化工原理课件-5传热

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(yugun)问题。学习目的(md)与要求1精品资料5.1 传热(chun r)过程概述第五章 传 热2精品资料传热(chun r)热量从高温度区向低温度区移动(ydng)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3精品资料5.1 传热(chun r)过程概述5.1.1热传导及导热系数第五章 传 热4精品资料一、热传导(导热(dor)热传导(导热(dor) 不依靠物体内部各部分质

2、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热量传递称为热传导，简称导热。 5精品资料dQtdSn 描述热传导现象(xinxing)的物理定律为傅立叶定律（Fouriers Law），其表达式为傅立叶定律(dngl)（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)6精品资料二、导热(dor)系数导热(dor)系数dQ dStn 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。 7精品资料导 热 ( d o r ) 系 数W/(m.oC)0.0060.060

3、.154200.0030.06气体液体非导电(dodin)固体金属绝热材料二、导热系数8精品资料1.固体的导热(dor)系数纯金属的导热系数与电导率的关系(gun x)可用魏德曼（Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述 eLT良好的电导体必然是良好的导热体，反之亦然。 二、导热系数9精品资料对大多数均质固体，导热系数与温度(wnd)近似呈线性关系 01t对大多数金属材料，为负值；而对大多数非金属材料，为正值(zhn zh)；对理想气体，=1/T ，1/K。 二、导热系数10精品资料2.液体(yt)的导热系数除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数(xsh)亦随温度

4、的升高而降低。 金属液体的导热系数(xsh)比一般的液体要高 纯液体的导热系数(xsh)比其溶液的要大 二、导热系数11精品资料3.气体(qt)的导热系数气体(qt)导热系数随温度升高而增大。在相当大的压力范围内，气体(qt)的导热系数随压力的变化很小，可以忽略不计。 二、导热系数12精品资料5.1 传热(chun r)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(duli)13精品资料 对流是由流体(lit)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(duli)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14精品资料对流传

5、热速率(sl)可由牛顿冷却定律描述 dQtdS温度差对流(duli)传热系数微分对流传热通量对流15精品资料5.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数(xsh)5.1.2 对流第五章 传 热5.1.3 热辐射16精品资料热辐射 因 热 的 原 因 而 产 生 的 电 磁 波 在 空 间 的 传 递(chund)称为热辐射。 热辐射1.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(zhyo)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。 17精品资料5.1 传热

6、(chun r)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(jich)）热交换方式及换热器18精品资料一、直接(zhji)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(jich)）热交换方式及换热器19精品资料图5-1 套管(to un)式换热器1-内管 2-外管冷热流体（接触(jich)）热交换方式及换热器动画2220精品资料图5-2 单程管壳式换热器1-外壳,2-管束,3、4-接管(jigun),5-封头,6-管板,7-挡板,8-泄水池 冷热流体(lit)（接触）热交换方式及

7、换热器动画2121精品资料间壁式换热器内冷、热流体(lit)间的传热过程包括以下三个步骤：（1）热流体(lit)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(lit)。冷热流体（接触(jich)）热交换方式及换热器22精品资料5.1 传热(chun r)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 载热体及其选择(xunz)23精品资料载热体及其选择(xunz) 在化工生产(shngchn)中，物料在换热器内被加热或冷却

8、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24精品资料选择载热体原则（1）载热体的温度易调节(tioji)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(xunz)25精品资料第五章 传 热5.2 热传导5.2.1 平壁一维稳态热传导26精品资料一、单层平壁一维稳态热传导假设：1.导热系数不随温度变化(binhu)，或可取平均值；2.一维稳态3.忽略热损失。 图5-3 单层平壁热传导27精

