1、第四章 传热 主讲：张廷红主讲：张廷红邮箱：列管冷凝器列管冷凝器1、掌握内容、掌握内容 传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式传热基本方程式及其相关参数的计算方法及其相关参数的计算方法；傅立叶定律及其应用；传热系数计算及测定方法，换热面积的确定方法；强化传热的方法与途径。 2、理解内容、理解内容 热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热膜概念，有相变传热过程的膜系数计算，列管换热器的选型方法。 3 3、了解内容、了解内容工业换热器的类型、结构、操作原理。 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/ 传热即热的传递，由热力学第二定律知，凡是有温差存在的地方，就必然有热的传递。
2、利用热的传递，便能方便地在工艺操作中控制其温度。故传热是轻工生产中的重要单元操作。 对传热的要求不外是以下两种情况：一种是强化传热过程，即要求传热良好，以达到小设备完成大传热量的目的；二是减弱传热过程，以达到节约热能、稳定操作条件等目的。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.1 概述概述其它设备其它设备60%传热设备传热设备40% 在设计时进行合理的优在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省
3、能源省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。有着重要的意义。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.1 概述概述4.1.1 传热过程的分类传热过程的分类4.1.1.1 根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式（1）直接接触式传热（混合式传热）直接接触式传热（混合式传热）热水热水空气空气填料填料凉水塔示意图凉水塔示意图（2）间壁式（间接接触式）传热）间壁式（间接接触式）传热t2冷流体冷流体 t1T1热流体热流体T2套管换热器中的换热套管换热器中的换热冷流体冷流体 t热流体热流体 T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热课程名称：化工原理课程名称：化工原理Htt
4、p:/4.1.1.1 根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式冷流体冷流体 t热流体热流体 T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热 热量由热流体靠对流传热传给金热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）；属壁的一侧（对流给热）；热量自管壁一侧以热传导的形式热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）；传至另一侧（导热）； 热量以对流传热的方式从壁面的热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。另一侧传给冷流体（对流给热）。（3）蓄热式传热）蓄热式传热冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体固体填固体填充物充物蓄热器示意图蓄热器示意图课程
5、名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.1.1.2 根据传热的基本原理根据传热的基本原理 （1 1）热传导）热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或传递的与之接触的温度较低的另一物体的过程较低的部分或传递的与之接触的温度较低的另一物体的过程称为称为热传导热传导，简称，简称导热导热。 （2 2）对流传热）对流传热 流体各部分质点发生相对位移而引起的流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。热量传递过程，只能发生在流体中。流体被冷却时流体被冷却时）（wtTAQ流体被加热时流体被加热时）（ttAQw （3 3）热辐射
6、）热辐射 因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。射。 以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.1.1.2 传热基本概念传热基本概念（1）传热速率）传热速率 单位时间内通过传热面传递的热量单位时间内通过传热面传递的热量Q（W）；）；（2）热通量）热通量 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q（W/m2）；）；（3）非定态、定态传热过程）非定态、定态传热过程 t =f（x，y，z，）温度不仅与空间位置还与时间有关）温度不仅与空间位置还
7、与时间有关，为非定态传热；，为非定态传热； t =f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热。为定态传热。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4. 2 热传导（导热热传导（导热Conduction）4.2.1 傅立叶定律（傅立叶定律（Flouriers law）（1）温度场（）温度场（Temperature field） 物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为温度场温度场。 t = f（x，y，z，） （5-2） 温度相同的点所组成的面称为温度相同的点所组成的面称为等温面等温面。温度不同的等
8、温。温度不同的等温面不可能相交，为什么？面不可能相交，为什么？nqttttt图图 5-1 温度梯度与热流温度梯度与热流 方向的关系方向的关系 ntntn0lim（2）温度梯度）温度梯度 两等温面的温度差两等温面的温度差t与其间的垂直距离与其间的垂直距离n之比在之比在n趋趋于零时的极限，即于零时的极限，即课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.1 傅立叶定律（傅立叶定律（Flouriers law）（3）傅立叶定律）傅立叶定律 傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面热传导
