1、第一节概述1 1、化工生产的传热问题、化工生产的传热问题 化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化大都涉及热能的传递。这些性质的变化大都涉及热能的传递。传热传热：有温差存在时，热量由高温物体传向低温物体：有温差存在时，热量由高温物体传向低温物体生活中的传热现象：暖气、空调、风扇等生活中的传热现象：暖气、空调、风扇等（1）加热或冷却；加热或冷却；（2）换热；）换热； （3）保温（或保冷）保温（或保冷） 涉及传热的单元操作涉及传热的单元操作:蒸发蒸发,蒸馏蒸馏,干燥等干燥等热源和冷源热源和冷源（1）热源）热源：电加热：电
2、加热：便于控制、使用方便、清洁，价格昂贵便于控制、使用方便、清洁，价格昂贵饱和蒸汽：饱和蒸汽：其优点是饱和水蒸汽的冷凝温度和压强有一一其优点是饱和水蒸汽的冷凝温度和压强有一一对应关系，调节水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用对应关系，调节水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便。但使用温度受限，蒸汽温度通常不超过方便。但使用温度受限，蒸汽温度通常不超过180，此，此时对应压力为时对应压力为1MPa。烟道气：烟道气：温度可高达温度可高达700，可将物料加热到较高温度，可将物料加热到较高温度，但传热速度慢，温度不易控制。但传热速度慢，温度不易控制。（2）冷源）冷源：水、空气、冷冻盐水等。：水、空气
3、、冷冻盐水等。2 2、热量传递的方式、热量传递的方式热传导：热传导：发生在基本静止的物体中，其原因是通过物质的分发生在基本静止的物体中，其原因是通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞碰撞发生能量发生能量的传递。在金属中自由电子的扩散运动对于导热起的传递。在金属中自由电子的扩散运动对于导热起主导作用。主导作用。对流传热对流传热：流体质点（微团）发生：流体质点（微团）发生宏观相对位移宏观相对位移而引起的传而引起的传热现象，热现象，发生在流动的物体中，化工中常见的是流发生在流动的物体中，化工中常见的是流体流过固体表面的传热体流过固体表面的传热；热辐射热辐射：
4、不需要中间媒介物，热以不需要中间媒介物，热以电磁波电磁波的形式传给另一物的形式传给另一物体，物体全部或部分吸收电磁波并转化为热能。体，物体全部或部分吸收电磁波并转化为热能。在在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。 3、典型的换热设备、典型的换热设备直接混合式传热直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进：冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。行热交换。不常用，如凉水塔。蓄热式传热：蓄热式传热：设备内装有蓄热用的填充物，冷、热流体设备内装有蓄热用的填充物，冷、热流体交替通过蓄热材料进行热量交换。交替通过蓄热材料进行热量交
5、换。间壁式换热间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。壁进行热量的交换。套管式换热器套管式换热器 冷溶液进冷溶液进 冷溶液出冷溶液出 热溶液进热溶液进热溶液出热溶液出列管式换热器列管式换热器 单程列管式换热器单程列管式换热器 双程列管式换热器双程列管式换热器 1 2 3 3 6 6 5 445 7传热面积传热面积ldnA2冷热两种流体通过列管换热器的管壁进行热量交换，管壁表冷热两种流体通过列管换热器的管壁进行热量交换，管壁表面积即为传热
6、面积，若已知管数面积即为传热面积，若已知管数 n、管外径管外径 d2 和管长和管长 l，则则可求得基于管外表面的传热面积：可求得基于管外表面的传热面积： 若换热管内径为若换热管内径为 d1， 管程数为管程数为 m，则管程流体的流通截面则管程流体的流通截面积为：积为： 214fndAm4 4、传热过程的基本问题、传热过程的基本问题 载热体用量载热体用量的确定；的确定； 设计新的设计新的换热器换热器； 核算现有换热器的核算现有换热器的传热性能传热性能； 强化或削弱强化或削弱传热的方法。传热的方法。 解决这些问题需要解决这些问题需要两个基本关系式两个基本关系式热量恒算式热量恒算式 若忽略过程热损失若
