第三章_传热(1)

1、第三章第三章 传热传热p了解热传导、热对流和热辐射的基本概念；了解热传导、热对流和热辐射的基本概念；p掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；p熟悉各种热交换设备的结构和特点；熟悉各种热交换设备的结构和特点；p掌握定态综合传热过程的计算；掌握定态综合传热过程的计算；p了解强化传热和热绝缘的措施了解强化传热和热绝缘的措施。本章重点和难点本章重点和难点一、传热在化学工程中的应用一、传热在化学工程中的应用第一节第一节 传热的基本概念传热的基本概念传热：传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部位之间所

2、进行的热的转移。度部位之间所进行的热的转移。传热在化学工程中的应用：传热在化学工程中的应用：化工生产过程对传热的要求：化工生产过程对传热的要求： 强化传热强化传热( (加热或冷却物料加热或冷却物料) ) 削弱传热削弱传热( (设备和管道的保温设备和管道的保温) )二、传热的基本方式二、传热的基本方式 热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据起的，根据传热机理传热机理不同，传热的基本方式有三种：不同，传热的基本方式有三种： 热传导热传导(conduction)(conduction)； 热对流热对流(convection)(convection)

3、； 热辐射热辐射(radiation)(radiation)。 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自物体各部分之间不发生相对位移，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量传递称为热传导。由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。1.1.热传导热传导（又称导热）（又称导热）2.2.热对流热对流（又称对流传热）（又称对流传热） 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。对流。 热对流仅发生在流体中。热对流仅发生在流体中。通常把通常把流体流体与与固体壁面固体壁面之间的之间的传热传热称为称为对流传热对流

4、传热强制对流：强制对流： 因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。因泵（或风机）或搅拌等外力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。有可能同时发生自然对流和强制对流。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流： 由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。生相对位移，这种对流称为自然对流。3 3、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。因

5、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，而不需要任何所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。介质。 任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。物体温度较高的时候，热辐射才能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。三、三、 换热器类型换热器类型换热器换热器：实现实现冷、热介质冷、热介质热量交换的设备热量交换的设备

6、 冷、热流体交换流过热载体时，热流体将热量传递给冷流冷、热流体交换流过热载体时，热流体将热量传递给冷流体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。 直接混合式直接混合式 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。 蓄热式蓄热式 热量热量 存储在热载体上存储在热载体上 传递给冷流体。传递给冷流体。用于输送热量的介质用于输送热量的介质载热体载热体。加热介质（加热剂）加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。起加热作用的载热体。水蒸气、热水等水蒸气、热水等。冷却介质（冷却剂）冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。起

7、冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。冷水、空气制冷剂。 间壁式间壁式 热流体通过间壁将热量传递给冷流体，热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工、食品生产中应用极为广泛，主要有：化工、食品生产中应用极为广泛，主要有： 夹套式热交换器；夹套式热交换器； 蛇型式热交换器；蛇型式热交换器； 套管式热交换器；套管式热交换器； 列管式热交换器；列管式热交换器； 板式热交换器。板式热交换器。四、四、 传热过程中基本问题与传热机理传热过程中基本问题与传热机理 传热过程中的基本问题可以归结为：传热过程中的基本问题可以归结为： 载热体用量计算载热体用量计算 传热面积计算传热面积计算 换热器的结构设计换热器的结构设

8、计 提高换热器生产能力的途径。提高换热器生产能力的途径。 解决这些问题，主要依靠两个基本关系。解决这些问题，主要依靠两个基本关系。 热量衡算热量衡算 根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则Q热热=Q冷冷， 称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。体的用量。 传热速率传热速率传热速率传热速率Q （热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为传（热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为传热速率，以热速率，以Q表示，其单位表示，其单位W(J/s)。热通量热通量q：单位时间内通过单位传热面的

