、螺旋板等。：圆管、翅片管、管束、平板、螺旋板等。位置位置：水平放置、垂直放置、管内流动、管外沿轴向流动、管外垂：水平放置、垂直放置、管内流动、管外沿轴向流动、管外垂直于轴向流动等。直于轴向流动等。尺寸尺寸：管内径、管外径、管

32、长、平板的宽与长等。：管内径、管外径、管长、平板的宽与长等。一般采用对对流传热有决定性影响的一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸特征尺寸作为计算依据，称为作为计算依据，称为定性尺寸定性尺寸。 6.传热面的形状、位置和尺寸传热面的形状、位置和尺寸自然对流自然对流 强制对流强制对流5.流体流动的原因流体流动的原因100015000 20100020100 525 W/(m2)水强制水强制对流对流 水自然水自然对流对流 气体强气体强制对流制对流 空气自空气自然对流然对流 换热换热方式方式 为获得对流传热系数，其方法有：为获得对流传热系数，其方法有： 解析法：解析法：建立理论方程式，用数学分析的方

33、法求出建立理论方程式，用数学分析的方法求出 的的精确解或数值解。精确解或数值解。只适用于一些几何条件简单的几个传热只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。过程，如管内层流、平板上层流等。 数学模型法：数学模型法：对给热过程作出简化的物理模型和数学对给热过程作出简化的物理模型和数学描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。 量纲分析法：量纲分析法：将影响给热的因素无因次化，通过实验将影响给热的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。这是理论指导下的实验研究决定无因次准数之间的关系。这是理论指导下的实验研究方法，在对流给热

34、中广为使用。方法，在对流给热中广为使用。 实验法：实验法：对少数的对流给热过程适用。对少数的对流给热过程适用。 量纲分析法量纲分析法基础：基础：量纲量纲一致性，一致性，即物理方程式的两边不仅数值相即物理方程式的两边不仅数值相等，而且量纲也必须相等。等，而且量纲也必须相等。基本定理：基本定理： 定理，定理，即假设影响该现象的即假设影响该现象的物理量为物理量为n个个，这些物理量的这些物理量的基本量纲数为基本量纲数为m个个，则该物理现象可用，则该物理现象可用 N=(n-m) 个个独立的量纲为独立的量纲为1的无因次数群关系式表示，的无因次数群关系式表示，此即此即定理。此类量纲为定理。此类量纲为1的无因

35、次数群称为的无因次数群称为准数准数。 1.列出影响该过程的物理量列出影响该过程的物理量 f（l, ，Cp， ， gt ，u） 液体的物理性质：流体的密度，粘度，比热Cp，导热系数 。 固体表面的特征尺寸l； 强制对流的流速u ； 自然对流的特征速度，此速度可由单位质量流体的浮力gt表征。2.列出各物理量的量纲列出各物理量的量纲物理量物理量lCpgtu量纲量纲MT-3-1LML-3ML-1T-1L2T-2-1MLT-3-1LT-2LT-13.量纲分析量纲分析 Kualb c d e Cpf(gt)h根据根据定理，影响该现象的物理量为定理，影响该现象的物理量为n=8个，这些物理量的基本个，这些物理

36、量的基本量纲数为量纲数为m=4个，则该物理现象可用个，则该物理现象可用 N=(n-m) =4个独立的量纲个独立的量纲为为1的无因次数群关系式表示。的无因次数群关系式表示。将各物理量的量纲代入，经整理可得：将各物理量的量纲代入，经整理可得：hfal tgculKl 223p 雷诺准数雷诺准数Re努塞尔准数努塞尔准数Nu普兰特准数普兰特准数Pr格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数Gr各准数的名称、符合、意义如下：各准数的名称、符合、意义如下：反映反映自然对流自然对流强弱程度强弱程度格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数(Grashof)Gr反映反映物性物性对传热影响对传热影响普兰特准数普兰特准数(Prandtl)P

37、r反映流体流动反映流体流动湍动程度湍动程度雷诺准数雷诺准数(Reynolds)Re表示表示对流传热强弱对流传热强弱程度程度努塞尔准数努塞尔准数(Nusselt)Nu意义意义名称名称符号符号准数式准数式ullpc223l tg3.量纲分析量纲分析无相变条件下，对流传热的准数关联式的一般形式。无相变条件下，对流传热的准数关联式的一般形式。cbal tgculKl 223p crbraeuGPRKN 1、应用范围：、应用范围：关联式中关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。等准数的数值范围等。 说 明2、特征尺寸：、特征尺寸：参与对流传热过程的传热面几何尺寸往往不止一参与对流传热过程的传热面几何