7、忽略过程热损失吸放QQ传热速率关系传热速率关系 传热速率传热速率(热流量热流量) Q ：单位时间内所交换的热量：单位时间内所交换的热量(W)传热通量传热通量(热流密度热流密度) q：单位时间单位传热面积上传递的热量单位时间单位传热面积上传递的热量(W/m2)传热速率与传热推动力成正比，与传热阻力成反比，即传热速率与传热推动力成正比，与传热阻力成反比，即 )()(热阻阻力温差传热推动力传热速率 稳定传热：稳定传热：传热系统中各处温度只随位置变化，与时间无关，传热系统中各处温度只随位置变化，与时间无关，T=f(x,y,z)不稳定传热：不稳定传热：传热系统中各处温度既随位置变化，也随时间传热系统中各
8、处温度既随位置变化，也随时间而变，而变，T=f(x,y,z,)。以下主要讨论稳定传热以下主要讨论稳定传热5 5、稳定传热和不稳定传热、稳定传热和不稳定传热第二节固体中的热传导一、导热速率方程一、导热速率方程傅立叶定律傅立叶定律物体或系统内两点间的温度差是热传导的必要条件。物体或系统内两点间的温度差是热传导的必要条件。热传导是静止物体的一种传热方式。热传导是静止物体的一种传热方式。1、温度场与温度梯度、温度场与温度梯度（1）温度场：）温度场：T=f(x,y,z,)，描述任一时刻，物体各点的，描述任一时刻，物体各点的温度分布情况。温度分布情况。对稳定导热，物体各点温度均不随时间而变化，故温度场对稳
9、定导热，物体各点温度均不随时间而变化，故温度场的表达式变为：的表达式变为：T=f(x,y,z)一维稳定导热：温度仅沿一个坐标方向而变的情况一维稳定导热：温度仅沿一个坐标方向而变的情况（2）等温面：物体内具有相同温度的点连成的曲面。同）等温面：物体内具有相同温度的点连成的曲面。同一等温面上无传热现象（适用于不发生相变的情况）一等温面上无传热现象（适用于不发生相变的情况）（3）温度梯度：两等温面温差与垂）温度梯度：两等温面温差与垂直距离之比的极限（或叫等温面法直距离之比的极限（或叫等温面法线方向上的温度变化率）线方向上的温度变化率） ytytlim对一维导热：温度梯度对一维导热：温度梯度dt/dy
10、温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。方向为正。 热量传递的方向与温度降低的方向一致，与温度梯度的方热量传递的方向与温度降低的方向一致，与温度梯度的方向相反。向相反。2、傅立叶定律、傅立叶定律热传导的宏观规律为：导热速率与物体内的温度梯度及导热传导的宏观规律为：导热速率与物体内的温度梯度及导热面积成正比，即热面积成正比，即 dAytkdQ或或ytkq对一维稳定导热对一维稳定导热dydtkq傅立叶定律傅立叶定律负号表示负号表示q q与温度梯度方向相反与温度梯度方向相反上式中比例系数上式中比例系数k，称为导热系数，称为导热系数
11、，W/(mK) 导热系数也常用希腊字母导热系数也常用希腊字母表示表示3、导热系数、导热系数 导热系数是表征物质导热性能的重要参数，导热系数是表征物质导热性能的重要参数，k值的大小反映值的大小反映物质导热能力的强弱，值越大，导热能力越强。物质导热能力的强弱，值越大，导热能力越强。k与物质的与物质的温度、密度、结构、组成和压强等有关温度、密度、结构、组成和压强等有关 k值的影响因素值的影响因素（1）物质的化学组成不同，即不同种类的物质，）物质的化学组成不同，即不同种类的物质，k不同；不同；（2）同种物质，内部结构不同，）同种物质，内部结构不同， k不同；不同；（3）同种物质，所处状态不同，）同种物
12、质，所处状态不同， k不同；不同；（4）材料处于不同的温度，）材料处于不同的温度， k不同；不同；固体的导热系数：固体的导热系数：纯金属纯金属：良导体，依靠自由电子迁移传导热能，导热能力大。良导体，依靠自由电子迁移传导热能，导热能力大。 T则则k，合金的导热系数一般较纯金属低，合金的导热系数一般较纯金属低非金属非金属：依靠晶格振动传导热能，导热能力远小于金属。依靠晶格振动传导热能，导热能力远小于金属。 T则则k对大多数的固体，其导热系数在一定的温度范围内与温度成直对大多数的固体，其导热系数在一定的温度范围内与温度成直线关系，可用下式表示线关系，可用下式表示:)(atkkt10k k0 0固体在
13、固体在00时的导热系数，时的导热系数， 温度系数，对大多数金属材料温度系数，对大多数金属材料为负值；而对大多数非金属固体材料为正值。为负值；而对大多数非金属固体材料为正值。液体的导热系数液体的导热系数主要依靠分子热振荡导热，通常导热系数远小于固体。主要依靠分子热振荡导热，通常导热系数远小于固体。液态液态金属的导热系数金属的导热系数水非金属液体，水非金属液体，T，则，则k，水和甘油除外，水和甘油除外各种物质导热系数的大各种物质导热系数的大致范围致范围:(单位单位W/(mK) )金属金属1400建筑材料建筑材料0.11 绝热材料绝热材料0.010.1液体液体0.10.6气体气体0.0050.05气
