传热过程基础E

第5章传热过程基础

chapter5thebasisofheattransferprocess5.1传热过程导论5.3热传导5.4对流传热5.5辐射传热2023/2/415.1传热过程导论物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称为热量的传递，简称传热。根据热力学第二定律，只要有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处Theheatflowisalwaysinthedirectionofthetemperaturedecrease，因此传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种物理现象。2023/2/42第5章传热过程基础5.1.1传热在化工生产中的应用传热是重要的化工单元操作之一，其应用主要包括以下几方面：1.加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要2.对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量(或冷量)损失。

3.合理使用热源，进行热量的综合回收利用。

2023/2/43第5章传热过程基础5.1.2传热的基本方式根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式：5.1.2.1.热传导(导热)

Conduction定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。2023/2/44第5章传热过程基础热传导特点：由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上无物质的宏观位移。存在于固体、静止流体及滞流流体中。发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分传向低温部分。2023/2/45第5章传热过程基础从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机理各不相同。气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。2023/2/46第5章传热过程基础非导电固体：导热是通过晶格结构的振动(即原子、分子在其平衡位置附近的振动)来实现的。物体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。2023/2/47第5章传热过程基础液体：一种观点认为它定性地和气体类似，即依靠分子不规则热运动传递热量，只是液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多，因而更复杂。另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动。总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本章只讨论导热现象的宏观规律。2023/2/48第5章传热过程基础5.1.2.2.热对流(对流)Convection定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程特点：热对流只发生在流体中。流体各部分间产生相对位移

2023/2/49第5章传热过程基础产生对流的原因:由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为自然对流naturalconvection

；由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动，称为强制对流forceconvection

。

流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常常伴随有自然对流。2023/2/410第5章传热过程基础化工生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传递到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(也称给热)。其特点是靠近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。可见，对流传热与流体流动状况密切相关。2023/2/411第5章传热过程基础5.1.2.3.热辐射Radiation定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传递向低温物体。特点：可在真空中传播能量传递同时伴随有能量的转换2023/2/412第5章传热过程基础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时，热辐射才能成为主要的传热方式。实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主。2023/2/413第5章传热过程基础5.1.3典型的传热设备实现两流体换热过程的设备称为换热器化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交换是指热流体经固体壁面(间壁)将热量传给冷流体的过程。热流方向间壁热流体冷流体对流对流导热冷、热流体被间壁隔开，它们分别在壁面两侧流动。此壁面即构成间壁式换热器。热由热流体以对流方式传递到壁面一侧，通过间壁的导热，在由壁面另一侧以对流形式传递到冷流体。2023/2/414第5章传热过程基础现讨论典型的间壁式换热器结构及其操作原理1.套管式换热器组成：内管，外管程：每段套管优点：采用标准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和程数可增减。两流体可始终以逆流方向流动。缺点：接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。传热面积：S=πdL2023/2/415第5章传热过程基础2.列管式换热器

组成：壳体、管束、管板和封头等部分。流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程(管方)流体；流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳程(壳方)流体。2023/2/416第5章传热过程基础若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程内流过一次的，称为单壳程。若列管换热器的传热面积较大，而需要的管数很多时，有时流体在管内的流速便较低，结果使流体的对流传热系数减小。为了提高管程流速，可在换热器封头内设置隔板，将全部管子平均分成若干组，流体在管束内来回流过多次后排出，称为多(管)程列管式换热器，如图示。程数增多，虽然提高了管内流体的流速，增大了管内的对流传热系数，但同时也使流动阻力增大，平均温度差降低。此外，设置隔板后占去部分布管面积而减少了传热面积。因此，程数不宜过多，一般为双程、四程、六程。传热面积：S=nπdL2023/2/417第5章传热过程基础5.1.4传热速率与热通量衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。传热速率Rateofheattransfer

Q：单位时间内通过传热面的热量，W热通量Heatflux

Q/S：每单位面积的传热速率，W/m2〖说明〗传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。q↑，换热器性能愈好由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对应的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积。对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。传热方式传热速率Q热通量Q/S导热导热速率导热热通量对流传热对流传热速率对流传热热通量辐射传热辐射传热速率辐射传热热通量2023/2/418第5章传热过程基础5.1.5稳态传热与非稳态传热稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式。显著特点是传热速率Q为常量。连续传热过程属于稳态传热。非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。显著特点是传热速率Q为变量。间歇传热过程属于非稳态传热。2023/2/419第5章传热过程基础5.3热传导5.3.1热传导的基本概念5.3.1.1温度场

一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就可以从高温点向低温点传导，即产生热流。因此物体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率(导热速率)温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和。因此：t=f(x,y,z,θ)

2023/2/420第5章传热过程基础t=f(x,y,z,θ)

〖说明〗若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。t=f(x,y,z,θ)

若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。t=f(x,y,z)若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，且不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场t=f(x)2023/2/421第5章传热过程基础5.3.1.2等温面在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。2023/2/422第5章传热过程基础5.3.1.3温度梯度从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿和等温面相交的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿法向最大。温度梯度：相邻两等温面间温差△t与其距离△n之比的极限：t+Δttt-ΔtgradtQΔn2023/2/423第5章传热过程基础〖说明〗温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：