9、品资料对平壁一维稳态热传导 dtQSdx 积分(jfn)并整理得12()SQttb微分(wi fn)式 积分式 一、单层平壁一维稳态热传导28精品资料12tttQbRS12ttQtqbSR热传导推动力热传导速率热传导热阻导热(dor)热阻一、单层平壁一维稳态热传导29精品资料二、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(wnd)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 30精品资料通过(tnggu)各层平壁截面的传热速率必相等 1234QQQQQ233412123123ttttttQSSSbbb233412123123ttttttQbbb

10、SSS或二、多层平壁的一维稳态热传导31精品资料三层平壁稳态热传导速率方程 14312123ttQbbbSSS对n层平壁，其传热(chun r)速率方程可表示为11niittQbS二、多层平壁的一维稳态热传导32精品资料接触(jich)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(shyn)测定。 二、多层平壁的一维稳态热传导33精品资料图图5-5 5-5 接触接触(jich)(jich)热阻的影响热阻的影响接触(jich)热阻二、多层平壁的

11、一维稳态热传导34精品资料练 习 题 目思考题作业题: 1、21. 热量传递的三种(sn zhn)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。35精品资料第五章 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36精品资料一、单层圆筒壁的一维稳态热传导常量(chngling)常量(chngling)传热(chun r)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37精品资料图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38精品资料通

12、过该薄圆筒壁的传热速率(sl)可以表示为 (2)dtdtQSrLdrdr 12212ln()ttQLr r积分(jfn)并整理得微分式 积分式 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导39精品资料可写成与单层平壁热传导速率方程相类似(li s)的形式 1221mttQSrr212122ln()mmrrSLr Lr r其中(qzhng)圆筒壁的对数平均面积一、单层圆筒壁的一维稳态热传导40精品资料21212211222lnln2mLrLrSSSLrSLrS2121lnmrrrrr或圆筒壁的对数(du sh)平均半径一、单层圆筒壁的一维稳态热传导41精品资料二、多层圆筒壁的稳态热传导 假设层与层之间接触(j

13、ich)良好 ， 即 互 相 接 触(jich)的两表面温度相同。 图5-7 多层圆筒壁的热传导42精品资料热传导速率(sl)可表示为 1414332432421112233112233111lnlnln222mmmttttQrrrrrrrrrLrLrlrSSS 对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示(biosh)为11nniiimittQbS或11111ln2nniiiittQrLr 二、多层圆筒壁的稳态热传导43精品资料第五章 传 热5.3 换热器的传热(chun r)计算5.3.1 热平衡方程44精品资料 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于

14、(dngy)冷流体吸收的热量。,m hhm ccdQqdIqdI 对于(duy)整个换热器，其热量衡算式为,12,21()()Tm hhhm cccQqIIqII热平衡方程45精品资料 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(wnd)变化或可取流体平均温度(wnd)下的值， ,1212()()mmhphcpcTQcTTcttqq若换热器中流体(lit)有相变，例如饱和蒸气冷凝 ,21()mmhcpcTQcttqrq热平衡方程46精品资料若换热器中流体有相变，例如饱和蒸气冷凝(lngnng)，且冷凝(lngnng)液在低于饱和温度下离开换热器,221()()mmhphscpcTQr

15、cTTcttqq热平衡方程(fngchng)47精品资料第五章 传 热5.3 换热器的传热计算(j sun)5.3.1 热平衡方程5.3.2 总传热速率(sl)微分方程和总传热系数48精品资料一、总传热速率(sl)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(sl)必然相等，即 ()()()iwiwwmowodQTT dSTtdStt dSb11wwwwiimooTTTtttdQbdSdSdS或49精品资料根据(gnj)串联热阻叠加原理，可得()()()1111wwwwiimoiimoooTTTtttTtdQbbdSdSdSdSd

16、SdS上式两边(lingbin)均除以 OdS1oooiiomdQTtdbddSdd一、总传热速率微分方程50精品资料令 11oooiimoKdbddd则()oodQK Tt dS同理可得 ()iidQK Tt dS()mmdQKTt dS总传热速率(sl)微分方程总传热(chun r)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51精品资料11iiiimooKbdddd1miioommKdbddd11oooiimoKdbddd基于管内(un ni)表面积的局部总传热系数 基于(jy)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52精品资料显然(x

