第三章 传热(精品).ppt

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1、第三章第三章 传热传热p了解热传导、热对流和热辐射的基本概念；了解热传导、热对流和热辐射的基本概念；p掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；p熟悉各种热交换设备的结构和特点；熟悉各种热交换设备的结构和特点；p掌握稳定综合传热过程的计算；掌握稳定综合传热过程的计算；p了解强化传热和热绝缘的措施了解强化传热和热绝缘的措施。本章重点和难点本章重点和难点一、传热在化学工程中的应用一、传热在化学工程中的应用第一节第一节 传热的基本概念传热的基本概念传热：传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部位之间所

2、进行的热的转移。度部位之间所进行的热的转移。传热在化学工程中的应用：传热在化学工程中的应用：化工生产过程对传热的要求：化工生产过程对传热的要求：强化传热强化传热(加热或冷却物料加热或冷却物料)削弱传热削弱传热(设备和管道的保温设备和管道的保温)二、传热的基本方式二、传热的基本方式热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据起的，根据传热机理传热机理不同，传热的基本方式有三种：不同，传热的基本方式有三种：热传导热传导(conduction)(conduction)；热对流热对流(convection)(convection)；热辐射热辐射(radia

3、tion)(radiation)。物物体体各各部部分分之之间间不不发发生生相相对对位位移移，仅仅借借分分子子、原原子子和和自自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。1.1.热传导热传导（又称导热）（又称导热）2.2.热对流热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。流。热对流仅发生在流体中。热对流仅发生在流体中。通常把通常把流体流体与与固体壁面固体壁面之间的之间的传传热热称为称为对流传热对流传热强制对流：强制对流：因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制

4、对流。因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。流流动动的的原原因因不不同同，对对流流传传热热的的规规律律也也不不同同。在在同同一一流流体体中中有有可能同时发生自然对流和强制对流。可能同时发生自然对流和强制对流。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流：由由于于流流体体各各处处的的温温度度不不同同而而引引起起的的密密度度差差异异，致致使使流流体体产产生相对位移，这种对流称为自然对流。生相对位移，这种对流称为自然对流。3 3、热辐射、热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所所有有物物体体都都能能将将热热以

5、以电电磁磁波波的的形形式式发发射射出出去去，而而不不需需要要任任何何介质。介质。任任何何物物体体只只要要在在绝绝对对零零度度以以上上都都能能发发射射辐辐射射能能，但但是是只只有有在在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。实实际际上上，上上述述三三种种传传热热方方式式很很少少单单独独出出现现，而而往往往往是是相相互互伴随着出现的。伴随着出现的。三、三、换热器类型换热器类型换热器换热器：实现实现冷、热介质冷、热介质热量交换的设备热量交换的设备 冷冷、热热流流体体交交换换流流过过热热载载体体时时，热热流流体体将将热热量量传传递递给给冷冷流

6、流体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。直接混合式直接混合式 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。蓄热式蓄热式 热量热量 存储在热载体上存储在热载体上 传递给冷流体。传递给冷流体。用于输送热量的介质用于输送热量的介质载热体载热体。加热介质（加热剂）加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。起加热作用的载热体。水蒸气、热水等水蒸气、热水等。冷却介质（冷却剂）冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。起冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。冷水、空气制冷剂。间壁式间壁式 热流体通过间壁将热量传递给冷流体，热

7、流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工、食品生产中应用极为广泛，主要有：化工、食品生产中应用极为广泛，主要有：夹套式热交换器；夹套式热交换器；蛇型式热交换器；蛇型式热交换器；套管式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器板式热交换器。四、四、传热过程中基本问题与传热机理传热过程中基本问题与传热机理 传热过程中的基本问题可以归结为：传热过程中的基本问题可以归结为：载热体用量计算载热体用量计算 传热面积计算传热面积计算 换热器的结构设计换热器的结构设计 提高换热器生产能力的途径。提高换热器生产能力的途径。解决这些问题，主要依靠两个基本关系。解决这些问题，主要依靠两个基本

8、关系。热量衡算热量衡算根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则Q热热=Q冷冷，称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。体的用量。传热速率传热速率传热速率传热速率Q（热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为传热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为传热速率，以热速率，以Q表示，其单位表示，其单位W(j/s)。热通量热通量q：单位时间内通过单位传热面的热量，单位时间内通过单位传热面的热量，W/m2。q=Q/S实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差实践证明，传热速率的数值与

