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四章传热ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2022/11/192第一节第一节 概述概述 传热：温差导致的能量传递过程，又称热传递传热：温差导致的能量传递过程，又称热传递。一、传热过程的应用一、传热过程的应用 1 1、化学反应过程加热与冷却、化学反应过程加热与冷却 化工生产的核心：化学反应，多数化学反应都有化工生产的核心：化学反应，多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应：例如：氨合成反应：470470520520；氨氧化法制备硝酸过；氨氧化法制备硝酸过程程800800。原料加热原料加热2022/11/193以合成氨生产过程为例：以合成氨生产过程为例：2022/11/1942 2、为物理单元操作创造必要的条件；、为物理单元操作创造必要的条件；蒸发、结晶、蒸馏和干燥等往往需要输入蒸发、结晶、蒸馏和干燥等往往需要输入或输出热量，才能保证操作的正常进行。或输出热量，才能保证操作的正常进行。3 3、提高热能的综合利用和余热的回收。、提高热能的综合利用和余热的回收。因此，传热是化工生产过程中的常规单元操作因此，传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。之一。2022/11/195传热过程的要求：传热过程的要求：一、一、强化传热强化传热，即加大传热过程速率的过程。，即加大传热过程速率的过程。二、二、削弱传热削弱传热，也即减小传热速率的过程。，也即减小传热速率的过程。稳态传热稳态传热（又称定态传热）。特点：传热速率为常（又称定态传热）。特点：传热速率为常数，系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。数，系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。不稳态传热不稳态传热（又称非定态传热）。传热系统中各点（又称非定态传热）。传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化。的温度不仅随位置变化且随时间变化。本章中除非另有说明，只讨论稳态传热。本章中除非另有说明，只讨论稳态传热。2022/11/196（一）热传导（一）热传导(导热导热)物质的分子或原子振动以及自由电子的热物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动运动来传递热量的过程。来传递热量的过程。导热过程的特点导热过程的特点：在传热过程中传热方向：在传热过程中传热方向上上无质点块的宏观迁移。无质点块的宏观迁移。基本方式基本方式热传导热传导热对流热对流热辐射热辐射二、热量传递的基本方式二、热量传递的基本方式 2022/11/197（二）热对流（二）热对流 流体质点在传热方向上的相对运动流体质点在传热方向上的相对运动来实现来实现热量传递的过程，简称对流。热量传递的过程，简称对流。分类：强制对流、自然对流分类：强制对流、自然对流。若相对运动是由若相对运动是由外力作用外力作用引起的，则称为引起的，则称为强制对流。强制对流。若相对运动是由于若相对运动是由于流体内部各部分温度的流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异不同而产生密度的差异，使流体质点发生相对，使流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。运动的，则称为自然对流。2022/11/198（三）热辐射（三）热辐射 通过通过电磁波来传递热量电磁波来传递热量的方式。的方式。赫尔波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零赫尔波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，且物式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，且物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4 4次方成次方成正比。正比。2022/11/199 物体（固体、液体和气体）都能将物体（固体、液体和气体）都能将热能以热能以电磁波形式发射电磁波形式发射出去，而出去，而不需任何介质。不需任何介质。1 1、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。量的转换。2 2、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。果。3 3、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。才成为最主要的传热方式。高温物体高温物体辐射能辐射能低温物体低温物体2022/11/19三、工业换热器三、工业换热器1 1、混合式换热器、混合式换热器特点：特点：是依靠热流体和冷流体直是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。接接触和混合过程实现的。优点：传热速度快、效率高，设优点：传热速度快、效率高，设备简单，是工业换热器的首选类备简单，是工业换热器的首选类型。型。