化工原理传热课件.ppt

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1、第四章 传 热,覆盖内容：,传热的基本方式及特点；定常传热及非定常传热的概念；傅立叶定律，一维定常导热的计算（平壁圆筒壁及球壁）；导热系数及其影响因素；对流传热过程分析，牛顿冷却定律，传热基本方程式及其应用（传热速率、平均温差、传热系数、污垢热阻和控制热阻）；热效率与传热单元数的概念及计算；对流传热的主要影响因素，对流传热系数准数关联式（熟练掌握管内强制湍流对流传热系数），壁温估算；辐射传热的基本概念，黑体、白体（镜体）、透热体和灰体，普郎克定律，斯蒂芬-波尔茨曼定律，克希霍夫定律，两物体间的辐射传热速率计算，角系数的概念，热损失的计算；常用换热器的结构特点，换热器设计原则、步骤。,掌握的内容

2、：,1、热传导基本原理，一维定常态傅立叶定律及应用，平壁及圆筒壁一维定常态热传导计算与分析2、对流传热基本原理，牛顿冷却定律，影响对流传热的主要因素3、无相变管内强制对流的关联式及应用；Nu、Re、Pr、Gr等的物理意义及计算。正确选用的计算式，注意其用法和使用条件。4、传热计算：传热速率方程与热负荷的计算、平均温差推动力、总传热系数、污垢热阻、壁温计算、传热面积、加热程度和冷却程度计算、强化传热的途径,熟悉的内容：,1、对流传热系数经验式建立的一般方法2、蒸汽冷凝、液体沸腾对流传热系数计算3、传热效率、传热单元数及其在传热操作型计算中的应用4、热辐射的基本概念、两灰体间辐射传热计算5、列管换

3、热器的结构及选型计算,了解的内容：,1、加热剂、冷却剂的种类和选用2、各种常用换热器的结构特点及应用3、高温设备热损失计算,重 点：传热基本方程式；对流传热系数的影响因素及计算。难 点：对流传热过程分析；最小值流体；,4-1概述,传热（热传递）：由温度差引起的能量传递。自发过程中热量从高温传递到低温。热力学：传递的总热量；传热学：讨论过程热量的传递速率。目的：强化传热过程；削弱传热过程。,分类：,连续传热,稳态传热：传热速率=常数，,六、传热基本方式（传热机理）1热传导（导热）(conduction)：物体的各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递，

4、称为热传导 金属，自由电子的运动。 固体 分子晶体，分子的振动。 非金属 原子晶体，原子的振动。 晶格结构的振动，弹性波。 离子晶体，离子的振动。 液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。 气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。2热对流（对流）(convection)：流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递。由于同 时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。 自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。 强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。3热辐射（辐射）(radiation)：因热的原因而产生电磁波在空间的传递。特点：1 不仅有能量

5、的传递，而且还有能量形式的转换； 2 所有物体都能将热能以电磁波的形式发射出去， 不需 要任何介质。在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存,对流传热：流动的流体与固体壁面之间的热量传递。,412 传热过程中热、冷流体(接触)热交换的方式,一.直接接触式换热和混合式换热器优点：传热效果好，设备结构简单,图4-1 混合式冷凝器(a)并流低位冷凝器 (b)干式逆流高位冷凝器1一外壳 2一淋水板 3、8一气压管 4一蒸汽进口 5一进水口 6不凝气出口 7一分离罐,二蓄热式换热和蓄热器,蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内装有填充物(如耐火砖等)，热、冷流体交替地流过

6、蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。蓄热器结构简单，且可耐高温，因此多用于高温气体的加热。其缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合，所以这类设备在化工生产中使用得不太多。,三 间壁式换热和间壁式换热器,冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧流动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。,1套管式换热器,2列管式换热器固定管板式(结构图）、浮头式、U型管式优点：单位体积内具有较大的传热面积。,3沉浸式、喷淋式,特点：只有热量传递。传热速率(Q)：单位时间内通过传热面传递的热量，W；热通量（q）：单位时间单位传热面积传递的热量，w/m2。传热面积：S0、Si、Sm。