9、热流体和冷流体之间的温度差tm及传热面积及传热面积S成正比，即：成正比，即：Q=KStm(1-1)S=ndL(1-2)式式中：中：Q传热速率，传热速率，W；S传热面积，传热面积，m2；tm温度差，温度差，；K传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2；n管数；管数；d管径，管径，m；L管长，管长，m。将式（将式（1-1）变换成下列形式：）变换成下列形式：式中：式中：tm传热过程的推动力，传热过程的推动力，1/K传热总阻力（热阻），传热总阻

10、力（热阻），m2/W两点说明：两点说明：单位传热面积的传热速率单位传热面积的传热速率(热通量热通量)正比于推动力，反比于正比于推动力，反比于热阻。因此，热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高换热器的传热速率的途径是提高传热推提高传热推动力和降低热阻。动力和降低热阻。从式（从式（1-1）可知，如果己知传热量）可知，如果己知传热量Q，则可在确定则可在确定K及及tm的基础上算传热面积的基础上算传热面积S，进而确定换热器的各部分尺寸，完进而确定换热器的各部分尺寸，完成换热器的结构设计。成换热器的结构设计。(1-3)温温度度场场(temperature field)：某某一一瞬瞬间间空空间间中中各

11、各点点的的温温度分布，称为温度场度分布，称为温度场(temperaturefield)。式中：式中：t 温度；温度；x,y,z空间坐标；空间坐标；时间。时间。物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t=f(x，y，z，)第二节第二节 热传导热传导一、一、傅立叶定律傅立叶定律1 1 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 一维温度场：一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温度场的温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为：t=f(x,)等温面的特点等温面的特点：（1 1）等温面不能相交；）等温面不能相交

12、；（2 2）沿等温面无热量传递。）沿等温面无热量传递。不稳定温度场：不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。温度场内如果各点温度随时间而改变。稳定温度场：稳定温度场：若温度不随时间而改变。若温度不随时间而改变。等温面：等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。t1t2t1t2等温面等温面Q温度梯度温度梯度:温度梯度是一个向量。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正一维定态热传导一维定态热传导t+tt-ttnQdA傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的傅立叶

13、定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即式中式中Q单位时间传导的热量，简称传热速率，单位时间传导的热量，简称传热速率，wA导热面积，即垂直于热流方向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数导热系数(thermal conductivitythermal conductivity)，w/m.kw/m.k。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。2 2 傅立叶定律傅立叶定律或或ndSQt+ttt-tt/n图图 温度梯度和傅立叶定律温度梯

14、度和傅立叶定律 表征材料导热性能的物性参数表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好越大，导热性能越好 用热通量来表示用热通量来表示 对对一一维稳态热传导维稳态热传导 表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成，结构、密度、温度及压强有关。由实验测得。质的组成，结构、密度、温度及压强有关。由实验测得。一般金属一般金属（固体）（固体）的导热系数的导热系数非金属（固体）非金属（固体）液体液体气体气体多数固体多数固体与温度的关系与温度的关系 =k0+kt单位：单位：W/(m K)k0-0下的导热系数下的导热系数k为经验常数

15、。为经验常数。对大多数金属材料，其对大多数金属材料，其k值为负值；对非金属材料则为正值。值为负值；对非金属材料则为正值。导热系数导热系数单位：单位：W/(m K)对于金属对于金属t(通过自由电子的运动通过自由电子的运动)对于非金属对于非金属t(通过靠晶格结构的振动通过靠晶格结构的振动)对于液体对于液体t(通过靠晶格结构的振动通过靠晶格结构的振动)对于气体对于气体t(通过分子不规则热运动通过分子不规则热运动)随压力变化不大。只有当系统的压力随压力变化不大。只有当系统的压力P,3kpaP或或P200Mpa，随压力的降低，导热系数随压力的降低，导热系数也降低，当也降低，当达到真空，达到真空，约为约为

