第04章热量传递

1、第四章 热量传递 河南城建学院河南城建学院环境工程原理环境工程原理教学课件教学课件在环境工程中，很多过程涉及加热和冷却：对水或污泥进行加热；对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；在冷却操作中移出热量。传热是极普遍的过程：凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。第四章 热量传递环境工程中涉及的传热过程主要有两种情况：强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。传热速率问题第一节 热量传递的方式第二节 热传导第三节 对流传热第四节 辐射传热第五节 换热器 本章主要内容第四章 热量传递主要内容主要内容1 1热量传递的方式热量传递的方式： 热传导热

2、传导 对流传热对流传热 辐射传热辐射传热2 2热传导热传导（1 1）傅立叶定律）傅立叶定律傅立叶定律、导热系数傅立叶定律、导热系数 导温系数导温系数（2 2）通过壁面的稳定热传导）通过壁面的稳定热传导通过平壁和圆管壁的热传导速率方程、串联热阻叠加原则、接触热阻通过平壁和圆管壁的热传导速率方程、串联热阻叠加原则、接触热阻 3 3对流传热对流传热（1 1）对流传热机理）对流传热机理 传热边界层、边界层厚度、影响对流传热的因素传热边界层、边界层厚度、影响对流传热的因素 （2 2）对流传热速率）对流传热速率 牛顿冷却定律、牛顿冷却定律、* *对流传热系数（管内强制对流、大空间自然对流、蒸气冷凝）对流传

3、热系数（管内强制对流、大空间自然对流、蒸气冷凝）（3 3）保温层的临界直径）保温层的临界直径 （4 4）间壁传热过程）间壁传热过程 总传热速率方程、总传热系数、对流传热控制总传热速率方程、总传热系数、对流传热控制 、平均温差计算、平均温差计算、* *传热单元数法传热单元数法 4 4辐射传热辐射传热（1 1）辐射传热的基本概念）辐射传热的基本概念 热辐射、辐射传热、物体的辐射能力、单色辐能力、最大单色辐射能热辐射、辐射传热、物体的辐射能力、单色辐能力、最大单色辐射能力的波长与温度的关系力的波长与温度的关系（2 2）黑体和灰体的辐射能力）黑体和灰体的辐射能力 斯蒂芬波尔茨曼定律、黑度、克希霍夫定律

4、、物体间的辐射传热斯蒂芬波尔茨曼定律、黑度、克希霍夫定律、物体间的辐射传热速率速率 （3 3）气体热辐射的特点）气体热辐射的特点5 5换热器换热器 （1 1）换热器的分类与结构形式）换热器的分类与结构形式 （2 2）间壁式换热器的类型与结构）间壁式换热器的类型与结构 （3 3）强化传热的途径）强化传热的途径第一节 热量传递的方式一、热传导二、对流传热三、辐射传热 本节的主要内容要点：与实际相结合 环境工程中常见的热量传递过程 热量传递的三种方式一、热传导第一节 热量传递的方式热传导通过物质的通过物质的分子、原子和电子分子、原子和电子的振动、位移和相的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。互碰

5、撞发生的热量传递过程。 物体各部分之间物体各部分之间无宏观运动无宏观运动 在在气态、液态和固态气态、液态和固态物质中都可以发生，但热量传递机理不同。物质中都可以发生，但热量传递机理不同。气体：气体：气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果。固体固体：晶格振动和自由电子的迁移。在非导电的固体中，主要通过分子、：晶格振动和自由电子的迁移。在非导电的固体中，主要通过分子、原子在原子在晶体结构平衡位置附近晶体结构平衡位置附近的振动传递能量；对于良好的导电体，类似的振动传递能量；对于良好的导电体，类似气体分子的运动，气体分子的运动，自由电子自由电子在在晶格之间运动晶

6、格之间运动，将热量由高温区传向低温区，将热量由高温区传向低温区，由于自由电子数目多，传递的热量多余晶格振动所传递的热量。由于自由电子数目多，传递的热量多余晶格振动所传递的热量。液体：液体：其结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传其结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既依靠递既依靠分子的振动分子的振动，又靠，又靠分子间的相互碰撞分子间的相互碰撞。二、对流传热二、对流传热 根据根据引体流体质点位移引体流体质点位移（流体流动）的原因，可分为（流体流动）的原因，可分为: : 自然对流传热自然对流传热：由于流体：由于流体内部温度的不均匀分布内部温度的不均匀分布形成

7、密度形成密度差，在浮力的作用下流体发生对流而产生的传热过程。差，在浮力的作用下流体发生对流而产生的传热过程。 强制对流传热强制对流传热：由于水泵、风机或其他外力引起流体流动：由于水泵、风机或其他外力引起流体流动而产生的传热过程。而产生的传热过程。 根据流体与壁面传热过程中根据流体与壁面传热过程中流体状态是否发生变化流体状态是否发生变化，可将，可将对流传热分为对流传热分为无相变的对流传热无相变的对流传热和和有相变的对流传热有相变的对流传热。对流传热流体中流体中质点发生相对位移质点发生相对位移而引起的热量传递过程，而引起的热量传递过程，通常认为是通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程流体与固体壁