7、,图4-3 间壁两侧流体间传热(1)热流体将热量传至固体壁面左侧(对流传热)。(2)热量自壁面左侧传至壁面右侧(热传导)。(3)热量自壁面右侧传至冷流体(对流传热)。,图4-4 套管式换热器l一内管2一外管它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。冷、热流体分别流经内管和环隙而进行热的交换。,4-1-3栽热体及其选择,一 概念物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另一种流体供给或取走热量，这种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂(或称加热介质)；起冷凝作用的载热体称为冷却剂(或称泠却介质)。,二 载热体的选择原则：,三工业上常 用的载热体,加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混

8、合物、熔盐及烟道气；冷却剂：水、空气和各种冷冻剂,4.2 热传导,4.2.1 基本概念和傅立叶定律,一 温度场和温度梯度,温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和，温度场的数学表达式为：,等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面积。特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热量传递。,温度梯度：,传热速率：,热通量：,二 傅立叶(Fourier)定律,一般地， 导电固体 非导电固体， 液体 气体, 4-2-2导热系数,一.定义：,导热系数是物质的基本物理性质之一，其在数值上等于单位温度梯度下的热通量，它表征物质导热能力的大小。其数值与物质的种类、组成、结构、密度、温度、压强有关。

9、,二.固体的导热系数,三.液体的导热系数除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。 金属液体的导热系数比一般的液体要高 纯液体的导热系数比其溶液的要大,4 气体的导热系数,气体的导热系数随温度升高而增大，在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化甚微，气体的导热系数很小，常用做保温材料,4.2.2 平壁的热传导,一 单层平壁的热传导,1.几点基本假设,1)平壁材料均匀，导热系数不随温度而变(或取平均导热系数)。2)平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。3)壁边缘处的热损失可忽略。,图4-8 单层平壁的热传导,对此种定态的一维平壁热传导，导热速率Q和传热面积S都为常量，

10、故式4-5可简化为当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2；且t1t2，积分上式可得或式中 b平壁厚度，m；t温度差，导热推动力，； R 导热热阻，W；R 导热热阻，m2W。,应予指出，上式适用于导热系数 为常数的稳态热传导过程。实际上，物体内不同位置上的温度并不相同，因而导热系数也随之而异。但是在工程计算中，对于各处温度不同的固体，其导热系数可以取固体两侧面温度下 值的算术平均值，或取两侧面温度之算术平均值下的 值。导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比；还可看出，导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小，则导热热阻愈大。,2、多层平壁的热传导以三层平壁为例，如图所设，且假定为常数，及层与

11、层之间接触良好，没有接触热阻，则由单层平壁公式，得而由一维稳态条件，得所以相加并整理，得 或,影响因素：接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计,三 接触热阻,由于平壁表面粗糙不平使不同材料的相邻壁面出现明显的温度降低。,一、单层圆筒壁的一维稳态热传导,常量常量,传热速率,传热面积,热通量,平壁圆筒壁,常量随半径变,常量随半径变,图5-6 单层圆筒壁的热传导,一、单层圆筒壁的一维稳态热传导,若在圆筒半径r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常量，等于 ；同时通过该薄层的温度变化为dt。仿照平壁热传导公式，通

12、过该薄圆筒壁的导热速率可以表示为将上式分离变量积分并整理得整理,式中 圆筒壁的内、外表面的对数平均面积，m2； 温差，C； 热阻， C /W。,二、多层圆筒壁的稳态热传导,假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同。,图5-7 多层圆筒壁的热传导,热传导速率可表示为,对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为,或,二、多层圆筒壁的稳态热传导,二 多层圆筒壁的热传导,假设：各层间接触良好；各层的导热系数分别为1、2、3，厚度分别为b1、b2、b3。,4-3对流传热概述,对流传热：流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热,根据流体在传热过程中的状态,对流传热,蒸汽冷凝,液体沸腾,一、传热方式和

13、温度分布11、层流 导热 非线性 层流底层区 导热 近似线性22、湍流 过渡流区 导热与对流 非线性 湍流主体区 对流为主 近似水平线二、牛顿冷却定律（对流传热系数的定义）：当流体流过固体壁面时，通过流体且与壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即 或 式中 qx局部对流热流密度，W/m2； Q对流传热速率或热流量，W； S与流体接触的固体传热面积，m2； x局部对流传热系数，W/(m2K)； tw，Tw分别为冷热流体侧的局部壁温，K，C； t，T分别为冷热流体的有限空间内局部截面平均温度或大空间中流体主流温度，K，C。,4-3-1对流传热机理,对流传热中包括了热对流和热传导两