典型设备：如凉水塔、喷洒式冷典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器却塔、混合式冷凝器适用范围：无价值的蒸气冷凝，适用范围：无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。合的场合。废蒸气废蒸气冷水冷水热水2022/11/19112 2、间壁式换热器、间壁式换热器特点：冷热两种流体被一固体壁所隔开，在换热特点：冷热两种流体被一固体壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过热量由热流体通过间壁传给冷流体间壁传给冷流体。以达到换热的目的。以达到换热的目的。优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。利用和回收便利。缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。典型设备：典型设备：列管式换热器列管式换热器、套管式换热器套管式换热器。适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。2022/11/19122022/11/19132022/11/19143 3、中间载热体式换热器、中间载热体式换热器 原理：将两个间壁式换原理：将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体热器由在其中循环的载热体（称为热媒）连接起来，（称为热媒）连接起来，载载热体在高温流体换热器中从热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后，带至低热流体吸收热量后，带至低温流体换热器传给冷流体温流体换热器传给冷流体。如空调的制冷循环、太阳能如空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换热器等供热设备、热管式换热器等均属此类。此类换热过程广均属此类。此类换热过程广泛应用于核能工业、冷冻技泛应用于核能工业、冷冻技术及工厂余热利用中。术及工厂余热利用中。（热媒式换热器）（热媒式换热器）2022/11/1915换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方法和换换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方法和换热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介绍。热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介绍。2022/11/1916四、传热速率和热通量四、传热速率和热通量1 1、传热速率、传热速率Q Q(rate of heat transfer)(rate of heat transfer)（热流量（热流量rate of heat flowrate of heat flow）单位时间内通过传热面的热量。单位：单位时间内通过传热面的热量。单位：W W2 2、热通量、热通量q q(heat flux)(heat flux)或热流密度或热流密度(density of heat flow rate)(density of heat flow rate)单位时间内通过单位传热面积传递的热量。单位时间内通过单位传热面积传递的热量。q=Q/Aq=Q/A2022/11/1917 Q=KA tQ=KA tm m=推动力推动力/热阻热阻 K-K-总传热系数总传热系数(overall heat(overall heat transfer coefficient)transfer coefficient)，单位：，单位：W/mW/m2 2.K.K。其大。其大小决定于两流体的流动型态，流体性质，设备小决定于两流体的流动型态，流体性质，设备尺寸大小。尺寸大小。t tm m-推动力，冷热流体的平均温差。推动力，冷热流体的平均温差。五、稳态传热与非稳态传热五、稳态传热与非稳态传热六、两流体通过间壁的传热过程对流、导热、六、两流体通过间壁的传热过程对流、导热、对流对流七、传热速率方程式七、传热速率方程式应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径2022/11/1918第二节第二节 热传导热传导一、傅立叶定律一、傅立叶定律（一）导热的分类（一）导热的分类由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间上的温度分布称为温度场。上的温度分布称为温度场。若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不稳定温度场。可用数学表达式表示为：稳定温度场。可用数学表达式表示为：t=f t=f(x,y,z,x,y,z,)2022/11/1919式中式中 t温度，温度，；x、y、z任一点的空间坐标；任一点的空间坐标；时间，时间，s。显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导热（又称非定态导热）。热（又称非定态导热）。例如，从燃烧炉夹出的煤块，内外温度随例如，从燃烧炉夹出的煤块，内外温度随时间变化，其导热速率也随时间变化。时间变化，其导热速率也随时间变化。2022/11/1920若温度场内各点的温度不随时间改变，则称为稳定温度若温度场内各点的温度不随时间改变，则称为稳定温度场。