8、面之间的热传递过程。仅发生在仅发生在液体和气体液体和气体中。中。第一节 热量传递的方式三、辐射传热三、辐射传热 物体将热能变为辐射能，以物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式电磁波的形式在空中传播，当在空中传播，当遇到另一个物体时，又被物体全部或部分吸收而变成热能。遇到另一个物体时，又被物体全部或部分吸收而变成热能。因此，辐射传热不仅是因此，辐射传热不仅是能量的传递能量的传递，同时还伴随有，同时还伴随有能量形能量形式的变化式的变化。 注：辐射传热注：辐射传热不需任何介质作媒介不需任何介质作媒介，它可以在，它可以在真空中真空中传播。传播。第一节 热量传递的方式辐射传热物体由于热的原因而发出辐射能的

9、过程。一、傅立叶定律二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导本节的主要内容第二节 热传导在在气态、液态气态、液态和和固态固态物质中物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。气体气体热量传递是热量传递是气体分子作不规则热运动气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；时相互碰撞的结果； 固体固体以两种方式传递热量：以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移晶格振动和自由电子的迁移；液体液体的结构的结构介于气体和固体之间介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠

10、分子间的相互碰撞。由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。机理：机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。发生的热量传递过程。 条件：物体各部分之间无宏观运动。导热基本上可看作分子传递现象，热量传递规律可用傅里叶定律描述。 第二节 热传导T=T0QT=T1热流流量t=0T=T0T=T0需要一个恒定的热量流量Q通过，才能维持温度差01TTT不变第二节 热传导一、傅立叶定律YTAQyTAQqddQ Q：y y方向上的方向上的热量流量热量流量，也称为传热速率，也称为传热速率，W W导热系数导热系数，W/(mW/(mK K

11、) )y y方向上方向上热量通量热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，热量，又称为热流密度，W/mW/m2 2垂直于热流方向的垂直于热流方向的面积，面积，m m2 2y y方向上的温度梯方向上的温度梯度度, , K/m K/m傅立叶定律第二节 热传导一、傅立叶定律(4.2.1)(4.2.2)yTAQqdd热量通量与温度梯度成正比负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。yTccqppdd变换：pcayTcaqpd)d(导温系数，或称热量扩散系数，m2/s热量浓度热量浓度, ,单位体积流体所单位体积流体所具

12、有的热量，具有的热量，J/mJ/m3 3热量传递的推动力令第二节 热传导一、傅立叶定律(4.2.3)(4.2.4)是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力 pca单位体积物质温度升高1oC时所需要的热量,代表物质的蓄热能力 导热系数，表明物质的导热能力apc说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散或第二节 热传导导温系数yTqdd导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率表明物质导热性强弱即导热能力的大小是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关不同物质的导热系数差异较大，对于同一种物质， 值可能随不同的方向变化各向异性第二节 热传导二、导热系数(4.2.5)（1）

13、气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比，在真空下接近零。 一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。 气体中H2的导热系数最高。气体的导热系数第二节 热传导二、导热系数（一） 的影响因素：气体的导热系数很小，不利于导热，但利于绝热、保温气体的导热系数很小，不利于导热，但利于绝热、保温液体的导热系数 水甘油第二节 热传导二、导热系数（2）液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外） bTa压力对其影响不大。 经验公式：16TW(m k)-1W(m k)-1 （3）固体的导热系数影响因素较多 金

14、属中自由电子的运动速度快，金属中自由电子的运动速度快，金属的导热系数比一般非金属大的多金属的导热系数比一般非金属大的多。纯金属纯金属的导热系数随温度升高而减小；的导热系数随温度升高而减小；合金合金却相反，随温度上升而增大。却相反，随温度上升而增大。晶体晶体的导热系数随温度的升高而减小，的导热系数随温度的升高而减小，非晶体非晶体则相反。非晶体的导热系则相反。非晶体的导热系数均低于晶体。数均低于晶体。非金属中，非金属中，石墨石墨的导热系数最高，高于一般金属，是制作耐腐蚀换热器的导热系数最高，高于一般金属，是制作耐腐蚀换热器的理想材料。的理想材料。干燥的多孔性固体导热性很差，通常作隔热材料。干燥的多

15、孔性固体导热性很差，通常作隔热材料。第二节 热传导二、导热系数固体的导热系数 对于环境工程中经常遇到的气体和水，导热系数随温度对于环境工程中经常遇到的气体和水，导热系数随温度升高而增高，压力对其影响不大升高而增高，压力对其影响不大金属液体隔热材料气体金属50415 W/(mK)，合金12120 W/(mK)0.030.17 W/(mK）0.170.7 W/(mK)0.0070.17 W/(mK) 氢水水是工程上最常用的导热介质水是工程上最常用的导热介质换热壁面材料多孔材料作为保温材料多孔材料作为保温材料保温材料受潮后隔热性能将保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降大幅度下降防潮防潮（二）工程中常用