14、种基本传热方式，对流传热与流体的流动状况密切相关。由于滞流内层中流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，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旋涡；因此湍流主体中温度差(温度梯度)极小，各处的温度基本上相同。在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。,一、对流传热分析,图4-13 对流传热的温度分布情况由上分析可知，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减

15、薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。,正如流体流过固体壁面时形成流动边界层一样，若流体自由流的温度和壁面的温度不同，必然会形成热边界面(又称温度边界层)。 当温度为 的流体在表面温度为tw的平板上流过时，流体和平板间进行换热。流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。,热边界层愈薄则层内的温度梯度愈大。若紧靠壁面附近薄层流体(滞流内层)中的温度梯度用(dtdy) w表示，由于通过这一薄层的传热只能是流体间的热传导，,2 热边界层,五、热边界层的发展进口段（稳定段）：

16、从进口处到局部对流传热系数x基本稳定的这一段距离。在进口段内，逐渐减小，在进口段后，基本保持恒定。 若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则从进口处开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，有所回升，然后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。,在换热器中，换热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。但对流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应。如热流体在管内流动，冷流体在管外流动。则对流传热速率方程式可分别表示为：,二. 对流传（给）热系数,在数值上等于单位温度差下、单位传热 面积的对流传热速率。它反映了对流传热的快慢，它不是流体的物理

17、性质，而是受诸多因素影响的一个系数。,由,热边界层的厚度影响温度分布，也影响温度梯度，从而影响对流传热系数。, 值(W/(m2. ) 的范围,4-3-3 保温层的临界厚度,4-5传热过程计算,4-5-1 能量衡算,总焓衡算方程,当换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或取平均温度下的比热容时,当换热器中两流体有相变化时：,设计型计算：由生产任务确定热负荷和传热面积。操作型计算：由传热面积及操作条件计算传热量、出口温度、载热体流量等。,4-5-2总传热速率微分方程和总传热系数,一.总传热速率微分方程,总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，即有：,二.总传热系数,1.总传热系数的数值

18、范围(见下表),列管换热器总传热系数K的经验数据,2.总传热系数的计算式,1）热流体以对流传热的方式将热量传给热侧表面；2) 热侧表面以传导传热方式将热量传给冷侧表面；3) 然后冷侧表面以对流传热方式将热量传给冷流体。,两流体通过管壁的传热包含以下过程：,由以上三式可得总传热速率方程：,在上式两边同除dSo,便可有：,所以有：,同理有：,3.污垢热阻,工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值，如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rsi和Rso，则总热阻：,总传热系数：,提高总传热系数途径的分析,总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻,壁阻,总热阻,管内热阻,管内垢阻,管外垢阻,管外热阻

19、,二、总传热系数,若传热面为平壁或薄管壁,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时,若,管壁外侧对流传热控制,二、总传热系数,若,管壁内侧对流传热控制,若,管壁内、外侧对流传热控制,相当,若管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大,污垢热阻控制,二、总传热系数,欲提高 值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。,二、总传热系数,值总是接近且永远小于 中的小者。当两侧对流传热系数相差较大时， 近似等于 中小者。,2.总传热系数的测定,对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热基本方程式计算值。显然，这样得到的总传热系数值最为可靠。,二、总传热系数,一、平均温度差法

20、,对总传热速率微分方程,积分，可得,总传热速率积分方程,传热过程冷、热流体的平均温度差,推导平均温度差的表达式时，对传热过程作以下简化假定：传热为稳态操作过程；两流体的定压比热容均为常量；总传热系数为常量；忽略热损失。,一、平均温度差法,1.恒温传热时的平均温度差 换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温传热。,冷流体温度,热流体温度,一、平均温度差法,2、变温传热,图4-16 变温传热时的温度差变化(a)逆流 (b)并流,由热量恒算并结合假定条件和，可得,常数,常数,一、平均温度差法,因此， 及 都是直线关系，可分别表示为,上两式相减，可得 也呈直线关