2023/2/424第5章传热过程基础5.3.2热传导基本定律-傅立叶定律Fourierlaw

物体或系统内导热速率的产生，是由于存在温度梯度的结果，且热流方向和温度降低的方向一致，即与负的温度梯度方向一致，后者称为温度降度。傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，因热传导而产生的导热速率大小的定律。定义：通过等温面导热速率，与其等温面的面积及温度梯度成正比：2023/2/425第5章传热过程基础5.3.3热导率(导热系数)将傅立叶定律整理，得热导率定义式：物理意义：热导率在数值上等于单位温度梯度下的热通量。因此，热导率表征物体导热能力的大小，是物质的物性常数之一。其大小取决于物质的组成结构、状态、温度和压强等。2023/2/426第5章传热过程基础5.3.3热导率热导率大小由实验测定，其数值随状态变化很大。kvaryoverawiderange.Theyarehighestformetalsandlowestforgases.

2023/2/427第5章传热过程基础5.3.3.1固体的热导率金属：35～420W/(m·℃)，非金属：0.2～3.0W/(m·℃)〖说明〗固体中，金属是最好的导热体。kofmetalsaregenerallynearlyconstantordecreaseslightlyasthetemperatureisincreased.Theconductivityofalloysislessthanthatofpuremetals.2023/2/428第5章传热过程基础

纯金属：t↑，k↓金属：纯度↑，k↑非金属：ρ，t↑，k↑对大多数固体，k值与温度大致成线性关系：式中：k、k0－固体在温度为t℃、0℃时的热导率，W/(m·℃)

β－温度系数。大多数金属：β<0大多数非金属：β>02023/2/429第5章传热过程基础在热传导计算中，用物体的平均热导率代替各点处的热导率，以简化计算，引起的误差很小。方法：2023/2/430第5章传热过程基础5.3.3.2液体的热导率液体热导率：0.07～0.7W/(m·℃)

t↑，k↓(水、甘油除外)金属液体：其k比一般液体高，其中纯Na最高非金属液体：纯液体的k比其溶液的大在缺乏实验数据时，溶液的热导率可按经验公式估算（见书）。Formostliquidkislowerthanthatforsolids,withtypicalvaluesofabout0.17,andkdecreasesby3to4percentfora10ºCriseintemperature.2023/2/431第5章传热过程基础5.3.3.3气体的热导率气体的热导率：0.006～0.67W/(m·℃)温度的影响：t↑，k↑P的影响一般压强范围内，k随压强变化很小，可忽略过高(>2×105kPa)、过低(<3kPa)时，P↑，k↑气体的热导率小，对导热不利，但有利于保温、绝热常压下气体混合物的热导率的估算式：2023/2/432第5章传热过程基础5.3.4平壁的稳态热传导steady-stateconduction

throughflatwall5.3.4.1单层平壁的稳态热传导

前提条件：平壁内材料均匀，热导率k取平均值为常数；平壁内温度只沿垂直于壁面的x方向变化，等温面均为垂直于x轴的平面平壁两侧温度分别为t1、t2，且不随时间而变化，过程为稳态一维热传导，导热速率Q为常量。S>>b,故从壁的边缘处损失的热量可忽略，S为常量。SQbt1t22023/2/433第5章传热过程基础傅立叶定律可简化为：积分限：x=0~b，t=t1~t2积分txb0t1t22023/2/434第5章传热过程基础〖说明〗推动力为Δt，阻力为R(R′)

WhereR=b/Skisthermalresistancebetweenpoints1and2.导热速率与温度差、传热面积、热导率成正比，而与平壁厚度成反比。k↓，R↑；Q＝常数时，Δt∝Rk＝常数：t=f(x)为直线；k=k0(1+βt)：t=f(x)为曲线热阻概念的应用：计算界面温度或物体内温度分布从温度分布判断各部分热阻的大小2023/2/435第5章传热过程基础例某平壁厚度为0.37m，内表面温度t1为1650℃，外表面温度t2为300℃，平壁材料热导率k=0.815+0.00076t(t的单位为℃，k的单位为W/(m·℃))。若将热导率分别按常量和变量处理时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。解：(1)热导率按常量处理结论：热导率按常量处理时，温度分布为直线txtt1t2bx02023/2/436第5章传热过程基础(2)热导率按变量处理结论：热导率按变量处理时，温度分布为曲线txtt1t2bx02023/2/437第5章传热过程基础5.3.4.2多层平壁的稳态热传导以三层平壁为例。前提条件：层间接触良好，即相互接触的两表面温度相同，且t1>t2>t3>t4各层平壁面积均为S，厚度分别为b1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各层热导率为常数，分别为k1、k2、k3