17、inrn)有 oiioiodSKdKdSdommmooKdSdKdSd管内径(ni jn)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53精品资料二、总传热系数 总传热系数K表示单位传热面积(min j)，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。 54精品资料1.总传热系数的计算(j sun)设计(shj)中应考虑污垢热阻的

18、影响 011oooosisoiiimddbdRRKddd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55精品资料提高总传热系数途径(tjng)的分析 总热阻=管内(un ni)热阻+管内(un ni)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻011oooosisoiiimddbdRRKddd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56精品资料若传热(chun r)面为平壁或薄管壁 111sisoiobRRKoioK当管壁(un b)热阻和污垢热阻均可忽略时 111ioK若管壁外侧对流传热控制二、总传热系数57精品资料oiiK若管壁(un b)内侧对流传热控制o,i 若

19、管壁内、外侧(wi c)对流传热控制相当若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58精品资料欲提高 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 Ko,i 59精品资料2.总传热系数的测定(cdng) 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(d do)的总传热系数值最为可靠。二、总传热系数60精品资料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

20、实际设计计算中，总传热系数通常采用推荐值。这些推荐值是从实践中积累或通过实验(shyn)测定获得的。二、总传热系数61精品资料 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(li s)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62精品资料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(min j)）可选取较大的值；若需降低操作费（增大换热面积(min j)）可选取较小的值。二、总传热系数63精

21、品资料练 习 题 目思考题作业题: 3、4、51.什么叫热阻？试说明在多层平壁和多层筒壁热传导中应用热阻的优点。2.换热器中总的传热热阻包括哪几部分 ？在强化(qinghu)传热中，如何有效地减小热阻？64精品资料第五章 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(sl)微分方程和总传热系数5.3.3 传热(chun r)计算方法65精品资料一、平均(pngjn)温度差法()oodQK Tt dS对总传热(chun r)速率微分方程积分，可得TmQKS t总传热速率积分方程传热过程冷、热流体的平均温度差 66精品资料 推导平均温度差的表达式时，对传热过程作以下简

22、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(chngling)；总传热系数为常量(chngling)；忽略热损失。 一、平均(pngjn)温度差法67精品资料1.恒温传热时的平均温度差 换热器中间(zhngjin)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(lit)温度 热流体温度 一、平均温度差法68精品资料2.变温传热(chun r)时的平均温度差（1）逆流和并流时的平均温度差逆流(nli)并流一、平均温度差法69精品资料由热量(rling)恒算并结合假定条件和，可得 ,m hphdQqcdT 常数,

23、m cpcdQqcdt常数一、平均(pngjn)温度差法70精品资料因此， 及 都是直线关系，可分别表示为 QTQtTmQktm 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(pngjn)温度差法71精品资料图5-9 逆流时平均(pngjn)温度差的推导一、平均(pngjn)温度差法72精品资料21()TttdtdQQ21()TttdtK tdSQ根据假定条件(tiojin)，积分上式得2121lnTmttQKSKS ttt总传热(chun r)速率方程式一、平均温度差法73精品资料2121lnmttttt对数(du sh)平均温度差逆流(nli)和并流

24、时计算平均温度差的通式。一、平均温度差法74精品资料讨论(toln)：（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()/2mttt （2）在冷、热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均(pngjn)温差较并流的为大。 一、平均温度差法75精品资料逆流： 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(ji r)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、

25、平均(pngjn)温度差法76精品资料（2）错流和折流时的平均(pngjn)温度差单管程，多管程单壳程，多壳程一、平均(pngjn)温度差法77精品资料图5-10 错流和折流示意图一、平均(pngjn)温度差法78精品资料mtmtt温差校正(jiozhng)系数 ( ,)tf R P安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法(sun f) 一、平均温度差法 先按逆流计算对数平均温度差，然后再乘以考虑流动方向的校正因素。即79精品资料12221111TTRttttPTt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(rxi)：根据冷、热流体的进、出口温度，算出