9、热量，：单位时间内通过单位传热面的热量，W/m2。q=Q/A 实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差tm及传热面积及传热面积A成正比，即：成正比，即： Q=KAtm (1-1) A=nd L (1-2)式式 中：中： Q传热速率，传热速率，W；A传热面积，传热面积，m2 ；tm温度差，温度差，；K 传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2 ； n 管数；管数； d 管径，

10、管径，m； L 管长，管长，m。将式（将式（1-1）变换成下列形式：）变换成下列形式：式中：式中：tm传热过程的推动力，传热过程的推动力， 1/K 传热总阻力（热阻），传热总阻力（热阻），m2 /W两点说明：两点说明：单位传热面积的传热速率单位传热面积的传热速率(热通量热通量)正比于推动力，反比于热正比于推动力，反比于热阻。因此，阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高换热器的传热速率的途径是提高传热推动提高传热推动力和降低热阻。力和降低热阻。 从式（从式（1-1）可知，如果己知传热量）可知，如果己知传热量Q，则可在确定，则可在确定K及及tm的基础上算传热面积的基础上算传热面积A，进而确定换

11、热器的各部分尺寸，进而确定换热器的各部分尺寸，完成换热器的结构设计。完成换热器的结构设计。K/ttKSQmm1 (1-3)热阻（阻力）热阻（阻力）传热温度差（推动力）传热温度差（推动力）传热速率传热速率 温度场温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场。分布，称为温度场。式中：式中：t 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，) 第二节第二节 热传导热传导一、一、 傅立叶定律傅立叶定律1 1 温

12、度场和温度梯度温度场和温度梯度 一维温度场：一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。若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。）沿等温面无热量传递。非定态非定态温度场：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。定态定态温度场：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。t

13、1t2t1t2等温面等温面Q温度梯度温度梯度: :ntnttgradn 0lim 温度梯度是一个向量。温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正 一维定态热传导一维定态热传导t+ tt- ttnQdAxt d/d 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导傅立叶定律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及垂直于热流方向的截面积成正比，即的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即式中式中 Q单位时间传导的热量，简称传热速率，单位时间传导的热量，简称传热速率，w A导热面积，即垂直于热流方

14、向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 热导率热导率( (thermal conductivitythermal conductivity) )，w/m.kw/m.k。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。 2 2 傅立叶定律傅立叶定律xtdAdQxtAQ或或 表征材料导热性能的物性参数表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好越大，导热性能越好ntAQq dd 用热通量来表示用热通量来表示 对一维对一维定定态热传导态热传导 ddtQAx 表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之

15、一，其值与物质的组成，结构、密度、温度及压强有关。由实验测得。质的组成，结构、密度、温度及压强有关。由实验测得。一般金属一般金属（固体）（固体）的导热系数的导热系数非金属（固体）非金属（固体）液体液体气体气体多数固体多数固体与温度的关系与温度的关系 =0（1+a）t 单位：单位：W/(m K) 0 -0下的下的热导率热导率 a为为温度系数温度系数。 对大多数金属材料，其对大多数金属材料，其a值为负值；对非金属材料则为正值。值为负值；对非金属材料则为正值。导热系数导热系数单位：单位：W/(m K)QqdtdtAdxdx 对于金属对于金属 t (通过自由电子的运动通过自由电子的运动)对于非金属对于

16、非金属 t (通过靠晶格结构的振动通过靠晶格结构的振动) 对于液体对于液体 t (通过靠晶格结构的振动通过靠晶格结构的振动) 对于气体对于气体 t (通过分子不规则热运动通过分子不规则热运动) 随压力变化不大。只有当系统的压力随压力变化不大。只有当系统的压力P, 3kpa P或或P200Mpa，随压力的降低，导热系数，随压力的降低，导热系数也降低，当也降低，当达到真空，达到真空，约为约为0，保，保 温温 瓶瓶 的的 夹夹 层层 抽抽 真真 空空 就就 是是 此此 道道 理理。如图所示：如图所示：bt1t2Qtt1t2obx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