16、0，保，保温温瓶瓶的的夹夹层层抽抽真真空空就就是是此此道道理理。如图所示：如图所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为壁面积为A A；壁壁的的材材质质均均匀匀，导导热热系系数数不不随温度变化，视为常数；随温度变化，视为常数；平平壁壁的的温温度度只只沿沿着着垂垂直直于于壁壁面面的的x x轴轴方方向向变变化化，故故等等温温面面皆皆为为垂垂直于直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。平壁侧面的温度平壁侧面的温度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。二、平壁的稳定热传导二、平壁的稳定热传导1 1 单层平壁的热传导单层平壁的热传导 式式中中tt=t=t1 1-t-t2 2为

17、为导导热热的的推推动动力力(driving driving forceforce)，而而R=R=b/Ab/A则为导热的热阻则为导热的热阻(thermal resistancethermal resistance)。根据傅立叶定律根据傅立叶定律 分分离离积积分分变变量量后后积积分分，积积分分边边界界条条件件：当当x x=0=0时时，t=t=t t1 1；x=bx=b时，时，t=tt=t2 2，将上式推而广之，则传递过程的普遍关系式为：将上式推而广之，则传递过程的普遍关系式为：过程传递速率过程传递速率=过程的推动力过程的推动力/过程的阻力。过程的阻力。(对传热，传质，动量传递对传热，传质，动量传递

18、“三传三传”均适用）均适用）当当为为常数，常数，单层平壁内温度分布为直线单层平壁内温度分布为直线当当随随温度变化时，单层平壁内温度分布为曲线。温度变化时，单层平壁内温度分布为曲线。如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假假定定各各层层壁壁的的厚厚度度分分别别为为b b1 1，b b2 2，b b3 3，各各层层材材质质均均匀匀，导导热热系系数数分分别别为为1 1，2 2，3 3，皆皆视视为常数；为常数；层层与与层层之之间间接接触触良良好好，相相互互接接触触的的表表面面上上温温度度相相等等，各各等等温温面亦皆为垂直于面亦皆为垂直于x x轴的平行平面。轴

19、的平行平面。壁壁的的面面积积为为A A，在在稳稳定定导导热热过过程中，穿过各层的热量必相等。程中，穿过各层的热量必相等。2 2 多层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导 第一层第一层第三层第三层第二层第二层对于稳定导热过程：对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为层的平壁，穿过各层热量的一般公式为式中式中i为为n层平壁的壁层序号。层平壁的壁层序号。例例：某某冷冷库库外外壁壁内内、外外层层砖砖壁壁厚厚均均为为12cm12cm，中中间间夹夹层层厚厚10cm10cm，填填以以绝绝缘缘材材料料。砖砖墙墙的的热热导导率率为为0.70w/m0.70

20、w/mk k，绝绝缘缘材材料料的的热热导导率率为为0.04w/m0.04w/mk k，墙墙外外表表面面温温度度为为1010 ，内内表表面面为为-5-5 ，试试计计算算进进入入冷冷库库的的热热流流密密度度及及绝绝缘缘材材料料与与砖砖墙墙的的两两接接触触面面上上的的温温度。度。按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t3解解：根根据据题题意意，已已知知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5 ，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b2=0.10mb2=0.10m，1 1=3 3=0.70w/m0.70w/mk k，2 2=0.04w/m0.04w/mk k。按热流密度公式

21、计算按热流密度公式计算q q：Qt2t1r1rr2drL如图所示：如图所示：设设圆圆筒筒的的内内半半径径为为r r1 1，内内壁壁温温度度为为t t1 1，外外半半径径为为r r2 2，外外壁温度为壁温度为t t2 2。温温度度只只沿沿半半径径方方向向变变化化，等等温温面面为为同同心心圆圆柱柱面面。圆圆筒筒壁壁与与平平壁壁不不同同点点是是其其面面随随半半径而变化。径而变化。在在半半径径r r处处取取一一厚厚度度为为drdr的的薄薄层层，若若圆圆筒筒的的长长度度为为L L，则则半半 径径 为为 r r处处 的的 传传 热热 面面 积积 为为A=2rLA=2rL。三、圆筒壁的稳定热传导三、圆筒壁的

22、稳定热传导1 1 单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积分并整理得根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为讨论：讨论：（1）上式可以写为）上式可以写为对数平均面积对数平均面积（2）（3）圆筒壁内的温度分布）圆筒壁内的温度分布上限从上限从改改为为tr呈呈对数关系变化对数关系变化（4）平壁：各处的）平壁：各处的Q和和q均相等；均相等；圆筒壁：不同半径圆筒壁：不同半径r处处Q相等，相等，但但q却不等却不等r1r2r3r4t1t2t3t4 对对稳稳定定导导热热过过程程，单单位位时时间间内内由由多多层层壁