稳定温度场中的导热即为稳定导热（又称定态导热）场。稳定温度场中的导热即为稳定导热（又称定态导热）。可用数学表达式表示为：。可用数学表达式表示为：t=f t=f(x,y,zx,y,z)稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变化时，称为一当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变化时，称为一维稳定温度场，此时的导热称为一维稳定导热。可用数学维稳定温度场，此时的导热称为一维稳定导热。可用数学表达式表示为：表达式表示为：t=f t=f(x x)2022/11/1921（二）傅立叶定律（二）傅立叶定律傅傅立立叶叶定定律律：导导热热体体的的导导热热速速率率与与导导热热方方向向上上温温度度的的变变化化率率和和垂垂直直于于导导热热方方向向的的导导热热面面积积成成正正比比。对对一一维维稳稳定定导导热热过过程程，傅傅立叶定律可表述为立叶定律可表述为 2022/11/1922若要将上式写成等式，则需引入一比例系数若要将上式写成等式，则需引入一比例系数，即，即 式中式中 Q导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，J/s或或W；比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，J/sm或或W/m；A导热面积，导热面积，m2。上式即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表达上式即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表达式，是一维稳定导热计算的基本公式。式，是一维稳定导热计算的基本公式。2022/11/1923二、导热系数二、导热系数二、导热系数二、导热系数将上式改写为将上式改写为将上式改写为将上式改写为导热系数：导热系数：在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是表表征物质导热性能的一个物性参数征物质导热性能的一个物性参数，越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大，一般而言，差别极大，一般而言，金属的导热系数最大金属的导热系数最大，非金属次之，非金属次之，而气体最小而气体最小。2022/11/19241 1气体的导热系数气体的导热系数气体的导热系数最小气体的导热系数最小随着温度的升高而增大随着温度的升高而增大；而在；而在相当大的压强范相当大的压强范围围内，气体的导热系数随压强的变化很小，可内，气体的导热系数随压强的变化很小，可以以忽略不计忽略不计，只有当压强很高（大于，只有当压强很高（大于200MPa200MPa）或很低（小于或很低（小于2.7kPa2.7kPa）时，才应考虑压强的影）时，才应考虑压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。响，此时导热系数随压强的升高而增大。2022/11/19252 2液体的导热系数液体的导热系数液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融的纯钠具有较高的导热系数，融的纯钠具有较高的导热系数，大多数金属液大多数金属液体的导热系数随温度的升高而降低体的导热系数随温度的升高而降低。在非金属。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热系数基本上与大。液体的导热系数基本上与压强无关压强无关。2022/11/19263 3固体的导热系数固体的导热系数 在所有固体中，金属的导热性能最好。在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的导大多数金属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增加而增大热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。也即合金比纯金属的导热系数要低。非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温度有关度有关。大多数非金属固体的导热系数随密度增加而增。大多数非金属固体的导热系数随密度增加而增大；在密度一定的前提下，其导热系数与温度呈线性关大；在密度一定的前提下，其导热系数与温度呈线性关系，随温度升高而增大。系，随温度升高而增大。注意：注意：在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计算中，为简便起化，其导热系数也在变化，但在工程计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。见通常使用平均导热系数。2022/11/1927三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳态热传导1、单层平壁导热、单层平壁导热如图如图4-8所示，所示，Ab，壁内，壁内温度只沿垂直于壁面的温度只沿垂直于壁面的x方向方向发生变化，即所有等温面是发生变化，即所有等温面是垂直于垂直于x轴的平面，且壁面的轴的平面，且壁面的温度不随时间变化，显然为温度不随时间变化，显然为稳态一维导热。稳态一维导热。