1、第五章第五章 传热传热第一节第一节 概述概述第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 两流体间的热量传递两流体间的热量传递第四节第四节 对流与对流传热系数对流与对流传热系数第五节第五节 辐射传热辐射传热第一节第一节 概述概述5-1 传热在化工生产中的作用传热在化工生产中的作用5-2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式5-1 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用v传热：由于温度差引起的能量转移。传热：由于温度差引起的能量转移。v传热在化工生产中的应用：传热在化工生产中的应用：加热或冷却控制温度；加热或冷却控制温度；回收利用热量；回收利用热量；保温。保温。v传热的基本方式有三种：即热传导、
2、对流和辐射。传热的基本方式有三种：即热传导、对流和辐射。5-2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式一、热传导一、热传导v热传导：热量从物体中温度较高的部份传递给温热传导：热量从物体中温度较高的部份传递给温度较低的部份或传递给与之接触的温度较低的另度较低的部份或传递给与之接触的温度较低的另一物体的过程称为。一物体的过程称为。v特点：物体各部份之间不发生相对位移。特点：物体各部份之间不发生相对位移。v导热机理：导热机理：气体：分子相互碰撞，热量就会由高温处传到气体：分子相互碰撞，热量就会由高温处传到低温处；低温处； 导电固体：自由电子传递热量；导电固体：自由电子传递热量；非导电固体：晶格结构的振
3、动传递热量；非导电固体：晶格结构的振动传递热量；液体：与气体的导热机理类似，但复杂得多。液体：与气体的导热机理类似，但复杂得多。二、对流二、对流v对流：流体各部份质点发生相对位移而引起的热量传对流：流体各部份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。递过程。只能发生在流体中。v流体质点发生相对位移有两种方式：流体质点发生相对位移有两种方式：自然对流：流体本身各点温度不同引起密度的差异自然对流：流体本身各点温度不同引起密度的差异而造成流体质点相对位移所形成的对流。而造成流体质点相对位移所形成的对流。强制对流：借助机械作用（如搅拌器、风机、泵等）强制对流：借助机械作用（如搅拌器、风机
4、、泵等）而引起的对流。强制对流较自然对流有较好的传热而引起的对流。强制对流较自然对流有较好的传热效果。效果。v单位时间内传递热量采用牛顿冷却公式单位时间内传递热量采用牛顿冷却公式 Q=A（tw-t） 对流传热系数对流传热系数三、辐射三、辐射v辐射：固体、液体和某些气体由于温差而引起的电磁辐射：固体、液体和某些气体由于温差而引起的电磁波传递能量的现象。这种电磁波辐射称为热辐射。波传递能量的现象。这种电磁波辐射称为热辐射。v特点：传热过程中伴有能量形式的转化。同时电磁波特点：传热过程中伴有能量形式的转化。同时电磁波可以在真空中传递。可以在真空中传递。v实验证明：绝对零度以上的物体均能辐射能量，但只
5、实验证明：绝对零度以上的物体均能辐射能量，但只有当物体的温度有当物体的温度较高，热辐射才能成为主要的传热方较高，热辐射才能成为主要的传热方式。式。v在传热过程中三种基本传热方式常常不是单独存在的，在传热过程中三种基本传热方式常常不是单独存在的，为复杂传热。例如，间壁两侧的传热。为复杂传热。例如，间壁两侧的传热。四、四、载热体及其选择载热体及其选择v载热体：供给或取走热量的流体。载热体：供给或取走热量的流体。加热剂：起加热作用的载热体；加热剂：起加热作用的载热体；冷却剂：起冷却作用的载热体。冷却剂：起冷却作用的载热体。v选择载热体时还应考虑以下原则：选择载热体时还应考虑以下原则：载热体的温度易调
6、节控制；载热体的温度易调节控制；载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解；载热体毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；载热体毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；价格便宜，来源容易。价格便宜，来源容易。v工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等。它们所适用的温度范联苯混合物、熔盐及烟道气等。它们所适用的温度范围如表围如表5-15-1所示。若所需的加热温度很高，则需采用所示。若所需的加热温度很高，则需采用电加热。电加热。表表5-1 5-1 常用加热剂及其适用温度范围常用加热剂及其适用温度范