17、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。二、平壁的二、平壁的定态定态热传导热传导1 1 单层平壁的热传导单层平壁的热传导dxdtAQRtAbttttAbQ2121)( 式中式中t=tt=t1 1-t-t2 2为导热的推动力为导热的推动力( (driving forcedriving force) )，而，而R=b/AR=b/A则为导热的热阻

18、则为导热的热阻( (thermal resistancethermal resistance) )。 根据傅立叶定律根据傅立叶定律 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，将上式推而广之，则传递过程的普遍关系式为：将上式推而广之，则传递过程的普遍关系式为： 过程传递速率过程传递速率=过程的推动力过程的推动力/过程的阻力。过程的阻力。 (对传热，传质，动量传递对传热，传质，动量传递“三传三传”均适用）均适用）当当为常数，为常数，单层平壁内温度分布为直线单层平壁内温度分布为直线

19、12/ttQxA1QxttA如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4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，各层材质均匀，导热系数分别为数分别为1 1，2 2，3 3，皆视，皆视为常数；为常数；层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于温面亦皆为垂直于x x轴的平行平轴的平行平面。面。壁的面积为壁的面积为A A，在，在定态定态导热过导热过程中，穿过各层的热量必相等。程中，穿过各层的热量必相等。2 2 多层平壁的多

20、层平壁的定态定态热传导热传导 第一层第一层 第三层第三层第二层第二层对于对于定态定态导热过程：导热过程：Q1=Q2=Q3=Q12111ttQbA23222ttQbA34333ttQbARttAbttQnniiiin11011同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为层的平壁，穿过各层热量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。 14312123()ttQbbbAAA14123ttQRRR思考：思考： 厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示；试分析哪一层热阻最大，并说明各层示；试分析哪一层热阻最大，并说明各层 的大

21、的大小。小。t1t2t3t4 3 1 2Qxt例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm12cm，中间夹层厚，中间夹层厚10cm10cm，填以绝缘材料。砖墙的热导率为填以绝缘材料。砖墙的热导率为0.70w/m0.70w/mk k，绝缘材料的热导，绝缘材料的热导率为率为0.04w/m0.04w/mk k，墙外表面温度为，墙外表面温度为10 10 ，内表面为，内表面为-5 -5 ，试，试计算进入冷库的热通量及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度计算进入冷库的热通量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.

22、0)5(10)(mwbbbttAQq按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t31 . 970. 012. 027. 5101112bqtt1 . 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，b2=0.10mb2=0.10m，1 1= = 3 3= = 0.70w/m0.70w/mk k， 2 2= = 0.04w/m0.04w/mk k。按热按热通量通量公式计算公式计算q q：Qt2t1r1rr2drL如图所示：如图所示：设圆筒的内半

23、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，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。圆筒等温面为同心圆柱面。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，则半 径 为半 径 为 r r 处 的 传 热 面 积 为处 的 传 热 面 积 为A=2rLA=2rL。三、圆筒壁的稳定热传导三、圆筒壁的稳定热传导1 1 单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热

24、传导drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQ将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积分并整理得 根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为讨论：讨论：（1）上式可以写为）上式可以写为12122112121221ln)(ln)()(2AAbAAttrrrrrrttlQ 热阻热阻推动力推动力 RtAbttm21)( 12rrb 1212m/lnAAAAA 对数平均面积对数平均面积（2） 212 rr221mAAA （3）平壁：各处的）平壁：各处的Q和和q均相等；均相等； 圆筒壁：不同半径圆筒壁：不同半径r处处Q相等，相等，但但q却不等

25、却不等r1r2r3r4t1t2t3t4 对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，对稳定导热过程，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。亦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 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

26、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 多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导 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、对于第一、二、三层圆筒壁有二、三层圆筒壁有12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ121212rrlnLQtt 232322rrlnLQtt 343432rrlnLQtt 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)(2rrrrrrttLQniiiiin

27、rrttLQ1111ln1)(2同理，对于同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为 注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是热通量却不相等。相同的，但是热通量却不相等。111()ni niiimittbA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

28、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。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mt3r1r3t1r4t4t2r2mwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.