9、而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，热导率，热导率，W/m ntAQ传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即ntq（4-3）课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.2 热导率热导率ntqntq物理意义：温度梯度为物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量，量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量， 越大，导热性越大，导热性能越好。能越好。（1）固体
10、的热导率）固体的热导率 纯金属：纯金属：t, ; 非金属：非金属： 或或 t, 。 =0（1+t）式中式中、 0固体分别在温度固体分别在温度t、273K时的热导率，时的热导率，W/(m K); 温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属 材材料为正值，料为正值，1/K。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.2 热导率热导率（2）液体的热导率）液体的热导率 t, ； 一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导率大。率大。（3）气体的热导率气体的热导率 气体的气体的很小，对导热不利，但
11、对保温有利。很小，对导热不利，但对保温有利。 在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影响。一般情况下气体响。一般情况下气体 = f ( t )， t, 。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.2 热导率热导率固体、液体、气体的热导率的大致范围：固体、液体、气体的热导率的大致范围：金属固体金属固体非金属固体非金属固体液体液体气体气体金属固体：金属固体：101 102 W/(m K)；建筑材料：建筑材料： 10-1 10 W/(m K)；绝缘材料：绝缘材料： 10-2 10-1 W/(m K)；液体：液体： 10-1 W/(
12、m K)；气体：气体： 10-2 10-1 W/(m K)；课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.3 平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导（1）单层平壁稳定热传导）单层平壁稳定热传导 一高度和宽度均很大的平壁，厚度一高度和宽度均很大的平壁，厚度为为b ，两侧表面温度保持均匀恒定，分别，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为为t1 及及t2 ，且，且t1 t2，若，若t1、t2不随时间而不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度变，壁内的传热属于沿厚度x 方向的一维方向的一维定态热传导过程（见图定态热传导过程（见图5-5）。此时傅立）。此时傅立叶定律可写成叶定律可写成txxdxt1t2图图5-5
13、 单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导bQntqdd积分上式积分上式21dd0ttbtxqbttbttq2121课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.3 平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导传热速率（单位时间通过面积传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：上的传热量）为：AbttQ21（4-4）阻力推动力RtAbttQ21b或或A 或或，R 。 上式上式为常数，所以平壁内的为常数，所以平壁内的温度分布为一直线；若导热系数与温度分布为一直线；若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的温度有关，则温度分布又是怎样的？txxdxt1t2t1t2 00课程名称：化工原理课程名称：
14、化工原理Http:/4.2.3 平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导（2）多层平壁稳定热传导）多层平壁稳定热传导 t2txt1123t3t41b2b3b图图5-7 多层平壁的热传导多层平壁的热传导AttAttAttQ33432232112131313141iiiiiiiRtAbttQ总总阻阻力力总总推推动动力力应用合比定律，得应用合比定律，得推广到推广到n层平壁层平壁niiniiniiinRtAbttQ11111总总阻阻力力总总推推动动力力（5-6）课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.3 平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导 从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推从上式可以
15、看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和总热阻等于各层热阻之和。 321332211433221:RRRAbAbAbtttttt 此式说明，在多层壁导热过程中，此式说明，在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。 niiniiniiinRtAbttQ11111总总阻阻力力总总推推动动力力（4-6）课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.3 平壁的稳定热传导平壁的稳
16、定热传导将上式写成热通量的形式为将上式写成热通量的形式为niiinbttq111niiniiniiinRtAbttQ11111总总阻阻力力总总推推动动力力（4-6）课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.3 圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导（1）单层圆筒壁稳定热传导）单层圆筒壁稳定热传导 有内、外半径分别为有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，且管长且管长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅立叶定律可径向的一维定态热传导，傅立叶定律可写成写成trdrt1r