7、围加热加热剂剂热水热水饱和饱和蒸汽蒸汽矿物油矿物油联苯混联苯混合物合物熔盐熔盐(KNO353,NaNO40.NaNO37)烟道烟道气气适用适用温度，温度，40100100180180250255380(蒸气蒸气)1425305501000v工业上常用的冷却剂有水、空气和各种冷冻剂。水工业上常用的冷却剂有水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至环境温度，其值随地区和和空气可将物料最低冷却至环境温度，其值随地区和季节而异，一般不低于季节而异，一般不低于20203030。在水资料紧缺的地。在水资料紧缺的地区，宜采用空气冷却。一些常用冷却剂及其适用温度区，宜采用空气冷却。一些常用冷却剂及其适用
8、温度范围如表范围如表5-25-2所示。所示。表表5-2 5-2 常用冷却剂及其适用温度范围常用冷却剂及其适用温度范围冷却剂冷却剂 水水( (自来水、自来水、河水、井水河水、井水) )空气空气盐水盐水（常用（常用Ca2Cl、NaCl）液氨液氨适用温度，适用温度，0 0808030300 0（-15-15） Q则该换热器合用。则该换热器合用。Q=KAtm25010049.11230000W=1230kWQQ，故该换热器不合用。，故该换热器不合用。方法二：方法二：由由Q =KAtm =ms2cp2（t2-t1）求出）求出A，若，若AA则该换则该换热器合用。热器合用。A= ms2cp2（t2-t1）/
9、 Ktm=1535000/(25049.1) =125m2 A 也可以说明该换热器不合用。也可以说明该换热器不合用。 Ctttttm021211 .4930/75ln356575150/ln逆 错流 折流若流动非逆、并流，如错流、折流，则若流动非逆、并流，如错流、折流，则 t tm m需采用相应需采用相应的计算。的计算。工程上，为了快速计算，工程上，为了快速计算， t tm m常用下述方法：常用下述方法： t1T1 T2 t2 列管式（二）（二）错流和折流时的平均温度差错流和折流时的平均温度差逆mmtt管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程 t1T1 T2 t2 单管程、
10、单壳程 t1T2 T1 t2 双管程列管式 t1T2 T1 t2 双管程、双壳程列管式换热器列管式换热器v当换热器确定时，温度差校正系数当换热器确定时，温度差校正系数与冷、热流体与冷、热流体的温度变化有关，是的温度变化有关，是P P和和R R两因数的函数，两因数的函数， 即即f f（P P、R R） 式中式中1112tTttP冷流体的温升冷流体的温升/ /两流体的最初温度差两流体的最初温度差 热流体的温降热流体的温降/ /冷流体的温升冷流体的温升 1221ttTTRv温度差校正系数温度差校正系数值可根据值可根据P P和和R R两因数从两因数从相应图中相应图中查得。查得。 对数平均温度差校正系数
11、对数平均温度差校正系数值（值（单壳程）单壳程） 对数平均温度差校正系数对数平均温度差校正系数值（值（二壳程二壳程 ）对数平均温度差校正系数对数平均温度差校正系数值（值（三壳程）三壳程） 对数平均温度差校正系数对数平均温度差校正系数值（值（四壳程）四壳程）错流时对数平均温度差校正系数错流时对数平均温度差校正系数值值v对于其它流向的对于其它流向的平均温度差校正系数平均温度差校正系数值值，可查手册，可查手册或其它传热书籍。或其它传热书籍。v由图可见，由图可见， 值恒小于值恒小于1 1，这是由于各种复杂流动中，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故。因此它们的同时存在逆流和并流的缘故。因此它们
12、的比纯逆流比纯逆流的为小。的为小。v研究表明，通常在换热器的设计中应当注意使研究表明，通常在换热器的设计中应当注意使0.90.9，至少也不应低于，至少也不应低于0.80.8，否则经济上不合理。，否则经济上不合理。若低于此值，则应考虑增加壳程数，即将多台换热器若低于此值，则应考虑增加壳程数，即将多台换热器串联使用。串联使用。 例：例： 在一在一1-2换热器中，用水冷却异丙苯溶液。换热器中，用水冷却异丙苯溶液。冷却水走管程，温度由冷却水走管程，温度由20升至升至40，异丙苯溶，异丙苯溶液由液由65冷至冷至50。求平均温度差。求平均温度差。解：解：T1=65 ,T2=50 ;t120 ，t240 C
