传热机理与设备图例

传热机理与设备图例第一页，共一百九十页，2022年，8月28日传热概述热量传递推动力：温度差。工业传热应用：物料加热和冷却；热量和冷量的回收利用；设备和管道的保温。第二页，共一百九十页，2022年，8月28日传热的三种基本方式1热传导:发生在两直接接触的相对静止物体之间的热量传递。以分子或原子的热运动而传热。物理意义热对流:发生在流动流体内部的传热,以自然对流,或强制对流方式进行。自然对流；强制对流；第三页，共一百九十页，2022年，8月28日传热的三种基本方式2与普通物理意义热对流不同,工业意义的热对流指流动流体和它所流经的固体壁面之间热量传递,其中将包括普通物理意义热对流和壁面附近滞流层内的热传导。实质为复合传热。热辐射:发生在相距一定距离的物体之间,以电磁波形式而传热。复合传热:以两种或两种以上基本方式而传热。第四页，共一百九十页，2022年，8月28日几个概念稳态传热与非稳态传热。反映传热快慢的：传热速率Q和热通量（或热流密度）q。q=Q/S温度场、三维稳态温度场、一维稳态温度场、温度梯度。第五页，共一百九十页，2022年，8月28日第六页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁式换热器及其典型结构间壁式换热器是两种流体间换热时最常用的换热器。在该换热器中，两流体由金属固体壁面隔开而流动换热。典型结构:套管式、列管式。(见下图)第七页，共一百九十页，2022年，8月28日第八页，共一百九十页，2022年，8月28日套管换热器两种规格不同的标准管同心套装，一种流体在小管内空间流过，另一种流体在套管环隙中流动，两者通过小管壁面而进行热量交换。小管壁面为间壁。传热面积为该管子表面积。第九页，共一百九十页，2022年，8月28日第十页，共一百九十页，2022年，8月28日第十一页，共一百九十页，2022年，8月28日列管式换热器的几个概念和问题1结构:管束.外壳.封头.管板.折流挡板.工艺接管管程.、管程流体.、多管程壳程.、壳程流体.、多壳程问题:为什么要设置多管程?第十二页，共一百九十页，2022年，8月28日列管式换热器的几个概念和问题2管束中所有管子的表面积总和构成换热面积。即式中：n为管子根数。直径可取管子内径、管子外径、管子平均直径，则传热面积可分别为内表面积、外表面积、平均面积。第十三页，共一百九十页，2022年，8月28日傅立叶定律反映热传导传热基本规律：传热速率与传热温度梯度，两物体接触面积成正比。比例系数为导热系数。第十四页，共一百九十页，2022年，8月28日导热系数（热导率）1反映物质导热能力大小的物理量。定义式：物理意义：单位温度梯度下、单位传热面积上所传递的热量。单位：。第十五页，共一百九十页，2022年，8月28日各类物质导热系数(热导率）数值范围气体0.006~0.6液体0.07~0.7非导固体0.2~3.0固体15~420绝热材料﹤0.25以上单位均用W/(m.℃)。第十六页，共一百九十页，2022年，8月28日导热系数（热导率）2金属材料导热系数大、传热性能好，所以，换热器都用金属材料制造。气体导热系数小、不利于传热，但利于绝热，所以，在保温材料内一般充注空气。导热系数一般随温度呈线性变化。第十七页，共一百九十页，2022年，8月28日单层平壁热传导1假定：。平壁两侧温度分别为，且，且温度不变，即为稳态传热或说传热速率为定值；平壁厚度为b。平壁材料导热系数为；传热面为一系列与两侧壁面平行的平面，传热面积处处相等，都为S。第十八页，共一百九十页，2022年，8月28日单层平壁热传导2则任意温差为、厚度为的平壁层内，有：积分上式，可得：第十九页，共一百九十页，2022年，8月28日单层平壁热传导3或者：两式中，都称为热阻。前者单位是：；后者单位是：。第二十页，共一百九十页，2022年，8月28日热阻定义：在传热过程中，由除推动力温度差以外的所有其他物理量综合构成的、对传热有阻碍效应的一个物理量。应用意义:。稳态传热时，温度差与热阻成正比。据此，可获得传热范围内任意两距离之间的温度差或某位置上的温度值；与电路欧姆定律相同，故可用并联、串联计算电阻的方式计算热阻。第二十一页，共一百九十页，2022年，8月28日例题单层平壁内侧温度为300℃，外侧温度为60℃，已知平壁总厚度为40cm，试确定平壁内距外壁面分别为15、30cm两壁面上的温度值。第二十二页，共一百九十页，2022年，8月28日单层平壁热传导例题1某平壁厚度为0.37m，内表面温度为1650℃，外表面温度为300℃，平壁材料导热系数Λ=0.815+0.00076t（式中t的单位为℃，Λ的单位为W/(m.℃)。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算时，试求平壁温度分布关系式和导热热通量。第二十三页，共一百九十页，2022年，8月28日单层平壁热传导例题2现有一厚度为240mm的砖壁，内壁温度为600℃，外壁温度为150℃。试求:①通过每平方米砖壁壁面的热流密度q（热通量）。②距内壁面为40mm处的壁层温度。③壁面总热阻。已知该温度范围内砖壁的平均热导率（导热系数）为0.6W/(m.℃)。第二十四页，共一百九十页，2022年，8月28日多层平壁热传导1(以三层为例）