26、纯逆流(nli)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80精品资料根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校正系数； 将纯逆流(nli)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。 mtmtt一、平均(pngjn)温度差法一边恒温时1t81精品资料 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、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(pngjn)温度差法82精品资料二、传热

27、(chun r)单元数法1. 传热效率maxTQQ实际的传热量最大可能的传热量换热器的传热效率定义(dngy)为83精品资料定义最大可能(knng)传热量 maxmin11()()mpQq cTt式中 qmcp 称为(chn wi)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84精品资料,2121,1111()()m cpcm cpcqcttttqcTtTt 若冷流体(lit)为最小值流体(lit)，则传热效率为 ,1212,1111()()m hphm hphqcTTTTqcTtTt若热流

28、体(lit)为最小值流体(lit)，则传热效率为二、传热单元数法85精品资料 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(ch ku)温度 maxmin11()()TmpQQq cTt2111()ttTt2111()TTTt二、传热(chun r)单元数法86精品资料 （2）传热(chun r)单元数 NTU由换热器热平衡方程(fngchng)及总传热速率微分方程(fngchng) ,()m hphm cpcdQqc dTqc dtK Tt dS 对于冷流体 ,m cpcdtKdSTtqc二、传热单元数法87精品资料21,0()tScm cpctdtKdSNTUTtqc对于热流体

29、(lit)，同样可写出12()ThTdTNTUTt积分(jfn)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88精品资料 传热单元数是温度的量纲为一函数，它反映(fnyng)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(chun r)单元数法89精品资料3.传热效率与传热单元(dnyun)数的关系 现以单程并流换热器为例做推导(tudo)。假定冷流体为最小值流体，minmaxRCCC热容量流率比令min,m cpcCqcmax,m hphCqc二、传热单元数法90精品资料min1 exp ()(1)1RRNTU

30、CC推导(tudo)可得minmin,()m cpcKSKSNTUcqc式中二、传热(chun r)单元数法91精品资料minmin,()m hphKSKSNTUCqc,minmax,m hphRm cpcqcCCCqc若热流体(lit)为最小值流体(lit)，则min1 exp ()(1)1RRNTUCC式中二、传热(chun r)单元数法92精品资料对于单程逆流换热器，可推导出传热(chun r)效率与传热(chun r)单元数的关系为 minmin1 exp ()(1)1exp ()(1)RRRNTUCCNTUC当两流体(lit)中任一流体(lit)发生相变时 min1 exp ()NT

31、U 二、传热单元数法93精品资料当两流体(lit)的热容流率相等 单程(dnchng)并流换热器单程逆流换热器1 exp 2()2NTU1NTUNTU1RC 二、传热单元数法94精品资料 3. 传热(chun r)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(cozu)条件，计算（或选取）总传热系数；(2)计算 及 ，确定 及 ；,m hphqc,m cpcqcmax()mpq cmin()mpq c二、传热单元数法95精品资料（3）计算(j sun)：minminmax()()()mpRmpmpq cKSNTUCq cq c及（4）根据换热器中流体流动的型

32、式，由和 查得相应的 ；NTURCQ（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(chun r)单元数法96精品资料应予指出，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(chun r)单元数法97精品资料练 习 题 目思考题作业题: 8、9、101.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(qbi)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 98精品资料第五章 传 热5.4 对流传(lichun)热99精品资料 对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量(rl

33、ing)传递过程，对流传热与流体的流动状况密切相关。 对流传(lichun)热概述图5-12 对流传热的温度分布情况100精品资料无相变有相变强制(qingzh)对流自然(zrn)对流对流传热蒸汽冷凝液体沸腾概述101精品资料第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1对流传热机理(j l)和对流传热系数102精品资料图5-12 对流传热的温度分布(fnb)情况一、对流传(lichun)热机理103精品资料一、对流传(lichun)热机理 当湍流(tunli)的流体流经固体壁面时，将形成湍流(tunli)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