14、体的导热系数气体的导热系数导热机理主要是分子随导热机理主要是分子随机热运动，机热运动，气体的导热气体的导热系数很小，对导热不利，系数很小，对导热不利，但有利于绝热、保温。但有利于绝热、保温。T则则k，一般与压强无，一般与压强无关，数量级关，数量级10-2 二、通过平壁的稳定热传导二、通过平壁的稳定热传导dAdxdTkdQbxoQAT1T21、通过单层平壁的、通过单层平壁的稳定导热稳定导热(P86)（1）厚度）厚度bT2(2)k=const(3)L(R2- R1) ，沿轴向的散热可忽略，沿轴向的散热可忽略由傅立叶定律由傅立叶定律 rdLdrdTkdAdrdTkdQ2先对先对L积分，积分，L：0L
15、，Q：0Q，则，则 drdTrLkQ2分离变量，积分分离变量，积分r：R1R2, T：T1T2，得，得 12212RRTTLkQln)( 讨论：讨论：（1）取对数平均半径：）取对数平均半径： 1212RRRRRmlnmmRbRRRRR1212lnbTTLkRQm)(212LRAmm2若若或或1212lnAAAAAmmkAbTTQ21（2）当）当R2/R12时，可以时，可以Rm=(R1+R2)/2代替对数平均值代替对数平均值 圆筒壁稳定导热的热流量正比于内外壁面的温差和圆筒的对圆筒壁稳定导热的热流量正比于内外壁面的温差和圆筒的对数平均传热面积，反比于壁厚数平均传热面积，反比于壁厚 假定假定（1）
16、r1，r2，r3，r4（2）t1t2t3t4（3）k=const（4）L r1，r2，r3，r4，表明是一维导热表明是一维导热（5）层与层之间接触良好）层与层之间接触良好2、通过多层圆筒壁的稳定导热、通过多层圆筒壁的稳定导热343432323212121212121rrLkttrrLkttrrLkttQlnlnln则则RtrrkrrkrrkttLQ343232121411112lnlnln)(讨论：讨论：（1）总热阻不仅与）总热阻不仅与k有关，且与各层放置次序有关（与平壁有关，且与各层放置次序有关（与平壁不同）；不同）； 保温时，各保温层厚度相同时，保温时，各保温层厚度相同时，k小的放里层好还
17、是外层好？小的放里层好还是外层好？ （2）虽然各层的速率）虽然各层的速率Q相同，但是相同，但是q不同不同(因为面积因为面积A不同不同)；接触热阻接触热阻: :多层平壁相接触时，在接触面上不可能是理想光多层平壁相接触时，在接触面上不可能是理想光滑的，粗糙的界面含空气必增加传导的热阻（因为空气的导滑的，粗糙的界面含空气必增加传导的热阻（因为空气的导热系数小），接触热阻使两接触面温度不等。热系数小），接触热阻使两接触面温度不等。 习题：习题：有一外径为有一外径为100mm的钢管，外面包有两层导热系数不的钢管，外面包有两层导热系数不同但厚度均为同但厚度均为20mm的保温材料，其中的保温材料，其中A材料
18、的导热系数为材料的导热系数为10 W/(mK)，B材料的导热系数为材料的导热系数为0.2 W/(mK)，钢管内通水蒸气，钢管内通水蒸气，已知钢管外壁温度为已知钢管外壁温度为150，最外层保温层外壁的温度为，最外层保温层外壁的温度为50，求（求（1）A材料在内层，材料在内层，B材料在外层时每米管长的热损失；材料在外层时每米管长的热损失；（2）若将）若将B材料置于内层，材料置于内层，A材料置于外层，求每米管长的热材料置于外层，求每米管长的热损失损失(最外层保温层外壁的温度仍为最外层保温层外壁的温度仍为50) 。【例例2.12】 1705mm的蒸汽管外包有一的蒸汽管外包有一层厚度为层厚度为80mm的
19、石棉保温材料，钢管和的石棉保温材料，钢管和石棉保温材料导热系数分别为石棉保温材料导热系数分别为k1=45 W/(mK)和和k2=0.21W/(mK)。当管内输送当管内输送的饱和蒸汽温度为的饱和蒸汽温度为180时，测得保温层内时，测得保温层内壁温度为壁温度为177，外壁温度为，外壁温度为40，试求：，试求：(1) 每米管长的热损失；每米管长的热损失；(2) 蒸汽管内壁面温度蒸汽管内壁面温度TW；(3) 保温层距内壁为保温层距内壁为40 mm 处的温度及温处的温度及温度梯度。度梯度。 解：解：(1) 根据已知的保温层材料的导热性质和几何条件，每米根据已知的保温层材料的导热性质和几何条件，每米管长的