设各层温度分别为，且不变，即稳态传热；各层热导率分别为；传热面为一系列与轴线相平行的平面，面积相等，且均为S。且各层接触良好，即各表面光滑或彼此完全吻合。否则，接触面处接触不好，出现空气层，导致极大的附加热阻（或接触热阻）第二十五页，共一百九十页，2022年，8月28日多层平壁热传导2

多层平壁热传导实际就是多层传热平壁串联传热，所以总热阻为各层热阻总和，总传热温度差为各层温度差总和。第二十六页，共一百九十页，2022年，8月28日多层平壁热传导例题1燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖，外层为230mm厚的绝缘砖。若炉的内表面温度t1为1400℃，外表面温度t3为100℃。试求导热的热通量及两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为λ1=0.9+0.0007t，绝缘砖的导热系数为λ2=0.3+0.0003t。两式中t可分别取为各层材料的平均温度，单位为℃,λ单位为W/(m.℃)。第二十七页，共一百九十页，2022年，8月28日多层平壁热传导例题2平壁炉的炉壁由三种材料组成,其厚度和导热系数列于本题附表中。若耐火砖层内表面的温度t1为1150℃，钢板外表面温度t4为30℃，今测得通过炉壁的热损失为300W/m2，试计算导热的热通量（热流密度）q。若计算结果与实测的热损失不符，试分析原因和计算附加热阻。第二十八页，共一百九十页，2022年，8月28日上例附表第二十九页，共一百九十页，2022年，8月28日多层平壁热传导例题3有一平壁燃烧炉，炉壁由三种材料组成，最内层为耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。各层厚度和导热系数如下附表。今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之间界面处的温度为946℃。试求：①单位面积的热损失；②保温层与建筑砖之间界面的温度；③建筑砖外侧温度。

第三十页，共一百九十页，2022年，8月28日附表材料厚度（mm）导热系数w/(m.℃)耐火砖1501.06保温砖3100.15建筑砖2400.69第三十一页，共一百九十页，2022年，8月28日单层圆筒热传导1第三十二页，共一百九十页，2022年，8月28日单层圆筒热传导2假设圆筒内壁面温度值与外壁面温度值关系为：，即热量由筒内向筒外传递。与单层平壁面热传导最大的不同是:圆筒热传导时，筒内传热面积不是常数，随半径而变，温度也随半径而变。第三十三页，共一百九十页，2022年，8月28日单层圆筒热传导3在筒内半径为r处取定一个厚度为dr的圆环，设此圆环内温度变化为dt，则传热面积为2∏r，温度梯度为dt/dr。当稳态传热时，有：或第三十四页，共一百九十页，2022年，8月28日单层圆筒热传导4积分得：