13、tttttm021214 .2725/30ln40652050/ln逆75. 0204050651221ttTTR44. 0206520401112tTttP查图得查图得0.93 故故Cttmm05 .254 .2793. 0逆( (三三) )小结：流向的选择小结：流向的选择v若两流体均为变温传热时，且在两流体进、出口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，因此就传热推温度差介于逆流和并流两者之间
14、，因此就传热推动力而言，逆流优于并流和其它流动型式。当换动力而言，逆流优于并流和其它流动型式。当换热器的传热量热器的传热量Q Q及总传热系数及总传热系数K K一定时，采用逆流一定时，采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。操作，所需的换热器传热面积较小。v逆流的另一优点是可节省加热介质或冷却介质的逆流的另一优点是可节省加热介质或冷却介质的用量。用量。v换热器应尽可能采用逆流操作。但是在某些生产工艺换热器应尽可能采用逆流操作。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时不得超过某一温
15、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。一温度，此时则宜采用并流操作。v采用折流或其它流动型式的原因除了为满足换热器的采用折流或其它流动型式的原因除了为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。在选择流向时应综合考虑，度差较逆流时的为低。在选择流向时应综合考虑， 值不宜过低，一般设计时应取值不宜过低，一般设计时应取 0.9 0.9，至少不，至少不能低于能低于0.80.8，否则另选其它流动型式。，否则另选其它流动型式。AtKQm 21TTcmQphh 12ttcmQpcc 1212lnttttt
16、m （逆、并流）（其他流动情况）小结小结逆mmtt内外内内外内外外外ddddRddbRKsms1115-11 传热效率传热效率-传热单元数法传热单元数法v传热计算的基础传热计算的基础传热速率方程：传热速率方程：Q=KAtm 热量衡算方程：热量衡算方程： Qms1cp1（T1-T2） ms2cp2（t2-t1）v设计型问题：给定量中包括流体进、出口的设计型问题：给定量中包括流体进、出口的4个个温度及另外两个未知数，可直接应用以上方程计温度及另外两个未知数，可直接应用以上方程计算（如知算（如知K、ms1和四个温度可求和四个温度可求Q、A和和ms2）。）。v操作型问题：给定操作型问题：给定K、A、
17、ms1、ms2和两个温度和两个温度如如T1、t1，求解其它两个温度，求解其它两个温度T2、t2和和Q。求解时。求解时要用试差法，因此以上方程不便于求解操作型问要用试差法，因此以上方程不便于求解操作型问题。较方便的是采用传热效率题。较方便的是采用传热效率-传热单元数法，简传热单元数法，简称称-NTU法。法。一、传热效率一、传热效率v换热器的传热效率换热器的传热效率定义为定义为=实际的传热量实际的传热量Q/最大可能的传热量最大可能的传热量QmaxvQmax的确定：的确定：Q Qmaxmax（m ms sc cp p）minmin（T T1 1-t-t1 1）v若热流体的热容流量数值若热流体的热容流
18、量数值m ms sc cp p较小，即较小，即112111112111max)()(tTTTtTcmTTcmQQpspsv若冷流体的热容流量数值若冷流体的热容流量数值m ms sc cp p较小，即较小，即v若能知传热效率若能知传热效率 则则Q= QQ= Qmaxmax（m ms sc cp p）minmin（T T1 1-t-t1 1）可求）可求Q Q，便很容易从热，便很容易从热量衡算求得两个出口温度量衡算求得两个出口温度T T2 2 和和t t2 2 。v问题集中在如何求传热效率问题集中在如何求传热效率，为此先引入传热单元数，为此先引入传热单元数的概念。的概念。111211221222ma
19、x)()(tTtttTcmttcmQQpsps二、传热单元数二、传热单元数v换热器的热量衡算和传热速率的微分式为换热器的热量衡算和传热速率的微分式为 dQdQ=m=ms1s1c cp1p1dT=mdT=ms2s2c cp2p2dtdtK K（T Tt t）dAdAv对于热流体，上式可改为：对于热流体，上式可改为：v其积分式称为对热流体而言的传热单元数其积分式称为对热流体而言的传热单元数NTUNTU1 1vK K为常数及推动力为常数及推动力T-tT-t用平均推动力用平均推动力t tm m表示时，积表示时，积分为：分为：11pscmkdAtTdTApsTTcmKdAtTdTNTU011121v物理