16、材料的导热系数第二节 热传导（1 1）在液体中，水的导热系数最大，）在液体中，水的导热系数最大，2020时为时为0.60.6W W(m K)(m K)。因此，。因此，水是工程上最常用的导热介质。水是工程上最常用的导热介质。 （3 3）非金属中，石墨的导热系数最高，可达）非金属中，石墨的导热系数最高，可达100100200W200W（mKmK），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。 水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮

17、后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。 （2 2）气体的导热系数很小气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上温。工业上常用多孔材料作为保温材料常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。中存在的气体，使导热系数变小。第二节 热传导(一)单层平壁的稳态热传导平壁厚度为b，壁面两侧温度分别为1T2T12TT一维稳态热传导 xAQddT10:xTT2:xb TT)(21TTAbQb1T2T第二节 热传导三、通过平壁的稳态热传导(4.2.6)(4.2.

18、7)，T T1 1和和T T2 2不随时间变化，该平壁的热传导为一维不随时间变化，该平壁的热传导为一维稳态热传导，热传导速率为常数稳态热传导，热传导速率为常数若材料的若材料的导热系数不随温度导热系数不随温度（或取平均导热系数），（或取平均导热系数），边界条件为边界条件为rTAQqT温差 为传热的推动力。)(21TTAbQAbRRTRTTQ)(21br 导热热阻，K/W单位传热面积的导热热阻，m2K/W温度差传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大，热传导速率越小。传热速率=传热的推动力导热热阻第二节 热传导【例题【例题4.2.14.2.1】某平壁厚度】某平壁厚度b b为为400mm

19、400mm，内表面温度，内表面温度T T1 1950950，外表面温度，外表面温度T T2 2 300300，导热系数，导热系数=1.0+0.001T W/(m=1.0+0.001T W/(mK)K)， T T 的单位为的单位为。若将导热系数。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。度分布。取为常数取为常数12m95030062522TTTm1.00.001 6251.62512m9503001.62526410.4TTqbW/m2W/(mK)？T ？q解：（解：（1 1）导热系数按

20、平壁的平均温度）导热系数按平壁的平均温度第二节 热传导(一)单层平壁的稳态热传导（2 2）导热系数取为变量）导热系数取为变量xTTxTqdd)001. 00 . 1 (dd分离变量并积分分离变量并积分bTTxqTT0dd)001.00.1(21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此2212120 .0 0 1()()2TTTTq b1m264195095016251.625qTTxxx即温度分布为直线关系。即温度分布为直线关系。以以x x表示沿壁厚方向上的距离，在表示沿壁厚方向上的距离，在x x处处等温面上的温度为等温面上的温度为第二节 热

21、传导xTTqm122110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx整理，得20.0011401264102TTx此时温度分布为曲线。在x处22121222210.001()()210.001(950300)(950300 )0.422641W/mqTTTTb第二节 热传导（二）多层平壁的热传导AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321串联热阻叠加原则 层与层之间接触良好 11QRT 22QRT 33QRT 热阻越大，通过该层的温度差也越大 1b1232b3bQ121111()TTTQAbR传热的推动力导热热阻232222()TTTAbR34

22、3333()TTTAbR第二节 热传导(4.2.10)附加热阻附加热阻接触热阻，若以接触热阻，若以r r0 0表示单位面积表示单位面积传热面的接触热阻，则通过两层平壁的热量传热面的接触热阻，则通过两层平壁的热量通量为：通量为： 层与层之间存在空气层 2201131brbTTq与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面的压紧力和空隙中的气压等有关的压紧力和空隙中的气压等有关 接触热阻接触热阻（三）n层平壁的热传导111111nnnniiiiiTTTTbRAQ 第二节 热传导(4.2.11)AbAbAbTTQ3322114111qrT 22qrT 33qrT

23、33221141bbbTTq211930 117813TTT322813555258TTT2T3Tq第二节 热传导【例题【例题4.2.2】采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为对于半径为r r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有dd(2)ddTTQArLrr 稳态导热时，径向的稳态导热时，径向的Q Q为常数，将上式分离变为常数，将上式分离变量并积分量并积分2211d2drTrTrQLTr 传热面积随半径发生变化传热面积随半径发生变化内径r1外径r21T2Trd1212212lnTTTTQLrRr半径r第二节 热传导四、通过圆管

24、壁的稳定热传导(4.2.13)12mTTQbA21ln2rrRLmbRA21brr21m21lnAAAAA当21(/ )2rr 时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算 21m21lnrrrrrmm2Ar L1212212lnTTTTQLrRr21ln2rrRL圆管壁的导热热阻，圆管壁的导热热阻，K/W K/W AbR平壁的导热热阻平壁的导热热阻对数平均半径对数平均面积第二节 热传导第二节 热传导对于n层材料组成的圆管壁的热传导假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA(4.2.13)12