21、系。将上述诸直线定性地绘于图5-9中,一、平均温度差法,图5-9 逆流时平均温度差的推导,一、平均温度差法,所以t与Q成线性关系，其斜率也可为而 假定 为常数，则 ，令 对数平均温差，所以 总传热基本方程 显然，上式对并流也适用。,图4-18 错流和折流示意图(a)错流(b)折流错流：两流体的流向互相垂直，称为错流；简单折流：一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复 折流，称为简单折流。复杂折流：若两流体均作折流，或既有折流又有错流， 则称为复杂折流。,温差校正系数,安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法,一、平均温度差法,先按逆流计算对数平均温度差，然后再乘以考虑流动方向的

22、校正因素。即,具体步骤如下：,根据冷、热流体的进、出口温度，算出纯逆流条件下的对数平均温度差tm。,按下式计算因数 R 和 P：,一、平均温度差法,根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校正系数； 将纯逆流条件下的对数平均温度差乘以温度差校正系数，即得所求的。,一、平均温度差法,一边恒温时,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。,通常在换热器的设计中规定， 值不应小于0.8，否则值太小，经济上不合理。若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流。,一、平均温度差法,温度差校正系数图是基于以下假定作出的：(1)壳程任一截面上流体温度均匀一

23、致。(2)管方各程传热面积相等。(3)总传热系数K和流体比热容cp为常数。(4)流体无相变化。(5)换热器的热损失可忽略不计。,(三)流向的选择,若两流体均为变温传热时，且在两流体进、出口温度各自相同的条件下：逆流时的平均温度差最大，并流时的平均温度差最小，其它流向的平均温度差介于逆流和并流两者之间。逆流的优点是：1. 所需的换热器传热面积较小。2.可节省加热介质或冷却介质的用量。,1.换热器应尽可能采用逆流操作。2.但是在某些生产工艺要求下，若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，此时则宜采用并流操作。3.采用折流或其它流动型式的原因除了为

24、满足换热器的结构要求外，就是为了提高总传热系数。但是平均温度差较逆流时的为低。4.在选择流向时应综合考虑， 值不宜过低，一般设计时应取 0.9，至少不能低于0.8，否则另选其它流动形式。5.当换热器中某一侧流体有相变而保持温度不变时，不论何种流动形式，只要流体的进、出口温度各自相同，其平均温度差均相同。,4.4.4 总传热速率方程的应用,1.传热面积的计算总传热速率方程、热量衡算式（1）.总传热系数K为常数,（2）.总传热系数K为变数 当流体的温度变化较大时，流体的物性变化也较大，从而对流传热系数的变化也较大，最终使总传热系数变化较大，所以上述公式误差较大。 若K随温度呈线性变化时，可用下式计

25、算若K随温度不呈线性变化时，可分段计算，将每段的K视为常数，则 或 若K随温度变化较大时，应采用积分法： 或,4-5-4 传热单元数法,一.传热效率,在换热器中可能达到的最大温差： T1-t1,最小值流体：换热器中两流体中热容量流率较小者，表示为：,二.传热单元数NTU,换热器的热量衡算和传热速率微分方程为：,对冷流体，上式可改写为：,基于冷流体的传热单元数(NTU)C：,2传热单元数NTU（Number of Transfer Units）,1.传热单元数NTU：传热单元的个数。2.当 时 ， 即 由 得 (T-t)m=(Th2-tcl)+(Thl-tc2)/2 所以，传热单元长度是温度变化

26、 与该段换热器内的平均推动力 相等时的换热器长度。,表示方法：,令 传热单元长度，m； 传热单元数,3.传热效率和传热单元数的关系（与NTU）,以单程并流换热器为例，传热效率和传热单元数的关系可以推导如下：总传热速率方程为：并流时对数平均温度差为：整理上两式，得,2022/11/26,78,可编辑,因为代人上式,得 若冷流体为最小值流体,并令Cmin =W ccpc Cmax=Whcph则 (NTU)min=所以，有,因 T2=所以 ,将上式代入4-58，得若热流体为最小值流体，只要令(NTU)min= Cmin =W hcph Cmax=Wccpc则可推出与上式相同的结果. 同理,可推导得到