34、传热方式热传导热传导和涡流传热涡流传热104精品资料层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层温度梯度 较大(jio d)居中较小热阻 较大(jio d)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105精品资料二、热边界层及对流(duli)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(qy)，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层106精品资料图 5-13 平板(pngbn)上的热边界层二、热边界层及对流(duli)传热系数107精品资料 若紧靠

35、壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，因此传热速率(sl)可用傅立叶定律表示，即 ()wdtdQdSdy 紧靠壁面处薄层(bo cn)流体的温度梯度二、热边界层及对流传热系数108精品资料 根据(gnj)牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为()1 ()wwTTdQTTdSdS换热器任一截面(jimin)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109精品资料()()wwwdtdtTTdyt dy 因此(ync)有对流(duli)传热系数的另一定义式，它表明了对流(duli)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110精

36、品资料二、热边界层及对流(duli)传热系数 当流体流过圆管进行传热时，管内(un ni)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系数要大于自然对流的，有相变化的要大于无相变化的。 111精品资料第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理(j l)和对流传热系数5.4.2 对流传(lichun)热的量纲分析112精品资料一、影响对流(duli)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(yunyn)

37、6.传热面的形状、位置和大小113精品资料二、对流传(lichun)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(lin n)分析确定相应的量纲(lin n)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114精品资料 量纲分析的基本依据是定理(dngl)：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(jbn)依据二、对流传热过程的量纲分析115精品资料1.流体

38、(lit)无相变时的强制对流传热过程（1）列出影响(yngxing)该过程的物理量 ( , , )pf lcu 传热设备的特征尺寸二、对流传热过程的量纲分析116精品资料（2）确定量纲(lin n)为一数群的数目 上述(shngsh)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117精品资料通过(tnggu)量纲分析，可确定1lNu2Relu努赛尔特数(Nusselt number) 雷诺数(Reynolds number)表示(biosh)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

39、状态的准数 二、对流传热过程的量纲分析118精品资料3Prpc普兰德数(Prandtl number)表示(biosh)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(chun r)时的准数关联式 因此，有二、对流传热过程的量纲分析119精品资料2.自然对流传(lichun)热过程（1）列出影响(yngxing)该过程的物理量 传热设备的特征尺寸( , ,)pf 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120精品资料（2）确定(qudng)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(l

40、in n)：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121精品资料通过(tnggu)量纲分析，可确定1lNu2Prpc努赛尔特数(Nusselt number) 普兰德数(Prandtl number)二、对流传(lichun)热过程的量纲分析122精品资料格拉斯霍夫数(Grashof number)3232lgtGr表示(biosh)由温度差引起的浮力与黏性力之比 (,Pr)NuGr自然(zrn)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123精品资料3.使用由实验数据整理(zhngl)得到的关联式应

41、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(wnd) 各准数中的流体物性应按什么温度(wnd)查取。二、对流传热过程的量纲分析124精品资料第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理(j l)和对流传热系数5.4.2 对流传热的量纲分析5.4.3 流体(lit)无相变时的对流传热系数125精品资料一、流体在管内(un ni)作强制对流1.流体在光滑(gung hu)圆形直管内作强制湍流（1）低黏度流体可应用迪特斯（Dittus）贝尔特（Boelter）关联式0.80.023RePrnNu 0.80.