38、尺寸往往不止一个，而关联式中的各准数所采用的特性尺寸通常是对流动和传个，而关联式中的各准数所采用的特性尺寸通常是对流动和传热有决定性影响。应遵照所选用的关联式中规定特性尺寸。热有决定性影响。应遵照所选用的关联式中规定特性尺寸。 3、定性温度：、定性温度：各准数中决定物性参数的温度，有各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法：种表示方法：取取流体流体平均温度平均温度t=(t1+t2)/2或或T=(T1+T2)/2为定性温度为定性温度取取壁面壁面平均温度平均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度为定性温度取取流体和壁面流体和壁面的平均温度的平均温度t=(tw+t)/2或或t=(Tw+T)/2为定性

39、温度为定性温度壁温多为未知数，需用试差法，故工程上多用第一种方法。壁温多为未知数，需用试差法，故工程上多用第一种方法。 （一）流体在管内强制对流传热（一）流体在管内强制对流传热 （二）流体在管外强制对流时的对流传热（二）流体在管外强制对流时的对流传热（三）大空间自然对流的对流传热（三）大空间自然对流的对流传热1 1、圆形直管内强制、圆形直管内强制湍流湍流 2 2、圆形直管内强制、圆形直管内强制过渡流过渡流 3 3、圆形直管内强制、圆形直管内强制层流层流 4 4、非圆形非圆形直管内强制对流直管内强制对流 1 1、圆形直管内强制湍流、圆形直管内强制湍流对于强制湍流，自然对流的影响可以忽略不计，即对

40、于强制湍流，自然对流的影响可以忽略不计，即Gr0，所以：，所以： baPrKReNu （1）对于低黏度流体）对于低黏度流体( (2mPas的气体及大部分液体的气体及大部分液体) nPrReNu8 . 0023. 0ncdud)()(023. 0p8 . 0流体被加热时，流体被加热时，n=0.4 流体被冷却时，流体被冷却时，n=0.3 Re10000（即流动是充分湍流的）；（即流动是充分湍流的）； 0.7Pr120（一般流体皆可满足，不适用于液体金属）；（一般流体皆可满足，不适用于液体金属）； 低粘度流体低粘度流体(2mPas)； l/d60，即管内流动是充分发展的；，即管内流动是充分发展的；

41、特征尺寸特征尺寸l=d（管内径）；（管内径）； 定性温度为进、出口流体主体温度，取进、出口的算术平定性温度为进、出口流体主体温度，取进、出口的算术平均值，即均值，即 221mttt 应用条件应用条件（2）对于高黏度流体）对于高黏度流体14. 033. 0p8 . 0)()()(027. 0wcdud 流体被加热时，流体被加热时，（/ w）0.14=1.05 流体被冷却时，流体被冷却时， （/ w）0.14=0.95 、w液体在主体平均温度、壁温下的黏度。液体在主体平均温度、壁温下的黏度。 应用条件：应用条件：Re10000，0.7Pr16700， l/d60 特征尺寸特征尺寸l=d（管内径），

42、（管内径），定性温度为进、出口流体主体温度的算术平均值。定性温度为进、出口流体主体温度的算术平均值。 不适用于液体金属。不适用于液体金属。 (3) 对于对于l/d 300=02.06=79.5=14.01045.01080.1=Pr,100001079.2=1045.086073.002.0=Re/73.0=25402.0486050=33432ndlcudsmAquiPim取取时时公公式式，流流体体被被加加热热，故故符符合合低低粘粘度度流流体体湍湍流流湍湍流流。说说明明增增加加了了变变化化率率时时：当当苯苯的的流流量量增增加加3 .38%3 .38116911691617)/(16175 .