20、热损失为管长的热损失为 mW2 .27240177170802170ln1017080217014. 308. 021. 0321111TTdbkLQm805mm80mm177 oC40 oC180 oCTW(2) 管壁与保温层系串联导热，通过二者的热流量必相等，设管壁与保温层系串联导热，通过二者的热流量必相等，设蒸汽管内壁温度为蒸汽管内壁温度为TW ，有有 mW2 .272177160170ln16017014. 3005. 04512,22WWmTTTdbkLQ(3) 保温层内保温层内 r =170/2+40 = 125 mm 处的温度和温度梯度为处的温度和温度梯度为 CTW1 .177T
21、TdbkLQm2313TTdbkLQm211111331212bdbdTTTTmm397408516512516540177212221./ln/ln/ln/lnTRRrRTTTK/m4 .1652125. 0116585ln401771/ln1/lndd125. 02121125. 01212125.rrrrRRTTrRRTTrT第三节对流传热一、概述一、概述对流传热：又叫给热对流传热：又叫给热(工程术语工程术语)，指流体与固体壁面之间的传热，指流体与固体壁面之间的传热分类：分类：对流传热对流传热有相变有相变传热传热无相变无相变传热传热蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝传热液体沸腾传热液体沸腾传热自然对流
22、自然对流 强制对流强制对流 管外对流管外对流 管内对流管内对流 非圆管道非圆管道弯管弯管圆管圆管湍流湍流过渡流过渡流层流层流流层流层 流动形态流动形态 传热方式传热方式 热阻热阻 温差温差 层流底层层流底层 层流层流导热为主导热为主 大大大大缓冲层缓冲层 过渡流过渡流 导热对导热对流流 中中中中湍流主体湍流主体 湍流湍流 对流为主对流为主小小小小圆管内不同流层传热情况对比圆管内不同流层传热情况对比对流传热速率对流传热速率与与流体性质流体性质及及边界层的状况边界层的状况密切相关。假密切相关。假设流体与壁面的温度差全部设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为集中在厚度为H的有效膜内，的有效膜内，该膜是
23、一集中了全部传热温该膜是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟差并以导热方式传热的虚拟膜。膜。虚拟膜虚拟膜内温度为线性分内温度为线性分布，其内缘温度为粘附在固布，其内缘温度为粘附在固体壁面上的流体温度体壁面上的流体温度TW，外缘温度外缘温度Tb为流体的主体温为流体的主体温度。度。 二、给热方程二、给热方程牛顿冷却定律牛顿冷却定律(P78)由傅立叶定律：由傅立叶定律： )(wbHHHsTTkdxdTkq上式中上式中H是虚拟值，而虚拟膜内是虚拟值，而虚拟膜内k也难求取，因此简化处理也难求取，因此简化处理 Hkh令令bwsTThq则流体被加热时则流体被加热时 牛顿冷却定律牛顿冷却定律对流传热膜系
24、数对流传热膜系数（） 对流传热膜系数，可简称为对流传热系数，或称为对流传热膜系数，可简称为对流传热系数，或称为给热系数给热系数h表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率，单位表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率，单位W/(m2)，它反映了对流传热的快慢，对流传热系数大的，它反映了对流传热的快慢，对流传热系数大的传热快。传热快。流体被冷却时流体被冷却时 wbsTThqHkhbwTTAhQ牛顿冷却定律也可写成牛顿冷却定律也可写成讨论：讨论：（1）在换热器内，）在换热器内，h随管长处处不等，因此取平均值；随管长处处不等，因此取平均值；（2）传热面积）传热面积A，若流体在管内流动，则，若流
25、体在管内流动，则A为管内表面积，为管内表面积，若在管外，则若在管外，则A为管外表面积；为管外表面积；RThATTQbw1R为给热热阻为给热热阻 （3）写成）写成三、给热系数的影响因素三、给热系数的影响因素1. 流体的性质及相状态：流体的性质及相状态：直接影响对流传热系数的物性有流直接影响对流传热系数的物性有流体的导热系数体的导热系数k，比热容，比热容Cp，密度，密度和粘度和粘度,都随温度而变，都随温度而变，不同相状态下物性差别很大。不同相状态下物性差别很大。2. 流动状态：流动状态：湍流、层流差很多。湍流、层流差很多。3. 引起流动的原因：引起流动的原因：强制对流或自然对流。强制对流或自然对流