t1t2b2022/11/1928由傅立叶定律由傅立叶定律Qt1t2b2022/11/19292 2、多层平壁热传导、多层平壁热传导 在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速率都是相等的。即速率都是相等的。即 根据等比定律则有根据等比定律则有b1b2b3Qtt1t2t3t4x2022/11/1930化简得化简得若由三层平壁导热向若由三层平壁导热向n层平壁推广，其导热层平壁推广，其导热速率方程式则为：速率方程式则为：式中下标式中下标i为平壁的序号。为平壁的序号。注意注意t t壁面两侧的温度之差壁面两侧的温度之差2022/11/1931四、圆筒壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导1、单层圆筒壁导热、单层圆筒壁导热化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。它与平壁导热的不同之处在于：热问题。它与平壁导热的不同之处在于：温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为圆筒壁的导热面积随半径而变，圆筒壁的导热面积随半径而变，A2rL。2022/11/1932如图所示，由傅立叶定如图所示，由傅立叶定律有：律有：2022/11/1933将上式分离变量，并根据边界条件积分。即：将上式分离变量，并根据边界条件积分。即：积分得：积分得：式中式中 即为圆筒壁的导热热阻。即为圆筒壁的导热热阻。上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式，该上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式，该式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。算式的形式。2022/11/19342、多层圆筒壁导热计算、多层圆筒壁导热计算与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：程可以表示为：2022/11/1935【例4-1】在一603.5mm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=0.07W.m-1K-1,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数=0.15 W.m-1K-1.现用热电偶测得管内壁的温度为500,最外层表面温度为80,管壁的导热系数=45 W.m-1K-1.试求每米管长的热损失及保温层界面的温度.(类似P139:例4-4)解(a)每米管长的热损失此处，2022/11/19362022/11/1937【例4-2】某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100mm，其导热系数分别为0.9W/（）及0.7W/（）。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700,外表面温度为130。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40mm,导热系数为0.06W/（）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740,外表面温度为90。设两层材料的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？解：设单位面积炉壁的热损失为q（q=Q/A），加保温层前，是双层平壁的热传导2022/11/1938加保温层后，是三层平壁的热传导热损失减少的百分数（q1q2）/q1=（2240-707）/2240=68.4%2022/11/1939【例4-3】某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数0.043W/(m)，中层为石棉板，厚40mm,导热系数0.10W/(m)，外层为混凝土，厚200mm,导热系数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t1=18,t4=24,1=0.043W/(m),2=0.10W/(m),3=1.3W/(m)2022/11/1940t1-18,t4=24,1=0.10W/(m),2=0.043W/(m),3=1.3W/(m)互互换换材材料料后后，由由于于导导热热热热阻阻的的增增大大，使使得得冷冷量量损损失失减减少少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。保温时，导热系数小的放在里层好保温时，导热系数小的放在里层好 2022/11/1941Problem1P198:Exercisesno.4-4andno.4-62022/11/1942第三节第三节 对流传热对流传热一、一、对流传热的分析对流传热的分析1 1、滞流内层、滞流内层：无对流传热，传热方式仅是热传导。热阻：无对流传热，传热方式仅是热传导。热阻较大，温度梯度大。较大，温度梯度大。2 2、过度层、过度层：热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。：热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。3 3、湍流主体、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。