第三章 传热过程(第二讲)

一、对流传热机理

对流传热是在流体流动过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，故与流体的流动状况有密切的关系。无论是什么流动类型，其靠近壁面处为滞流流动，这层流体称为滞流底层。对流传热主要与滞流底层有关。工业上，间壁式换热器两侧流体与固体壁面之间的热交换即为对流传热。流体将热量传给固体壁面或者由壁面将热量传给流体的过程。第三节对流传热

1如图为热流体与壁面对流传热及壁面与冷流体的对流传热。工业上将对流传热的热阻予以虚拟，折合为相当厚度为δt的滞流底层热阻，流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为δt的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻.2式中λ——流体的热导率，

δt——传热边界层厚度，m；

Δt——对流传热温度差，或由于传热边界层厚度难以确定，工程上定义：

该式称为对流传热速率方程，也称牛顿（Newton）冷却定律或给热方程，a为对流传热系数，单位为将对流传热归结为传热边界层的热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程3二、对流传热系数的影响因素及其求取

影响a的因素很多，主要有以下几个方面：1.流体的流动型态流体流动型态对流动边界层有较大影响，对流边界层有影响也较大，层流整个区域可视为热边界层，湍流程度越大，热边界层越薄，当温度差一定时，对流传热系数增大。一般换热流体都是在湍流形式下进行换热（或搅拌情况进行换热）。3.流体的物理性质如导热系数、热容、膨胀系数、密度和粘度等，其中导热系数、热容、密度、膨胀系数增大对传热有利；而粘度大，则滞流层厚，对流传热系数变小。2.流体的对流状态：强制对流自然对流时a为大。44.传热的温度

温度对流体的物理性质有显著的影响。因此，壁面和流体的温度以及两者的温度差对给热系数有间接但是明显的影响。如粘度随温度的升高而降低，在其他条件不变的情况下，热边界层减薄，有利于传热。因此在使用物理参数时，要考虑温度。5.流体传热时的相变化相变会引起与壁面接触处流体的运动形式改变，如加剧搅动。一般来讲，相变有利于传热。这就是用蒸汽加热的原因之一。56.壁面的形状、排列方式和尺寸流体流过固体表面的状况对流体的流动有影响，同时影响热边界的形成和发展。当管长增加时，传热边界层中温度分布将逐渐变得更为平坦，当通过很长的管长时，温度梯度会消失，此时传热也就停止了。所以管子的尺寸和形状对α有较大的影响。管子排列时：错列的a高于直列x2x2x2x1x1x1a、直列b、正三角错列c、正方形错列6工程上采用因次分析的方法，将影响a诸多因素组合成若干个无因次的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到经验性的关联公式。（一）流体无相变过程表面传热系数的求取描述对流传热过程的特征数关系为：各特征数的含义如下表所示7表示对流传热系数的特征数应用准数关联式时，必须确定：

1)应用范围

2)特性尺寸对流体运动或者传热发生主导影响的尺寸。管内对流传热取管内径；管外强制对流传热取管外径；对非圆管取当量直径。

3）定性温度大多数取流体进出口温度的算术平均值。温度确定后，查表确定物性，有时应用线性插值公式。8当流体被加热时，m＝0.4；当流体被冷却时，m＝0.3。长径比L／d＞50，适用于低粘度流体（小于2mPa.s），且过程中无相变化。适用范围：对于流体在圆管内强制湍流对流传热对低粘度流体，a的关联式为9例3-5在一单程换热器中用120℃的蒸汽将常压空气从20℃加热到80℃，管束为φ38mm×3mm，蒸汽走壳程，空气走管程，其流速为14m·s-1。求管壁对空气的表面对流传热系数。解:空气的定性温度为t定=(20+80)/2=50℃查50℃下空气的物性数据Cp=1017J·kg-1·K-1μ=1.96×10-5Pa·sρ=1093kg·m-3λ=2.83×10-2W·m-1·K-1d=0.032mv=14m·s-1得计算结果表明:空气在管内流动Re>10000,120>Pr>0.7,必然符合下式的条件10液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况因固体壁面温度tw与液体饱和温度ts之间的差值而变化，如图为水的沸腾曲线：（二）流体有相变过程的表面传热系数化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。1.液体的沸腾aa11当温差较小时，加热面上的液体仅产生自然对流在液体表面蒸发，如图中AB段曲线；当Δt逐渐增高时，由于气泡的产生、脱离和上升对液体剧烈扰动，此段情况称为泡状沸腾；工业生产中,总是设法维持在泡状沸腾下操作。继续增大Δt时，产生的气泡大大增多且产生的速度大于脱离加热表面的速度，形成一层不稳定的水蒸气膜，气膜的附加热阻使q和a均急剧下降，传热面几乎全部被气膜覆盖称为膜状沸腾。12