25、212lnTTQLrr12212lnTTQrLr设保温层内半径为r处的温度为T112lnTTQrLr第二节 热传导【例题【例题4.2.34.2.3】外径为】外径为426mm426mm的蒸汽管道外包装厚度为的蒸汽管道外包装厚度为426mm426mm的保温材料，保温材的保温材料，保温材料的导热系数为料的导热系数为0.615W/(m0.615W/(mK)K)。若蒸汽管道外表面温度为。若蒸汽管道外表面温度为177177，保温层的外表，保温层的外表面温度为面温度为3838，试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布。，试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布。 保温层内的温度分布为曲线 第二节 热传导(1

26、)(1)简述傅立叶定律的意义和适用条件。简述傅立叶定律的意义和适用条件。(2)(2)分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。(3)(3)为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？(4)(4)当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。(5)(5)若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试

27、分析应如何布置效果最好。何布置效果最好。本节思考题第三节 对流传热 一、影响对流传热的因素二、对流传热的机理三、对流传热速率四、对流传热系数的经验式五、保温层的临界直径六、间壁传热过程计算本节的主要内容对流传热：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程对流传热仅发生在流体中对流与热传导的区别： 流体质点的相对位移 （1）流动对传热的贡献 搅拌杯中热水人站在冷风里在高温的夏季里，打开电扇流体流动使对流传热速率加快加快热水冷却与站在背风的地方相比感觉要冷得多人会感到凉快电扇风速越大，感觉愈凉快些第三节 对流传热 对流换热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换对流换热过程是热传

28、导与对流联合作用的结果。 （2）对流换热过程第三节 对流传热 工程中常见的对流换热过程 间壁式换热器的换热过程流体的热交换热交换器（换热器）套管式换热器 第三节 对流传热 列管式换热器（3）间壁式换热器热量传递过程：（1）热量由热流体传给固体壁面（2）热量由壁面的热侧传到冷侧（3）热量由壁面的冷侧传到冷流体对流传热对流传热导热对流对流导热第三节 对流传热 强制对流传热流体在外加能量的作用下处于流动状态自然对流传热流体由于内部温度差产生密度差而流动流体在传热过程中有无相变热水冷却 蒸汽冷凝 套管式换热器 （4）对流传热问题的分类暖气片第三节 对流传热 （1）流体的物性特征（2）固体壁面的几何特征

29、（3）流体的流动特征固体壁面的形状、尺寸、方位、粗糙度、是否处于管道进口段以及是弯管还是直管等。pca流体的密度或比热容pc 越大，流体与壁面间的传热速率越大导热系数越大，热量传递越迅速；流体的黏度m越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。 第三节 对流传热 一、影响对流传热的因素（3）流动特征流动起因（自然对流、强制对流）流动状态（层流、湍流）有无相变化（液体沸腾、蒸汽冷凝）流体对流方式（并流、逆流、错流）第三节 对流传热 WT0TWT0T热量传递固体壁面附近形成温度分布？传热的机理第三节 对流传热 二、对流传热的机理热壁面热壁面(一)流动边界层的传热机理及温度分布 流体层与层之间无流体质点

30、的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过导热进行。 （1）层流边界层层流区湍流区WT0T 与静止流体中的导热一样吗？第三节 对流传热 二、对流传热的机理在静止的流体中在层流流动的流体中机理相同大小变化质点发生相对位移 实际上，流体流动使传热增强。 流体的流动增大了壁面处的温度梯度，使壁面处的热通量较静止时大 (一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热 （2）湍流边界层层流底层缓冲层湍流中心湍流区 层流底层中，热量传导主要依靠导热进行，符合傅立叶定律，温度分布几乎为直线； 由于流体的导热系数较低，使层内导热热阻很大，因此该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大。由边界层的流动情况决

31、定(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热 层流底层缓冲层湍流中心湍流区 缓冲层中，质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。 在湍流中心，质点强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小；温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热 湍流传热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳定的串联传热过程，热阻集中在层流底层上。湍流传热速率远大于层流。层流底层缓冲层湍流中心湍流区减少层流底层厚度是强化传热的重要途径 湍流流动中存在流体质点的随机脉动，促使流

32、体在y方向上掺混，传热过程被强化 热阻分布情况？湍流传热速率的大小？(一)流动边界层的传热机理及温度分布第三节 对流传热 (T-TW)0.99(T0-TW) 将(T-TW)0.99(T0-TW)处作为传热边界层的界限，该界限到壁面的距离称为边界层的厚度。 壁面附近因传热而使流体温度发生变化的区域（即存在温度梯度的区域）(二)传热边界层（1）传热边界层（2）传热边界层的厚度T 边界层以外的区域认为不存在温度梯度。传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热阻力取决于传热边界层的厚度。T第三节 对流传热 取决于普兰德数PrmanprcP表明分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。T(T-TW)0.