无温度梯度。2022/11/19432022/11/1944传热方向：垂直于流动方向。传热方向：垂直于流动方向。热流体：热流体：T经过渡区、层流底层降至壁面温度经过渡区、层流底层降至壁面温度Tw冷流体：冷流体：tw经层流底层、过渡区降至经层流底层、过渡区降至t对流传热：推动力对流传热：推动力:热流体一侧热流体一侧T-Tw，推动力，推动力:冷流体一侧冷流体一侧tw-t 假设把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流假设把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中，在靠近壁面处构成一层厚度为底层的热阻中，在靠近壁面处构成一层厚度为 的流体膜，的流体膜，称为有效膜（称为有效膜（effective film).假设膜内为层流流动，而膜假设膜内为层流流动，而膜外为湍流，即把所有热阻都集中在有效膜中。外为湍流，即把所有热阻都集中在有效膜中。-对流传对流传热的膜理论模型。热的膜理论模型。2022/11/1945二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程 (牛顿冷却定律牛顿冷却定律)对流传热速率对流传热推动力对流传热速率对流传热推动力/阻力系数阻力系数推动力推动力Q=At-Q=At-对流传热速率方程，牛顿冷却公式对流传热速率方程，牛顿冷却公式tt流体平均温度与壁面平均温度之差值流体平均温度与壁面平均温度之差值 对流传热系数对流传热系数 (convective heat-transfer(convective heat-transfer coefficient)coefficient)或膜系数或膜系数(film coefficient)W/m(film coefficient)W/m2 2，非，非物性常数物性常数 流体与壁面间的平均温度差为流体与壁面间的平均温度差为11，面积为，面积为1/m1/m2 2的热的热通量，对流传热系数越大，传热越剧烈。通量，对流传热系数越大，传热越剧烈。2022/11/1946对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺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，因此影响寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响a a的的主要因素是：主要因素是：1.1.流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况气体气体 无相变无相变2.2.流体的物性流体的物性对对影影响响较较大大的的流流体体物物性性有有导导热热系系数数、粘粘度度、比比热热CpCp、密密度度及对自然对流影响较大的体积膨胀系数及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。具体地：。具体地：、Cp Cp、三、影响对流传热系数的因素三、影响对流传热系数的因素2022/11/19473.3.流体的温度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t，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。4.4.流体的流动状态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，增大。流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故较湍流时小。即：滞流湍流 5.5.流体流动的原因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。自然对流10000 0.7Pr120 L/di60；1，Pr0.4Pr0.3，所以液体被加热时，所以液体被加热时n=0.4，被冷确时取，被冷确时取n=0.3。2022/11/1959b、高粘度液体、高粘度液体Nu=(0.027/d）Re0.8Pr0.33(w)0.14应用范围应用范围:Re10000,0.7Pr60特征尺寸取管内径特征尺寸取管内径d定性温度，除黏度定性温度，除黏度w取壁温外，其余均取液体进、出口温度取壁温外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。的算术平均值。:液体在主体平均温度下的粘度液体在主体平均温度下的粘度w：液体在壁温下的粘度：液体在壁温下的粘度其中（其中（/w）0.14一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计算时，液体加热算时，液体加热(/w）0.14=1.05，液体被冷，液体被冷却时（却时（/w）0.14=0.952022/11/19602）流体在圆形直管内强制滞流）流体在圆形直管内强制滞流a.自然对流可以忽略自然对流可以忽略Nu=1.86Re0.33Pr0.33(di/L)0.33(/w)0.14应用范围：应用范围：Re60,RePrdi/L10特征尺寸：特征尺寸：为管内径为管内径定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值（定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值（w 除除取壁温）取壁温）b.