传热为稳态一维热传导：Q1=Q2=Q3=Q据此，由傅立叶定律，得：2023/2/438第5章传热过程基础2023/2/439第5章传热过程基础

〖说明〗多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差；总热阻为各层热阻之和。Q计>Q测：(t1-tn+1)一定，Q↓，∑R↑。说明实际情况层间接触不良，存在附加的热阻t1>tn+1，Q>0，热量损失

t1<tn+1，Q<0，冷量损失Q=常数时，Δt1:Δt2:Δt3=R1:R2:R32023/2/440第5章传热过程基础问题：什么样的保暖内衣更保暖？答案：更厚、更蓬松的2023/2/441第5章传热过程基础例4-1某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，热导率0.043W/(m·℃)，中层为石棉板，厚40mm,热导率0.10W/(m·℃)，外层为混凝土，厚200mm,热导率1.3W/(m·℃)，测得内墙表面为-18℃，外墙表面温度为24℃，计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚度不变，冷损失量将如何变化。解:互换材料前：t1＝-18℃,t4=24℃,k1=0.043W/(m·℃)，k2=0.10W/(m·℃)，k3=1.3W/(m·℃)2023/2/442第5章传热过程基础互换材料后：t1＝-18℃,t4=24℃,k1′=0.10W/(m·℃)，k2′=0.043W/(m·℃)，k3=1.3W/(m·℃)互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。

2023/2/443第5章传热过程基础6.外衣内穿、内衣外穿就只为美观吗？2023/2/444第0章绪论5.3.5圆筒壁的稳态热传导steady-stateconduction

throughacylinder

化工生产中常见的为圆筒壁(圆管)的热传导，其特点是:传热面积、热通量、温度均随半径变化，均非常量。Qdrrr1r2t1t2L2023/2/445第5章传热过程基础5.3.5.1单层圆筒壁的稳态热传导Qdrrr1r2t1t2L前提条件：圆筒内、外半径分别为r1和r2，长度为L，内外壁温度t1>t2，在圆筒壁半径r处沿半径方向取微元厚度dr的圆筒壁，其传热面积：S=2πrL圆筒很长，沿轴向散失热量可以忽略，温度仅沿半径方向变化，为一维稳态热传导。圆筒壁材质均匀，热导率k为常数2023/2/446第5章传热过程基础单层圆筒壁导热速率计算式2023/2/447第5章传热过程基础〖说明〗当圆筒壁两侧温度不变时，传热速率Q为常量，但由于S与r有关，故热通量Q/S不再是常量，而Q/L保持常量；在任一半径r处，温度表示为:表明温度沿r方向为对数曲线分布；2023/2/448第5章传热过程基础

表明导热速率与推动力△t成正比，而与导热热阻R成反比。

误差不超过4％，工程上允许。2023/2/449第5章传热过程基础单层圆筒壁导热计算举例例4-2在外径为133mm的蒸汽管道外包扎一层石棉保温材料，热导率为0.2W/(m·℃)，蒸汽管外壁温度为160℃，要求保温层外侧温度40℃，若每米管长热损失控制在240W/m下，求保温层厚度。解：单层圆筒壁热传导速率方程故保温层厚度b=r2-r1＝0.125-0.0665＝0.058m2023/2/450第5章传热过程基础5.3.5.2多层圆筒壁稳态热传导以三层为例。前提条件：各层间接触良好各层热导率k1、k2、k3均为常数一维稳态热传导据多层平壁热传导计算公式：2023/2/451第5章传热过程基础2023/2/452第5章传热过程基础〖说明〗多层圆筒壁热传导的总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。总的导热速率与总推动力成正比，而和总阻力成反比。对各层，同样有温差与热阻成正比。不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和Q/L为常量，但Q/S不为常量；其中每一层的温度分布为曲线，但各层分布曲线不同；2023/2/453第5章传热过程基础5.4对流传热5.4.1对流传热机理对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状况有密切关系。考察湍流流体：流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内，沿壁面的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的热导率较低，使滞流底层中的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯度极小，热量主要以热对流的方式传递，各处的温度基本相同。在湍流主体与滞流底层的过渡层中，热传导和热对流均起作用，在该层内温度发生了缓慢的变化。2023/2/454第5章传热过程基础在热流体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本一致，即图中T；在过渡层中，温度由T缓慢下降至Tw；在滞流底层中，由于热阻较大，温度由Tw急剧下降至Ts，再往右，通过管壁，因其材料为金属，热阻较小，因此，管壁两侧的温度Ts和ts相差很小。此后，在冷流体中，又顺序通过滞流底层、过渡层而到达湍流主体，温度由ts经tw下降至t。湍流流体中的温度分布由以上分析可知，对流传热的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径。TTWTSttWtS热流体冷流体2023/2/455第5章传热过程基础5.4.2对流传热系数据前分析，对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数h内。5.4.2.1对流传热速率方程将湍流主体区和滞流底层的温度梯度曲线延长，其交点与壁面距离为δ′，此膜层称为虚拟膜或有效膜。湍流主体区过渡区滞流底层虚拟膜δ′说明这是一集中了全部传热温差以导热方式传热的膜层，其温度梯度为牛顿冷却定律式中：dQ

—局部对流传热速率，W；dS—微分传热面积；m2；△t

—

换热器任一截面上流体的传热温度差，℃；α—局部对流传热系数，W/(m2·℃)。2023/2/456第5章传热过程基础〖说明〗1.h取平均值在换热器中，局部对流传热系数h随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，一般也用α表示，此时牛顿冷却定律可表示为：Q=αhSΔt式中：