饱和水蒸气与温度较低的固体壁面接触时，水蒸气放出热量并在壁面上冷凝成液体。表面张力的作用而形成许多液滴沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。若水蒸气很好地润湿壁面，冷凝液在壁面形成一层完整的液膜，称为膜状冷凝。2.水蒸气冷凝滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍乃至数十倍。但是目前难以实现持久性滴状冷凝，工业中遇到的大多是膜状冷凝。13常见流体的表面传热系数大致范围aa141．热负荷及热量衡算

生产工艺对换热器换热能力的要求，即单位时间内需要对物料加入或取出的热量称为换热器的工艺热负荷QL。通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率，再依据此传热速率可计算换热器所需的传热面积等。（1）热负荷第四节间壁式热交换器的计算热负荷的计算根据工艺特点有两种情况：①流体在传热中只有相变的场合式中W——流体的质量流量，kg·s-1；

r——流体的相变热kJ·kg-115②流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合QL=W·cp(t2-t1)式中cp——流体的比定压热容，kJ·kg-1·K-1；

t1，t2——流体传热前后的温度，K；若换热器中两种流体无相变化，且流体的定压比热不随温度变化或可取平均温度下的定压比热时：（2）热量衡算16式中QL—换热器的热负荷，kJ·s-1；—分别指热、冷流体的比定压热容，kJ·kg-1·K-1；

—分别指热流体的进、出口温度和冷流体的进、出口温度，K。若换热器中的热流体有相变，如饱和水蒸气冷凝同温度冷凝液时：172．传热总方程如图，传热过程是热流体给热→间壁导热→冷流体给热的串联过程。

换热器内进行的大都是定态传热过程：或18

间壁式换热器的传热总方程，适用于传热面为等温面的间壁式热交换过程。说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性3.传热系数K19当换热器的间壁为单层平面壁时，因A1=A2=A，则传热系数为：若换热器的传热面为单层圆筒壁面时，若A1≠A2≠A，即传热系数与传热面积对应时：20

K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。化工中常见传热过程的K值范围21例3-6某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径为1.0m，釜壁铜板厚8mm（λ=50W·m-1·K-1）若釜内壁面结有垢层厚2mm（Rh1=0.002W-1·m2·K）夹套中用115℃的饱和水蒸气进行加热（a1＝9000W·m-2·K-1），釜内有机物温度为80℃（a2＝250W·m-2·K-1）。试求该条件下的面积热流量和各热阻的百分率。解：因反应釜内径1.0m与外径1.16m相差不大，可近似地当作平面壁来处理.取传热面积为时：求得W-1·m2·KW-1·m2·KW-1·m2·KW-1·m2·K22得K=159W·m-2·K-1

传热总阻力为：

W-1·K反应釜的面积热流为kW·m-2

计算结果表明，主要热阻在垢层和有机物这一侧，其中垢层热阻占总热阻的31.9%，有机物热阻占63.8%；而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的1.75%和2.55%。

234．传热过程的平均温度差冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个换热过程的温度差。

（1）定态恒温传热

定态恒温传热是指换热器间壁两侧冷、热两流体温度在壁面的任何位置、任何时间都不变化，即两流体的温度差沿换热面处处相等，恒定不变。（2）定态变温传热（换热器常见情况）

定态变温传热时，换热器间壁一侧流体或两侧流体的温度沿传热面的不同位置发生变化，两流体间的温度差Δt沿换热器壁面位置也变化，且与两流体相对流向有关。24图分别为逆流和并流传热时Δt随换热器壁面位置的变化图工业上冷、热流体在换热器内的相对流向主要有逆流和并流。25热T1T2t1t2冷逆流T1T2t2t1热冷并流当用算术平均值26例3-7硫酸生产中SO2的转化系统，用转化气在外部列管换热器中预热SO2气体。若转化气温度由440℃降至320℃，SO2气体由220℃被加热至280℃，试求流传热和逆流传热的平均温度差，并作比较，选定推动力较大的传热流向（设两气体进出口温度在并、逆流时相同）

T1=440℃T2=320℃t1=220℃t2=280℃Δt1Δt2T1=440℃T2=320℃t2=280℃t1=220℃Δt1Δt2解:Δt1=T1-t1=220℃