第三十五页，共一百九十页，2022年，8月28日单层圆筒热传导5其中第三十六页，共一百九十页，2022年，8月28日单层圆筒热传导例题1在外径为140mm的蒸汽管道外包扎保温材料，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为390℃，保温层外表面温度不大于40℃。保温材料的λ与t的关系为λ=0.1+0.0002t（t的单位为℃,λ的单位为W/(m.℃)）若要求每米管长的热损失Q／L不大450W／m，试求保温层的厚度以及保温层中温度分布。第三十七页，共一百九十页，2022年，8月28日单层圆筒热传导例题2有外径为426mm的水蒸气管路，管外覆盖一层厚度为400mm的保温层。保温材料的热导率随温度的变化关系为λ=0.5+0.0009t[式中t的单位为℃，λ的单位为w/(m.℃)]。水蒸气管路外表面温度为150℃，保温层外表面温度为40℃。试计算该管路每米长的散热量。第三十八页，共一百九十页，2022年，8月28日多层圆筒热传导（三层）1多层圆筒相互套装，各接触面接触良好。若由内向外，各层半径分别为，其表面温度分别为，且各温度值：。则：第三十九页，共一百九十页，2022年，8月28日多层圆筒热传导（三层）2上式中，第四十页，共一百九十页，2022年，8月28日多层圆筒壁热传导例题1在一ф60×3.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07w/(m.℃)，外层为20mm的石棉层，平均热导率为λ=0.15w/(m.℃)。现用热电偶测得内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热系数为45w/(m.℃)。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。第四十一页，共一百九十页，2022年，8月28日第四十二页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热速率计算式1本课程讨论的热对流为流动流体和它所流经壁面两者之间的热量传递。热对流过程是一个受到过多物理因素影响的过程。热对流传热速率计算尚无理论公式，现在所用的公式都由半理论、半经验而来。第四十三页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热速率计算式2以热流体和壁面之间的传热为例，其中热流体温度为T，该侧壁面温度为，且管外传热。推导：。传热推动力为温度差（）；传热速率必然和传热面积成正比；传热过程中，顺着流体的流动方向，热流体温度逐渐降低，壁面温度也随位置而改变，所以每一局部区域的传热速率必不相同。需用微分式表达。第四十四页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热速率计算式3其余对对流传热有影响的因素归结为一个物理量——对流传热系数α。综上，热对流传热速率可为：第四十五页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热速率计算式4上述公式称为牛顿冷却定律。对管内冷流体一侧热对流：冷流体温度为t，该侧壁面温度为。应有：第四十六页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热速率计算式5实用对流传热速率计算，是对上述两式求积分得到。即：或第四十七页，共一百九十页，2022年，8月28日第四十八页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热系数物理意义：既是对流传热过程中除温度差、传热面积之外的诸多影响因素的集合，反映对流传热的强度，其倒数又是对流传热的热阻。第四十九页，共一百九十页，2022年，8月28日保温层临界直径1临界直径——在设备或管道外设置保温层，其厚度必须使保温层的直径达到某一临界值，否则加厚保温层将使热损失更大，此临界值对应的保温层直径。设保温层内表面温度为t、大气温度为，热量由此层传导大气中，经保温层内的热传导、保温层外的热对流。第五十页，共一百九十页，2022年，8月28日保温层临界直径2保温层内的热阻为。层外热对流热阻为。总传热速率第五十一页，共一百九十页，2022年，8月28日保温层临界直径3上式中，当增大时，将变大，将变小，总热阻可能变大、变小或不变。该式对求导，导数为0时有极值，该极值下，令，可求得：第五十二页，共一百九十页，2022年，8月28日第五十三页，共一百九十页，2022年，8月28日保温层临界直径求算例在管径为15mm的管道外加设保温层。若保温材料的导热系数为0.14W/(m.℃)，外表面对环境空气的对流传热系数为10W/(m2.℃)，试求算保温层的临界直径。第五十四页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁式换热器的热负荷计算1在没有热损失情况下，热流体释放的热量即为冷流体所得到的全部热量。传热两流体都只有温度变化，无相态变化时；其中下标T、t——热流体温度、冷流体温度；“h”、“c”——分别指热流体、冷流体；“1”、“2”——分别指进口、出口；。第五十五页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁式换热器的热负荷计算2当两流体之一只有温度变化，另一者只有相态变化，如热流体为蒸汽冷凝，则：当流体之一既有温度变化，又有相态变化，则：第五十六页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁式换热器传热速率1推导：传热推动力为温度差（T-t）；传热速率必然和传热面积S成正比；传热过程中，顺着流体的流动方向，热流体温度逐渐降低，冷流体温度温度逐渐升高，所以每一局部区域的传热速率必不相同。需用微分式表达。其余对传热有影响的因素归结为一个物理量——总传热系数K。第五十七页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁式换热器传热速率2表达式：。传热面积有不同的取法：，总传热系数对应也有：。所以，表达式有：第五十八页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁式换热器传热3各总传热系数之间关系，有：第五十九页，共一百九十页，2022年，8月28日总传热系数K计算1间壁式换热器的传热步骤有：热流体一侧的热对流、间壁内的热传导、冷流体一侧的热对流。K的倒数显然跟对流传热系数的倒数一样，是整个间壁传热的总热阻。故应是三个串联传热过程热阻的总和。