29、010265.003.0ln451)80500(14.32保温层界面温度保温层界面温度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 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。 当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以

30、热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。 第三节第三节 对流传热对流传热一、对流传热的基本概念一、对流传热的基本概念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。温度边界层。

31、有温度梯度较大的区域。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中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式中式中 Q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= t-tW，； T热流体平均温度，热流体平均温度，； TW与热流体接触的壁面温度，与热流体接触的壁面温度，； t冷流体的平均温度，冷流体的平均温度，； tW与冷流体接触的壁面

32、温度，与冷流体接触的壁面温度，； a对流传热系数对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K（或（或W/m2）。）。 上式称为上式称为牛顿冷却定律牛顿冷却定律。 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的有效膜的有效膜内，但有效膜的厚度内，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 而用下式而用下式描述对流传热的基本关系描述对流传热的基本关系 Q= A（T-Tw）二、对流传热速率二、对流传热速率1wTTtQRA1 流体的状态：流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相液体、气体

33、、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相 变时对流传热系数比无相变化时大的多；变时对流传热系数比无相变化时大的多； 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 流体的运动状况：流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；层流、过渡流或湍流；4 流体对流的状况：流体对流的状况：自然对流，强制对流；自然对流，强制对流；5 传热表面的形状、位置及大小：传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管如管、板、管束、管径、管 长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。 三、三、

34、影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素),(tgclufp无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示： 八个物理量涉及四个基本因次：质量八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度，长度L，时间，时间T，温，温度度。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，在无相变时，准数关系式为：即即四、对流传热中的因次分析四、对流传热中的因次分析322() () ()pakgcllug tlCRe PrakgNuCGr准数符号及意义准数符号及意义 准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系准数关联式是一种经验公式

35、，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点：在应用关联式时应注意以下几点：1 1、特性尺寸、特性尺寸 无因次准数无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。寸作为特征尺寸。2 2、定性温度、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准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定性温度。一般定性温度有数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温

36、度有2种取法：进、出口流体的平均温度，流体和壁面的平均温度种取法：进、出口流体的平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。（膜温）。3 3、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一、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。的单位制度。 关联式关联式无相变无相变有相变有相变自然对流自然对流强制对流强制对流湍流湍流过渡区过渡区层流层流蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾管内、外管内、外直、弯管直、弯管圆或非圆形圆或非圆形 0.80.023()()pkiicd udNu=0.023Re0.8Prk 式中式中k值视热流方向而定，当流体被加热时，值视热流方向而定，当流体被加热时

37、，k=0.4，被冷却时，被冷却时，k=0.3。应用范围应用范围 ： Re10000，0.6Pr50。特性尺寸特性尺寸 ： 取管内径，取管内径， 定性温度：定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。流体进、出口温度的算术平均值。五、流体无相变时对流传热系数关联式五、流体无相变时对流传热系数关联式1 1 流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数（1 1） 圆形直管内强制湍流时的对流传热系数圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 低粘度流体低粘度流体 Nu=0.027Re0.8Pr1/3（/w）0.14应用范围应用范围 R Re e1000010000，0.70.

38、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）0.14=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 例：例： 常压下，空气以常压下，空气以15m/s的流速在长为的流速在长为4m，603.5mm的的钢管中流动，温度由钢管中流动，温度由150升到升到250。试求管壁对空气的对。试求管壁对空气的对流传热系数。流传热系数。 解：此

39、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）如下时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.560 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928

40、=0.688 .444 .60053. 003928. 0NudW/m2 本题中空气被加热本题中空气被加热,k=0.4代入代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流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对流传热系数的影响。方向对对流传热系数的影响。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