Q—

对流传热速率，W；

S—

总传热面积；m2；△t—流体与壁面(或反之)间温度差平均值，℃；

α—平均对流传热系数，W/(m2·℃)。2023/2/457第5章传热过程基础2.牛顿冷却定律的具体表达方式与实际换热情况有关换热器的传热面积有不同的表示方法，流体的流动位置不同，牛顿冷却定律有不同的写法。如：热流体、管程：dQ=αi(Tb-Ts)dSi热流体、壳程：dQ=αo(Tb-Ts)dSo冷流体、管程：dQ=αi(ts-tb)dSi冷流体、壳程：dQ=αo(ts-tb)dSo可见，对流传热系数是和传热面积及温度差相对应的Tb，tb：热、冷流体的主体温度或平均温度，℃2023/2/458第5章传热过程基础5.4.2.2对流传热系数定义式一：据牛顿冷却定律得即：在单位温度差下，对流传热系数在数值上等于由对流传热参数的热通量。但该式并未揭示出影响对流传热系数或对流传热速率的因素，所以无法通过此式计算对流传热系数α。2023/2/459第5章传热过程基础定义式二：据前述，在壁面附近的滞流底层中，传热方式只有热传导，故传热速率方程可以用傅立叶定律表示，即：〖上式作用〗对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近流体层的温度梯度，就能求得α。可见，此式是在理论上分析和计算α的基础。2023/2/460第5章传热过程基础〖说明〗热边界层的厚薄，影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当热边界层内、外侧温度差一定时：而热边界层的厚薄，受流动边界层的剧烈影响。〖结论〗减薄热边界层的厚度，有利于对流传热过程的进行。2023/2/461第5章传热过程基础5.4.4对流传热过程的量纲分析5.4.4.1对流传热系数的影响因素对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响α的主要因素是：1.流体的种类和相变化情况α气体<α液体α有相变>α无相变2023/2/462第5章传热过程基础2.流体的物性对h影响较大的流体物性有热导率k、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流影响较大的体积膨胀系数β。具体地：

k↑、μ↓、Cp↑、ρ↑、β↑→α↑3.流体的温度流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差Δt，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。2023/2/463第5章传热过程基础4.流体的流动状态流体呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，α增大。流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故α较湍流时小。即：

α滞流<α湍流

5.流体流动的原因自然对流：由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。强制对流：由于外来的作用，迫使流体流动。

α自然对流<α强制对流

2023/2/464第5章传热过程基础6.传热面的形状、位置和大小传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响，从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同，在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响，一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸作为计算依据，称为定性尺寸。2023/2/465第5章传热过程基础5.4.4.2对流传热过程的量纲分析由于影响对流传热系数的因素众多而复杂，因此不可能用一个通式来描述，为此首先进行理论分析，将众多的影响因素组合成若干无量纲数群(准数)，然后用实验的方法确定这些准数间关系，从而建立相应的关联式。本节采用白金汉法处理对流传热问题，适用于变量较多的情况。5.4.4.2.1流体无相变时的强制对流传热过程步骤：1.列出影响该过程的物理量据理论分析及实验研究，知影响α的因素有：定性尺寸l，流体的密度ρ，粘度μ，比热Cp，热导率k，流速u，可将其表示为：α＝f(l,ρ，μ，Cp，k，u)2023/2/466第5章传热过程基础2.确定准数数目π定理：任何一个量纲一致的物理方程都可表示成一个隐函数的形式，即：f(π1,π2,π3，···，πi)=0其中：i=j-m

i—无量纲准数的数目

j－变量数

m－基本量纲数(长度L、质量M、时间θ、温度T)∴i=7-4=3有三个准数2023/2/467第5章传热过程基础3.确定各准数的形式(1)列出各物理量的量纲(2)选择m(即4)个共同物理量选择时遵循的原则：不能包括待求的物理量－－如不能选α不能同时选用量纲相同的物理量－－如不能选d,l选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本量纲－－如不能选l,u,ρ,μ，因为不包括量纲T据此，选择l,k,μ,u为3个无量纲准数的共同物理量LukCpμρlα2023/2/468第5章传热过程基础(3)量纲分析将共同物理量与余下的物理量分别组成无量纲数群，即2023/2/469第5章传热过程基础4.确定具体的准数关联式通过实验进一步确定出具体的准数关联式流体无相变时强制对流传热时的准数关联式2023/2/470第5章传热过程基础5.4.4.2.2自然对流传热过程自然对流中，引起流动的原因是单位体积流体的升力，大小为ρgβΔt，其它因素与强制对流相同，故一般函数表达式为：α＝f(l,ρ，μ，Cp，k，ρgβΔt)方法同前，可得：通过实验进一步确定出具体的准数关联式2023/2/471第5章传热过程基础各准数的名称、符合、意义如下：准数式符号名称意义Nu努寒尔特准数(Nusselt)表示对流传热强弱程度的准数Re雷诺准数(Reynolds)反映流体流动湍动程度的准数Pr普兰特准数(Prandtl)反映物性对传热影响的准数Gr格拉斯霍夫准数(Grashof)反映自然对流强弱程度的准数2023/2/472第5章传热过程基础5.4.4.2.3应用准数关联式应注意的问题对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系是由实验确定的，在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题：1.应用范围关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。2.定性温度各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法：取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度取壁面平均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度取流体和壁面的平均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度壁温多为未知数，需用试差法，故工程上多用第一种方法3.特征尺寸无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常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。2023/2/473第5章传热过程基础5.4.5流体无相变时的对流传热系数Heattransfertofluidswithoutphasechange5.4.5.1流体在管内作强制对流1.流体在圆管内作强制湍流(1)低粘度流体(μ<2×10-3Pa·s的气体及大部分液体)2023/2/474第5章传热过程基础(2)高粘度流体2023/2/475第5章传热过程基础2.流体在圆形直管内强制滞流

