南京理工化工原理课件4-传热

第四章

传

热

4.1.2传热过程

一、传热速率

热流量Q：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热

面传递给冷流体的热量，单位是W。热流密度（或热通量）q：单位时间内通过单位传热面积所传递的热量，单位是W/m2

二、稳定传热和不稳定传热三、传热机理

传导、对流和辐射

第二节热传导4.2.1傅里叶定律

4.2.2导热系数

4.2.3平壁热传导

4.2.4圆筒壁的热传导

4.2.1傅里叶定律

一、温度场和等温面二、温度梯度

三、傅里叶定律

或

稳定的一维温度场：

在热传导时，其传热速率与温度梯度及传热面积成正比

4.2.2导热系数

λ

一、固体的导热系数导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为W/（m·℃）

大多数金属材料

为负值，大多数非金属材料

为正值

二、液体的导热系数

三、气体的导热系数

气体的导热系数小，随温度升高而增大

非金属液体中水最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小

4.2.3平壁热传导一、单层平壁热传导

或

4.2.4圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁的热传导

管长L足够长,视为—维稳定导热

或4.2.4圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁的热传导

管长L足够长,视为—维稳定导热

或二、多层圆筒壁的热传导

三层圆筒壁的导热速率方程：二、多层平壁的热传导（三层）对n层平壁：4-3-2牛顿冷却定律和对流传热系数

根据有效膜概念积分后得

T、TW——分别对热流体和冷壁温度，℃

——对流传热系数，W/（m2·℃），

α尚不能从理论上求得。一般通过实验测定不同情况下流体的对流传热系数，并将其关联成经验表达式以供设计计算时使用。影响对流传热效果的因素:

一、流体的种类和相变化的情况

:液体、气体和蒸气的对流传热系数各不相同,流体有无相变化，对传热有不同的影响

二、流体性质:对流传热系数影响较大的是流体的比热容、导热系数、密度和粘度等。

三、流体流动状态:流体为湍流流动时靠近固体壁面处的层流底层厚度变薄，传热速率提高，即α增大

四、流体对流起因

:强制对流的流速比自然对流的高，因而α也高

五、传热面的形状、相对位置与尺寸

:传热面的形状（管、板、翅片等）、传热面的方向和布置（水平、旋转等）及流道尺寸（管径、管长等）都直接影响对流传热系数。4-3-3对流传热的因次分析一、无相变强制对流传热过程

f（Nu，Re，Pr）=0二、无相变自然对流传热过程

f（Nu，Pr，Gr）=0三、对流传热过程准数方程中各符号意义定性温度:对物性取平均值的问题。特征尺寸：圆管的特征尺寸取管径d；非圆形管，通常取当量直径de为特征尺寸；对大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的垂直高度为特征尺寸。表4-2准数的符号及意义表4-2准数的符号及意义准数名称符号意义努塞尔数（Nusseltnumber）Nu=α/（λ/l），反映和纯导热相比，对流使传热系数增大的倍数雷诺数（Reynoldsnumber）Re是流体所受惯性力和粘性力之比，表征流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响普兰特数（Prandtlunmber）表示流体物性对对流传热的影响格拉斯霍夫数（Grashofnumber）表示自然对流对对流传热的影响表4-2准数的符号及意义