26、。4. 传热面的形状、位置与尺寸：传热面的形状、位置与尺寸：如圆管、螺纹管，放置方式如圆管、螺纹管，放置方式（垂直或水平放置），尺寸：如管长、管径等。（垂直或水平放置），尺寸：如管长、管径等。5. 传热过程中有无相变：传热过程中有无相变：有相变，过程复杂化，多是经验公有相变，过程复杂化，多是经验公式。式。综上所述，无相变对流时，综上所述，无相变对流时，h=f(u, , l, , Cp, k, gt)。其中。其中 gt表征自然对流的影响，是单位质量流体的浮力，表征自然对流的影响，是单位质量流体的浮力，是体是体积膨胀系数（积膨胀系数（1/K）四、因次分析法四、因次分析法定理定理：i=n-mi: 独
27、立无因次数群的个数，独立无因次数群的个数，n:总变量数，总变量数，m:基本因次数基本因次数对对h=f(u, , l, , Cp, k, gt) ，n=8, m=4，分别是长度，分别是长度L、质、质量量M、时间、时间和温度和温度T，i=4使用因次分析法得到使用因次分析法得到Nu=f(Re,Pr,Gr)=ARexPryGrz，Nu，给热准数给热准数，又叫努塞尔准数，又叫努塞尔准数 (Re,Pr,)h lNufGrkRe，流型准数流型准数，又叫雷诺数，又叫雷诺数duRePr，物性准数物性准数，又叫普朗特数，又叫普朗特数 kCpPrGr，升力准数升力准数，又叫格拉晓夫数，又叫格拉晓夫数 223tglG
28、r实验法求取实验法求取h时，变化一个准数，如改变时，变化一个准数，如改变Re，测不同，测不同Re下的下的ReNu关系，可求出关系，可求出x，以下同。，以下同。当当Gr/Re20.1时，忽略时，忽略Gr的影响，的影响，Nu=f(Re,Pr)，此时为强制对，此时为强制对流流当当Gr/Re210时，单纯自然对流，时，单纯自然对流，Nu=f(Re,Gr)，此时为自然对，此时为自然对流流当当Gr/Re2大于大于0.1且小于且小于10时，时，Pr和和Gr都要关联进去。都要关联进去。注意：注意：（1）公式的）公式的适用范围适用范围：Re , Pr, Gr的范围的范围（2）定型尺寸定型尺寸(特征尺寸特征尺寸)
29、 l 的选取：通常取对流动与换热有主要的选取：通常取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸作为定型尺寸。如管内流动取管内径影响的某一几何尺寸作为定型尺寸。如管内流动取管内径d。（3）定性温度定性温度：定性温度的选取根据情况而异，原则上要取一定性温度的选取根据情况而异，原则上要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，个有代表性的温度以确定物性参数的数值，一般可取液体进出口一般可取液体进出口温度的平均值。温度的平均值。 五、流体无相变的给热系数五、流体无相变的给热系数1、流体强制对流给热系数、流体强制对流给热系数(1)流体在圆形直管内强制湍流时的流体在圆形直管内强制湍流时的对流给热系数对流给热系数
30、nNuPrRe023. 08 . 0对低粘度液体（对低粘度液体（2mPas），在光滑圆管内充分发展湍流条），在光滑圆管内充分发展湍流条件下的传热实验数据进行关联，得到的经验方程是件下的传热实验数据进行关联，得到的经验方程是 流体被管壁冷却的情况流体被管壁加热的情况,.,.3040nn公式适用条件：长径比公式适用条件：长径比L/d 30， 0.7Pr160，Re10,000Cttfw30对粘度变化大的油，要求对粘度变化大的油，要求 Cttfw10特征尺寸特征尺寸l：管内径：管内径d定性温度：进出口温度的平均值定性温度：进出口温度的平均值或或nlkhPrRe. 800230高粘度或高粘度或Ct30
31、20情况下情况下14. 033. 08 . 0)(PrRe027. 0wNu和和w分别是流体在主体温度和壁温下的粘度。分别是流体在主体温度和壁温下的粘度。 适用条件：适用条件：Re10,000, 0.7Pr60定性尺寸：管内径定性尺寸：管内径定性温度：定性温度： w取壁温作定性温度，其余取液体取壁温作定性温度，其余取液体进出口温度进出口温度的平均值。的平均值。 在液体被加热时有在液体被加热时有05. 1)(14. 0w在液体被冷却时有在液体被冷却时有 95. 0)(14. 0w非圆形管道、入口修正等不要求非圆形管道、入口修正等不要求 【例】例】有一有一10m长的套管换热器，在套管环隙用低压蒸汽
32、加热长的套管换热器，在套管环隙用低压蒸汽加热内管中流动的液态苯。苯的质量通量为内管中流动的液态苯。苯的质量通量为200kg/m2s ，平均温度平均温度为为45，内管内壁温度为，内管内壁温度为55，内管内径为，内管内径为45mm，试计算试计算(1) 对流传热的热通量；对流传热的热通量；(2) 若苯的流量增加若苯的流量增加50%，在其他条件相同的情况下，对流传热，在其他条件相同的情况下，对流传热的热通量提高的倍数。的热通量提高的倍数。 冷溶液进冷溶液进 热溶液出热溶液出 低压蒸汽低压蒸汽 冷凝水冷凝水 解：该例的传热热阻集中在内管一解：该例的传热热阻集中在内管一侧。查物性数据手册，侧。查物性数据手