20、意义：换热器每物理意义：换热器每1平均温度差的传热速率平均温度差的传热速率为热流体每下降为热流体每下降1 的放热速率的倍数；或热流的放热速率的倍数；或热流体温度的变化相当于平均温度差的多少倍。体温度的变化相当于平均温度差的多少倍。v同样，对于冷流体：同样，对于冷流体：11211psmcmKAtTTNTUApsttcmKdAtTdtNTU0222212212psmcmKAttt-（1）-（2）三、传热效率三、传热效率和传热单元数和传热单元数NTU的关系的关系逆流逆流1、设热流体的热容流量较小，即、设热流体的热容流量较小，即（m ms sc cp p）minminm ms1s1c cp1p1111
21、111exp1exp1RRRCNTUCCNTU-（1）m ms1s1c cp1p1/ m/ ms2s2c cp2p2=C=CR1R111211psmcmKAtTTNTU2、设冷流体的热容流量较小，即、设冷流体的热容流量较小，即（m ms sc cp p）minminm ms2s2c cp2p2则则222221exp1exp1RRRCNTUCCNTU-（2）m ms2s2c cp2p2/ m/ ms1s1c cp1p1=C=CR2R2(=1/C(=1/CR1R1) )22122psmcmKAtttNTUv（1 1）、（）、（2 2）式结构相同，可写成统一形式：）式结构相同，可写成统一形式：v式中
22、式中C CR R= =（m ms sc cp p）minmin/ / （m ms sc cp p）maxmax，称为热容流量比，称为热容流量比当当m ms1s1c cp1p1 m ms2s2c cp2p2， 则则C CR R=C=CR1R1,NTU=NTU,NTU=NTU1 1,=(T,=(T1 1-T-T2 2)/(T)/(T1 1-t-t1 1）当当m ms1s1c cp1p1 m ms2s2c cp2p2， 则则C CR R=C=CR2R2,NTU=NTU,NTU=NTU2 2,=(t,=(t2 2-t-t1 1)/(T)/(T1 1-t-t1 1）RRRCNTUCCNTU1exp1ex
23、p1v不同情况下不同情况下与与NTU、CR的关系已作出计算并绘制成的关系已作出计算并绘制成图，供设计时利用。在操作型问题中已知图，供设计时利用。在操作型问题中已知NTU及及CR，可从图中查得可从图中查得，从而可不经试算即可求出其他两个，从而可不经试算即可求出其他两个未知温度。未知温度。v由由与与NTU和和CR的关系图可知，在传热单元数相同时，的关系图可知，在传热单元数相同时，逆流换热器的传热效率总是大于并流的换热器；并且逆流换热器的传热效率总是大于并流的换热器；并且不管流型如何，传热效率随着传热单元数的增加而增不管流型如何，传热效率随着传热单元数的增加而增加，但最后趋于一定值，即加，但最后趋于
24、一定值，即NTU增大到某一值后，增大到某一值后， 不再增大。在设计时应选定经济上合理的不再增大。在设计时应选定经济上合理的NTU值。值。三、传热效率三、传热效率和传热单元数和传热单元数NTU的关系的关系并流并流：RRCCNTU11exp1图图5-145-14 并流换热器的并流换热器的 -NTU-NTU关系关系图图5-155-15 逆流换热器的逆流换热器的 -NTU-NTU关系关系图图5-165-16 折流换热器的折流换热器的 -NTU-NTU关系关系 例：例： 空气质量流量为空气质量流量为2.5kg/s，温度为，温度为100，在常压，在常压下通过单程换热器进行冷却。冷却水质量流量为下通过单程换
25、热器进行冷却。冷却水质量流量为2.4kg/s，进口温度为，进口温度为15 ，和空气作逆流流动。已知，和空气作逆流流动。已知传热系数传热系数K80W/m2.K，又传热面积，又传热面积A20m2，求空，求空气出口温度和冷却水出口温度。空气比热取气出口温度和冷却水出口温度。空气比热取1.0kJ/kg.K，水的比热取水的比热取4.187 0kJ/kg.K。解：水的热容流量为解：水的热容流量为m ms2s2c cp2p22.42.44.1874.18710.05kW/K10.05kW/K空气的热容流量为空气的热容流量为m ms1s1c cp1p12.52.51.0kW/K1.0kW/Km ms1s1c