第六十页，共一百九十页，2022年，8月28日总传热系数K计算2考虑壁面处污垢热阻后。第六十一页，共一百九十页，2022年，8月28日总传热系数K计算3对于平壁面或薄壁管：第六十二页，共一百九十页，2022年，8月28日传热速率计算式例1某换热器由ф25×2.5mm的钢管组成。热空气流经管程，冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知管内侧空气的αi为50W/(m2.℃)，管外水侧的αo为1000W/(m2.℃)，钢的λ为45W/(m.℃)。试求基于管外表面积的总传热系数Ko及按平壁计的总传热系数。第六十三页，共一百九十页，2022年，8月28日传热速率计算式例2在上例中，若忽略管子热传导热阻和两侧污垢热阻。⑴将αi提高一倍；⑵将αo提高一倍。试分别求算总传热系数K。第六十四页，共一百九十页，2022年，8月28日第六十五页，共一百九十页，2022年，8月28日第六十六页，共一百九十页，2022年，8月28日传热平均温度差确定1总传热速率计算式中的传热温度差指的是间壁传热过程中冷、热流体的传热平均温度差。其值的大小在两流体进、出口温度已知,确定了端部温度差时,取决于两流体的相对流动方向。流体的流向种类:逆流、并流、错流、折流。第六十七页，共一百九十页，2022年，8月28日传热平均温度差确定2假设：。传热过程无热损失；流体做稳定流动；传热过程中，两流体的比热、换热器总传热系数为常数。第六十八页，共一百九十页，2022年，8月28日传热平均温度差确定3并流或逆流流动传热时，对于错流和折流情况，则第六十九页，共一百九十页，2022年，8月28日传热平均温度差确定4上式中，温度校正系数。第七十页，共一百九十页，2022年，8月28日第七十一页，共一百九十页，2022年，8月28日第七十二页，共一百九十页，2022年，8月28日逆流、并流传热温度差比较热流体由90℃冷却至70℃，冷流体由20℃加热至60℃，分别用逆流、并流方式换热，试计算两情况下的平均温度差。又若上述热量交换过程是在一单壳程、双管程管壳式换热器中进行的，则对数平均温度差是多少？第七十三页，共一百九十页，2022年，8月28日逆流、并流传热温度差例题用列管式换热器加热原油，原油进、出口温度分别为100℃、150℃，加热剂的进、出口温度各自为250℃、180℃。试求：①分别采用并流、逆流传热的平均温度差；②若原油流量为1800kg/h，比热容为2kj/(kg.℃)，总传热系数为100W/(m2.℃)，试求两种传热情况下的传热面积；③若要求加热剂的出口温度降至150℃，试求此时并流和逆流的传热平均温度差和传热面积，逆流时的加热剂量可减少多少？（设比热和K不变）第七十四页，共一百九十页，2022年，8月28日第七十五页，共一百九十页，2022年，8月28日错流和折流的平均温度差计算先按逆流流动计算出逆流传热平均温度差.通过相关计算并查图,定出温度校正系数,两者相乘,得数值.第七十六页，共一百九十页，2022年，8月28日第七十七页，共一百九十页，2022年，8月28日第七十八页，共一百九十页，2022年，8月28日第七十九页，共一百九十页，2022年，8月28日第八十页，共一百九十页，2022年，8月28日第八十一页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁换热总传热速率计算例题1在一单壳程、四管程管壳式换热器中，用水冷却热油。冷水在管内流动，进口温度为15℃，出口温度为32℃。热油在壳方流动，进口温度为120℃，出口温度为40℃。热油的流量为1.25kg/s，平均比热为1.9kJ/(kg.℃)。若换热器的总换热系数为470W/(m2.℃)，试求换热器的传热面积。第八十二页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁换热总传热速率计算例题2在一传热外表面积So为300m2的单程列管换热器中，300℃的某种气体流过壳方并被加热到430℃。