33、99(T0-TW)mnpcaPr1时，TT温度变化主要在层流底层中，热阻主要集中在层流底层中(二)传热边界层第三节 对流传热 流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系Pr动力黏度WT0TWT0T2TTAQdd1TdA(一)牛顿冷却定律 通过传热面dA的局部对流传热速率局部对流传热系数，或称膜系数，W/(m2.k)dAQ第三节 对流传热 三、对流传热速率(4.3.1)(一)牛顿冷却定律 TAQddWTTTWTTT与传热方向垂直的微元传热面积，m2局部对流传热系数，或称为膜系数，W/（m2K）流体与固体壁面dA之间的温差，K通过传热面dA的局部对流传热速率，W流体被冷却时在流体被加热时与流体相接触的

34、传热壁面的温度，K流体的温度通过传热面的传热速率正比于固体壁面与周围流体的温度差和传热面积 第三节 对流传热 TAQATQ1A1为对流传热热阻。局部对流传热系数 在传热过程中，温度沿程变化，因此对流系数为局部的参数。在实际工程中，常采用平均值进行计算，因此牛顿冷却定律可写成W/（m2K）对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即AbR导热热阻第三节 对流传热 (一)牛顿冷却定律 (4.3.2a)(4.3.2b)（二）对流传热系数 不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等，通壁面情况、流动

35、原因、流动状况、流体是否有相变等，通常由实验确定常由实验确定第三节 对流传热 换热方式空气自然对流525气体强制对流20100水自然对流2001000水强制对流100015000水蒸气冷凝500015000有机蒸气冷凝5002000水沸腾250025000 流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用用 表示近壁处的温度梯度，则表示近壁处的温度梯度，则0yyT0ddyyTAQ牛顿冷却定律牛顿冷却定律0yyTT很难得出！ （一）对流

36、传热微分方程（了解）TAQdd对流传热微分方程式对流传热微分方程式理论上计算对流传热系数的基础y第三节 对流传热 四、对流传热系数的经验式0yyTT层流边界层或层流底层的厚度减小通过改善流动状况使层流底层厚度减小，是工程上强化对流传热的主要途径之一（1 1）量纲分析并结合实验，建立相应的经验关联式）量纲分析并结合实验，建立相应的经验关联式 （2 2）利用动量传递与热量传递的类似性，建立对流传热系数与）利用动量传递与热量传递的类似性，建立对流传热系数与范宁摩擦因子之间的定量关系，通过较易求得的范宁摩擦因子范宁摩擦因子之间的定量关系，通过较易求得的范宁摩擦因子f f来求取来求取 求解对流传热系数的

37、途径 第三节 对流传热 (4.3.3) 研究表明，对于一定类型的传热面，流体的传热系数研究表明，对于一定类型的传热面，流体的传热系数与下列因素有关与下列因素有关:流流速，热换面尺寸速，热换面尺寸L，流体的粘度，流体的粘度、导热系数、导热系数、密度、密度、比热容、比热容cp以及升浮以及升浮力力gT(为体积膨胀系数为体积膨胀系数)。),(TgcLufpm第三节 对流传热 四、对流传热系数的经验式（二）无量纲准数方程式（了解）采用量纲分析法采用量纲分析法, ,可得到各物理量之间的关系可得到各物理量之间的关系, ,即即hfpaTgLcLukL223mmmhfaGrkNuPrRe:努塞尔特数努塞尔特数,

38、 ,无量纲准数无量纲准数, ,表示对流传热系数的特征数表示对流传热系数的特征数; ;: :普兰德数普兰德数, ,由流体物性参数组成的无量纲数由流体物性参数组成的无量纲数; ;: :格拉晓夫数格拉晓夫数, ,无量纲准数无量纲准数, ,表示自然对流影响的特征数表示自然对流影响的特征数; ;NuPrGr 传热面的类型要相同，同时无量纲准数传热面的类型要相同，同时无量纲准数ReRe、PrPr和和GrGr应在实验数应在实验数值范围内，原则上不能外推。因此，准数关联式通常给出值范围内，原则上不能外推。因此，准数关联式通常给出ReRe、PrPr或或GrGr的数值范围的数值范围。 无量纲准数与无量纲准数与定性

39、温度、特征尺寸和特征速度定性温度、特征尺寸和特征速度相对应，使用相对应，使用准数方程时必须严格按照该方程的规定选取定性温度、特征尺寸准数方程时必须严格按照该方程的规定选取定性温度、特征尺寸和特征速度。和特征速度。第三节 对流传热 要求(三)管内强制对流传热1流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动0.8f0.023NuRePr努塞尔特数 LNupcPrm普兰德数 0.8ii0.023fpcd udmm流体被冷却时,f0.3流体被加热时,f0.4对于低黏度（小于对于低黏度（小于2 2倍常温水的黏度）的流体倍常温水的黏度）的流体, ,通常采用下式计通常采用下式计算对流传热系数算对流传热系数: :第三节