4-3-4对流传热系数的经验关联式

一、无相变时流体在管内强制对流

1．流体在圆型直管内作强制湍流

Nu=CRemPrn

①Re＞10000，即流动是充分湍流的；②0.7＜Pr＜160；

③流体粘度较低（不大于水的粘度的2倍）；④L/d＞60，即进口段只占总长的一小部分，管内流动是充分发展的。

m为0.8，指数n与热流方向有关：当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。

定性温度为流体主体温度在进、出口的算术平均值，特征尺寸为管内径di。

2．流体在圆形直管中作过渡流

Nu=CRemPrn计算得的α乘以小于1的系数f

3．流体在圆型弯管内作强制湍流Nu=CRemPrn计算得的α乘以小于1的系数f

/4．流体在非圆型管中作强制湍流

Re=1.2×104～2.2×105，d2/d1=1.65～17.0

5．流体在圆型直管内作强制层流

Re＜2300，0.6＜Pr＜6700

＞100

二、无相变时流体在管外强制对流1．流体垂直管束流动

2．流体在换热器管间流动

三、无相变时大空间自然对流

大空间自然对流是指传热壁面放置在很大的空间内，由于壁面温度与周围流体的温度不同而引起的自然对流。

Nu=c·(Pr·Gr)n

蒸汽垂直管或板外膜状冷凝对流传热系数计算1.冷凝液膜层流运动，传热方式为导热(Re<1800)2.蒸汽冷凝释放的热量仅为潜热，蒸汽温度和壁面温度不变（ts=蒸汽饱和温度）3.定性温度=（ts+tw)/2修正式为：膜层流动为湍流时（Re>1800)影响冷凝传热的因素:1．冷凝液膜两侧的温度差Δt

Δt加大，则蒸气冷凝速率增加，因而膜层厚度增厚，使冷凝传热系数降低。

2．流体物性

液膜的密度、粘度及导热系数，蒸气的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。3．蒸气的流速和流向

蒸气和液膜同向流动，则摩擦力将使液膜加速，厚度减薄，使α增大；若逆向流动，则α减小。但这种力若超过液膜重力，液膜会被蒸气吹离壁面，此时随蒸气流速的增加，α急剧增大。4．蒸气中不凝性气体的影响

若蒸气中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能被气体（导热系数很小）层所遮盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。

5．冷凝壁面的影响

若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，则液膜增厚，使传热系数下降。

影响沸腾传热的因素

1．液体的性质

一般情况下，α随λ、ρ的增加而增大，而随μ及σ的增加而减小。2．温度差Δt

3．操作压强

提高沸腾压强相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和粘度均降低，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同的Δt下，α和q都更高。

4．加热壁面

加热壁面的材料和粗糙度对沸腾传热有重要的影响。一般新的或清洁的加热面，α较高。当壁面被油脂沾污后，会使α急剧下降。壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。此外，加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。

第五节

传热过程的计算

4-5-1热量衡算

cp——流体的平均比热容，kJ/（kg·℃）；

t——冷流体的温度，℃；

T——热流体的温度，℃；

W——流体的质量流量，kg/h。

4-5-2总传热速率微分方程

tW、TW——分别为冷热流体侧的壁温，℃；

α1、α2——分别为传热管壁内、外侧流体的对

流传热系数，W/（m2·℃）；

λ——管壁材料的导热系数，W/（m·℃）；

b——管壁厚度，m；

——分别为各传热环节的热阻， ℃/W。

dQ=KdS（T－t）

——传热速率方程的微分表达式。

4-5-3总传热系数K

一、总传热系数K的计算表达式1．传热面为平壁

dSo=dSi=dSm

2．传热面为圆筒壁

3．污垢热阻

三、提高总传热系数的途径

传热过程的总热阻是由各串联环节的热阻叠加而成，减小任何环节的热阻都可提高传热系数。当各环节的热阻相差较大时，总热阻的数值将主要由其中的最大热阻所决定。此时强化传热的关键在于提高该环节的传热系数。若α1＞＞α2，欲要提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的α2。若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。

4-5-4传热推动力和总传热速率方程

一、恒温传热

Q=KS（T－t）=KSΔt二、变温传热

1．逆流和并流

——对数平均温度差

逆流操作优点：

在换热器的传热速率Q及总传热系数K相同的条件下，因为逆流时的Δtm大于并流时的Δtm，采用逆流操作可节省传热面积。逆流操作可节省加热介质或冷却介质的用量。2．错流和折流错流和折流时的平均温度差，先按逆流操作计算对数平均温度差，再乘以考虑流动方向的校正因素。

Δtm=ΔtΔtm′

温度差校正系数Δt与冷、热流体的温度变化有关，是P和R两因数的函数

Δt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。因此它们的Δtm比纯逆流时小。通常在换热器的设计中规定Δt值不应小于0.8，否则经济上不合理，而且操作温度略有变化就会使Δt急剧下降，从而影响换热器操作的稳定性。

4-5-5稳定传热的计算

稳定传热计算的基本公式为：热量衡算方程：

总传热速率方程：

4-7-2列管式换热器的选用

列管式换热器冷、热流体流动通道的选择(1)不洁净和易结垢的液体宜走管程，因为管内清洗方便；(2)腐蚀性的流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；