43、1116950)/(116979.5)1079.2(02.014.0023.0PrRe023.028 .08 .024 .08 .044 .08 .0 iiiiiiihhhmWuumWd 当流体在管内呈过渡状态流动时，当流体在管内呈过渡状态流动时，即即2300Re10000，因湍流不充分，层流内层较厚，热阻大而因湍流不充分，层流内层较厚，热阻大而小。通常小。通常先按先按湍流时的公式计算，然后再将计算结果乘以一个小于湍流时的公式计算，然后再将计算结果乘以一个小于1的的校正系数校正系数f，即：，即：8 . 15Re1061 f只有在小管径、水平管、壁面与流体之间的温差比较小、只有在小管径、水平管、

44、壁面与流体之间的温差比较小、流速比较低的情况下，才有严格的层流传热。其他情况下，流速比较低的情况下，才有严格的层流传热。其他情况下，常伴有自然对流传热。常伴有自然对流传热。当当Gr2.5 104时，自然对流的影响不能忽略，应由上时，自然对流的影响不能忽略，应由上式计算的式计算的值再乘以校正系数值再乘以校正系数f：)015. 01(8 . 03/1Grf 流体在非圆形管中呈强制湍流、过渡流以及层流时，流体在非圆形管中呈强制湍流、过渡流以及层流时，仍可应用上述相应的关联式进行计算，只将其中管子仍可应用上述相应的关联式进行计算，只将其中管子内径内径d用当量直径用当量直径de代替即可。代替即可。 润湿

45、周边长流体流动截面积 4ed 管束的排列方式有管束的排列方式有直列和错列直列和错列两种，错列中又有两种，错列中又有正方正方形和等边三角形形和等边三角形两种。两种。直列直列正方形错列正方形错列等边三角形错列等边三角形错列适用范围适用范围：5000Re70000，x1/d=1.25，x2/d=1.25。特性尺寸取管外径特性尺寸取管外径d1，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；流速流速u取流动方向上最窄流道处的流速，即最大流速。取流动方向上最窄流道处的流速，即最大流速。 4 .0PrReCNun C， ，n取决于排列方式和管排数，取决于排列方式和管排数，为排列系数

46、，为排列系数，、n值值视管束中管子排列方式不同而异。由实验测定视管束中管子排列方式不同而异。由实验测定 。直直 列列 错错 列列 排排数数 n n C x1/d=1.23 时时 C1+ 0.1 x1/d 1 2 3 4 0.6 0.65 0.65 0.65 0.171 0.157 0.157 0.157 0.6 0.6 0.6 0.6 0.171 0.228 0.290 0.290 x1/d3 时时 C1.3 平均的对流传热系数平均的对流传热系数 ： iiimAAAAAAAA 321332211准数关联式可表示为：准数关联式可表示为：或或NuC(GrPr)n npcl tglC 223适用范围

47、适用范围：(1)特性尺寸对水平管取管外径，对垂直管或垂直板取管长或板高；特性尺寸对水平管取管外径，对垂直管或垂直板取管长或板高；(2) 定性温度取膜温，即定性温度取膜温，即tm=(tw+t)/2；(3) Gr准数中，准数中，ttwt，tw为壁温，为壁温，t为流体平均温度。为流体平均温度。 例例4-6 一水平蒸汽管，长一水平蒸汽管，长20m，外径为，外径为159mm，管外壁温度，管外壁温度为为120，周围空气温度为，周围空气温度为20。计算该管段由于自然对流散失的热量。计算该管段由于自然对流散失的热量。WKmWtdgGro6621)20120(20159. 0)/(63. 6)1001. 2(1

48、59. 00297. 053. 01001. 2694. 0)1006. 2(34003. 1159. 0)20120(81. 9PrPr241772523223 6.63t)-l(tdQ41n0.53,Cwo散热量查表，得：解：定性温度：解：定性温度：t(120+20)/270，特性尺寸，特性尺寸0.159m，70下空气物性：下空气物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pas 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694 （一）蒸汽冷凝传热（一）蒸汽冷凝传热（二）液体沸腾传热（二）液体沸腾传热特点：特点：相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温相变流体要