另一种560℃的气体作为加热介质，两气体逆流流动，流量均为1×104kg/h，平均比热均为1.05kJ/(kg.℃)。试求总传热系数。假设换热器的热损失为壳方气体传热量的10%。第八十三页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁换热总传热速率计算例题3在并流换热器中，用水冷却油。水的进、出口温度分别为15℃和40℃，油的进、出口温度分别为150℃和100℃。现因生产任务要求油的出口温度降到80℃，假设油和水的流量、进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为1m，试确定此换热器的管长需增长到多少米才能满足要求。设换热器的热损失可以忽略。第八十四页，共一百九十页，2022年，8月28日间壁换热总传热速率计算例题4在一传热面积为50m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h,温度由20℃升至38℃。溶液的温度由110℃降至60℃。若换热器清洗后，在两流体的流量和进口温度不变的情况下，冷水的出口温度增到45℃。试计算：⑴两种情况下的总传热系数；⑵换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。说明：①两种情况下，流体物性可视为不变，水的平均比热可取4.187kj/(kg.℃)；②按平壁处理，两种情况下的两侧对流传热系数不变；③忽略热损失。第八十五页，共一百九十页，2022年，8月28日传热单元数法在只知两换热流体的进口温度,换热器的总传热系数,流体的物理性质时,为确定流体的出口温度而采用的方法.相关概念:传热效率,传热单元数,传热单元长度计算方法:公式法,图解法第八十六页，共一百九十页，2022年，8月28日第八十七页，共一百九十页，2022年，8月28日第八十八页，共一百九十页，2022年，8月28日第八十九页，共一百九十页，2022年，8月28日传热单元数法例题1在一传热面积为15.8m2的逆流套管换热器中，用油冷却水。油的流量为2.85kg/s，进口温度为110℃；水的流量为0.667kg/s，进口温度为35℃。油和水的比热分别为1.9及4.18kJ／(kg.℃）。换热器的总传热系数为320W/(m2.℃)。试求水的出口温度。第九十页，共一百九十页，2022年，8月28日传热单元数法例题2在逆流操作的列管换热器中，热气体将2.5kg／s的水从35℃加热到85℃。热气体的温度由200℃降到93℃。水在管内流动。已知总传热系数为180W/(m2.℃)，水和气体的比热分别为4.18和1.09kJ／(kg.℃）。若将水的流量减少一半，气体流量和两流体的进口温度不变，试求因水流量减少一半而使传热量减少的百分数。假设流体的物性不变，热损失可忽略不计。第九十一页，共一百九十页，2022年，8月28日传热单元数法例题3重油和原油在单程列管式换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243℃和128℃；终温分别为167℃和157℃。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数不变化，换热器的热损失可以忽略。第九十二页，共一百九十页，2022年，8月28日传热计算综合例在一传热面积为50m2的单程列管换热器中，用水冷却某溶液。两流体呈逆流流动。冷水流量为33000kg／h，温度由20℃升到38℃。溶液的温度由110℃降到60℃。若换热器清洗后，在流体的流量和进口温度不变的情况下，冷水出口温度增到45℃。试估算换热器清洗前后传热面两侧的污垢热阻。假设：①两种情况下，流体物性不变，水的平均比热为4.187kJ／(kg.℃)；②可按平壁计算，两种情况下αi和αo分别相同；③忽略管壁热阻和热损失。