40、 对流传热 (4.3.6a)(4.3.6b)定性温度：流体进出口温度的算术平均值。特征尺寸：管内径id410Re 0.7120Pr管内壁面光滑；管长与管径之比i/L d50。 应用条件：应用范围： 传热面的类型要相同，同时无量纲准数传热面的类型要相同，同时无量纲准数ReRe、PrPr和和GrGr应在实验数应在实验数值范围内，原则上不能外推。因此，准数关联式通常给出值范围内，原则上不能外推。因此，准数关联式通常给出ReRe、PrPr或或GrGr的数值范围的数值范围。 无量纲准数与无量纲准数与定性温度、特征尺寸和特征速度定性温度、特征尺寸和特征速度相对应，使用相对应，使用准数方程时必须严格按照该方

41、程的规定选取定性温度、特征尺寸准数方程时必须严格按照该方程的规定选取定性温度、特征尺寸和特征速度。和特征速度。第三节 对流传热 4.3.6式的应用条件第三节 对流传热 对于高黏度的液体,采用以下修正公式14. 033. 08 . 0PrRe027. 0wNumm定性温度下的液体黏度壁温下的液体黏度定性温度定性温度：除黏度：除黏度w w的温度为壁温外的温度为壁温外, ,其余均为流体进出口温度其余均为流体进出口温度的算术平均值。的算术平均值。特征尺寸特征尺寸：管内径：管内径d di i管内壁面光滑；管长与管径之比i/L d50。 应用条件：应用范围应用范围：0.7Pr16700;湍流情况下，对流传

42、热系数与流速的0.8次方成正比，与管径的0.2次方成反比。0.8ii0.023fpcd udmm强化传热：提高流速或采用小直径的管道，其中提高流速更为有效。第三节 对流传热 (4.3.6b)讨论第三节 对流传热 对于 50的短管i/L d 由于进口段流体的速度和温度在不断变化，因此对流传热系数变化由于进口段流体的速度和温度在不断变化，因此对流传热系数变化较大。为了修正进口段的影响，乘以较大。为了修正进口段的影响，乘以大于大于1 1的短管修正系数的短管修正系数0 .7il1dL对式对式4.3.64.3.6和和4.3.74.3.7进行修正进行修正, ,得得fiLdNuPrRe1023.08 .07

43、 .014. 033. 08 . 07 . 0PrRe1027. 0wiLdNumm4.3.84.3.92流体在圆形直管内呈层流状态流动 层流流动下进口段影响较大层流流动下进口段影响较大: :当当PrPr值接近于值接近于1 1、ReRe接近接近20002000时，进口段时，进口段的长度大约为管径的的长度大约为管径的100100倍；当倍；当PrPr值大于值大于1 1，则进口段的长度可能超过管径，则进口段的长度可能超过管径的几千倍或上万倍，使得整个管长均在进口段范围内，因此计算传热系数的几千倍或上万倍，使得整个管长均在进口段范围内，因此计算传热系数时应考虑进口段的影响。时应考虑进口段的影响。 往往

44、需要考虑附加的自然对流传热的影响往往需要考虑附加的自然对流传热的影响 ：在小管径且流体和壁面的在小管径且流体和壁面的温差不大温差不大的情况下，的情况下，GrGr2500025000，自然对流的影响可忽略自然对流的影响可忽略。此时，可采用下。此时，可采用下列关联式：列关联式：322Lg TGr m格拉晓夫数，表示自然对流影响的特征数为体积膨胀系数 层流与湍流流动传热的区别：层流与湍流流动传热的区别：第三节 对流传热 (三)管内强制对流传热除黏度除黏度 的温度为壁温外，其余均为流体进、出口的温度为壁温外，其余均为流体进、出口温度的算术平均值。温度的算术平均值。定性温度：定性温度：Wm特征尺寸：管内

45、径特征尺寸：管内径应用范围：应用范围：2300Re 0.66700Pri10dRe PrLid应用条件：小管径且流体和壁面的温差不大时，小管径且流体和壁面的温差不大时， 25 0002500025000时，时，层流的温度差引起的自然对流传热的影响不能忽层流的温度差引起的自然对流传热的影响不能忽略，此时在上式的基础山乘以修正系数略，此时在上式的基础山乘以修正系数)015. 01 ( 8 . 031Gr(4.3.11)对于2300 104时的过渡区，其传热情况非常复杂，对流传热系数可先用湍流时的经验式计算，再乘以小于1的修正系数Re51.86 101Re 3.流体在圆形直管内呈过渡流状态流动第三节

46、 对流传热 (4.3.12)流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态流动：0.8ii0.023fpcd udmm(4.3.6b)(三)管内强制对流传热R弯管的曲率半径，m由于离心力的作用，扰动加剧，层流底层变薄，使传热系数增加(1 1.77/ )idR第三节 对流传热 (4.3.13)(三)管内强制对流传热4.流体在圆形弯管内流动的对流传热系数Rdi77. 11例例4.3.1 4.3.1 常压下空气在内径为常压下空气在内径为30mm30mm的管中流动，温度由的管中流动，温度由170170升升高到高到230 230 ，平均流速为，平均流速为15m/s15m/s。试求：。试求：（1 1）空气与管壁之间的对