33、册，45时苯时苯的物性常数为的物性常数为 冷溶液进冷溶液进 热溶液出热溶液出 低压蒸汽低压蒸汽 冷凝水冷凝水 K)kJ/(kg771 .pcK)(mW1370 .ksPa10455. 03431098. 110455. 0045. 0200duRe88. 5137. 01077. 110455. 033kcPrp(1) 苯的质量通量为苯的质量通量为 200 kg/(m2 s) 时时 KmW3 .38988. 51098. 1045. 0137. 0023. 0023. 024 . 08 . 044 . 08 . 0PrRedkdkNuh2mW389345553 .389avwTThq8 . 0
34、125 . 1hh 18 . 01238. 15 . 1qqq根据题设条件，苯被加热，根据题设条件，苯被加热，n 取取 0.4，则，则 取流体平均温度与壁温之差为传热推动力，则热通量为取流体平均温度与壁温之差为传热推动力，则热通量为 (2) 其它条件相同，苯的流量增加其它条件相同，苯的流量增加50%，即，即Re2/Re1=1.5，则则 冷溶液进冷溶液进 热溶液出热溶液出 低压蒸汽低压蒸汽 冷凝水冷凝水 【例例】在一列管换热器中用水冷却煤油，冷却水以在一列管换热器中用水冷却煤油，冷却水以39700kg/h的的流量从管内通过，进出口水温分别为流量从管内通过，进出口水温分别为28及及36。已知该换热
35、。已知该换热器的管子规格为器的管子规格为252.5mm，管长，管长6m，每程管子根数，每程管子根数60根。根。试求：试求：（1）管内壁至水的给热系数；（）管内壁至水的给热系数；（2）当水流量增加一倍）当水流量增加一倍（物理性质近似不变）时，给热系数的变化。（物理性质近似不变）时，给热系数的变化。解解：（：（1）先确定管内流动状态。先确定管内流动状态。水在管内的平均温度水在管内的平均温度Ct32362821)(iSWu36002232018850210520250460460mdSii.).(由附录查得水在由附录查得水在32下的物理性质：下的物理性质：=995kg/m3，k=0.62W/(mK)
36、，=0.7679mPas，Pr=5.2计算水在管内的流速计算水在管内的流速式中式中Si为管程流通面积为管程流通面积smu/.590995018850360039700443101052411076790995590020.Reudi)/(.).(.PrRe.KmWdkhn24080480306025105241020620023002308080.)()(Wuh属湍流流动。已知属湍流流动。已知l/di=6/0.02=30030,Pr=5.2，符合应用条件，符合应用条件，水在管内被加热，故水在管内被加热，故n=0.4，于是，于是（2）流量增加一倍，若物性及其它条件不变，仍为湍流，）流量增加一倍，
37、若物性及其它条件不变，仍为湍流，可见可见所以有所以有)/(.)(.KmWhWWhh28080533030607417412流量加倍后，给热系数增至原来的流量加倍后，给热系数增至原来的1.74倍倍（2）圆形直管内）圆形直管内强制层流强制层流时的给热系数时的给热系数在水平管中，对小管径（在水平管中，对小管径（d:1040mm），低温差的情况（忽），低温差的情况（忽略自然对流）略自然对流）定性：层流定性：层流h湍流湍流h14. 03/1)()Pr(Re86. 1wildNu适用条件：适用条件：Re2300，Pr0.6定性温度：定性温度：w取壁温下的值，其他物性参数取流体进出口温取壁温下的值，其他物性
38、参数取流体进出口温度的算术平均值。度的算术平均值。特征尺寸：特征尺寸：管内径管内径di。层流时层流时h较小，因此在工程上尽量较小，因此在工程上尽量避免层流传热避免层流传热（3）过渡状态下的给热系数）过渡状态下的给热系数Re=230010000时，可近似采用湍流关联式，其结果乘以时，可近似采用湍流关联式，其结果乘以一个小于一个小于1的修正系数的修正系数湍湍流流过过渡渡hfh1注意：注意：(1) 分析所处理的分析所处理的问题属于哪一类问题属于哪一类，如：是强制对流或是，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变化等。自然对流，是否有相变化等。(2) 选定相应的对流传热系数计算式时，应特别注意所选选定相