49、放出或吸收大量的潜热，但流体温度基本不变。因此对流传热系数比无相变时的更大。度基本不变。因此对流传热系数比无相变时的更大。 热流方向 蒸汽 ts膜膜滴滴 当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面相接触时，饱和蒸汽放出潜热当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面相接触时，饱和蒸汽放出潜热冷凝成液体，而使另一侧的流体被加热。冷凝成液体，而使另一侧的流体被加热。 热流方向 蒸汽 ts 滴状冷凝膜状冷凝413232725. 0 tdnrgo r蒸气冷凝潜热，取饱和温度蒸气冷凝潜热，取饱和温度ts下的数值，下的数值，kJ/kg；冷凝液的密度，冷凝液的密度，kg/m3；冷凝液的导热系数，冷凝液的导热系数，W/(mK)冷凝液的

50、粘度，冷凝液的粘度，Pas； n水平管束在垂直列上的管子数，水平管束在垂直列上的管子数， 若为单根水平管，则若为单根水平管，则n =1。定性温度取膜温，即定性温度取膜温，即t(ts+tw)/2；特性尺寸取管外径；特性尺寸取管外径d0。 层流层流湍流湍流高高度度传热系数传热系数液膜为液膜为层流层流时时 （Re1800）4 . 03/1232Re0077. 0 g应用条件应用条件：1、特征尺寸、特征尺寸l为管长或板高；为管长或板高；2、各物性参数是凝液的物性，定性温度取：、各物性参数是凝液的物性，定性温度取：3、r为汽化潜热；为汽化潜热；4、 t =twts。 2wsttt （1）不凝性气体的影响

51、：）不凝性气体的影响： 当蒸汽中含空气量达当蒸汽中含空气量达1%时，时， 下降下降60%左右。因此，在冷凝器的设计左右。因此，在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放不凝气体，减少不凝时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对气体对 的影响。的影响。 液液膜膜气气膜膜twtstvl 流体的物性、冷凝壁面的尺寸和放置位置、冷凝传流体的物性、冷凝壁面的尺寸和放置位置、冷凝传热温度差等都是影响膜状冷凝传热的因素，此外还热温度差等都是影响膜状冷凝传热的因素，此外还有以下重要因素：有以下重要因素：（2）蒸汽流速与流向的影响）蒸汽流速与流向的影响 当当u10m/s时

52、，应考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。时，应考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄,； 蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚，；但；但u时，会吹散液膜，时，会吹散液膜，。 一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于流向相同，有利于。（3）蒸汽过热的影响）蒸汽过热的影响蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。twts时，

53、壁面无冷凝，此时为无相变的对流传热过程。时，壁面无冷凝，此时为无相变的对流传热过程。twts，则离开加，则离开加热面的气泡不再重新凝结。热面的气泡不再重新凝结。过冷沸腾过冷沸腾：tlts,加热面上产加热面上产生的气泡在脱离之前、或脱生的气泡在脱离之前、或脱离之后在液流主体中重新凝离之后在液流主体中重新凝结。结。 产生沸腾现象的必要条件：产生沸腾现象的必要条件： 液体过热、有汽化核心液体过热、有汽化核心过热度：过热度： t=tl-ts t=tw-tsA自然对流自然对流B B核状沸腾核状沸腾CD膜状沸腾膜状沸腾工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作（工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作（ 大，大

54、，tW小）。小）。转折点转折点C称为临界点（烧毁点），称为临界点（烧毁点），其对应临界值其对应临界值 tc、 c、qc。对于。对于常压水在大容器内沸腾时：常压水在大容器内沸腾时： tc=25 C、qc=1.25106W/m2。 (1)液体物性液体物性 液体的导热系数、密度、粘度、表面张力等对沸腾传热都有液体的导热系数、密度、粘度、表面张力等对沸腾传热都有影响。一般影响。一般 随随、的增大、的增大、和和的减少而增大。的减少而增大。 (2)温度差温度差t 在核状沸腾区在核状沸腾区, C(t)m。式中。式中C和和m是根据液体种类、操是根据液体种类、操作压强和壁面性质而定的常数，一般作压强和壁面性质而

55、定的常数，一般m23。(3)操作压强操作压强 操作压强操作压强液体的饱和温度液体的饱和温度液体的表面张力液体的表面张力、粘度粘度 沸腾传热沸腾传热 ，在同样的，在同样的t下能得到更高的下能得到更高的 。 C(t)mpn(4)加热面的状况加热面的状况 清洁加热面清洁加热面 较高，较高，当壁面被油脂沾污后当壁面被油脂沾污后，会使，会使 急剧下降；急剧下降；壁面愈粗糙壁面愈粗糙，汽化核心愈多，有利于沸腾传热。，汽化核心愈多，有利于沸腾传热。加热面的布置加热面的布置对沸腾传热也有明显影响，如在水平管束外沸腾对沸腾传热也有明显影响，如在水平管束外沸腾时，其上升汽泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致管的平均