27、逆流时的传热效率和传热单元数的关系为：,当两流体之一有相变化时，(Wcp)max趋于无穷大，故式459和式460可简化为 1-exp-(NTU)min当两流体的Wcp相等时，式459和式460可分别简化为 1-exp-2(NTU)/2 NTU1NTU,图4-22至4-24分别为并流,逆流,和折流时的关系图. 图4-22 并流换热器的 关系,图4-23 逆流换热器的 关系,图4-24 折流换热器的 关系(单壳程，2、4、6管程),4-5-4 传热过程计算,一.设计型计算,命题方式：将Wh(或Wc)由T1(或t1)降温（或升温）到T2(或t2)。,计算目的：确定经济合理载热体、传热面积、换热器结构

28、。,步骤：,计算热负荷,选择合适的载热体及进、出口温度,确定载热体消耗量,确定流向,计算平均温度差,选择流速计算0、i,选择Rs0、Rsi计算K0,计算S0,确定换热器结构,二.操作型计算,第一类命题：给定换热器传热面积及有关尺寸，冷、热流体物性、流量、流动方式、进口温度。,计算目的：冷、热流体出口温度。,第二类命题：给定换热器传热面积及有关尺寸，热流体物性、流量、流动方式、进、出口温度，冷流体进口温度。,计算目的：冷流体流量、出口温度。,换热器校核：给定换热器传热面积、结构，冷、热流体物性、流量、进出口温度。计算目的：判断给定换热器是否合用（S0实？S0需）。,例.有一逆流换热器。热流体为空

29、气1=100W/m2. 。冷流体为水（湍流）2=2000W/m2.。已知：t1=20 、t2=85 、T1=100 、T2=70 ，管壁及污垢热阻不计、管壁很薄。当水流量增加一倍时，求：1）水和空气的出口温度？2）传热量是原来的多少倍？,计算方法：热负荷,热量衡算,传热速率,分析：,将两种工作状况下的热量衡算、传热速率方程分别相除，可得两独立方程，且都含有冷热流体出口温度，从而求解新工况下冷热流体出口温度。此问题为求冷热流体出口温度，也可以采用传热单元数法。,解：,热量衡算方程相除,将已知数据代入得：,传热速率方程相除,a,b,将计算所得数据代入b式：,c,将a、c式联立，试差求解得：,讨论：

30、增加水量，水一侧增大较多，但K增大很少。传热速率增大主要是由平均温差推动离增加所贡献的。,采用传热单元数法,最小值流体为冷流体,第一工况时：,逆流：,计算得：,新工况下：,由逆流时传热效率与传热单元数的关系式，计算新工况下的传热效率：,将热量衡算方程相除：,采用传热单元数法求解冷热流体的出口温度可以避免试差。,例.某气体冷却器S=20m2。用水将Wh=1.4kg/s的某气体由50 冷却到35。使用的冷却水的进口温度为25，与气体呈逆流。K=230W/m2.。气体的比热Cph=1.0kJ/kg.。热损失不计。试求：冷却水的用量及出口温度。,解：,a,b,例.有一蒸汽冷凝器。蒸汽的1=104W/m

31、2.，冷却水的2=103W/m2.。实测：t1=30、 t2=35 、Ts=100。现将冷却水量增加一倍，蒸汽的冷凝量增加多少？（管壁及污垢热阻不计，管壁很薄，热损失不计）,分析：由于冷却水流量增加，使冷凝水一侧的对流传热系数改变，同时也使冷却水的出口温度发生变化，从而使传热过程的平均温度差改变。这两个因素都会使传热速率改变。由于蒸汽是由饱和蒸汽变为饱和液体，释放的潜热传递给冷却水，所以不同工况下的传热速率之比等于蒸汽的冷凝量之比。,解：原工况：,冷流体吸收的热量来源于间壁两侧的对流传热，故：,将上式变形：,a,新工况下，由冷却水吸收热量等于传热速率可得：,b,将（b/a）整理：,讨论：,在传