第九十三页，共一百九十页，2022年，8月28日壁温估算1在稳态传热情况下，传热温度差与相应热阻成正比，据此，可对管壁温度进行估算，公式如下：第九十四页，共一百九十页，2022年，8月28日壁温估算2可见，壁温总是更趋近于对流传热系数大的一侧流体温度。当须考虑污垢热阻时，第九十五页，共一百九十页，2022年，8月28日壁温估算例题在一由碳钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口温度为500℃、出口温度为400℃，管外为p=1MPa压力的水沸腾。已知高温气体对流传热系数为，水沸腾的对流传热系数为。忽略污垢热阻。试求管内壁和管外壁平均温度。第九十六页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热系数关联式简介对流传热的影响因数有六大方面:流体的种类、流体的物理性质、流体的温度、流体的流型、传热设备的形状与尺寸、相态变化情况。将对流传热影响因素综合,将形成多个准数(如下页)。对流传热系数的计算反映为各个准数之间的关系，但该关系随流体的流型、传热面形状、流体相态变化而不同。第九十七页，共一百九十页，2022年，8月28日影响流体对流传热系数的因素1流体的种类和相变化情况：。液体、气体、蒸汽的对流传热系数不同；流体有无相态变化，对传热有不同的影响；流体的物理性质：。导热系数——对流传热热阻与导热系数有直接关系，导热系数大，则热阻小，对流传热系数高；粘度——粘度大的流体在其他流动条件相同时，雷诺准数小，滞流内层厚，对流传热系数低；比热容和密度——两者乘积代表单位体积流体的热容量，显然数值越大，热容量越高，对流传热强度大。第九十八页，共一百九十页，2022年，8月28日影响流体对流传热系数的因素2体积膨胀系数——体积膨胀系数大的流体，所产生的密度差异越大，越有利于自然对流传热。流体的温度：流体的温度对对流传热的影响表现在多方面：对流体物理性质有影响、附加自然对流强度、流体和壁面之间的温度差。流体的流动状态：。滞流流体依热传导传热，湍流流体做杂乱的涡流运动，使该区域温差极小，即热阻小，故湍流对流传热系数大于滞流情况。第九十九页，共一百九十页，2022年，8月28日影响流体对流传热系数的因素3流体流动的原因：自然对流由温度差导致密度差而引起，使流体质点相对位移。设流体内温度为的两区域的密度分别为，则密度差产生的升力为。当体积膨胀系数为β时，则可得。于是，单位体积流体产生的升力：第一百页，共一百九十页，2022年，8月28日影响流体对流传热系数的因素4强制对流时，借助外力作用，使得对流传热系数是自然对流的数倍到几十倍。传热面的形状、位置、大小：传热面或为管、板、环隙、翅片等形状，又或者水平、竖直摆放，管束排列方式不同，以及流道尺寸如：管径、管长、板高等不同都直接影响对流传热系数。第一百零一页，共一百九十页，2022年，8月28日白金汉因次分析法—化工过程常用分析方法，步骤：将影响过程的n个物理因素列出，并将所有物理量的量纲找出，得出量纲个数m。依据π定理，π=n-m为无量纲准数的个数。取定m个物理量为组成每个准数的共同物理量，其原则有：①基本物理量中不包括待求量；②应有所有基本量纲；③量纲相同的物理量不应包括。第一百零二页，共一百九十页，2022年，8月28日白金汉因次分析法—化工过程常用分析方法，步骤（续）：以共同物理量与剩余的每个物理量单独写成指数表达式，组成每个准数。在该准数量纲为0的条件下，列出方程，求解出每个物理量的指数，可得到各个准数。第一百零三页，共一百九十页，2022年，8月28日强制对流的对流传热系数关联式1强制对流传热的对流传热系数α，其影响的因素可归结为——流体的密度ρ、粘度μ、导热系数λ、比热容Cp、流体流速u、换热器尺寸l。即：基本量纲有质量M、时间θ、温度T、长度L四个。即π=n-m=7-4=3个。准数可整理为3个。第一百零四页，共一百九十页，2022年，8月28日强制对流的对流传热系数关联式2依据以上原则，可选定四个物理量作为共同物理量。所以各准数将分别为：第一百零五页，共一百九十页，2022年，8月28日强制对流的对流传热系数关联式3对每个准数根据量纲为0的原则，解出所有指数，可得到三个准数分别为：第一百零六页，共一百九十页，2022年，8月28日强制对流的对流传热系数关联式4所以，强制对流的对流传热系数关联式将表达为：第一百零七页，共一百九十页，2022年，8月28日自然对流传热系数关联式1影响的因素可归结为——流体的密度ρ、粘度μ、导热系数λ、比热容Cp、换热器尺寸l、体积膨胀系数。依同样的方式和步骤，可得到三个无因次准数：第一百零八页，共一百九十页，2022年，8月28日自然对流传热系数关联式2自然对流传热系数关联式可表示为:第一百零九页，共一百九十页，2022年，8月28日应用对流传热系数关联式的注意事项定性温度：用于确定流体物理性质参数数值的温度。不同关联式中会选用不同的温度值，使用时应特别注意。特征尺寸：换热设备的尺寸取值。在应用每个关联式时，需要特别注意。第一百一十页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百一十一页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百一十二页，共一百九十页，2022年，8月28日流体无相变时的管内强制对流传热系数(湍流)1低粘度流体(低于2倍常温水的粘度):