42、023()()pniiCd ud或或当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 126精品资料特性尺寸：管内径。定性温度(wnd)：流体进、出口温度(wnd)的算术平均值。应用(yngyng)范围：4Re100.7Pr120/60iL d /60iL d 若，可将由上式求得的值乘以0.71 (/ )idL进行校正。一、流体在管内作强制对流127精品资料（ 2 ） 高 黏 度 流 体 ( l i t ) 可 应 用 西 德 尔（Sieder）泰特（Tate）关联式0.81 30.027RePrNu0.81 30.140.027()() ()piiwCd ud或或壁温下的黏度(nin

43、d)0.14()w考虑热流方向的校正项 一、流体在管内作强制对流128精品资料特性尺寸：管内径。定性温度(wnd)：除w取壁温外，均取流体进、出口温度(wnd)的算术平均值。应用(yngyng)范围：4Re100.7Pr1700/60iL d 一、流体在管内作强制对流129精品资料1 30.141.86(RePr)()iWdNuL2.流体在光滑圆形直管内作强制(qingzh)层流特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体(lit)进、出口温度的算术平均值。应用范围：Re23000.7Pr6700RePr/100idL 一、流体在管内作强制对流130精品资料51.81 6 10 Re

44、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(lit)在光滑圆形直管中呈过渡流一、流体在管内(un ni)作强制对流131精品资料(1 1.77)idR 4. 流体在弯管内作强制(qingzh)对流 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大(zn d)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132精品资料22221212224()4eddddddd 5. 流体在非圆形管内(un ni)作强制对流 流体在非圆形管内(un ni)作强制对流时，只要将管内(un ni)径改为当量直径，则

45、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(jt)的关联式决定。 一、流体在管内作强制对流133精品资料练 习 题 目思考题作业题: 11、12、131.对流传(lichun)热系数的定义是什么？说明对流传(lichun)热的机理及求算对流传(lichun)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 ？134精品资料第五章 传 热5.4 对流传(lichun)热5.4.1 对流传(lichun)热机理和对流传(lichun)热系数5.4.2 对流传(lichun)热的量纲分析5.4.3 流体(

46、lit)无相变时的对流传热系数135精品资料二 、 流 体 在 换 热 器 的 管 间 作 强 制(qingzh)对流换热器管间流体的流动：装有折流挡板。流体的流向(li xin)和流速不断地变化。在Re100时即可达到湍流。 136精品资料图5-14 换热器折流挡板(dn bn)二、流体在换热器的管间作(jinzu)强制对流137精品资料图5-15 管间管束排列(pili)形式二 、 流 体 在 换 热 器 的 管 间 作 强 制(qingzh)对流138精品资料0.551 30.36RePrNu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

47、度的算术平均值。36Re2 10 1 10二、流体在换热器的管间作(jinzu)强制对流139精品资料三、自然(zrn)对流(Pr)nNuc Gr通过(tnggu)实验测得的c和n值列于表5-7中。 140精品资料第五章 传 热5.4 对流(duli)传热5.4.1 对流(duli)传热机理和对流(duli)传热系数5.4.2 对流(duli)传热的量纲分析5.4.3 流体无相变时的对流(duli)传热系数5.4.4 流体(lit)有相变时的对流传热系数141精品资料一、蒸汽(zhn q)冷凝传热1.蒸汽(zhn q)冷凝方式图5-16蒸汽冷凝方式滴状冷凝膜状冷凝142精品资料2.膜状冷凝(l

48、ngnng)时的对流传热系数（1）层流膜状冷凝(lngnng)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(lidng)，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143精品资料蒸汽冷凝(lngnng)成液体时所释放的热量仅为冷凝(lngnng)潜热，蒸汽温度和壁面温度保持不变。冷凝(lngnng)液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。一、蒸汽冷凝(lngnng)传热144精品资料对蒸汽(zhn q)在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 1 4230.943rgL t蒸汽(zhn q)的饱和温度与壁面温度之差 swttt 饱和蒸