32、热过程中，改变热阻较大的一侧流体的湍动程度，能使总传热系数有较大程度的提高。在本例中，增加的传热速率尽管是由K、tm两部分增大的综合结果，但主要是由K的增大引起的。因此，当工艺流体的流量、进口温度改变时，可以采用适当减小或增大载热体流量以及改变载热体进口温度等手段进行调节。在传热过程中，换热器必须同时满足热量衡算方程和传热速率方程。,4-4-1 影响对流传热系数的因素,获得的主要方法：,1.理论分析法：建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。2.实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。3.类

33、比方法：把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。,一. 流体的种类和相变化的情况,4-4 对流传热系数关联式,液、气、蒸汽的 不相同；牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别；流体有无相变化（汽化潜热r），对传热有不同的影响。,二. 流体的性质,1.导热系数,2.粘度,影响层流底层及热边界层的厚度。,3.比热容、密度,Cp：单位体积流体具有的热容量。越大，表示流体携带热量的能力越强。,4.体积膨胀系数, 越大的流体，产生的密度差别越大，有利于自然对流。,三. 流体温度,物性参数：粘度、导热系数、密度、比热容,附加的自然对流,四.流动原因自然对流、强制对流,若流体静止,自然对流,自然对流

34、速度：,与流体物性、流动空间的几何尺寸、加热壁面的位置等因素有关。,强制对流是由于外力迫使流体流动，其对流传热系数比自然对流的传热系数大得多。,五.流动类型：层流或湍流,六.传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、管内与管外等,4-4-2对流传热过程的因次分析,一.流体无相变时的强制对流传热过程,1) 首先列出影响该过程的物理量,2) 确定无因次准数 的数目,3) 确定准数的形式,a)列出物理量的因次：如下表示,b)选出m个(基本因次数目，本例中为4个)物理量作为i个(本例为3)无因次准数的共同物理量(本例中选l、u、),选择时应考虑以下原则：不能包含待求量；不能同时选用因次相同的

35、物理量；选择的共同物理量中应包含所有的基本因次。,(3) 因次分析: 将共同物理量与余下的物理量分别组成无因准数,列方程求解，确定各待定指数的值，得各无因次数群：,努塞尔准数，表示导热热阻与对流热阻之比,普兰特准数，反映物性的影响。通常，气体的Pr1。,二.自然对流传热过程,自然对流的一般函数关系式为：,可得：,三.应用准数关联式应注意的问题, 取流体进、出口温度的平均值：t=(t1+t2)/2 取壁面的平均温度tw 取流体和壁面的平均温度(称膜温)tm=(tw+t)/2,1. 定性温度的选取方法：,2. 特征尺寸的选取,无因次准数中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸,3) 公式的应用条件：如Re

36、、Pr等的数值范围,4-5-3流体无相变时的对流传热系数,对于低粘度(粘度小于2倍的常温水的粘度)流体，则有：,式中n 值与热流方向有关，当流体被加热时，n =0.4，当流体被冷却时，n =0.3。应用范围：Re10000；0.7Pr120；l/d60,定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径di。,高粘度液体的无相变传热，给热系数用下式计算:,一.流体在管内作强制对流,1 流体在园形直管内作强制湍流,应用范围：Re10000；0.7Pr16700；l/d60,2.管内强制滞流和过渡流,应用范围：Re2300；Pr0.6。,特征尺寸：管内径di。,在Re=23001000

37、0的过渡区，可按湍流传热的公式计算值，然后乘以修正系数：,定性温度：w取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温度。特征尺寸：取为管内径。,定性温度：w取壁温下的值，其余物性参数取流体进、出口温度的算术平均值作定性温度。,3.流体在弯管中作强制对流,弯曲管道中的二次环流,流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强化传热，如右图所示。给热系数应乘以一个大于1的修正系数：,式中 d 为管内径，R为弯曲管道的弯曲半径。,4 流体在非圆形管中作强制对流,此时，仍可采用上述各关联式，只要将管内径改为当量直径即可。例如对于内管外径为d1，外管内径为d2的同心套管环状通道，其当量直径为 ：,1 流体在管束