26、cp1 p1 m ms2s2c cp2p2，故取（，故取（m ms sc cp p）minmin m ms1s1c cp1p12.5kW/K2.5kW/K（m ms sc cp p）maxmax m ms2s2c cp2p2 10.05kW/K10.05kW/K64. 0105 . 22080311pscmKANTU25. 005.105 . 22211pspsRcmcmCv 根据根据NTU=0.64,CR=0.25,查逆流换热器的查逆流换热器的-NTU图得图得 0.48。v 空气出口温度空气出口温度T2可根据传热效率的定义求得：可根据传热效率的定义求得：v T2=100-850.4859.2
27、 v 冷却水出口温度冷却水出口温度t2可由热量衡算求得：可由热量衡算求得：Q= m ms2s2c cp2p2(t(t2 2-t-t1 1） m ms1s1c cp1p1（T T1 1-T-T2 2) )即：即：2.4 2.4 4.187 （t2-15）2.5 1.0（100-59.2） 解得解得t225.2 48. 015100100)()(2112111112111maxTtTTTtTcmTTcmQQpsps 例：质量流量、温度等数据同上例，又假定例：质量流量、温度等数据同上例，又假定K值不变，值不变，若换热器改为并流操作，求所需传热面积。若换热器改为并流操作，求所需传热面积。解：由于质量流
28、量和进、出口温度同例解：由于质量流量和进、出口温度同例5-11，故，故CR=0.25， 0.48，查并流换热器的，查并流换热器的-NTU图得图得NTU=0.75v由此可见，在流体进、出口温度相同时，并流所需的传由此可见，在流体进、出口温度相同时，并流所需的传热面积比逆流时大。热面积比逆流时大。23114 .2380100 . 15 . 275. 0mKcmNTUAps5-12 壁温的计算壁温的计算v对于稳定的传热过程对于稳定的传热过程v式中式中A1、A2、Am分别代表热流体侧、冷流体侧分别代表热流体侧、冷流体侧和平均传热面积；和平均传热面积；vTw、tw分别代表热流体侧和冷流体侧的壁温；分别代
29、表热流体侧和冷流体侧的壁温；v1 、2分别代表热流体侧和冷流体侧的对流传热分别代表热流体侧和冷流体侧的对流传热系数。系数。mwmwwWtKAttAAbtTTTAQ2211/)(W1W2v整理上式可得：整理上式可得：v 例：例： 有一废热锅炉，由有一废热锅炉，由252.5锅炉钢管组成。管锅炉钢管组成。管外为沸腾的水，温度外为沸腾的水，温度227.3 。管内走合成转化气，温。管内走合成转化气，温度由度由575下降到下降到472。已知转化气一侧。已知转化气一侧1300W/m2.K，水侧，水侧210000W/m2.K 。若忽略污垢热。若忽略污垢热阻，试求平均壁温阻，试求平均壁温Tw和和tw。)/()/
30、()/(2211AQttAbQTtAQTTwmwww或mwmwwWtKAttAAbtTTTAQ2211/)(解解 （1）求总传热系数，以管外表面为基准）求总传热系数，以管外表面为基准WKmAAAAbKm/.00433. 0004167. 0000062. 00001. 0202530015 .2225450025. 01000011112121222即即K2=231W/m2.K（2）求平均温度差）求平均温度差水的饱和温度为水的饱和温度为227.3 ，故，故t1/t22，平均温度差，平均温度差为可取为算术平均温差，即：为可取为算术平均温差，即：tm（575-227.3）+（472-227.3）/
31、2=296.2 （3）求传热量）求传热量 Q=K2A2 tm231 296.2A268422A2（4）求管内壁温度）求管内壁温度Tw及管外壁温度及管外壁温度tw TwT-Q/（1A1） T为热流体温度，取进出口温度平均值，为热流体温度，取进出口温度平均值， 即即T(575+472)/2=523.5 Tw523.5-68422A2/(300A1)=238.4 管外壁温度管外壁温度CAAAbQTtmmww022 .2345 .222568422450025. 04 .23868630450025. 05 .237)/(总结：壁温接近于传热系数大的即热阻小的一侧流体总结：壁温接近于传热系数大的即热阻