17、1r2t1t2图图5-8 圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导rtqdd rtrlrtAQdd2dd 积分积分2121d2drrttrrlQt课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.3 圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导2121d2drrttrrlQt 12212rrttlQln阻阻力力推推动动力力RttlrrttQ2112212ln m21m2121m1221121222ln2AbttlrbttbttlrrrttrrlrrQ 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.2.3 圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导m21AbttQ 1212mlnrrrrr式中式中 b = r
18、2- r1，为圆筒壁的厚度。平均面积，为圆筒壁的厚度。平均面积 Am= 2lrm，而而 称为对数平均半径。当称为对数平均半径。当r2/ r1 2，K2， K几乎完全取决于几乎完全取决于2 。因此要提高因此要提高K值关键在于提高较小的一个值关键在于提高较小的一个值。值。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.5 总传热系数总传热系数注：注： 传热间壁为圆筒壁时，传热间壁为圆筒壁时，dA1dA2dAm，存在基准问，存在基准问题，由于换热器系列中均为外表面积题，由于换热器系列中均为外表面积A1，故没有特别说明情，故没有特别说明情况下，均以外表面积为基准；但不论采用哪种基准计算得到况下
19、，均以外表面积为基准；但不论采用哪种基准计算得到的传热量的传热量Q相同；相同； 下标下标1代表管外，代表管外，2代表管内（代表管内（ ms1 cp1代表热流体代表热流体 ，ms2 cp2代表冷流体），代表冷流体），K与与1、2、d1、d2、Rs1、Rs2等参等参数有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有数有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关；关； 在应用总传热速率方程时，若在应用总传热速率方程时，若K以外表面积为基准，以外表面积为基准，则则A=A1；若；若K以内表面积为基准，则以内表面积为基准，则A=A2；课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.6 传
20、热面积的计算传热面积的计算套管换热器套管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准LdA1以内表面积为基准以内表面积为基准LdA2内管外径内管外径内管内径内管内径列管换热器列管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准LdnA1以内表面积为基准以内表面积为基准LdnA2传热管外径传热管外径传热管内径传热管内径总传热管数总传热管数课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算4.3.7.1 恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热） 若间壁两侧流体均为相变对流传热，即饱和蒸汽冷凝和若间壁两侧流体均为相变对流传热，即饱和蒸汽
21、冷凝和饱和液体沸腾，如蒸发单元操作，热流体在换热器中处处的饱和液体沸腾，如蒸发单元操作，热流体在换热器中处处的温度均为温度均为T ，冷流体在换热器中处处温度均为，冷流体在换热器中处处温度均为t ，故：，故： tTtm tTKAQ 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算4.3.7.2 变温差传热变温差传热 在实际中常见的是变温差传热，两流体在换热器中不同在实际中常见的是变温差传热，两流体在换热器中不同位置传热温度差位置传热温度差t不同；间壁两侧流体的流动形式各种各样不同；间壁两侧流体的流动形式各种各样，但最基本的有两种形式：逆流、并流，
22、但最基本的有两种形式：逆流、并流 图图5-13 两侧流体均无相变时的温度变化两侧流体均无相变时的温度变化T2T1t2t1并流并流t1t2T2T1t1t2dTdt逆流逆流t2t2t1课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/TTt1t2（a）蒸汽冷凝加热无）蒸汽冷凝加热无相变流体相变流体ttTT（b）无相变流体加热）无相变流体加热液体沸腾液体沸腾图图5-13 一侧流体相变时的温度变化一侧流体相变时的温度变化4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算（1）以逆流为例导出计算平均温度差）以
23、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 = - ms1cp1dT= - ms2cp2dt 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分别取平均温度下的平均值，可以认为分别取平均温度下的平均值，可以认为是常数，冷、热流体均无相变化，是常数，冷、热流体均无相变化，Q = ms1cp1（T1- T2）= ms2cp2（t2- t1）课程名称：化工原理课程名称：化工原
24、理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算 导出计算导出计算tm 的通式的通式)11(ddd)d(dd2p2s1p1s2p2s1p1scmcmQcmQcmQtTtT2p2s1p1s11ddcmcmQtQttQtTtTQttQTTtAKt2112211221)()(dd）（AttAQttttK021dd121AQttttKAQttttK21212112ln1ln1即即课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算AQttttK2121ln12121lnttttKAQ令令2121mlnttttt对数平均温度差，对数平均温度差