47、流传热系数。）空气与管壁之间的对流传热系数。（2 2）若流速增大为）若流速增大为25m/s25m/s时，则结果如何？时，则结果如何？第三节 对流传热 解：定性温度：（解：定性温度：（170+230170+230）/2=200 /2=200 ，通过查表得常压和，通过查表得常压和200 200 下空气的物性参数下空气的物性参数计算计算ReRe，判断流动状态（湍流、层流还是过渡状态），判断流动状态（湍流、层流还是过渡状态）计算计算PrPr计算对流传热系数计算对流传热系数(四)大空间自然对流传热对流传热系数与 和 有关GrPrC、n与传热表面的形状和位置以及 有关，见表4.3.2Gr Pr（） 固体壁

48、面与静止流体之间，由于固体壁面与静止流体之间，由于流体内部存在温差流体内部存在温差造成密度差，使流造成密度差，使流体在体在升浮力作用下流动升浮力作用下流动，即产生自然对流，称自然对流传热。，即产生自然对流，称自然对流传热。 大空间自然对流传热是指固体壁面周围的自然对流不受空间限制或干大空间自然对流传热是指固体壁面周围的自然对流不受空间限制或干扰的自然对流传热。换热过程中常用的换热设备、中温或高温反应器、热扰的自然对流传热。换热过程中常用的换热设备、中温或高温反应器、热水或蒸汽管道等的热表面向周围大气的对流散热水或蒸汽管道等的热表面向周围大气的对流散热 定性温度取壁面与流体平均温度的算术平均值

49、，特征尺寸见表4.3.2第三节 对流传热 nGrCNuPr)(四)大空间自然对流传热第三节 对流传热 表4.3.2 常见大空间自然对流时的C和n值设备和管道保温的方法是在其外部包装绝热材料问题：保温层的厚度？越厚越好？c1TfT1d2d1f1f21122ln(/)12ccTTTTQddRRLd L211ln(/)2ddRL221Rd L传导热阻对流传热热阻当保温层厚度增加（即 增大）时2d1R2R热传导对流传热Q?第三节 对流传热 五、保温层的临界直径(4.3.19)12222212112 ()2d0dln(/)1cfL TTddQdddd由此得到热损失 为最大值时的保温层直径：Q2c2dd2

50、dddQ为正值保温层的临界直径保温层的临界厚度c12dd如果保温层的外径小于临界直径即2cdd即增加保温层的厚度反而使热损失增加。第三节 对流传热 【例【例4.3.44.3.4】外径为】外径为25mm25mm的钢管，其的钢管，其外壁温度外壁温度保持保持350350，为减少热损失，为减少热损失，在管外包一层在管外包一层导热系数导热系数为为0.2W/(m0.2W/(mK)K)的保温材料。已知保温层外壁对空气的的保温材料。已知保温层外壁对空气的对流传热系数对流传热系数近似为近似为10 W/(m10 W/(m2 2K)K)，空气温度空气温度为为2020。试求。试求（1 1）保温层厚度分别为）保温层厚度

51、分别为2mm2mm、5mm5mm和和7mm7mm时，每米管长的热损失及保温层外时，每米管长的热损失及保温层外表面的温度；表面的温度；（2 2）保温层厚度为多少时热损失量最大？此时每米管长的热损失及保温层）保温层厚度为多少时热损失量最大？此时每米管长的热损失及保温层外表面的温度各为多少？外表面的温度各为多少？（3 3）若要起到保温作用，保温层厚度至少为多少？设保温层厚度对管外空）若要起到保温作用，保温层厚度至少为多少？设保温层厚度对管外空气对流传热系数的影响可忽略。气对流传热系数的影响可忽略。第三节 对流传热 解：（1）c1f2122235020ln(/)ln(/0.025)11220.210T

52、TQdddLdd稳态传热时，各层传热速率相等，即稳态传热时，各层传热速率相等，即c1f212ln(/)12TTQddLd1f21QTTLd当保温层厚度为当保温层厚度为2mm2mm时，时，35020271.3ln(0.029/0.025)12 0.2 0.029 10QL1120271.3318 0.029 10T d20.029mW/mo1350 CcT o20 CfT1d2d1?T ?QL1f21TTd第三节 对流传热 同理，当保温层厚度为同理，当保温层厚度为5mm5mm时，时，d20.035m0 .280LQ2751T当保温层厚度为当保温层厚度为7mm7mm时，时，d20.039m6.28

53、1LQ2501T在保温层为在保温层为2 27mm7mm时，随着厚度的增加，热损失量增加。时，随着厚度的增加，热损失量增加。W/mW/m第三节 对流传热 （2）热损失达到最大值时的保温层直径为临界直径，即 04. 0102 . 0222cddm 保温层的临界厚度为 （cd1d）/2（0.04-0.025）/2=0.0075m 此时，得 9 .281maxLQW/m 2441T 第三节 对流传热 （3 3）为了起到保温作用，加保温层后应使热损失小于裸管时的热损失。）为了起到保温作用，加保温层后应使热损失小于裸管时的热损失。因此保温层的外径应满足因此保温层的外径应满足第三节 对流传热 c1fc1f2