32、小的一侧流体 的温度。的温度。第四节第四节 对流与对流传热系数对流与对流传热系数5-13 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素5-14 因次分析在对流传热中的作用因次分析在对流传热中的作用5-15 流体作强制对流时的对流传热系数流体作强制对流时的对流传热系数5-16 流体作自然对流时的对流传热系数流体作自然对流时的对流传热系数5-17 蒸气冷凝时的对流传热系数蒸气冷凝时的对流传热系数5-18 液体沸腾时的对流传热系数液体沸腾时的对流传热系数5-19 对流传热系数关联式的小结对流传热系数关联式的小结期末考试安排：期末考试安排：7月月1日，日，8：3010：30，23015-13 影响对流
33、传热系数的因素影响对流传热系数的因素v对流传热是流体在一定几何形状、尺寸的设备中流动时对流传热是流体在一定几何形状、尺寸的设备中流动时发生热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递。因此它发生热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递。因此它与下列因素有关：与下列因素有关：一、引起流动的原因：自然对流和强制对流一、引起流动的原因：自然对流和强制对流v自然对流：指流体本身各点温度不同，引起密度差异，自然对流：指流体本身各点温度不同，引起密度差异，从而引起的流动。单位体积流体的上升力为从而引起的流动。单位体积流体的上升力为 （1-）ggt 式中式中为体积膨胀系数为体积膨胀系数v自然对流传热：由于系统内部温度差
34、的作用，使流体各自然对流传热：由于系统内部温度差的作用，使流体各部分相互混合从而产生的传热现象。部分相互混合从而产生的传热现象。v强制对流传热：指借助于机械搅拌或机械作用等外力引强制对流传热：指借助于机械搅拌或机械作用等外力引起的流体质点移动来传递热量的过程。起的流体质点移动来传递热量的过程。二、二、流体的流动型态：层流和湍流流体的流动型态：层流和湍流v流体作层流时，传热基本是以导热方式进行的，由于流流体作层流时，传热基本是以导热方式进行的，由于流体的导热系数小，因此传热的热阻较大。体的导热系数小，因此传热的热阻较大。v流体湍流流动时，主体流中各部分质点相互碰撞、混合、流体湍流流动时，主体流中
35、各部分质点相互碰撞、混合、作不规则的脉动，并有旋涡生成，温度趋于一致，热阻作不规则的脉动，并有旋涡生成，温度趋于一致，热阻很小。很小。v湍流边界层内，靠近壁面处总有层流内层存在。随湍流边界层内，靠近壁面处总有层流内层存在。随Re增大，层流底层厚度减薄，故对流传热系数加大。增大，层流底层厚度减薄，故对流传热系数加大。v湍流时的对流传热系数比层流时大得多。湍流时的对流传热系数比层流时大得多。对流传热时沿热流方向的温度分布情况对流传热时沿热流方向的温度分布情况三、流体的性质三、流体的性质v流体的物理性质对对流传热过程也有影响。研究发现流体的物理性质对对流传热过程也有影响。研究发现影响较大的物性参数有
36、导热系数影响较大的物性参数有导热系数、比热、比热cp、密度、密度和和粘度粘度等。其中等。其中、cp、值增大对传热有利，而值增大对传热有利，而值增值增大则对传热过程不利。大则对传热过程不利。四、传热面的形状、大小和位置四、传热面的形状、大小和位置v圆管、套管环隙、翅片管等不同传热表面形状，管、圆管、套管环隙、翅片管等不同传热表面形状，管、板或管束，管径和管长、管排列方式，垂直或水平放板或管束，管径和管长、管排列方式，垂直或水平放置等，都影响对流传热。置等，都影响对流传热。五、传热的相变化五、传热的相变化v在传热过程中，如果流体发生相变化，对流传热系数在传热过程中，如果流体发生相变化，对流传热系数
37、的影响因素又比无相变化时更为复杂。的影响因素又比无相变化时更为复杂。5-14 因次分析在对流传热中的应用因次分析在对流传热中的应用v由于影响对流传热的因素太多，很难提出一个普遍由于影响对流传热的因素太多，很难提出一个普遍适用的公式。适用的公式。v解决方法是用因次分析法，把影响解决方法是用因次分析法，把影响的因素归纳成的因素归纳成几个准数，以较少变量数。几个准数，以较少变量数。v再用实验方法确定这些准数在不同情况下的经验式，再用实验方法确定这些准数在不同情况下的经验式，用以计算这些情况下的用以计算这些情况下的。一、无相变化时强制湍流下的对流传热系数一、无相变化时强制湍流下的对流传热系数v给热系数
38、给热系数可表示为：可表示为： 7个物理量涉及到长度个物理量涉及到长度L、时间、时间、质量、质量M和温度和温度T四个四个基本因次。基本因次。v定理：无因次准数的数目等于变量数定理：无因次准数的数目等于变量数n与基本因次数与基本因次数m之差。即之差。即n-m7-43 上式转化为上式转化为（1，2，3）0v采用因次分析法导出这三个无因次数群是：采用因次分析法导出这三个无因次数群是：1= Cp / = Pr 普兰特准数普兰特准数 2 = Lu/ = Re 雷诺准数雷诺准数3 = l/ =Nu 努赛尔特准数（含待求的努赛尔特准数（含待求的 ）0),(pclufv将三个准数的关系写成被决定准数将三个准数的