25、，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，。mtKAQ传热基本方程式传热基本方程式课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算（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 12211221mlntTtTtTtTt）（）（并流：并流： t1 = T1- t1， t2=
26、T2 t222112211mlntTtTtTtTt）（）（ 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，加热剂用量热剂用量ms1逆逆100即可达到湍流）。即可达到湍流）。（3）复杂折流（多管程、多壳程）复杂折流（多管程、多壳程） 实际上，工业换热器并不一定都是逆流或并流，许多情况实际上，工业换热器并不一定都是逆流或并流，许多情况下
27、采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动下采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动的的tm按下式计算按下式计算逆mmtt ),(PRf 式中式中1221ttTTR 1112tTttP 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算讨论讨论： （1）单管程改为多管程，壳程增加折流挡板，虽然能提）单管程改为多管程，壳程增加折流挡板，虽然能提高传热效果，但同时也增大了流动阻力；高传热效果，但同时也增大了流动阻力； （2）对一侧有相变的情况，饱和液体沸腾）对一侧有相变的情况，饱和液体沸腾P0，R；饱和蒸汽冷凝饱和蒸汽冷凝R0 ；由；由R、P关系图可知，关系图
28、可知，=1 ，其对数，其对数平均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正；平均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正； （3）一般）一般1，当，当0.8 ，否则经济上不合理、操作温度略有变动，否则经济上不合理、操作温度略有变动，操，操作不稳定作不稳定； 思考思考：提高：提高的方法？的方法？ 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.7 平均温度差平均温度差tm 的计算的计算改用多壳程：改用多壳程： 单壳程：单壳程：R=2.0，P=0.3时，时， =0.86 多壳程：多壳程：R=2.0，P=0.3时，时， =0.97因此，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。因此，要增大温差校正因子，可以
29、增加壳程数。 （4）若蒸汽冷凝于壳程，由于蒸汽本身的对流给热系）若蒸汽冷凝于壳程，由于蒸汽本身的对流给热系数很大，所以壳程安装挡板的距离比一般的换热器要大，数很大，所以壳程安装挡板的距离比一般的换热器要大，且挡板间应有冷凝水的排放口。且挡板间应有冷凝水的排放口。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.3.8 壁温的计算壁温的计算对于稳定传热过程对于稳定传热过程 mW22WWmW11)(tKAttAtTAbTTAQ ）（）（ 热流体侧传热面积热流体侧传热面积冷流体侧传热面积冷流体侧传热面积平均传热面积平均传热面积11WAQTT mWWAbQTt 22WAQtt 课程名称：化工原理课程
30、名称：化工原理Http:/4.4 对流给热与对流给热系数对流给热与对流给热系数4.4.1 对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素（1）引起流动的原因：自然对流和强制对流）引起流动的原因：自然对流和强制对流 自然对流：流体内温度不同，导致密度差异，热流体上自然对流：流体内温度不同，导致密度差异，热流体上升，冷流体下降，由于流体温度不同而使流体流动的传热过升，冷流体下降，由于流体温度不同而使流体流动的传热过程，称为自然对流给热。程，称为自然对流给热。 强制对流：由外力作用（输送机械）使流体流动而传热强制对流：由外力作用（输送机械）使流体流动而传热，称为强制对流给热。，称为强制对流给热。 强制
31、对流强制对流 自然对流自然对流（2）流体流动形态）流体流动形态 流体传热热阻主要集中在层流底层中。对层流而言，整流体传热热阻主要集中在层流底层中。对层流而言，整个流体均处于层流状态；而湍流流体中只有层流底层处于层个流体均处于层流状态；而湍流流体中只有层流底层处于层流状态；所以湍流情况下传热效果大于层流状态，且湍动程流状态；所以湍流情况下传热效果大于层流状态，且湍动程度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。湍流湍流 层流层流课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.1 对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素（3）流体的性质）流体的性质
32、影响对流给热过程的性质主要有：比热、导热系数、粘影响对流给热过程的性质主要有：比热、导热系数、粘度、密度等。度、密度等。 如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效果差；导如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效果差；导热系数大，层流底层中热阻小。一般比热大、导热系数大、热系数大，层流底层中热阻小。一般比热大、导热系数大、密度大、粘度小对传热有利。密度大、粘度小对传热有利。（4）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等 流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、单管、管流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、单管、管束、板、弯管）束、板、弯
33、管） 管子排列方式（三角形、正方形）管子排列方式（三角形、正方形） 位置（水平、垂直）位置（水平、垂直） 大小（短管、长管）大小（短管、长管） 相变（无相变、沸腾、冷凝）相变（无相变、沸腾、冷凝）课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.1 对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素补充：自然对流环流流速补充：自然对流环流流速 adLbc流动的推动力为密度不同引起的静压差，则流动的推动力为密度不同引起的静压差，则TLTTLggLTgLgppgpgu 112ad2TgLu 液体的密度随温度变化的关系式如：液体的密度随温度变化的关系式如： T 1紧靠壁面处密度（温度高时）紧靠壁面处