54、112ln()112TTTTQddLdd2121ln()112dddd22ln(/0.025)1120.2100.025 10dd解得解得d d2 2=0.07m=0.07m，则保温层的厚度应大于，则保温层的厚度应大于（0.07-0.0250.07-0.025）/2=0.0225m/2=0.0225m 可见，对于外径为可见，对于外径为25mm25mm的钢管，保温层厚度需大于的钢管，保温层厚度需大于22.5mm22.5mm，才能，才能起到保温作用。起到保温作用。一般情况下，一般情况下，热损失随保温热损失随保温层厚度增加而减小层厚度增加而减小。但对于。但对于小直径小直径的管道，则可能出现的管道，则

55、可能出现相反的情况，即相反的情况，即随保温层的随保温层的厚度增加，热损失加大厚度增加，热损失加大。 热流体通过间壁将热量传给冷热流体通过间壁将热量传给冷流体的过程分为三步流体的过程分为三步 ：对流传热导热对流传热1A1 2A2 Am b外侧内侧热流体冷流体QhTcT（1 1）热流体将热量传给固体壁面）热流体将热量传给固体壁面（2 2）热量从壁的热侧面传到冷侧面）热量从壁的热侧面传到冷侧面（3 3）热量从壁面传给冷流体）热量从壁面传给冷流体第三节 对流传热 六、间壁传热过程计算2Q热侧流体对壁面的传热速率为111hhW()QA TTQQQ21mhWcW()QA TTb通过间壁的传热速率为在稳态情

56、况下12冷侧流体对壁面的传热速率为222cWc()QA TT外侧内侧热流体冷流体1QhTcTQcWThWT（一）总传热速率方程第三节 对流传热 (4.3.20)(4.3.21)(4.3.22)A1 A2 Am bhc11m2211TTQbAAAhcTTT传热过程总推动力传热总热阻11m2211bRAAA总热阻等于各项热阻之和（一）总传热速率方程第三节 对流传热 (4.3.23)TKAQ1A2AmA取定的面积传热基本方程总传热系数表示换热设备性能的极为重要的参数 总传热速率方程，或传热基本方程第三节 对流传热 一般情况下，K值以外表面积作为基准111m22111bKAAAA111m2211bAA

57、KAA热侧为外侧时12mAAA21111bK对于平壁或薄管壁(4.3.25)第三节 对流传热 （二）总传热系数污垢热阻：实际运行中的换热器，其传热表面常有污垢沉积，对传热产生附加热阻。111S1S21m22211bAAArrKAAA外侧表面上单位传热面积外侧表面上单位传热面积的污垢热阻的污垢热阻 内侧表面上单位传热面积内侧表面上单位传热面积的污垢热阻的污垢热阻比间壁的热阻大得多比间壁的热阻大得多难以准确估计，采用经验值，见附录难以准确估计，采用经验值，见附录1111对于平壁或薄管壁，有S1S212111brrK第三节 对流传热 (4.3.26)21111K若12111K12211K间壁外侧对流

58、传热控制间壁内侧对流传热控制若污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时欲提高必须设法若污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时欲提高必须设法减慢污垢形成速度或及时清除污垢减慢污垢形成速度或及时清除污垢常见的列管式换热器总传热系数常见的列管式换热器总传热系数K K值见表值见表4.3.34.3.3S1S212111brrK第三节 对流传热 【例题【例题4.3.54.3.5】一空气冷却器，】一空气冷却器，空气在管外空气在管外横向流过，对流传热系数横向流过，对流传热系数为为80 80 W/W/（m m2 2K K）；）；冷却水在管内冷却水在管内流过，对流传热系数为流过，对流传热系数为5000 5000 W

59、/W/（m m2 2K K）。冷却管为）。冷却管为25252.5mm2.5mm的钢管，其导热系数为的钢管，其导热系数为45 W/45 W/（m mK K）。求：）。求：（1 1）该状态下的总传热系数；）该状态下的总传热系数；（2 2）若将管外对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数）若将管外对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数如何变化？如何变化？（3 3）若将管内对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数）若将管内对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数如何变化？如何变化？第三节 对流传热 解：（解：（1 1）以管外表面积为基准的总传热系数满足）以管外表面积为基准的总

60、传热系数满足111m2211bAAKAA即 111m2211bddKddd1=25mm，d2=20mm012812. 000025. 0000062. 00125. 0205000254 .2245250025. 08011K1 .78K W/（m2K）mm4 .222025ln2025ln21 1d d d2dd m第三节 对流传热 （2）若 提高一倍，则1006562. 000025. 0000062. 000625. 0205000254 .2245250025. 080211K4 .152K W/（m2K） 2 （3）若 提高一倍，则012687. 0000125. 0000062.