39、关系写成被决定准数Nu的显函数：的显函数： Nuf（Pr，Re） 此式即为在某一几何系统中强制湍流传热的一般准数式。此式即为在某一几何系统中强制湍流传热的一般准数式。二、无相变时自然对流下的对流传热系数二、无相变时自然对流下的对流传热系数v自然对流传热是由于系统内部存在温差，引起密度不同自然对流传热是由于系统内部存在温差，引起密度不同从而使流体内部流动。引起流动的是单位体积流体的上从而使流体内部流动。引起流动的是单位体积流体的上升力升力（1-）ggt，而速度，而速度u不是自变量。因此不是自变量。因此自然对流传热可用下列函数关系式表示：自然对流传热可用下列函数关系式表示：v同样可用下列准数式描述
40、此物理现象：同样可用下列准数式描述此物理现象： （1，2，3）00),(tgclfpv采用因次分析法导出这三个无因次数群是：采用因次分析法导出这三个无因次数群是：1= Cp / = Pr 普兰特准数普兰特准数 3 = l/ =Nu 努赛尔特准数（含待求的努赛尔特准数（含待求的 ）v描述自然对流的一般准数为：描述自然对流的一般准数为： Nuf（Pr，Gr）Grtlg2232格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数三、各无因次数群的物理意义三、各无因次数群的物理意义v雷诺准数雷诺准数Re = Lu/ ：反映流体的流动型态和湍动程：反映流体的流动型态和湍动程度。度。v努赛尔准数努赛尔准数Nu = l/ ：对流给
41、热系数准数。：对流给热系数准数。*相当于给热过程以纯导热方式进行的给热系数。显然，相当于给热过程以纯导热方式进行的给热系数。显然，Nu反映对流给热系数增加的倍数。反映对流给热系数增加的倍数。*llNuv普兰德准数普兰德准数Pr = Cp / ：流体的物理性质对对流给热：流体的物理性质对对流给热的影响。气体一般小于的影响。气体一般小于1，液体则远大于，液体则远大于1。v格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数 反映了自然对流对对流给热系数的影响。反映了自然对流对对流给热系数的影响。Gr代表升力代表升力的影响，相当于强制湍流的雷诺数，表征自然对流的流的影响，相当于强制湍流的雷诺数，表征自然对流的流动状态。动状
42、态。223tlgGr四、定性温度和特征尺寸的确定四、定性温度和特征尺寸的确定1、定性温度、定性温度v在对流给热系数计算时，涉及到物性数据问题。因为在对流给热系数计算时，涉及到物性数据问题。因为物性数据的取值与温度有关，本质上是取物性数据的物性数据的取值与温度有关，本质上是取物性数据的平均值。平均值。v考虑给热过程的热阻主要集中在层流内层，一般选取考虑给热过程的热阻主要集中在层流内层，一般选取壁温壁温tw和流体主体温度和流体主体温度t的算术平均值，即的算术平均值，即v但是壁温的计算不方便，所以定性温度一般选取流体但是壁温的计算不方便，所以定性温度一般选取流体的进出口温度的平均值。的进出口温度的平
43、均值。2/ )(tttWm2/ )(出进tttm2、特征尺寸、特征尺寸v特性尺寸是指对流给热过程中产生直接影响的几特性尺寸是指对流给热过程中产生直接影响的几何尺寸。对管内强制对流给热，圆管的特性尺寸何尺寸。对管内强制对流给热，圆管的特性尺寸为管内径，其它特性尺寸则为当量直径。为管内径，其它特性尺寸则为当量直径。v对大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的对大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的垂直高度作为特性尺寸。垂直高度作为特性尺寸。v总之，对流传热是流体主体中的对流和层流底层总之，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中的热传导的复合现象。任何影响
44、流体流动的因素（引起流动的原因、流动型态和有无相变等）素（引起流动的原因、流动型态和有无相变等）必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来讨论对流传热系数的关联式，即：讨论对流传热系数的关联式，即：一、流体作强制对流时的对流传热系数；一、流体作强制对流时的对流传热系数；二、二、 流体作自然对流时的对流传热系数；流体作自然对流时的对流传热系数；三、蒸气冷凝时的对流传热系数；三、蒸气冷凝时的对流传热系数；四、液体沸腾时的对流传热系数。四、液体沸腾时的对流传热系数。一、流体在管内作强制对流一、流体在管内作强制对流（一）流体在圆形直（一）流体在圆形直管内管内作