56、时，其上升汽泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致管的平均 下降。下降。此外，设备结构、加热面形状、材料性质以及液体深度等都会此外，设备结构、加热面形状、材料性质以及液体深度等都会对沸腾传热有影响。对沸腾传热有影响。a 采用机械加工或腐蚀的方法将金属表面粗糙化。采用机械加工或腐蚀的方法将金属表面粗糙化。 据报导，用这种方法制造的铜表面可提高沸腾给热系数据报导，用这种方法制造的铜表面可提高沸腾给热系数80%。b 在沸腾液体中加入某种少量的添加剂在沸腾液体中加入某种少量的添加剂（如（如Et-OH，丙酮等），丙酮等）改变液体的表面张力，可提高改变液体的表面张力，可提高20100%。同时，添加剂还可。同时

57、，添加剂还可以提高沸腾液体的临界热负荷。以提高沸腾液体的临界热负荷。(1) (1) 分析所处理的问题属于哪一类，分析所处理的问题属于哪一类，如：是强制对流或是自如：是强制对流或是自然对流，是否有相变化等。然对流，是否有相变化等。(2) (2) 特别注意所选用的公式被特别注意所选用的公式被规定的使用范围规定的使用范围，包括规定的，包括规定的特性尺寸、定性温度等。特性尺寸、定性温度等。(3) (3) 计算流体在圆形直管内作强制对流的对流传热系数时，计算流体在圆形直管内作强制对流的对流传热系数时，由于事先不知是湍流、层流或过渡流，所以用试差法进行计由于事先不知是湍流、层流或过渡流，所以用试差法进行计

58、算，即算，即先假设流型，选用相应的公式，先假设流型，选用相应的公式，按公式规定的定性温按公式规定的定性温度查取物性数据，再计算度查取物性数据，再计算ReRe数，数，PrPr数，验证假设是否正确。数，验证假设是否正确。(4) (4) 注意公式中注意公式中物性数据的单位物性数据的单位，特别是经验式中的单位。，特别是经验式中的单位。 若传热推动力增加一倍，则下述几种流动条件下传若传热推动力增加一倍，则下述几种流动条件下传热速率增加的倍数各为多少？热速率增加的倍数各为多少？A圆管内强制湍流增加圆管内强制湍流增加_倍；倍；B大容积自然对流增加大容积自然对流增加_倍；倍；C大容积饱和沸腾增加大容积饱和沸腾

59、增加_倍；倍；D蒸汽膜状冷凝增加蒸汽膜状冷凝增加_倍；倍；一、热量衡算一、热量衡算二、传热平均温度差二、传热平均温度差 三、总传热系数三、总传热系数 四、壁温的计算四、壁温的计算 化工原理中所涉及的传热计算分两类：化工原理中所涉及的传热计算分两类：设计计算：设计计算：根据生产过程要求的传热量和其它工艺条根据生产过程要求的传热量和其它工艺条件，确定换热器的传热面积，进而设计或选用合适的件，确定换热器的传热面积，进而设计或选用合适的换热器；换热器；操作计算：操作计算：对给定的换热器计算其在一定操作条件下对给定的换热器计算其在一定操作条件下的传热量、流体的流量、温度或某项参数变化时对其的传热量、流体

60、的流量、温度或某项参数变化时对其传热能力的影响等。传热能力的影响等。两者计算的依据：热量衡算方程和传热速率方程。两者计算的依据：热量衡算方程和传热速率方程。在稳态传热过程中，传热速率在稳态传热过程中，传热速率Q与传热面积与传热面积A和两流体和两流体的温度差的温度差tm成正比。即成正比。即传热速率方程式传热速率方程式为：为：热阻热阻推动力推动力 KAttKAQmm1热流体热流体qm1, cp1, T1,H1T2 H2冷流体冷流体qm2, cp2, t1,h1t2 h2无热损失：放吸QQ无相变时：无相变时： 12222111122211ttcqTTcqQhhqHHqQpmpmmm 式中式中 Q 热