41、。 特性尺寸：取管内径特性尺寸：取管内径di 定性温度：定性温度： 除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的取壁温外，均为流体进、出口温度的 算术平均值。算术平均值。（2 2）流体在圆形直管内作强制层流）流体在圆形直管内作强制层流例：一套管换热器，套管为例：一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管为钢管，内管为252.5mm钢管。环隙中为钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为却水在内管中渡过，进口温度为15，出口为，出口为35。冷却水流。冷却水流速为速为0.5m/s，试求管壁对水的对流传热系数。，试求管壁对水的对流传热系数。 解：此

42、题为水在圆形直管内流动解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度定性温度 t=（15+35）/2=25 查查25时水的物性数据（见附录）如下时水的物性数据（见附录）如下 ：Cp=4.179103J/kg =0.608W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=11045 Re大于大于10000，为湍流区，为湍流区 Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2a可按式可按式 Nu=0.023Re0.8Prk 进行计算进行计算,水被加热水被加热, k=0.4。Nu=0.023

43、Re0.8Prk a=2076.9采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径de即可。即可。当量直径按下式计算当量直径按下式计算具体采用何种当量直径，根据所选用的关联式中的规定而定。具体采用何种当量直径，根据所选用的关联式中的规定而定。润湿周边流体流动截面积 4ed传热周边流体流动截面积 4ed或或 流体在非圆形管内强制对流流体在非圆形管内强制对流蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和和滴状冷凝滴状冷凝两种方式。两种方式。膜状冷凝膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是

44、其主要热阻。的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。滴状冷凝滴状冷凝：若冷凝液不能润湿若冷凝液不能润湿壁面壁面，由于表面张力的作，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。六、流体有相变时的对流传热系数六、流体有相变时的对流传热系数1 1 蒸汽冷凝时的对流传热系数蒸汽冷凝时的对流传热系数4132)(72

45、5.0tdngr在垂直管或垂直板上作膜状冷凝：在垂直管或垂直板上作膜状冷凝： 水平管壁上作膜状冷凝水平管壁上作膜状冷凝式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、导热系数、粘度冷凝液的密度、导热系数、粘度 r饱和蒸汽的冷凝潜热饱和蒸汽的冷凝潜热 t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d管子外径管子外径 n管束在垂直面上的列数管束在垂直面上的列数 （1 1） 膜状冷凝时对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数4132131)tlgr(. 冷凝液膜流动为层流冷凝液膜流动为层流（Re1800）时：）时：冷凝液膜流动为湍流冷凝液膜流动为湍流（Re1800）时：）时：4

46、03123200770./Reg. 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 蒸汽的流向和流速蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流动，蒸汽和液膜同向流动， 液膜厚度液膜厚度( )，若逆向流动，液膜厚度若逆向流动，液膜厚度( )，蒸汽的流速较大，蒸汽的流速较大， 液液 膜膜 吹吹 跑跑 ， 冷凝液膜两侧的温度差冷凝液膜两侧的温度差 t： 当液膜呈滞流流动时，若当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸气冷凝速率增加，因加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，而液膜层厚度增厚， 蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所若蒸汽中含有不凝气体，壁面为

47、气体（导热系数很小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使覆盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降，可达急剧下降，可达60%。 冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响： 如对于翅片管和螺旋管如对于翅片管和螺旋管 ，；传热面积；传热面积S， 冷凝管的方位冷凝管的方位： 对于水平管：对于水平管：若冷凝液从上部各排管子流下，使下部排管液膜若冷凝液从上部各排管子流下，使下部排管液膜变厚，变厚， ；沿垂直方向排管数目；沿垂直方向排管数目， 。管束改。管束改为错列，为错列，或加除液挡板，或加除液挡板， 。 对于垂直管对于垂直管: 尺寸尺寸， ， 。管外开槽，管外开槽， 。 流体的物性流体的物性： （汽化热（汽化热r、密度、密度