45、作强制湍流强制湍流时的对流传热系数；时的对流传热系数；（二）流体在圆形直管内作强制层流时的对流传热系数；（二）流体在圆形直管内作强制层流时的对流传热系数；（三）流体在圆形直管内过渡状况下的对流传热系数；（三）流体在圆形直管内过渡状况下的对流传热系数；（四）流体在弯曲管道内流动时的对流传热系数；（四）流体在弯曲管道内流动时的对流传热系数；（五）流体在非圆形直管中强制对流时的对流传热系数（五）流体在非圆形直管中强制对流时的对流传热系数二、管外强制对流二、管外强制对流5-15 流体作强制对流时的对流传热系数流体作强制对流时的对流传热系数一、流体在管内作强制对流一、流体在管内作强制对流（一）流体在圆形
46、直管内作强制湍流时的对流传热系数（一）流体在圆形直管内作强制湍流时的对流传热系数v流体在管内作强制湍流时，自然对流对给热系数的影响流体在管内作强制湍流时，自然对流对给热系数的影响可不计，可不计，Gr准数影响可忽略，则：准数影响可忽略，则：v（1）当）当Re10000，Pr0.6160，L/d50，且管，且管壁温度与流体平均温度相差不大（对水：差值壁温度与流体平均温度相差不大（对水：差值2030；对油类：差值；对油类：差值10 ）时：）时：nmCfNuPrRePr)(Re,5-15 流体作强制对流时的对流传热系数流体作强制对流时的对流传热系数Nu = 0.023Re0.8Prnv说明：说明：特征
47、尺寸为管内径：特征尺寸为管内径d，定性温度为流体进出口温度的，定性温度为流体进出口温度的 平均值；平均值；：流体被加热：流体被加热n0.4，流体被冷却，流体被冷却n0.3；：气体的：气体的Pr基本不随基本不随T变化，对空气或气体双原子气体，变化，对空气或气体双原子气体， Pr0.72，故，故ndPrRe023. 08 . 0即：即：npcdud8 . 0023. 0Nu = 0.02Re0.8（2）当）当Re10000，Pr0.6160，L/d3040，且管壁温度与流体平均温度相差不大时，且管壁温度与流体平均温度相差不大时因为因为短管入口处扰动大，故短管入口处扰动大，故大大：，：，Nu表示为：
48、表示为： Nu =f 0.023Re0.8Prn 其中校正系数其中校正系数f （1.071.02）（3）当）当Re10000，Pr0.6160，L/d50 ，且管壁，且管壁温度与流体平均温度相差较大时，须加入包括壁温下的温度与流体平均温度相差较大时，须加入包括壁温下的粘度校正项，可用下式计算：粘度校正项，可用下式计算：v说明：说明： W为流体在壁温下的粘度，其它物性均按流体进为流体在壁温下的粘度，其它物性均按流体进 出口的算术平均温度取值；出口的算术平均温度取值；：工程上为了简化计算，取：工程上为了简化计算，取： 加热：加热： 冷却：冷却：05. 114. 0W95. 014. 0W14. 0
49、33. 08 . 0027. 0Wpcdud例：例： 1atm下，空气在内径下，空气在内径25mm的管中流动，温度由的管中流动，温度由180 升高到升高到220 ，平均流速为，平均流速为15m/s,试求空气与管试求空气与管内壁之间的对流传热系数。内壁之间的对流传热系数。解：在（解：在（180+220）/2200 及及1atm下，查得空气的物下，查得空气的物性为：性为：cp1.026kJ/kg.K；0.03928W/m.K2.610-5N.s/m2 ； 0.746kg/m3流动为湍流：流动为湍流：=0.023 （0.03928/0.025）(10760)0.80.6790.4=52w/m2K4
50、. 08 . 0PrRe023. 0d679. 003928. 0106 . 210026. 1Pr53pc10760106 . 2746. 015025. 0Re5du（二）流体在圆形直管中作强制层流时的对流传热系数（二）流体在圆形直管中作强制层流时的对流传热系数v流体在圆形直管中作等温层流流动时，如传热不影响速流体在圆形直管中作等温层流流动时，如传热不影响速度分布，热量传递完全靠导热方式进行。度分布，热量传递完全靠导热方式进行。v管内层流传热较复杂，因为流体内部有温度差，附加有管内层流传热较复杂，因为流体内部有温度差，附加有自然对流传热。自然对流传热。（1）管径小，温差不大时即）管径小，温