39、应的对流传热系数计算式时，应特别注意所选用的公式所规定的用的公式所规定的使用范围使用范围，包括规定的，包括规定的特性尺寸、定性特性尺寸、定性温度等温度等。511.86 101Ref (3) 注意公式中注意公式中物性数据的单位物性数据的单位，特别是经验式中的单位。，特别是经验式中的单位。(4) 一般情况下，对流传热系数值大致如下：一般情况下，对流传热系数值大致如下：换热方式换热方式空气自然对流空气自然对流气体强制对流气体强制对流水自然对流水自然对流h(W/(m2)525201002001000水强制对流水强制对流水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾水沸腾10001500050001
40、50005002000250025000六、有相变的传热过程六、有相变的传热过程 1 1、冷凝传、冷凝传热热 蒸汽是工业上最常用的热源。蒸汽在饱和温度下冷凝蒸汽是工业上最常用的热源。蒸汽在饱和温度下冷凝时，放出时，放出汽化潜热汽化潜热。 冷凝放出的热量可用于冷流体加热。冷凝放出的热量可用于冷流体加热。（1）冷凝方式）冷凝方式 膜状冷凝：膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，在壁冷凝液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜。面上铺展成膜。特点：特点：（1）蒸汽放出的潜热必须穿过液蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与蒸液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻汽间传热的主要热阻。 （
41、2）冷凝给热随液膜厚度、位置）冷凝给热随液膜厚度、位置而变化而变化滴状冷凝：滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成小液滴，且不断成长变大，在下面上形成小液滴，且不断成长变大，在下滚过程中合并成更大的液滴，使壁面重新滚过程中合并成更大的液滴，使壁面重新暴露在蒸汽中。暴露在蒸汽中。特点：特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，热阻很小热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的，给热系数约为膜状冷凝的 510 倍甚至更高。倍甚至更高。实现滴状冷凝的方法：实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一层在壁面上涂一层油油类物质类物质；在蒸汽中；在蒸汽中混入油类或脂类混
42、入油类或脂类物质；物质；对管表面进行改性处理。对管表面进行改性处理。（2）膜状冷凝给热系数）膜状冷凝给热系数(自学自学)蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝 当当 Re2100，膜内为滞流，则，膜内为滞流，则 k、 、 分别为凝液的导热系数，密度和粘度；分别为凝液的导热系数，密度和粘度； r 冷凝潜热，冷凝潜热，kJ/kg； t 蒸汽饱和温度蒸汽饱和温度 ts 与壁面与壁面 tw 之差，之差，。若若 Re2100，膜层为湍流，则膜层为湍流，则 1 4231.13gk rhl t1 3230.068gk rhl t特征尺寸：特征尺寸：l 取垂直管或板的高度。取垂直管或板的
43、高度。定性温度：蒸汽冷凝潜热定性温度：蒸汽冷凝潜热 r 取饱和温度取饱和温度 ts 下的值，其余物性下的值，其余物性参数取液膜平均温度参数取液膜平均温度 (ts+tw)/2 下的值。下的值。蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝 蒸汽在水平单管外冷凝时，凝液受重力作蒸汽在水平单管外冷凝时，凝液受重力作用沿管周向下流动并脱离管壁。用沿管周向下流动并脱离管壁。单管平均给热系数可用下式计算：单管平均给热系数可用下式计算： 式中：式中：h 为水平单管的冷凝给热系数；为水平单管的冷凝给热系数；km 为管束校正系数。为管束校正系数。如果管束的总管数为如果管束的总管数为 N，则管束校正
44、系数为则管束校正系数为 蒸汽在水平管束外冷凝的平均给热系数：蒸汽在水平管束外冷凝的平均给热系数： 1 42320.725gk rhdtmmhk h1 6mmkNm 为垂直列数，其值与总管数为垂直列数，其值与总管数 N 和管束放置方位有关。和管束放置方位有关。影响冷凝传热的其它因素影响冷凝传热的其它因素 (1)蒸汽的流速和流动方向蒸汽的流速和流动方向 蒸汽与液膜的流向相同蒸汽与液膜的流向相同:加速液膜流动，使其减薄，加速液膜流动，使其减薄，h 增加。增加。当蒸汽流速当蒸汽流速 4050m/s 时，时，h 提高提高 30% 左右。左右。蒸汽与液膜的流向相反蒸汽与液膜的流向相反:液膜的流动受到阻滞而