2023/2/476第5章传热过程基础3.流体在圆形弯管内强制对流

流体流过弯管时，将受到离心力的作用，致使湍动程度加大。在同样Re数下，对流传热系数较直管中为大，因此先按直管计算，然后再乘以一大于1的校正系数，即：其中：α'－弯管中的对流传热系数，W/(m2·℃)

α－直管中的对流传热系数，W/(m2·℃)r'－弯管轴的弯曲半径，m2023/2/477第5章传热过程基础4.流体在圆形直管内呈过渡流

当流体在管内呈过渡状态流动时，即2300<Re<10000，其传热情况比较复杂。通常先按湍流时的公式计算，然后再将计算结果乘以一小于1的修正系数φ，即：5.流体在非圆形管中强制对流流体在非圆形管中呈强制湍流、过渡流以及层流时，仍可应用上述相应的关联式进行计算，只将其中管子内径di用当量直径de代替即可。2023/2/478第5章传热过程基础例4-13列管换热器由254根φ25×2.5mm，长6m的钢管组成，用饱和水蒸汽加热管内流动的苯，苯的流量为50kg/s，进出口温度分别为20℃和80℃，试求管内苯的对流传热系数。若将苯的流量增加50%，而仍维持原来的出口温度，对流传热系数将如何变化。解：定性温度t=(20+80)/2=50℃，查得苯的物性数据：ρ=860kg/m3，cP=1.80kJ/kg·℃，μ=0.45×10-3Pa·s，k=0.14W/m·℃2023/2/479第5章传热过程基础2023/2/480第5章传热过程基础二、流体在管外强制对流时对流传热准数关联式1流体在管束外强制垂直流动管束的排列方式有直列和错列两种，错列中又有正方形和等边三角形两种。直列正方形错列等边三角形错列2023/2/481第5章传热过程基础2流体在列管式换热器管间流动当流体流过换热器管间时，由于壳体是圆筒，管束中各列的管数不等，且一般都安装有折流挡板，故流体在换热器壳程流动时，流向和流速的不断变化，使得Re>100时即可能形成湍流，对流传热系数加大。折流挡板的形式较多，最常用的是圆缺形挡板。(1)换热器内装有圆缺形挡板(缺口面积为25%的壳体内截面)时，壳程流体的h关联式多诺呼法2023/2/482第5章传热过程基础凯恩法(2)无折流挡板按管内强制对流公式计算，将di用管间当量直径de代替即可。2023/2/483第5章传热过程基础三、自然对流时对流传热系数关联式自然对流时的对流传热系数仅与反映流体自然对流状况的Gr准数及Pr准数，其准数关联式可表示为：Nu＝Ｃ(Ｇr·Pr)n

定性温度取膜温，即壁温与流体平均温度的算术平均值。式中的系数C和指数n值

加热表面形状特征尺寸Ｇr·PrCn水平圆管外径do104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/32023/2/484第5章传热过程基础准数关联式计算示例例4-4一水平蒸汽管，长20m，外径为159mm，管外壁温度为120℃，周围空气温度为20℃，计算该管段由于自然对流散失的热量。定性温度：t＝(120+20)/2＝70℃70℃下空气物性：ρ＝1.03kg/m3，μ＝2.06×10-5Pa·sk＝0.0297W/m·K，β=1/(273+70)=1/3401/K，Pr=0.694

2023/2/485第5章传热过程基础5.4.8流体有相变时的对流传热系数蒸汽冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。这类传热过程的特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温度基本不变。因此在壁面附近流体层中的温度梯度较高，从而对流传热系数比无相变时的更大。2023/2/486第5章传热过程基础5.4.8.1蒸汽冷凝传热当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面相接触时，将放出潜热，冷凝成液体而使另一侧的流体被加热。因此生产上常将蒸汽冷凝作为一种加热的方式，其优点是：(1)饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制；(2)蒸汽冷凝的对流传热系数较无相变时大得多。这是因为蒸汽在壁面上冷凝的同时，蒸汽将迅速流到壁面补充空位，汽相主体与壁面间温差极小，因此饱和蒸汽冷凝时汽相中几乎无温差存在，致使液膜中温度梯度极大。2023/2/487第5章传热过程基础1.蒸汽冷凝传热Heattransferfromcondensingvapors蒸气冷凝时，根据其冷凝液是否能够润湿壁面分成两种方式：(1)膜状冷凝filmcondensation