式中，①定性温度为流体的进出口平均温度；②特征尺寸为管子内径；③Re＞，0.7＜Pr＜120，管长与管径比≥60；④流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。第一百一十三页，共一百九十页，2022年，8月28日流体无相变时的管内强制对流传热系数(湍流)2高粘度流体(高于2倍常温水的粘度):式中，①除用壁温外，定性温度为流体的进出口平均温度；②特征尺寸为管子内径；③Re＞，0.7＜Pr＜16700，管长与管径比≥60；④流体被加热时，=1.05；流体冷却时，=0.95第一百一十四页，共一百九十页，2022年，8月28日流体无相变时的管内强制对流传热系数(滞流)计算式为：应用范围：特征尺寸：管子内径；定性温度：流体进出口平均温度；另外：第一百一十五页，共一百九十页，2022年，8月28日其他管内强制对流情况1管内过渡流：按湍流情况计算得到的数值，再乘以校正系数φ。第一百一十六页，共一百九十页，2022年，8月28日其他管内强制对流情况2短管（＜60）：上述各式乘以管入口效应校正系数。

弯管：上述各式乘以校正系数。其中，R为弯管的曲率半径。第一百一十七页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热系数关联式例题1一套管换热器，两管规格分别为和，管长为2m，环隙内为p=100KPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中流过，进、出口温度各为15℃和35℃。冷却水的流速为0.4m/s，试求管内水一侧的对流传热系数。第一百一十八页，共一百九十页，2022年，8月28日管板上管子排列情况

第一百一十九页，共一百九十页，2022年，8月28日流体在管束外强制垂直流动1对于上页的图(a)、(d)所示传热情况：对于上页的图(b)、(c)所示传热情况:第一百二十页，共一百九十页，2022年，8月28日流体在管束外强制垂直流动2两式应用范围：。定性温度：流体进出口温度算术平均值。管束排数应为10。否则，计算结果应乘以修正系数。第一百二十一页，共一百九十页，2022年，8月28日圆形直管作强制滞流的对流传热系数当Gr＜2.5×105时，自然对流可以忽略，则

当Gr＞2.5×105时，自然对流效应不能忽略，上式乘以校正系数第一百二十二页，共一百九十页，2022年，8月28日流体垂直流过管束外作强制对流各排的对流传热系数可用下式求出：

式中n、C、ε由实验确定；流速取最窄通道处的流速；定性温度为流体进、出口平均温度。平均对流传热系数为：第一百二十三页，共一百九十页，2022年，8月28日自然对流传热自然对流传热系数关联式为：C、n数值由下表选用。第一百二十四页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百二十五页，共一百九十页，2022年，8月28日对流传热系数关联式例题2一垂直水蒸气管，管径为，管长为0.5m，若管外壁温度为110℃，周围空气温度为20℃，试计算该管单位时间内散失的热量。第一百二十六页，共一百九十页，2022年，8月28日流体有相变时的对流传热——蒸汽冷凝1蒸汽冷凝方式：膜状冷凝：冷凝液可很好地湿润壁面在壁面上形成一层连续液膜，重力作用下，液膜越往下越厚。滴状冷凝：冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，沿壁面滚下，互相合并成大的液滴，露出壁面，使蒸汽能在壁面直接冷凝。第一百二十七页，共一百九十页，2022年，8月28日流体有相变时的对流传热——蒸汽冷凝2冷凝液形状取决于它的表面张力和它对壁面的附着力。附着力大于表面张力时为膜状冷凝，否则为滴状冷凝。滴状冷凝热阻小，对流传热系数比膜状冷凝高出5~10倍。工业上大多情况为膜状冷凝。第一百二十八页，共一百九十页，2022年，8月28日蒸汽膜状冷凝时的对流传热3蒸汽在水平管外冷凝时：

式中，n为水平管束在垂直列上的管子数。第一百二十九页，共一百九十页，2022年，8月28日蒸汽膜状冷凝时的对流传热2在垂直管外冷凝时：

（层流Re＜1800)