49、汽的冷凝潜热一、蒸汽冷凝传热145精品资料 麦克(mi k)亚当斯(McAdams)建议在工程设计时，应将计算结果提高20%，即1 4231.13()swrgL tt一、蒸汽冷凝(lngnng)传热146精品资料（2）湍流(tunli)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(jngyn)公式计算，即1 320.420.0076Refg一、蒸汽冷凝传热147精品资料冷凝(lngnng)时Ref的计算：Reebfd u当量(dngling)直径 凝液的平均流速若以 表示凝液的流通面积， 表示润湿周边长度， 表示凝液的质量流率，则有 APmq44R

50、emmfqAqPAP一、蒸汽冷凝传热148精品资料单位长度(chngd)润湿周边上的凝液质量流率 mqP 4Ref则从层流到湍流的 临界值一般可取为1800。 Ref一、蒸汽冷凝(lngnng)传热149精品资料（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(cn li)膜状冷凝，努赛尔特曾经获得下述关联式1 4230.725()oswrgd tt特征尺寸(ch cun)管外径一、蒸汽冷凝传热150精品资料水平(shupng)管束外冷凝 1 4230.725()oswrgnd tt垂直(chuzh)列上的管数若各列管子在垂直方向上的排数不相等4120.750.750.75

51、12()zmznnnnnnn一、蒸汽冷凝传热151精品资料比较(bjio)垂直(chuzh)管外水平管外1 4231.13()swrgL tt1 4230.725()oswrgd tt2式相比140.64OLd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152精品资料 应予指出，若蒸气中含有空气或其它不凝性气体(qt)，则壁面可能为气体(qt)（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，必须考虑排除不凝气。 一、蒸汽冷凝(lngnng)传热153精品资料二、液体(yt)沸

52、腾传热所谓液体(yt)沸腾是指在液体(yt)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154精品资料液体沸腾(fitng)的方式过冷沸腾(fitng)饱和沸腾(fitng) 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)155精品资料1.液体(yt)沸腾曲线图5-17水的沸腾(fitng)曲线二、液体沸腾传热156精品资料2.液体沸腾(fitng)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(fitng)传热。二、液体沸腾传热157精品资料（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(

53、ydng)条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的对流传热系数与的关系可用下式表达，即()nkt二、液体(yt)沸腾传热158精品资料（3）操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体(yt)的饱和温度，使液体(yt)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(yt)沸腾传热159精品资料（4）加热壁面的影响 加热壁面的材质和粗糙度对沸腾(fitng)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(fitng)传热有明显的影响。二、液体(yt)沸腾传热160精品资料3.液体沸腾(fitng)传热系数的计算1 3Pr()LsfnLLvctQ SCr

54、rg由于沸腾传热的机理相当复杂(fz)，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161精品资料第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理(j l)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(ni dn)型流体的传热（选读）162精品资料练 习 题 目思考题作业题: 16、17、181.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

55、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(dngy)的？4. 液体沸腾曲线的意义。163精品资料第五章 传 热5.6 换热器5.6.1 间壁式换热器的结构形式5.6.2 换热器传热过程(guchng)的强化5.6.3 传热过程(guchng)强化效果的评价5.6.4 管壳式换热器的设计(shj)和选型164精品资料一、换热器设计的基本(jbn)原则1.流体流径的选择 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。 腐蚀性的流体宜走管程，以免(ymin)管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。 压力高的流体宜走管程，以免(ymin)壳体受压，可节省壳体金属

56、消耗量。165精品资料 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝(lngnng)液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏。一、换热器设计(shj)的基本原则166精品资料 流量小或黏度大的流体(lit)宜走壳程，因流体(lit)在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 若两流体(lit)温差较大，宜使对流传热系数大的流体(lit)走壳程，因壁面温度与大的流体(lit)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(j

57、bn)原则167精品资料2.流体(lit)流速的选择 增大(zn d)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168精品资料3.冷却介质（或加热(ji r)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(jbn)原则169精品资料4.管子(gun zi)的规格和管间距管子(gun zi)规格 25 2.5mm19 2mm管径 1.5m2m3m6m