：若冷凝液能够完全润湿壁面，则将在壁面上形成一层连续的液膜，并向下流动。壁面完全被冷凝液所覆盖，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，与壁面不进行直接接触，冷凝潜热只能以导热和对流的方式通过液膜传给壁面。因蒸汽冷凝时有相的变化，一般热阻很小，故冷凝液膜就成为冷凝的主要热阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动，则所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高或水平放置的管径越大，则整个壁面的平均对流传热系数也越小。冷凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面附着力的关系，当附着力大于表面张力时则会形成膜状冷凝。2023/2/488第5章传热过程基础(2)滴状冷凝dropwisecondensation

若冷凝液不能够润湿壁面，则由于表面张力的作用，在壁面上形成液滴，液滴长大到一定程度后而脱落壁面，这种形式称为滴状冷凝。此时壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接触，由于没有液膜阻碍热流，所以其热阻很小，因而对流传热系数要比膜状冷凝高出5～10倍。滴状冷凝虽然比膜状冷凝传热效果好，但在工业上很难实现，因此生产中大多为膜状冷凝。2023/2/489第5章传热过程基础2.膜状冷凝对流传热系数冷凝液膜的流动也可分为滞流和湍流两种流型，判断流型也可用Re，而Re常常表示为冷凝负荷M的函数，即：Re=f(M)。冷凝负荷M：单位时间单位长度润湿周边上流过的冷凝液量，kg/(m·s)设液膜流通截面积为Am2，润湿周边长为bm,冷凝液质量流量为Wkg/s，则：2023/2/490第5章传热过程基础(1)蒸汽在水平管Horizontaltubes(或管束)外冷凝2023/2/491第5章传热过程基础(2)蒸汽在垂直管Verticaltubes外(或板上)冷凝计算步骤(试差法)假设一种流型选择公式计算h计算热负荷q=αoSo(ts-tw)计算质量流量W=q/r计算冷凝负荷M=W/b计算Re并校核2023/2/492第5章传热过程基础3.影响冷凝传热的因素液膜两侧的温度差：Δt↑，Q↑，δ↑→α↓流体的物性：传热冷凝液的密度越大，粘度越小，则液膜的厚度越小，因而冷凝对流传热系数α越大。热导率大有利于传热，冷凝潜热大，则在同样的热负荷下冷凝液减少，液膜变薄，α增大2023/2/493第5章传热过程基础蒸汽的流速和流向：当蒸汽流速较大时，蒸汽与液膜间的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，这种作用将使液膜减薄并促使其产生一定波动，因而使α增大。若逆向流动，这种作用会阻碍液膜流动，使其增厚导致传热恶化。但当这种作用超过重力作用时液膜会被蒸汽带动而脱离壁面，反而使α急剧增大。2023/2/494第5章传热过程基础不凝性气体的影响：蒸汽冷凝时不凝性气体将在液膜表面形成一层气体膜，由于其热导率很小，使热阻增大，h大为降低。当蒸汽中不凝性气体含量为1%时，可使冷凝时α降低60%左右。因此在冷凝器的设计和操作中，都必须考虑不凝气的排除。2023/2/495第5章传热过程基础冷凝壁面的影响：冷凝液膜为膜状冷凝的主要热阻，设法减薄其厚度是强化传热的关键，最直接的方法是从冷凝壁的高度和布置方式上着手。对水平放置的列管式冷凝器，应减少垂直方向上管排的数目，或采用斜转排列方式，使冷凝液尽量沿管子的切向流过。在垂直壁面上，开若干纵向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以减薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑时对流传热系数提高。2023/2/496第5章传热过程基础5.4.8.2液体沸腾传热Heattransfertoboilingliquids

液体与高温壁面接触时被加热，并产生大量气泡变为蒸汽的过程称为液体沸腾。这种传热方式由于在加热面上不断经历着汽泡的形成、长大和脱离的过程，造成对壁面处流体的强烈扰动，因而对流传热系数要比无相变时大。化工中常用的蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等，都是通过液体沸腾而产生蒸汽。2023/2/497第5章传热过程基础液体在加热表面上沸腾时，按其沸腾所处的空间可分为大容器沸腾和管内沸腾。大容器沸腾是指加热面被沉浸在无宏观流动的液体表面下所产生的沸腾，这种情况下汽泡脱离表面后能自由浮升，液体的运动只是由自然对流和气泡扰动引起。当液体以一定流速在加热管内流动时的沸腾称为管内沸腾，此时产生的汽泡不能自由浮升，被迫与液体一起流动，也称为强制对流沸腾。2023/2/498第5章传热过程基础1大容器饱和沸腾曲线↑αΔt=tw-tsA自然对流BB泡状沸腾CDEF膜状沸腾(1)AB段当△t<5℃时，α随△t缓慢增大，原因：温度差小，无气泡产生，传热依靠自然对流进行，只在液体表面上发生蒸发，此段α、Q都较低。AB段称为自然对流阶段。2023/2/499第5章传热过程基础1大容器饱和沸腾曲线↑αΔt=tw-tsA自然对流BB泡状沸腾CDEF膜状沸腾(2)BC段当△t继续加大，产生汽泡，增加扰动，故α随△t急剧上升。BC段的沸腾称为泡状沸腾2023/2/4100第5章传热过程基础1大容器饱和沸腾曲线↑αΔt=tw-tsA自然对流BB泡状沸腾CDEF膜状沸腾(3)CD段汽泡增多，滞留，形成附加热阻，使α、Q急剧下降。气膜开始形成是不稳定的，可能形成大气泡脱离表面。CD段称为不稳定膜状沸腾阶段。2023/2/4101第5章传热过程基础1大容器饱和沸腾曲线↑αΔt=tw-tsA自然对流BB泡状沸腾CDEF膜状沸腾(4)DEF段△t的进一步增大，形成稳定的汽膜，α进一步降低。之后，随壁温增加，辐射传热的作用不断增强，故α随△t增大而增大。DEF段的沸腾称为稳定的膜状沸腾阶段。工业设备常维持在泡状沸腾下操作。2023/2/4102第5章传热过程基础2沸腾传热系数的计算(1)莫斯听斯基(Mostinski)经验式：2023/2/4103第5章传热过程基础(2)准数关联式