当强制滞流不可忽列时见书当强制滞流不可忽列时见书p1452022/11/19613)流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态当当Re=230010000 先按湍流时计算然后再用式先按湍流时计算然后再用式1600000/Re1.8求出校正系数。求出校正系数。1800b、垂直管外冷凝垂直管外冷凝冷凝液膜为层流，冷凝液膜为层流，Re1800使用范围及条件：使用范围及条件：特征尺寸特征尺寸l 取管长或板高；取管长或板高；冷凝比汽化热冷凝比汽化热r按饱和温度按饱和温度ts取；取；其余物性按液膜平均温度其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取取2022/11/1966冷凝液液膜沿壁面流动的冷凝液液膜沿壁面流动的Re表达式：表达式：计算步骤：计算步骤：假设为层流假设为层流计算计算ReRe 1800，2022/11/1967冷凝液的质量流量冷凝液的质量流量q qm m=Su=Su,代入上式得：代入上式得：蒸气冷凝放出的热量为：蒸气冷凝放出的热量为：Q=qQ=qm mr (ar (a）r-r-比汽化热，单位为比汽化热，单位为J/kgJ/kg蒸气向壁面的对流传热速率为：蒸气向壁面的对流传热速率为：Q=A t=PPl t （b）A-传热面积，传热面积，A=P Pl，l-壁面高度壁面高度P P-润湿周边长度，润湿周边长度，t=为蒸气的饱和温度为蒸气的饱和温度ts与壁面温度与壁面温度tw之差，之差，t=ts-tw2022/11/1968由由(a)式与（式与（b）式得：）式得：影响冷凝传热的因素：影响冷凝传热的因素：P P1511512022/11/19692、液体的沸腾、液体的沸腾大容器沸腾：将加热面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称大容器沸腾。管内沸腾：使液体在管内流动时受热沸腾，称管内沸腾。实验表明，大容器内液体饱和沸腾的情况随温度差t=tw-ts而变。下面以常压下水在大容器中沸腾传热为例，分析沸腾温度差t对传热系数和热通量q的影响。临界点c：由泡状沸腾向膜状沸腾的转折点。泡状沸腾膜状沸腾,因此应控制在泡状区域内,其它液体在不同压强下的沸腾曲线与水的相类似，仅临界点的数值不同。25C5C沸腾温差t C热通量热通量q传热系数传热系数自自然然对对流流泡泡状状沸沸腾腾膜膜状状沸沸腾腾2022/11/19703影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素(1)液液体体物物性性 液液体体的的导导热热系系数数、密密度度、粘粘度度、表表面面张张力力等等对对沸沸腾腾传传热都有影响。一般热都有影响。一般随随、的增大、的增大、和和的减少而增大。的减少而增大。(2)温温度度差差t 温温差差ttw-ts是是影影响响沸沸腾腾传传热热的的重重要要因因素素。在在核核状状沸沸腾腾区区：a(t)n。式式中中a和和n是是根根据据液液体体种种类类、操操作作压压强强和和壁壁面面性质而定的常数，一般性质而定的常数，一般n23。(3)操操作作压压强强 提提高高操操作作压压强强即即相相当当于于提提高高了了液液体体的的饱饱和和温温度度，使使液液体体的的表表面面张张力力和和粘粘度度下下降降，有有利利于于汽汽泡泡的的形形成成和和脱脱离离，使使沸沸腾腾传传热热增强，在同样的增强，在同样的t下能得到更高的下能得到更高的。(4)加加热热壁壁面面 加加热热面面的的材材料料不不同同，光光洁洁度度不不同同，则则形形成成汽汽化化核核心心的的条条件件不不同同，对对沸沸腾腾传传热热有有显显著著影影响响。通通常常新新的的清清洁洁加加热热面面较较高高，当当壁壁面面被被油油脂脂沾沾污污后后，会会使使h急急剧剧下下降降；壁壁面面愈愈粗粗糙糙，汽汽化化核核心心愈愈多多，有有利利于于沸沸腾腾传传热热。此此外外加加热热面面的的布布置置对对沸沸腾腾传传热热也也有有明明显显影影响响，如如在在水水平平管管束束外外沸沸腾腾时时，其其上上升升汽汽泡泡会会覆覆盖盖上上方方管管的的一一部部分分加加热热面面，导致管的平均导致管的平均下降。下降。2022/11/1971值的大致范围一般情况下，值的大致范围如下：空气自然对流，525W/m.K；空气强制对流，30300W/m.K；水蒸汽冷凝，10008000W/m.K；水沸腾，150030000W/m.K；2022/11/1972六、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。2022/11/1973【例4-4】一套管换热器，管套为893.5mm钢管，内管为252.5mm钢管，管长为2m，环隙中为p=100kPa的饱和水蒸汽冷凝，冷却水在内管中流过，进口温度为15，出口为35。冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。解：此题为水在圆形直管内流动定性温度查得25时水的物性数据（见附录）如下：2022/11/1974可按p143式(4-18)计算，水被加热，校正系数过渡流2022/11/1975【例4-5】空气以4m/s的流速通过一75.53.75mm的钢管，管长20m。空气入口温度为305K，出口温度为341K，试计算：1）空气与管壁间的对流传热系数。2）如空气流速增加一倍，其它的条件均不变，对流传热系数又为多少？