38、外强制流动,换热管的排列分为直列和错列两种，错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。,影响管束传热的因素除Re, Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数用下式计算，即：,二.管外强制对流,式中C、和n 的值见下表 ：,上式中C、和n值,应用范围：,特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,2 流体在换热器的管间流动,对于常用的列管式换热器，由于壳体是圆筒，管束中各排的管数不同。而且通常都装有折流挡板(如右图示)，因此

39、流速和流向的不断变化，Re100即达到湍流。,换热器的折流挡板,换热器内装有圆缺型挡板时(割去直径的25%所留下的部分)，壳程流体的对流给热系数：,(1)Re=312104时,(2)Re=21031106时,在上两式中，定性温度除w取壁温外，其余均取流体平均温度。特征尺寸要用当量直径，根据管子的排列方式，直列时：,(a)直列 (b)错列管间当量直径推导,错列时：,流速u按管间最大流通截面积A计算，即：,自然对流的给热系数仅与Gr数和Pr数有关，其一般关系式为：,式中C 和n 的值如下表示：,三.自然对流,4-4-4.流体有相变时的对流传热系数,一.蒸汽冷凝,1 蒸汽冷凝的两种方式：,膜状冷凝：

40、如果冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜。滴状冷凝：如果冷凝液不能够润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下。,2.膜状冷凝对流传热系数,1)努塞尔特(Nusselt)理论式,假设：冷凝液膜处于层流流动，热量以热传导方式通过液膜；蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力；蒸汽冷凝液体时只释放汽化潜热，蒸汽及壁面温度不变；冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。,步骤：在x位置由力平衡 速度分布 质量流量(W) dW=f( )d 冷凝放热=液膜热传导传递热量 d =( )dx =f(x) x=F(x) 积分求取,、分别为凝液的导热系数，密度和粘度；r冷凝潜热，

41、J/kg；t蒸汽饱和温度 ts 壁面 tw 之差，。,2.实验结果,3 影响冷凝传热的因素,1) 冷凝液膜有温度差t,流体的物性：液膜的、，蒸汽的冷凝潜热,3) 蒸汽的流速和流动方向,4) 蒸汽中不凝性气体的含量：,5) 冷凝壁面的影响：,二.液体的沸腾,大容积沸腾,管内沸腾,2.大容积饱和沸腾曲线,水的沸腾曲线,自然对流沸腾区：t5,(2) 泡核沸腾或泡状沸腾区：t=525 ,(3) 膜状沸腾区 不稳定膜状沸腾稳定膜状沸腾,3 影响沸腾传热的因素,2.液体沸腾传热的影响因素,（1）液体性质的影响 通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热。,二、液体沸腾传热,（2）温度差的影响

42、 温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的对流传热系数与的关系可用下式表达，即,二、液体沸腾传热,（3）操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于气泡的生成和脱离。,二、液体沸腾传热,（4）加热壁面的影响 加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影响。清洁而粗糙的加热壁面传热系数较高。加热壁面的布置情况，也对沸腾传热有明显的影响。,二、液体沸腾传热, 4-4-5壁温的估算,一.壁温估算的意义,1.在某些对流传热系数的关联式中，需知壁温才能计算传热系数,2.选择换热器的类型和管子材料也需知道壁温,二.计算方法

43、,1.在已知管内、外流体的平均温度ti、to之间假设壁温tw,2.计算两流体的对流传热系数i、o,3.核算所设 tw 是否正确，用下列近似关系进行核算：,4-6 辐射传热,4-6-1基本概念,一.辐射和辐射传热,物体以电磁波的形式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。物体可以由不同的原因产生电磁波，其中因热的原因引起的电磁波辐射，称为热辐射。,热辐射线波长在0.4m20m，属可见光、红外线,二.吸收率、发射率、透过率,A=1的物体称为黑体或称为绝对黑体,辐射传热：不同物体之间相互辐射和吸收能量，从而使热量从高温物体向低温物体传递的过程。,Q,QR,QA,QD,R=1的物体为镜体或称为