45、变厚，液膜的流动受到阻滞而变厚，h 下降，下降，若蒸汽的流速很高，将液膜吹离壁面，若蒸汽的流速很高，将液膜吹离壁面，h 将大大增加。将大大增加。 (2) 不凝性气体不凝性气体 不凝性气体会在液膜外侧聚积形成一层气膜，蒸汽必须以扩不凝性气体会在液膜外侧聚积形成一层气膜，蒸汽必须以扩散的方式穿过此气膜才能到达液膜进行冷凝，热阻增大，散的方式穿过此气膜才能到达液膜进行冷凝，热阻增大，h 下降。例如水蒸汽中含有下降。例如水蒸汽中含有 1% 的空气能使的空气能使 h 下降下降 60%。(3) 过热蒸汽过热蒸汽 在大气压力下，过热在大气压力下，过热 30 的蒸汽较饱和蒸汽的的蒸汽较饱和蒸汽的 h 高高 1
46、%，而，而过热过热 540 的蒸汽的的蒸汽的 h 高高 30%。2 2、沸腾传热、沸腾传热 大容积沸腾大容积沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热面浸在有自由表面的液体中所加热面浸在有自由表面的液体中所发生的沸腾，液体运动由自然对流和汽泡扰动引起。发生的沸腾，液体运动由自然对流和汽泡扰动引起。强制对流沸腾强制对流沸腾(管内沸腾管内沸腾)：液体在管内流动过程中受热沸腾。液体在管内流动过程中受热沸腾。产生的汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成产生的汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽汽-液两相流动液两相流动。大容积饱和沸腾曲线大容积饱和沸腾曲线 饱和沸腾：饱和沸腾：液体主体达到饱和温
47、液体主体达到饱和温度度 ts，加热壁面的温度加热壁面的温度 tw 高于饱高于饱和温度所发生的沸腾。和温度所发生的沸腾。随壁面过热度随壁面过热度 t=tw-ts 增加，沸增加，沸腾传热表现出不同的规律。腾传热表现出不同的规律。沸腾曲线沸腾曲线：沸腾传热热流密度：沸腾传热热流密度q、给热系数给热系数h与壁面过热度与壁面过热度 t 的变的变化关系化关系自然对流沸腾区自然对流沸腾区 AB： t 较小，壁面处液体轻微过热，产生的较小，壁面处液体轻微过热，产生的少量汽泡尚未升至自由液面就放热再冷凝而消失。少量汽泡尚未升至自由液面就放热再冷凝而消失。液体的运动液体的运动主要决定于自然对流主要决定于自然对流，
48、q和和h仅比无相变时的自然对流略大。仅比无相变时的自然对流略大。核状（泡状）沸腾区核状（泡状）沸腾区 BC： t 增大，加热面上汽泡数量增加，增大，加热面上汽泡数量增加，促进液体扰动，促进液体扰动，h 和和 q 都迅速增加都迅速增加。在。在 C 点点 h 超过超过104 W/(m2)，q 高达高达106W/m2。过渡沸腾区过渡沸腾区 CD： t 增大过增大过 C 点，汽泡数大大增加，且生点，汽泡数大大增加，且生成速率大于脱离速率，成速率大于脱离速率，汽泡连成汽膜，汽泡连成汽膜，h 与与 q 均下降均下降。因汽。因汽膜很不稳定，属于膜很不稳定，属于核状沸腾和膜状沸腾共存核状沸腾和膜状沸腾共存的过
49、渡区。的过渡区。膜状沸腾膜状沸腾 DE： t 继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生膜覆盖在加热壁面上，产生稳定的膜状沸腾稳定的膜状沸腾。但由于。但由于膜内辐膜内辐射传热的逐渐增强射传热的逐渐增强，h 和和 q 又随又随 t 的增加而升高。的增加而升高。大容积饱和核状沸腾的计算大容积饱和核状沸腾的计算( (自学自学) ) 影响传热速率的因素甚为复杂，一般用因次分析法得出准数影响传热速率的因素甚为复杂，一般用因次分析法得出准数关系式，并用实验数据回归关系式，并用实验数据回归Cwl 取决于加热表面取决于加热表面液体组合情况的经验常数；液体组
50、合情况的经验常数；cp饱和液体的定压比热，饱和液体的定压比热，kJ/(kgK)；r 汽化潜热，汽化潜热，kJ/kg；Pr 饱和液体的普兰特准数；饱和液体的普兰特准数；q 热流密度，热流密度，q=h t, t=tw-ts； 饱和液体的粘度，饱和液体的粘度，Ns/m2； l、 v 分别为饱和液体和汽体的密度，分别为饱和液体和汽体的密度，kg/m3； 液体液体-蒸汽界面的表面张力，蒸汽界面的表面张力，N/m；s 系数，对水系数，对水 s = 1.0，对其他液体对其他液体 s = 1.7；g 重力加速度，重力加速度，m/s2。 33. 0)(PrvlwlpgrqCrstc管内沸腾传热管内沸腾传热 垂直