解：此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数，故首先判断流动类型，再选用对应关联式计算：2022/11/19762022/11/19772022/11/1978Problem2P199:Exercisesno.4-112022/11/1979第四节第四节 两流体间传热过程的计算两流体间传热过程的计算不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热速率方不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热速率方程式及程式及、K计算式求解的过程，即计算式求解的过程，即传热速率方程：传热速率方程：Q-传热速率，传热速率，WK-总传热系数，总传热系数，W/(m2)A-传热面积，传热面积，m2 tm-两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，2022/11/1980一、热量衡算一、热量衡算换热器的热负荷计算：换热器的热负荷计算：1、焓差法、焓差法：Q=qm热热(H1-H2)=qm冷冷(h2-h1)-焓值查附焓值查附录录2、显热法、显热法：无相变化时：无相变化时 Q=qm热热cp1(T1-T2)=qm冷冷cp2(t2-t1)cp1,cp2-为热冷流体的平均定压比热容。为热冷流体的平均定压比热容。此法应用非常广泛。此法应用非常广泛。Q=qmcp t 弄清弄清t的含的含义。义。3、潜热法、潜热法：此法用于载热体在热交换中发生相的：此法用于载热体在热交换中发生相的变化变化 Q=qm热热r热热=qm冷冷r冷冷4.冷凝液出口温度低于饱和温度冷凝液出口温度低于饱和温度ts时时 Q=qm冷冷r+cp2(ts-t1)2022/11/1981二、传热平均温度差的计算二、传热平均温度差的计算 在间壁式换热器中，按照参加热交换的两种流体，在沿着换热在间壁式换热器中，按照参加热交换的两种流体，在沿着换热器的传热面流动时，各点温度变化的情况，可将传热过程分为恒器的传热面流动时，各点温度变化的情况，可将传热过程分为恒温传热和变温传热两种。温传热和变温传热两种。(一一)恒温传热与变温传热恒温传热与变温传热1、恒温传热、恒温传热蒸发蒸发(溶液沸腾和蒸汽冷凝溶液沸腾和蒸汽冷凝)由于恒温传热时，冷热两种流体的温度都维持不变，所以两流体由于恒温传热时，冷热两种流体的温度都维持不变，所以两流体间的传热温度差亦为定值。即间的传热温度差亦为定值。即tm=T-t2、变温传热、变温传热:P155间壁一边流体变温而另一边流体恒温间壁一边流体变温而另一边流体恒温间壁两侧流体变温间壁两侧流体变温2022/11/1982t1Tt2T1t2t1T2一侧流体变温：逆流与并流一样2022/11/1983逆流：参与热交换的两种流体在间壁的两边分别以相反的方向运动。并流：参与热交换的两种流体在间壁的两边以相同的方向流动。错流：参加热交换的两种流体在间壁的两边，呈垂直方向流动称为错流。折流：参加热交换的两种流体在间壁两边，其中之一只沿一个方向流动，此称为简单折流，若两流体均作折流，或既有折流又有错流的称为复杂折流。2022/11/19842022/11/1985并流逆流错流折流2022/11/1986（二）平均温度差tm的计算假设：1、热、冷流体的质量流量qm1与qm2均为常数；2、冷热流体的比热容cp1与cp2及总的传热系数K沿传热面均不变；3、不计换热器的热损失适用：1、两侧流体变温传热的逆流操作和并流操作2、对一侧流体变温传热注意：把温差中较大者作为t1，较小者作为t22022/11/1987以逆流为例导出计算平均温度差以逆流为例导出计算平均温度差tm 的通式的通式取一微元传热面取一微元传热面dA 经经dA的传热速率为的传热速率为dQ=K（T-t）dA=Kt dA 对对dA进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）dQ=qm1cp1dT=qm2cp2dt 对整个换热器进行热量衡算对整个换热器进行热量衡算 设设Q损损=0，cp1、cp2分分别别取取平平均均温温度度下下的的平平均均值值，可可以以认认为为是常数，冷、热流体均无相变化，是常数，冷、热流体均无相变化，Q=qm1cp1（T1-T2）=qm2cp2（t2-t1）2022/11/1988 导出计算导出计算tm 的通式的通式2022/11/1989令令对数平均温度差，对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流对逆流、并流及一侧流体变温的情况均使用，是计算体变温的情况均使用，是计算tm的通式的通式t1热流体进口侧的传热温差，热流体进口侧的传热温差，；t2热流体出口侧的传热温差，热流体出口侧的传热温差，。传热基本方程式传热基本方程式2022/11/1990（2）讨论）讨论 tm由逆流推导得出，但同样适用于并流由逆流推导得出，但同样适用于并流 逆流：逆流：t1=T1-t2，t2=T2-t1 并流：并流：t1=T1-t1，t2=T2 t2 若若max(t1,t2)/min(t1,t2)tm并并，若，若Q相同，相同，则则A逆逆A并并，所以工业换热器一般是采用逆流；，所以工业换热器一般是采用逆流；b、并流、并流 t2 总是总是 T2，逆流，逆流t2 可以可以(t2-t1)并并，冷却剂用量冷却剂用量ms2逆逆(T1-T2)并并，加热剂用量加热剂用量qm1逆逆 qm1并并；结结论论：逆逆流流比比并并流流优优越越，故故应应尽尽可可能能采采用用逆逆流流操操作作。但但对对热热敏敏性性物物料料的的加加热热并并流流操操作作可可避避免免出出口口温温度度t2过过高高而而影影响响产产品品质质量量。此此外外，传传热热的的好好坏坏，除除tm的的大大小小外外，还还