(湍流Re＞1800）两式中，l为垂直管长或板高。第一百三十页，共一百九十页，2022年，8月28日蒸汽冷凝液沿壁面流动的其表达式为：式中：——对流传热系数；——壁面高度；——蒸汽饱和温度与壁面温度差值；——汽化潜热；——冷凝液粘度；第一百三十一页，共一百九十页，2022年，8月28日影响冷凝传热的因素1不凝性气体：含有不凝性气体时会导致对流传热系数降低，应定期排放气体。蒸汽流速和流向：蒸汽向下流动与液膜流向相同时，可加速液膜流动；且流速越高，对不凝性气体吹散效果越好都可提高对流传热系数。第一百三十二页，共一百九十页，2022年，8月28日影响冷凝传热的因素2蒸汽过热：蒸汽虽然过热，但液膜表面温度仍然为饱和温度，不过于提高传热温差。传热面形状和布置：减薄液膜厚度可减小热阻。故垂直壁面开设纵向沟槽、水平管束减少垂直方向排数或直列变错列可提高对流传热系数。第一百三十三页，共一百九十页，2022年，8月28日液体沸腾传热1液体沸腾：在液体对流传热过程中，伴有由液相变为气相，而在液相内部产生气泡或气膜的过程。分为：管内沸腾——液体在管内流动受热沸腾；大容器沸腾——加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。第一百三十四页，共一百九十页，2022年，8月28日大容器沸腾过程1（水沸腾为例）沸腾情况随温度差（也称壁面过热度）而变化。（）自然对流（）：壁面处液体轻微过热，产生自然对流，没有气泡逸出液面。对流传热系数和传热速率极低。核状沸腾（泡状沸腾）：此时，在加热表面出现大量气泡，气泡生成、脱离和上升，使液体受到剧烈扰动，对流传热系数和传热速率极高。第一百三十五页，共一百九十页，2022年，8月28日大容器沸腾过程2膜状沸腾：当时，加热面产生的气泡大大增加，且气泡产生的速度高于气泡脱离速度，致使气泡在壁面位置连接起来形成气膜，使液体不能良好受热。对流传热系数和传热速率急剧降低。由核状沸腾转变为膜状沸腾的转折点为临界点。第一百三十六页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百三十七页，共一百九十页，2022年，8月28日大容器沸腾的对流传热此时第一百三十八页，共一百九十页，2022年，8月28日影响沸腾传热的因素温度差：泡状沸腾时，增大温差可提高对流传热系数。操作压强：提高操作压强可起促进作用。加热表面状况：有污垢时，传热变差；粗糙面传热效果更好。第一百三十九页，共一百九十页，2022年，8月28日热辐射基本概念⑴吸收率,透过率,折射率;⑵黑体,镜体,灰体,透热体;⑶物体的辐射能力,单色辐射能力,黑度.第一百四十页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百四十一页，共一百九十页，2022年，8月28日辐射传热基本概念

吸收率A：物体吸收被投射于其上的总辐射能量的分数。反射率R：（反射的分数）透过率D：（透过的分数）黑体：能全部吸收辐射能的物体。（A=1）镜体：能全部反射辐射能的物体。（R=1）灰体：能以相同的吸收率吸收所有波长范围的辐射能的物体。（A=常数）第一百四十二页，共一百九十页，2022年，8月28日辐射传热基本定律普郎克定律——揭示了黑体的辐射能力按波长的分配规律。斯蒂芬—波尔兹曼定律——揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系。此结论可推广到灰体。克希霍夫定律——揭示了物体的辐射能力与吸收率的关系。第一百四十三页，共一百九十页，2022年，8月28日普朗克定律反映黑体的单色辐射能力和电磁波波长、物体表面温度之间的关系。第一百四十四页，共一百九十页，2022年，8月28日斯蒂芬-波尔兹曼定律1反映黑体的辐射能力和物体表面温度之间关系。上式，——黑体的辐射系数，数值为5.67。第一百四十五页，共一百九十页，2022年，8月28日斯蒂芬-波尔兹曼定律2该式称为四次方程。将其结论推广到灰体，则灰体的辐射能力也与其表面温度成四次方关系。或C——灰体的辐射系数。第一百四十六页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百四十七页，共一百九十页，2022年，8月28日物体的黑度ε定义——物体的辐射能力和灰体辐射能力之比。物体的黑度跟物体的性质、表面状况、温度值有关，在0~1之间。第一百四十八页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百四十九页，共一百九十页，2022年，8月28日克西霍夫定律反映物体的辐射能力和自身吸收率的关系。可见，物体的黑度和吸收率虽然物理意义不同，但在数值上两者相等。第一百五十页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百五十一页，共一百九十页，2022年，8月28日两灰体之间的传热1与黑体和灰体之间的传热不同，两实际物体（即灰体）之间的传热，由于只有部分的吸收，所以，吸收和辐射需经无数次数才能完成。第一百五十二页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百五十三页，共一百九十页，2022年，8月28日两灰体之间的传热2计算式为：式中：——总辐射系数；——角系数；S——传热面积。三者取值需视不同情况。第一百五十四页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百五十五页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百五十六页，共一百九十页，2022年，8月28日第一百五十七页，共一百九十页，2022年，8月28日热辐射例题车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227℃，室内温度为27℃。为