34、密度（温度高时）T =T -T体积膨胀系数体积膨胀系数课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.1 对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。水平加热面自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。水平加热面的上部有利于产生较大的自然对流的上部有利于产生较大的自然对流( (如图如图a a所示所示) )，故房间采暖，故房间采暖用的加热器应尽量放在下部；水平冷却面的下部有利于产生用的加热器应尽量放在下部；水平冷却面的下部有利于产生较大的自然对流较大的自然对流( (如图如图b b所示所示) )，故剧场的冷气装置应放在剧场，故剧场的冷气装置应放在剧场上部。
35、上部。热平板热平板图图a 水平加热面的对流情况水平加热面的对流情况冷平板冷平板图图b 水平冷却面的对流情况水平冷却面的对流情况课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用（1 1）获得给热系数的方法）获得给热系数的方法 分析法：对描写某一类给热问题的偏微分方程及其定分析法：对描写某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。热系数和传热速率的分析解。 数值法：数值求解法是将给热的偏微分方程离散化，数值法：数值求解
36、法是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。 实验法：通过实验来获得不同情况下的给热计算式（实验法：通过实验来获得不同情况下的给热计算式（常为关联式或经验式）。为减少实验工作量，提高实验结果常为关联式或经验式）。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行；即对某一类给热的通用性，应当在量纲分析的指导下进行；即对某一类给热问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲问题，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的特征数，以
37、减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。的具体关系。 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 （2 2）因次）因次分析在对流给热中的应用分析在对流给热中的应用 根据前面的分析可知，影响对流给热系数的因素有（无根据前面的分析可知，影响对流给热系数的因素有（无相变）：相变）： （1 1）流体物性：）流体物性：、cp （2）流动状态：）流动状态：u （3 3）传热面特征尺寸：）传热面特征尺寸：l （4 4）自然对流：）自然对流：Tg （视为一个变量，相当单位质量（视为一个变量，相当单位质量流体由于温度不同所产生的浮
38、力）流体由于温度不同所产生的浮力） 所以对流给热系数是以上七个变量的函数：所以对流给热系数是以上七个变量的函数： Tglucfp , gfepdcbaTguclK 令令课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 对对SISI制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，包括长度包括长度L L、质量、质量M M、时间、时间T 、温度、温度；所以关联式中各变量的；所以关联式中各变量的因次分别为：因次分别为： 13MT 11LM T 3ML 13MLT L l122pTL c 1LT u
39、2TL Tg （W m-2 -1 ）（Pa s ）（kg m-3 ）（W m-1 -1 ）（m）（J kg -1 -1 ）（m s -1 ）（m s -2 ）课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用把以上因次代入关联式把以上因次代入关联式 gfedcbaK211221331113LTLTTLLMLTMLLMTMT ecgedcbafgecafcbaK 2322313LTMMT根据因次一致性原则：根据因次一致性原则： 1 cba3223 gecaf023 gedcbaf1 ec解得：解得： ，gfea2 ，gfb2 ，ec
40、113 gfd课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 23213122 lTgclulKTguclKepfgfepgfegfgfegepflTgcluKl 232 令：令： lNu 努塞尔特准数，努塞尔特准数， l 反映对流与纯导热时传热反映对流与纯导热时传热能力的比值；能力的比值； du Re雷诺准数，惯性力与粘性力的比值，表征雷诺准数，惯性力与粘性力的比值，表征流体流动型态对对流给热的影响；强制对流体流动型态对对流给热的影响；强制对流时影响显著，自然对流时影响微小；流时影响显著，自然对流时影响微小；课程名称：化工原理
41、课程名称：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 pPrc 普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；液体液体Pr1Pr1，气体，气体Pr1Pr1接近接近1 1；232Gr lTg 格拉斯霍夫准数，格拉斯霍夫准数， 2222 lu自自反映自然对流对对反映自然对流对对流传热的影响。流传热的影响。根据以上定义可以得到最终的关联式：根据以上定义可以得到最终的关联式： gefGrKNuPrRe 讨论：讨论： 根据不同的对流给热过程，由实验确定系数根据不同的对流给热过程，由实验确定系数K及指数及指数f、e、g值；如强
42、制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等；值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等； 强制对流时，强制对流时，Gr一般可忽略，即一般可忽略，即Nu= f (Re,Pr) 自然对流时，自然对流时， Re一般可忽略，即一般可忽略，即Nu= f (Pr, Gr) 由实验条件所限，得到由实验条件所限，得到Nu= f (Re,Pr, Gr)关联式应注意关联式应注意应用范围；应用范围； 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 由于流体在传热过程中存在传热边界层，所以冷流体由于流体在传热过程中存在传热边界层，所以冷流体从从t上升到