48、、），；，2 2 液体沸腾时的对流传热系数液体沸腾时的对流传热系数（1 1） 液体沸腾的基本概念液体沸腾的基本概念 液体的沸腾液体的沸腾: :当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的过程。该过程既有过程。该过程既有导热导热过程又有过程又有对流传热对流传热过程。过程。包括包括大容积沸腾、管内沸腾大容积沸腾、管内沸腾。 大容积沸腾大容积沸腾: :将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾腾（池式沸腾）（池式沸腾） 。大容积沸腾时，液体中一方。大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的面存在着由温差引起的自然对流自然对

49、流，另一方面又，另一方面又因气泡运动所导致的因气泡运动所导致的液体运动液体运动。 管管 内内 沸沸 腾腾: :液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。机理更为复杂。（2） 液体沸腾曲线液体沸腾曲线 大容积饱和液体沸腾的情况随温度差大容积饱和液体沸腾的情况随温度差t（壁温与液体饱和（壁温与液体饱和温度之差）而变，出现不同的沸腾状态。温度之差）而变，出现不同的沸腾状态。1、 AB段段：表

50、面汽化表面汽化:温度差温度差t 较小时，在加热表面的液体较小时，在加热表面的液体 内产生内产生自然对流自然对流，仅在液体，仅在液体 表面发生蒸发，没有气泡逸表面发生蒸发，没有气泡逸 出，沸腾传热系数出，沸腾传热系数和热通和热通 量量q都较低都较低。2、 BC段段：核状沸腾核状沸腾： 当当t升升 高时，加热表面的局部位置高时，加热表面的局部位置 产生气泡，气泡产生的速度产生气泡，气泡产生的速度 随随t上升而增加，由于气泡上升而增加，由于气泡 的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，和和 q 急剧急剧增大。增大。温度差温度差tqABCD线线 q 线线自然

51、对流自然对流核状沸腾核状沸腾膜状沸腾膜状沸腾E3、CD段段：不稳定膜状沸腾或：不稳定膜状沸腾或 部分核状沸腾：部分核状沸腾：当当 t增大到某一增大到某一定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热面。随着加热面。随着 t的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小于液体的，所以传热系数反

52、而下降。远小于液体的，所以传热系数反而下降。4、DE段段：当达到当达到D点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成稳定的气膜，随稳定的气膜，随t增大，增大，不变，不变，q又上升（因为壁温升高，又上升（因为壁温升高，辐射传热的影响增大。一般将辐射传热的影响增大。一般将CDE段称为段称为膜状沸腾膜状沸腾。临界点临界点tc和和qc ：从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点所对应的热流密度和温差称为临界热负荷所对应的热流密度和温差称为临界热负荷qc 和临界温度和临界温度tc 。由于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一由

53、于核状沸腾传热系数较膜状沸腾的大，因此工业生产中一般总是设法控制在核状沸腾。般总是设法控制在核状沸腾。（3） 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素 温度差温度差t ： t是控制沸腾给热过程的重要参数，控制是控制沸腾给热过程的重要参数，控制t 不大于不大于tc ， 使操作处于核状沸腾。在使操作处于核状沸腾。在t tc 时，时， ， t，。 操作压强：操作压强： 提高沸腾压强相当于提高液体的提高沸腾压强相当于提高液体的t s ，使液体的表面张力，使液体的表面张力 和粘度和粘度均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸均下降，有利于汽泡的生成和脱离，能强化沸 腾传热。在相同的腾传热。在相同的 t下，下

54、，和和q都提高。都提高。 液体性质的影响液体性质的影响 液体的液体的， 和表面张力和表面张力 ，汽化潜热，汽化潜热r等均对沸腾等均对沸腾 传热有重要影响。一般认为：传热有重要影响。一般认为： （导热能力（导热能力）或）或（自然对流（自然对流） 或或（气泡易于脱离（气泡易于脱离） 32t 加热表面加热表面 加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响。加热壁面的材料和粗糙度对沸腾给热有重要的影响。 表面粗糙度表面粗糙度，气泡核心数，气泡核心数 表面油污表面油污， （4） 沸腾传热系数的计算沸腾传热系数的计算由于沸腾传热过程复杂，计算式均为经验式，如：由于沸腾传热过程复杂，计算式均为经验式，如：莫