44、绝对白体,一般来说，固体和液体都是不透热体，即D=0，故A+R=1。气体则不同， 其反射率R=0，故A+D=1。 三.灰体-凡能以相 同的吸收率且部分地吸收由零到 所有波长范围的辐射能的物体，如工业用的大多数固体材料。灰体有以下特点：(1)灰体的吸收率A不随辐射线的波长而变。(2)灰体是不透热体，即A十R=1。,4-6-2.物体的辐射能力和有关的定律,辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，用E表示，单位W/m2。单色辐射能力：单位时间、单位面积上发射的特定波长辐 射线的辐射能量，用E 表示，单位W/m2。,不同温度下有不同的能量分布曲线。在指定温度下，黑

45、体辐射各种波长的能量是不同的。在某一波长时，其单色辐射能力达到最大。在温度不太高时，辐射能主要集中在波长为0.810m的范围内。,一.普朗克定律：,黑体单色辐射能力按波长的分布规律,二.斯蒂芬-波尔茨曼定律：,式中：,应与指出,四次方定律也可推广到灰体,此时,式4-102可表示为 C灰体的辐射系数，W(m2K4)。C值恒小于C。，在05.67范围内变化。黑度：相同温度下，灰体的辐射能力与黑体的辐射能力之 比（发射率）。表达式：,灰体的辐射能力：,灰体的黑度（）取决于物性、表面状况，一般由实验测定。,某些工业材料的黑度,三.克希霍夫(Kirchhoff)定律,板1(灰体)能量平衡：单位时间单位面

46、积发射 E1，获得 A1Eb，向板 2 的净的辐射传热量为 q=E1-A1Eb。辐射传热达平衡(两物体温度相等)时， q=0，E1=A1Eb 或 E1/A1=Eb。若板 1 用任意灰体板来代替，则得,E1, A1, T1,Eb, T2,E1,板1(灰体),板2(黑体),Eb,A1Eb,(1-A1)Eb,灰体辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力。在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上是相同的。但是A和 两者的物理意义则完全不同。前者为吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；后者为发射率，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。,T1 T2,4-6-3两固体间的辐射

47、传热,E1, R1, T1,E2, R2, T2,E2,板1(灰体),板2(灰体),T1 T2,E2R1,E2R1R2,E2R12R2,E2R12R22,E1, R1, T1,E2, R2, T2,E1,板1(灰体),板2(灰体),T1 T2,E1R2,E1R1R2,E1R12R22,E1R1R22,辐射能可被多次吸收和反射,平行灰体平板间的辐射过程,当两壁面的大小与其间距相比不够大，一个壁面发出的辐射能只有一部分能到达另一个壁面。引入角系数（几何因素）。,辐射传热的速率为：,式中的角系数表示从辐射面积S所发射出的能量为另一物体表面所获截的分数。其数值不仅与两物体的几何排列有关，还与式中的S是

48、选用板1的面积S1还是选用板2的面积S2作为辐射面积有关。,Aw， 和 C1-2 的计算方法,影响辐射传热速率的因素：,1）温度水平；,2）几何位置；,3）黑度；,4）两表面间的介质；,4-6-4对流和辐射的联合传热,因设备壁面被环境大气所包围， =1,总热量损失：,对流-辐射联合传热系数,对流损失热量：,辐射损失热量(牛顿冷却定律的形式)：, 辐射传热系数,第七节 换热器,一、类型 沉浸式 蛇管式 管式 喷淋式 套管式 列管（管壳）式 间壁式 夹套式 板式 板式 螺旋板式 翅片管式 翅片式 板翅式 混合式（直接接触式） 蓄热式,4-7 换热器,4-7-1 间壁式换热器的类型,一. 夹套式,用

49、于反应器的加热或冷却，加热剂或冷却剂在夹套内通过间壁与反应器内的物料进行换热。,用蒸汽进行加热时，蒸汽高进低出。当冷却时，冷却水从下部进入，而由上部流出。,为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使容器内的流体作强制对流。,二. 管式换热器,1.蛇管式换热器,1）. 沉浸式蛇管换热器,结构：由肘管连接的直管，或由盘成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状主要决定于容器形状。将蛇管浸没于容器中，即构成蛇管式换热器。,当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的疏水器排出。,优点：结构简单，能承受高压；缺点：管外流体给热系数小，为强化传热

50、，可在器内安装搅拌器。,2）.喷淋式换热器,喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。,用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。,2.套管式换热器,优点：构造简单，能承受较高压力，应用灵活；缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。,结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具