23、壁所所传传导导的的热热量量，亦亦即经过各单层壁所传导的热量。即经过各单层壁所传导的热量。如图所示：以三层圆筒壁为例。如图所示：以三层圆筒壁为例。假假定定各各层层壁壁厚厚分分别别为为b b1 1=r r2 2-r r1 1，b b2 2=r=r3 3-r-r2 2，b b3 3=r=r4 4-r-r3 3；各各层层材材料料的的导导热热系系数数1 1，2 2，3 3皆视为常数；皆视为常数；层层与与层层之之间间接接触触良良好好，相相互互接接触触的的表表面面温温度度相相等等，各各等等温温面皆为同心圆柱面。面皆为同心圆柱面。2 2 多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导 多多层层圆圆筒筒壁壁的的热

24、热传传导导计计算算，可可参参照照多多层层平平壁壁。对对于于第第一一、二、三层圆筒壁有二、三层圆筒壁有根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得同理，对于同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为注注：对对于于圆圆筒筒壁壁的的稳稳定定热热传传导导，通通过过各各层层的的热热传传导导速速率率都都是是相同的，但是热通量却不相等。相同的，但是热通量却不相等。思考：思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示；试分析哪一层热阻最大，并说明各层示；试分析哪一层热阻最大，

25、并说明各层 的大的大小。小。t1t2t3t4 3 1 2Qxt例例在在一一 603.5mm的的钢钢管管外外层层包包有有两两层层绝绝热热材材料料，里里层层为为40mm的的氧氧化化镁镁粉粉，平平均均导导热热系系数数=0.07W/m，外外层层为为20mm的的石石棉棉层层，其其平平均均导导热热系系数数=0.15W/m。现现用用热热电电偶偶测测得得管管内内壁壁温温度度为为500，最最外外层层表表面面温温度度为为80，管管壁壁的的导导热热系系数数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=0

26、.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mt3r1r3t1r4t4t2r2保温层界面温度保温层界面温度t3解得解得t3=131.2对对流流传传热热：是是在在流流体体流流动动进进程程中中发发生生的的热热量量传传递递现现象象，它它是是依依靠靠流流体体质质点点的的移移动动进进行行热热量量传传递递的的，与与流流体体的的流流动动情情况况密密切切相关。相关。当当流流体体作作层层流流流流动动时时，在在垂垂直直于于流流体体流流动动方方向向上上的的热热量量传传递递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。

27、主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。第三节第三节 对流传热对流传热一、对流传热的基本概念一、对流传热的基本概念传热过程传热过程高温流体高温流体湍流主体湍流主体壁面两侧壁面两侧层流底层层流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍流主体湍流主体对流传热对流传热温度分布均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯度大温度梯度大p壁面壁面导导热热(导导热热系系数数较较流体大流体大)有温度梯度有温度梯度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：传传热热边边界界层层（thermal boundary layer）：温温度度边边界界层层。有温度梯度较大的区域。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主

28、要集中在此层中传热的热阻即主要集中在此层中。温度温度距离距离TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传热方向传热方向对流传热示意图对流传热示意图式中式中Q对流传热速率，对流传热速率，W；S传热面积，传热面积，m2t对流传热温度差，对流传热温度差，t=T-TW或或t=t-tW，；T热热流流体体平平均均温温度度，；TW与与热热流流体体接接触触的的壁壁面面温温度度，；t冷流体的平均温度，冷流体的平均温度，；tW与冷流体接触的壁面温度，与冷流体接触的壁面温度，；a对对 流流 传传 热热 系系 数数(heat t

29、ransfer confficient)，W/m2K（或或W/m2）。）。上式称为上式称为牛顿冷却定律牛顿冷却定律。简简化化处处理理：认认为为流流体体的的全全部部温温度度差差集集中中在在厚厚度度为为t的的有有效效膜膜内内，但但有有效效膜膜的的厚厚度度t又又难难以以测测定定，所所以以以以代代替替/t 而而用用下下式式描述对流传热的基本关系描述对流传热的基本关系 Q=S（T-Tw）二、对流传热速率二、对流传热速率1流体的状态：流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相 变时对流传热系数比无相变化时大的多；变时对流传热系数比无相变化时大的