2023/2/4104第5章传热过程基础3影响沸腾传热的因素(1)液体物性液体的热导率、密度、粘度、表面张力等对沸腾传热都有影响。一般α随k、ρ的增大、μ和σ的减少而增大。(2)温度差△t

温差△t＝tw-ts是影响沸腾传热的重要因素。在核状沸腾区：α=a(△t)n。式中a和n是根据液体种类、操作压强和壁面性质而定的常数，一般n＝2～3。2023/2/4105第5章传热过程基础(3)操作压强提高操作压强即相当于提高了液体的饱和温度，使液体的表面张力和粘度下降，有利于汽泡的形成和脱离，使沸腾传热增强，在同样的△t下能得到更高的h。(4)加热壁面加热面的材料不同，光洁度不同，则形成汽化核心的条件不同，对沸腾传热有显著影响。通常新的清洁加热面α较高，当壁面被油脂沾污后，会使α急剧下降；壁面愈粗糙，汽化核心愈多，有利于沸腾传热。此外加热面的布置对沸腾传热也有明显影响，如在水平管束外沸腾时，其上升汽泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致管的平均α下降。2023/2/4106第5章传热过程基础5.5辐射传热热辐射thermalradiation是热量传递的三种基本方式之一，特别是高温时，热辐射往往成为主要的传热方式。一些加热炉和锅炉中的燃烧加热，高温管道和设备与周围环境的热量交换等均与辐射传热有关。5.5.1

基本概念和定律5.5.1.1热辐射物体由于本身温度或受热而引起内部原子的复杂激动，产生交替变化的电场和磁场，就会对外发射出辐射能并向四周传播。这种能量是以电磁波的形式进行传递，在一定波长范围内显示为热效应，称为热辐射。当热辐射能量投射在另一物体表面上时，可部分或全部地被吸收，重新转变为热能。2023/2/4107第5章传热过程基础5.5辐射传热电磁波的波长范围从零到无穷大，但能被物体吸收而转变为热能的辐射线主要为可见光(0.4～0.8μm)和红外线(0.8～20μm)两部分，即波长在0.4～20μm之间，统称为热射线。但只有在很高的温度下，才能觉察到可见光线(波长为0.4～0.8μm)的热效应。理论上讲，任何物体只要温度在绝对零度以上，都能进行热辐射，但只在高温时才起决定作用。2023/2/4108第5章传热过程基础5.5.1.2热辐射对物体的作用热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性，服从光的反射和折射定律，在均一介质中直线传播，在真空和有些气体中可以完全透过，而在固体和液体中则不能透过。根据这些特性，设投在某物体上的总辐射能为Q，则有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，其余部分能量QD穿透过物体，如图。根据能量守恒定律有：QA＋QR＋QD＝Q