55、斯金斯基经验式：莫斯金斯基经验式：3321631.TZ. c.cp/pRRRR.p.Z 33310211703281048110241）（R为对比压强；为对比压强；p为操作压强；为操作压强；pc为临界压强为临界压强 对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些方程时应注意以下几点：在应用这些方程时应注意以下几点：1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。是自然对流，是否有相变等。2、选定相应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用、选

56、定相应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用的公式的使用条件。的公式的使用条件。3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，再进行验证。进行验证。4、计算公式中的各物性数据的单位。、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数小结对流传热系数小结5、冷凝传热和沸腾传热机理、影响因素（重点）。、冷凝传热和沸腾传热机理、影响因素（重点）。传热计算主要有两种类型：传热计算主要有两种类型： 设计计算设计计算 根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。 校核计算校核计算 计算给定换热器的传热量、流体的

57、温度或流量。计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 若换热器中两流体若换热器中两流体无相变无相变时，且认为流体的比热不随温时，且认为流体的比热不随温度而变，则有度而变，则有式中式中 cp流体的平均比热，流体的平均比热，kJ/（kg ） t冷流体的温度，冷流体的温度， T热流体的温度，热流体的温度， Q=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t2-t1)一、换热器的热量平衡方程一、换热器的热量平衡方程前提：对间壁式换热器作能量恒算，在前提：对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失忽略热损失的情况下的情况下若换热器中的热流体若换热器中的热流体有相变有相变

58、，如，如饱和蒸汽冷凝饱和蒸汽冷凝时，则有时，则有 当当冷凝液的温度低于饱和温度冷凝液的温度低于饱和温度时，则有时，则有 式式中中 qm1饱和蒸汽（热流体）的冷凝速率，饱和蒸汽（热流体）的冷凝速率，kg/h r饱和蒸汽的冷凝潜热饱和蒸汽的冷凝潜热(蒸汽冷凝相变焓蒸汽冷凝相变焓)，kJ/kgQ=qm1r=qm2cp2(t2-t1)注注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。Q=qm1r+cp1(Ts-T2)=qm2cp2(t2-t1)式中式中 cp1冷凝液的比热，冷凝液的比热， kJ/（kg ） Ts冷凝液的饱和温度，冷凝液的饱和温度， 二、总传

59、热系数二、总传热系数1 1 总传热系数的定义总传热系数的定义221111mTtdQbdAdAdA 对于管式换热器，假定管内对于管式换热器，假定管内作为加热侧，管外为冷却侧，作为加热侧，管外为冷却侧，则通过任一微元面积则通过任一微元面积dA的传热的传热由三步过程构成。由三步过程构成。由热流体传给管壁由热流体传给管壁 dQ2=2(T-Tw)dA2由管壁传给冷流体由管壁传给冷流体 dQ1=1(tw-t)dA1通过管壁的热传导通过管壁的热传导 dQw=(/b)(Tw-tw)dAm由上三式可得由上三式可得twTw管外对流管外对流管内对流管内对流导热导热冷冷流流体体热热流流体体tTdQdQ22dQ11dQ

60、w 通过换热器中任一微元面积通过换热器中任一微元面积dA的间壁两侧流体的传热速率的间壁两侧流体的传热速率方程（仿对流传热速率方程）为方程（仿对流传热速率方程）为 dQ=KdA(T-t)式中式中 K总传热系数，总传热系数， w/（m2 ） T换热器的任一截面上热流体的平均温度，换热器的任一截面上热流体的平均温度， t换热器的任一截面上冷流体的平均温度，换热器的任一截面上冷流体的平均温度， 上式称为上式称为总传热速率方程。总传热速率方程。 定义：定义：2211111mbKdAdAdAdA 在工程大多以外表面积为基准，即取在工程大多以外表面积为基准，即取dA =dA1，当，当K取整取整个换热器的平均