30、多；2流体的物理性质：流体的物理性质：影响较大的物性如密度影响较大的物性如密度、比热比热cp、导热系数导热系数、粘度粘度等；等；3流体的运动状况：流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；层流、过渡流或湍流；4流体对流的状况：流体对流的状况：自然对流，强制对流；自然对流，强制对流；5传热表面的形状、位置及大小：传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。三、三、影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的

31、主要因素可用下式表示：八八个个物物理理量量涉涉及及四四个个基基本本因因次次：质质量量M，长长度度L，时时间间T，温温度度。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即即四、对流传热中的因次分析四、对流传热中的因次分析准数符号及意义准数符号及意义准数名称准数名称符号符号意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数（Nusselt）Nu=l/表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Re=lu/确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数（Prandtl）Pr=cp/表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准

32、数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr=gtl32/2 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数准准数数关关联联式式是是一一种种经经验验公公式式，在在利利用用关关联联式式求求对对流流传传热热系系数时，不能超出实验条件范围。数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点：在应用关联式时应注意以下几点：1 1、应用范围、应用范围2 2、特特性性尺尺寸寸无无因因次次准准数数Nu、Re等等中中所所包包含含的的传传热热面面尺尺寸寸称称为为特特征征尺尺寸寸。通通常常是是选选取取对对流流体体流流动动和和传传热热发发生生主主要要影影响响的的尺尺寸作为特征尺寸。寸作为特征尺寸。3 3、定定性性温温

33、度度流流体体在在对对流流传传热热过过程程中中温温度度是是变变化化的的。确确定定准准数数中中流流体体物物理理特特性性参参数数的的温温度度称称为为定定性性温温度度。一一般般定定性性温温度度有有三三种种取取法法：进进、出出口口流流体体的的平平均均温温度度，壁壁面面平平均均温温度度，流流体体和和壁面的平均温度（膜温）。壁面的平均温度（膜温）。4 4、准准数数是是一一个个无无因因次次数数群群，其其中中涉涉及及到到的的物物理理量量必必须须用用统统一一的单位制度。的单位制度。关联式关联式无无相变相变有相变有相变自然对流自然对流强制对流强制对流湍流湍流过渡区过渡区层流层流蒸汽冷凝蒸汽冷凝液体沸腾液体沸腾管管内

34、、外内、外直、弯管直、弯管圆或非圆形圆或非圆形Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.3。应用范围应用范围：Re10000，0.7Pr60。特性尺寸特性尺寸：取管内径，取管内径，定性温度：定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。流体进、出口温度的算术平均值。第四节第四节 对流传热系数关联式对流传热系数关联式一、流体无相变时对流传热系数的关联式一、流体无相变时对流传热系数的关联式1 1 流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数1.1 1.1 圆形

35、直管内强制湍流时的对流传热系数圆形直管内强制湍流时的对流传热系数1.1.1 1.1.1 低粘度流体低粘度流体 Nu=0.023Re0.8Pr1/3（/w）0.14应用范围应用范围 R Re e1000010000，0.70.7Pr16700Pr6060。特性尺寸特性尺寸 取管内径取管内径定性温度定性温度 除除w w取壁温外，均为流体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。术平均值。当液体被加热时当液体被加热时（/w）0.14=1.05当液体被冷却时当液体被冷却时（/w）0.14=0.95对于气体，不论加热或冷却皆取对于气体，不论加热或冷却皆取1。1.1.2 1.1.2 高

36、粘度流体高粘度流体 例例：常常压压下下，空空气气以以15m/s的的流流速速在在长长为为4m，603.5mm的的钢钢管管中中流流动动，温温度度由由150升升到到250。试试求求管管壁壁对对空空气气的的对对流流传热系数。传热系数。解：此题为空气在圆形直管内作强制对流解：此题为空气在圆形直管内作强制对流定性温度定性温度t=（150+250）/2=200查查200时空气的物性数据（附录）如下时空气的物性数据（附录）如下Cp=1.026103J/kg.=0.03928W/m.=26.010-6N.s/m2=0.746kg/m3Pr=0.68特性尺寸特性尺寸d=0.060-20.0035=0.053ml/