43、上升到tW，热流体从，热流体从TW降为降为T；故对冷、热流体的物性应；故对冷、热流体的物性应分别取分别取(t +tW)/2、(T+ TW)/2查取或计算；当壁温的计算需要查取或计算；当壁温的计算需要确定对流给热系数（确定对流给热系数（未知需试差），工程上为计算方便一般未知需试差），工程上为计算方便一般取流体主体的平均温度来查取或计算；这个确定物性参数数取流体主体的平均温度来查取或计算；这个确定物性参数数值的温度称为值的温度称为定性温度定性温度。有些情况下，定性温度不一定取进。有些情况下，定性温度不一定取进出口的平均温度，如取膜温（进出口平均温度与壁温的平均出口的平均温度，如取膜温（进出口平均温
44、度与壁温的平均值）；所以要注意关联式对定性温度的说明和要求；值）；所以要注意关联式对定性温度的说明和要求； 定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，它是定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，它是代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管定几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管定性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径；性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径； Nu= f (Re,Pr, Gr)适用于无相变的对流给热。适用于无相变的对流给热。 课程名称：化工原理课程名称
45、：化工原理Http:/4.4.2 因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 总之，对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热总之，对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动的原传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数有影响因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即：。下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即： 强制对流时的给热系数；强制对流时的给热系数； 自然对流时的对流给热系数；自然对流时的对流给热系数； 蒸汽冷凝时
46、的对流给热系数；蒸汽冷凝时的对流给热系数； 液体沸腾时对流给热系数；液体沸腾时对流给热系数；课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.3 强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数强制对流情况下，强制对流情况下，Gr对对的影响较小，一般可以忽略，所以的影响较小，一般可以忽略，所以 nmCNuPrRe 其中其中C、m、n由实验测定。由实验测定。5.4.3.1 流体在管内作强制对流的流体在管内作强制对流的（1）流体在圆形直管内作强制湍流时的）流体在圆形直管内作强制湍流时的 低粘度（粘度低粘度（粘度104，流动是充分湍流；，流动是充分湍流；b、Pr=0.6160，一般流体皆可满足
47、；，一般流体皆可满足；c、50，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的。若充分发展的。若l/d 1， 被加热：被加热：t，u, b, ，n=0.4; 被冷却：被冷却：t，u, b, ，n=0.3;气体气体Pr104； b、Pr=0.6160； c、特征尺寸、特征尺寸l 取取d内内；d、流体物性参数按定性温度、流体物性参数按定性温度tm=(t1 +t2)/2取；取；e、 用用tWm=(tW1 +tW2)/2 求求W；f、不适用于液态金属。、不适用于液态金属。 一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但一般情况下，由于壁温是未知的，应用上
48、式须试差。但在工程计算中，也可取以下近似值：在工程计算中，也可取以下近似值：05. 114. 0W 液体被加热液体被加热液体被冷却液体被冷却95. 014. 0W 课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.3 强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（2）流体在圆形直管内作强制层流时的）流体在圆形直管内作强制层流时的 Gr25000，自然对流的影响可以忽略，自然对流的影响可以忽略14. 0W31PrRe86. 1 ldNu此式适用范围及条件：此式适用范围及条件：Re2300，Gr25000，0.6Pr10（不适用于管长很长的情况），特征尺寸取（不适用于管长很长的情况），特
49、征尺寸取d内内；定性温度取定性温度取tm=(t1 +t2)/2，用，用tWm=(tW1 +tW2)/2 求求W。 当当Gr25000时，自然对流对强制层流时，自然对流对强制层流的影响不能忽略，应的影响不能忽略，应乘以校正系数：乘以校正系数： 31015. 018 . 0Grf 注意：层流时注意：层流时很小，从而很小，从而K也很小，因此在换热器设计也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热。中尽量避免在层流条件下传热。课程名称：化工原理课程名称：化工原理Http:/4.4.3 强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（3）圆形直管内强制过渡状况时的）圆形直管内强制过渡状况时的 当
50、当Re=200010000的过渡状态时，因湍动不充分，层流的过渡状态时，因湍动不充分，层流底层较厚，热阻大，底层较厚，热阻大，比湍流时小，作为粗略估计，可用比湍流时小，作为粗略估计，可用Re104的公式算出的公式算出Re104值，然后乘以校正系数值，然后乘以校正系数f28 . 152Re1061 f（4）圆形弯管内作强制对流时的）圆形弯管内作强制对流时的 流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流给热系数加大。使对流给热系数加大。 Rd77. 11弯管中的给热系数弯管中的给热系数直管中的给热系数直管中的给热系数管内径管内径弯管轴的曲率