2023/2/4109第5章传热过程基础5.5.1.3黑体、镜体、透热体和灰体黑体(绝对黑体)：Abodywhichabsorbsallincidentradiationiscalledablackbody能全部吸收辐射能的物体，即A＝1的物体。自然界中无绝对黑体存在，但有些物体如无光泽的黑漆表面，A＝0.96～0.98，比较接近于黑体。引入黑体只是作为实际物体的一种比较标准，黑体A最大，也具有最大的辐射能力。2023/2/4110第5章传热过程基础镜体(绝对白体)：能全部反射辐射能的物体，即R＝1的物体。实际上镜体也是不存在的，但有些物体如表面磨光的铜，R＝0.97，接近于镜体。透热体：能全部透过辐射能的物体，即D＝1的物体。单原子和对称双原子构成的气体(H2、N2、O2和He等)一般可视为透热体；多原子和不对称双原子气体则能有选择地吸收和反射某一波长范围的辐射能。2023/2/4111第5章传热过程基础灰体：以相同吸收率A部分吸收0～∞全部波长辐射能的物体。大多数工程材料均可按灰体处理。因而灰体的特点是：灰体为不透热体，即D=0或A＋R＝1吸收率A不随波长k变化物体的A、R和D是和物体的性质、表面状况，所处温度和投射辐射线的波长等有关，一般地：多数固体和液体：不透热体，即D＝0或A+R=1。气体：不反射能量，即R＝0或A＋D＝1。2023/2/4112第5章传热过程基础5.5.1.4辐射传热Radiationheattransfer物体在向外发射辐射能的同时，也会不断地吸收周围其它物体发射的辐射能，并将其重新转变为热能，这种物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。若辐射传热是在两个温度不同的物体之间进行，则传热的结果是高温物体将热量传给了低温物体，若两个物体温度相同，则物体间的辐射传热量等于零，但物体间辐射和吸收过程仍在进行。2023/2/4113第5章传热过程基础5.5.1.5辐射传热基本定律5.5.1.5.1辐射能力物体只要具有一定温度(T>0K)就会不断向空间辐射出各种波长的辐射能。物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能力，用E表示，单位W/m2。确定物体的辐射能力先需确定物体辐射某一波长的能力，物体发射特定波长的能力称为单色辐射能力，用EΛ表示，单位W/m2·μm。EΛ的大小不仅与波长Λ及温度有关，而且与物体的性质有关。2023/2/4114第5章传热过程基础在一定温度下物体的辐射能力可表示为：对于黑体，其辐射能力Eb则可表示为：2023/2/4115第5章传热过程基础5.5.1.5.2普朗克(M·Planck)定律普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律，即表示黑体单色辐射能力EbΛ和波长Λ、热力学温度T之间的函数关系，计算式为：式中：

Λ——

波长，μm；

T——

黑体的绝对温度，K；

C1——普朗克第一常数，3.743×10-16

Ｗ·m2；C2——普朗克第二常数，1.4387×10-2m·K。2023/2/4116第5章传热过程基础不同温度下，EbΛ～Λ作图，如图示，每个温度有一条能量分布曲线。在指定温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。但在某一波长可达到EbΛ的最大值。在不太高的温度下，辐射主要集中在波长为0.4～0.8μm的范围内。2023/2/4117第5章传热过程基础5.5.1.5.3斯蒂芬-波尔茨曼(J·Stefan-D.Boltzman)定律斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系：式中：σ0——黑体的辐射常数，5.67×10-8

W/(m2·K4)

C0——黑体的辐射系数，5.67W/(m2·K4)。2023/2/4118第5章传热过程基础上式称为斯蒂芬-波尔茨曼定律，它说明黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比，故又称为四次方定律。实验证明，斯蒂芬-波尔茨曼定律也可以应用到灰体，此时定律的数学表达式为：式中：C－灰体的辐射系数，W/(m2·K4)，不同物体的C值不同，它取决于物体性质，表面状况和温度，且总是小于C02023/2/4119第5章传热过程基础因C<C0，故在同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体，其比值称为物体的黑度，以ε表示：因而只要知道物体的黑度，就可通过上式求得该物体的辐射能力。物体的黑度ε取决于物体的性质、温度以及表面状况(表面粗糙度及氧化程度)，是物体本身的特性，与外界情况无关，一般通过实验测定。常用工业材料的黑度列于书中表5-6。2023/2/4120第5章传热过程基础5.5.1.5.4克希霍夫(Kirchhoff)定律克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。设有相距很近的平行平板1和2，从一板发射的辐射能可全部投射到另一平板上。板1：实际物体(灰体)，E1、A1、T1板2：黑体，Eb、A2(=1)、T2T1>T2,板间介质为透热体，系统与外界绝热12EbA1Eb(1－A1)Eb因板2为黑体，板1发射出的E1被板2全部吸收。板2发射出的Eb被板1吸收A1Eb，其余(1-A1)Eb被反射至板2，并被其全部吸收。E1E12023/2/4121第5章传热过程基础对板1，辐射传热的结果为：Q/s=Q发射/s-Q接收/s=[E1+(1-A1)Eb]-Eb=E1-A1Eb辐射传热达到平衡时，即T1=T2时，Q/s=012EbA1Eb(1－A1)EbE1E1上式称为克希霍夫定律，它表明任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和物体的绝对温度有关。2023/2/4122第5章传热过程基础实际上板1可用任何板代替，则上式可写成：根据克希霍夫定律：①物体的吸收率A愈大，其辐射能力E也愈大；②由A＝E/Eb与式ε＝E/Eb比较，A＝ε，即灰体的吸收率在数值上等于同温度下该物体的黑度。因此若测定出了物体的黑度，即可知其吸收率和辐射能力。2023/2/4123第5章传热过程基础虽然A=ε，但A、ε物理意义不同：A：吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；ε：黑度，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数因物体的A测定比较困难，工程计算中常用ε代替。2023/2/4124第5章传热过程基础5.5.2两固体间的辐射传热Radiationbetweensurfaces

工业上常遇到两固体间的相互热辐射，可近似按灰体处理，故较复杂。两固体间辐射传热的净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身性质有关。5.5.2.1不考虑几何因素面积很大，距离很近