37、d=4/0.053=75.560Re=du/=(0.053150.746)/(0.610-5)=2.28104104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.02610326.010-5)/0.03928=0.68W/m2本题中空气被加热本题中空气被加热,n=0.4代入代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4流流体体在在圆圆形形直直管管内内作作强强制制滞滞流流时时，应应考考虑虑自自然然对对流流及及热热流流方向对对流传热系数的影响。方向对对流传热系数的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式

38、计算：Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14应用范围：应用范围：Re2300，0.6Pr100。特性尺寸：取管内径特性尺寸：取管内径di定性温度：定性温度：除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。算术平均值。1.2 1.2 流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流当当自自然然对对流流的的影影响响不不能能忽忽略略时时，而而自自然然对对流流的的影影响响又又因因管管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。对水平管，按下式计算对水平管，按下式计算应用范围：

39、应用范围：Re50；当管子较短，当管子较短，l/d3000定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。管排数为管排数为10，若不为，若不为10时，计算结果应校正。时，计算结果应校正。2 2 流体在管外强制对流流体在管外强制对流2.1 2.1 流体在管束外强制垂直流动流体在管束外强制垂直流动换换热热器器内内装装有有圆圆缺缺形形挡挡板板（缺缺口口面面积积为为25%的的壳壳体体内内截截面面积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：积）时，壳方流体的对流传热系数的关联

40、式为：（1）多诺呼法）多诺呼法Nu=0.23Re0.6Pr1/3（/w）0.14应用范围应用范围:Re=(23)104特性尺寸特性尺寸:取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度定性温度:除除w取壁温外，均为取壁温外，均为流体进、出口温度的算流体进、出口温度的算术平均值。术平均值。2.2 2.2 流体在换热器的管间流动流体在换热器的管间流动（2）凯恩法）凯恩法Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14注注：若若换换热热器器的的管管间间无无挡挡板板，管管外外流流体体沿沿管管束束平平行行流流动动，则则仍仍用用管管内内强强制制对对流

41、流的的公公式式计计算算，只只须须将将公公式式中中的的管管内内径径改改为为管管间间的当量直径。的当量直径。应用范围应用范围:Re=21031105特性尺寸特性尺寸:取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。定性温度定性温度:除除w取壁温外，均为取壁温外，均为流体进、出口温度的算流体进、出口温度的算术平均值。术平均值。加热表面形状加热表面形状特征尺寸特征尺寸GrPr 范围范围cn水平圆管水平圆管外径外径d01041090.531/410910120.131/3垂直管或板垂直管或板高度高度L1041090.591/410910120.101/3Nu=c（Gr

42、Pr）n定性温度定性温度:取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算术平均值。术平均值。式中的式中的c、n值见表值见表3 3 自然对流自然对流 蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和和滴状冷凝滴状冷凝两种方式。两种方式。膜膜状状冷冷凝凝：由由于于冷冷凝凝液液能能润润湿湿壁壁面面，因因而而能能形形成成一一层层完完整整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。滴滴状状冷冷凝凝：若若冷冷凝凝液液不不能能润润湿湿壁壁面面，由由于于表表面面张张力力的的作作用用，冷冷凝凝液液在在壁壁面面上上形形成成许许多多液液

43、滴滴，并并沿沿壁壁面面落落下下，此此中中冷冷凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。二、流体有相变时的对流传热系数二、流体有相变时的对流传热系数1 1 蒸汽冷凝时的对流传热系数蒸汽冷凝时的对流传热系数1.1.1在垂直管或垂直板上作膜状冷凝：在垂直管或垂直板上作膜状冷凝：1.1.2水平管壁上作膜状冷凝水平管壁上作膜状冷凝式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、导热系数、粘度冷凝液的密度、导热系数、粘度 r

44、饱和蒸汽的冷凝潜热饱和蒸汽的冷凝潜热 t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d管子外径管子外径n管束在垂直面上的列数管束在垂直面上的列数1.1 1.1 膜状冷凝时对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数冷凝液膜流动为层流冷凝液膜流动为层流（Re1800）时：时：冷凝液膜流动为湍流冷凝液膜流动为湍流（Re1800）时：时：1.1.3影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素蒸汽的流向和流速蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流动，蒸汽和液膜同向流动，液膜厚度液膜厚度()，若逆向流动，液膜厚度若逆向流动，液膜厚度()，蒸汽的流速较大，蒸汽的流速较大，液液膜膜吹吹跑跑，冷凝液膜两侧的温度差冷凝

45、液膜两侧的温度差t：当液膜呈滞流当液膜呈滞流流动时，若流动时，若t加大，则蒸气冷凝速率增加，因加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，而液膜层厚度增厚，蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降，可达急剧下降，可达60%。冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响：如对于翅片管和螺旋管如对于翅片管和螺旋管，；传热面积传热面积S，冷凝管的方位冷凝管的方位：对于水平管：对于水平管：若冷凝液从上部各排管子流下，使下部排管液膜若冷凝液从上部

46、各排管子流下，使下部排管液膜变厚，变厚，；沿；沿垂直方向排管数目垂直方向排管数目，。管束改管束改为错列，为错列，或加除液挡板，或加除液挡板，。对于垂直管对于垂直管:尺寸尺寸，。管外开槽，管外开槽，。流体的物性流体的物性：（汽化热汽化热r、密度密度、），；，2 2 液体沸液体沸腾时的的对流流传热系数系数 2.1 2.1 液体沸腾的基本概念液体沸腾的基本概念液体的沸腾液体的沸腾:当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的当液体被加热时，液相内部产生气泡或气膜的过程。该过程既有过程。该过程既有导热导热过程又有过程又有对流传热对流传热过程。过程。包括包括大容积沸腾、管内沸腾大容积沸腾、管内沸腾。大大容容

47、积积沸沸腾腾:将将加加热热壁壁面面浸浸没没在在液液体体中中，液液体体在在壁壁面面受受热热沸沸腾腾（池池式式沸沸腾腾）。大大容容积积沸沸腾腾时时，液液体体中中一一方方面面存存在在着着由由温温差差引引起起的的自自然然对对流流，另另一一方方面面又又因气泡运动所导致的因气泡运动所导致的液体运动液体运动。管管内内沸沸腾腾:液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管壁液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾时，管壁上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，上所产生的汽泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理管内造成了复杂的两相流动。这种沸腾的机理更为复杂。更为复杂。2.2液体沸腾曲线

48、液体沸腾曲线大容积饱和液体沸腾的情况随温度差大容积饱和液体沸腾的情况随温度差t（壁温与液体饱和温壁温与液体饱和温度之差）而变，出现不同的沸腾状态。度之差）而变，出现不同的沸腾状态。1、AB段段：表面汽化表面汽化:温度差温度差t较小时，在加热表面的液体较小时，在加热表面的液体内产生内产生自然对流自然对流，仅在液体，仅在液体表面发生蒸发，没有气泡逸表面发生蒸发，没有气泡逸出，沸腾传热系数出，沸腾传热系数和热通和热通量量q都较低都较低。2、BC段段：核状沸腾核状沸腾：当当t升升高时，加热表面的局部位置高时，加热表面的局部位置产生气泡，气泡产生的速度产生气泡，气泡产生的速度随随t上升而增加，由于气泡上

49、升而增加，由于气泡的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，的生成、脱离和上升，使液体剧烈扰动，因此，和和q急剧增急剧增大。大。温度差温度差tqABCD线线 q 线线自自然然对对流流核状沸腾核状沸腾膜状沸腾膜状沸腾E3、CD段段：不稳定膜状沸腾或：不稳定膜状沸腾或部分核状沸腾：部分核状沸腾：当当t增大到某一增大到某一定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速定数值时，加热面上产生的汽泡大大增多，此时汽泡产生的速率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开率大于脱离表面的速率。这样汽泡在脱离表面前连接起来，开始形成一层不稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热始形成一层不

50、稳定的汽膜，随时可能破裂变为大汽泡离开加热面。随着面。随着t的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小的增大，汽泡趋于稳定，因气体的导热系数远小于液体的，所以传热系数反而下降。于液体的，所以传热系数反而下降。4、DE段段：当达到当达到D点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成点时，传热面几乎全部为气膜所覆盖，形成稳定的气膜，随稳定的气膜，随t增大，增大，不变，不变，q又上升（因为壁温升高，又上升（因为壁温升高，辐射传热的影响增大。一般将辐射传热的影响增大。一般将CDE段称为段称为膜状沸腾膜状沸腾。临界点临界点tc和和qc：从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界点从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。临界