1、第四章第四章 传热传热Heat Transfer第第4章章 传传 热热(HEAT TRANSFER)4.1 概述概述4.1.1 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用热力学第二定律热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传递向低温，直至温度相等。传热方向传热方向：传热极限传热极限：传热推动力传热推动力：高温低温温度相等温度差传热在生产与生活过程中的应用：传热在生产与生活过程中的应用：1）化工生产中化学反应加温、保温、降温；2）单元操作中加入或输出热量；3）保温，以减少热损失。化工对传热过程有两方面的要求：化工对传热过程有两方面的要求：（1 1）强化传热过程：在传热设备中加热或冷却
2、物料，希望以高传）强化传热过程：在传热设备中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使热速率来进行热量传递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设备紧凑，节省设备费用。传热设备紧凑，节省设备费用。（2 2）削弱传热过程：如对高低温设备或管道进行保温，以减少热）削弱传热过程：如对高低温设备或管道进行保温，以减少热损失。损失。一般来说，传热设备在化工厂设备投资中可占到一般来说，传热设备在化工厂设备投资中可占到40%40%左右，传热是化工中重要的单元操作之一，左右，传热是化工中重要的单元操作之一，了解和掌握传热的基本规律，在化学工程中具有很重要的意义。了
3、解和掌握传热的基本规律，在化学工程中具有很重要的意义。4.1.2 传热的基本方式传热的基本方式热传导热传导：固体的主要传热方式 分子无规则热运动，使相邻分子间传热 传热速率相对较慢。单纯的导热，物体各部分之间无宏观运动。对流对流：流体主要传热方式 流动中，流体质点相互碰撞，传热。传热速率与流动状态密切相关。辐射辐射：物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。不需传播介质，两物体不需接触。物体温度，热辐射能力。4.1.2 传热的基本方式传热的基本方式热传导热传导 Conduction对流传热对流传热 Convection热辐射热辐射 Radiation实际传热过程实际传热过程：几种传热方式
4、可同时存在。任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热特点：在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，特点：在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没有物质的宏观位移。即没有物质的宏观位移。气体：气体：气体分子做不规则热运动时气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。相互碰撞的结果。液体：液体：存在两种不同的观点，类似存在
5、两种不同的观点，类似于气体和类似于非导电固体。于气体和类似于非导电固体。固体：固体：自由电子在晶格间的运动；自由电子在晶格间的运动；晶格结构的振动也能将热能从高温晶格结构的振动也能将热能从高温处传到低温处。处传到低温处。从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理各不相同。热机理各不相同。流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能发生在流体中。由于引起质点发生相对位移的原因不同，可分为发生在流体中。由于引起质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对流自然对流和和强制
6、对流强制对流。自然对流自然对流(natural or free convection)：流体原来是静止的，但：流体原来是静止的，但内部由于温度不同、密度不同，造成流体内部上升下降运动而发内部由于温度不同、密度不同，造成流体内部上升下降运动而发生对流。生对流。强制对流强制对流(forced convection)：流体在某种外力的强制作用下运：流体在某种外力的强制作用下运动而发生的对流。动而发生的对流。（2）对流传热）对流传热(Heat)辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发射辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发射出辐射能，其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐
7、射。出辐射能，其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。物体放热时，热能变为辐射能，以电磁波的形式在空间传播，物体放热时，热能变为辐射能，以电磁波的形式在空间传播，当遇到另一物体，则部分或全部被吸收，重新又转变为热能。当遇到另一物体，则部分或全部被吸收，重新又转变为热能。热辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量形式的转化。此外，热辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量形式的转化。此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。（3）热辐射）热辐射(Heat Radiation)4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律 （1）温度场）温度
8、场 所研究的具有一定温度分布的空间范围。),(zyxft 稳态温度场：稳态温度场：),(zyxft),(zyxft 非稳态温度场：非稳态温度场：4.2 热传导（导热）热传导（导热）t/64321780l/m加热炉加热炉i时间导 热 过 程 示 意 图 稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热 稳态传热：稳态传热：各点温度分布不随时间而改变 非稳态传热：非稳态传热：各点温度随位置和时间而变 说明：说明：连续生产过程中的传热多为稳态传热ttttntnnAd法向等温面等温面、温度梯度与热流方向 （2 2）描述温度场特性的几个参数）描述温度场特性的几个参数 等温面等温面 具有相同温度的点组成的面 特点
9、特点：等温面上各点温度相等，等温面不会相交。温度梯度温度梯度 沿等温面法线方向的温度变化率。nt方向方向：沿温度增高方向为正，且与等温面垂直。ntn0limntdndtn0lim对一维稳态导热：2,(/)QqWmA（3）热流量）热流量Q 单位时间内所传导的热量，w。（4）傅立叶定律）傅立叶定律tQAn ntq或：导热系数，w/（mK），w/（m ）；A：传热面积，m2，垂直于热流方向的面积；负号负号：与 方向相反(热流量从高温向低温)。nt热流密度热流密度：表明表明：tQAQn热传导中，dtQAdn一维稳态导热：dndtq或：4.2.2 热导率热导率/导热系数导热系数ntqKmW/说明：说明：
10、物性参数，标志物质导热性能；影响因素：=f(材料，结构，温度，湿度，压强)；来源：实验方法测定，工业上常见物质的热导率可 从有关手册中查得。定义式定义式:8几种气体的导热率412653t /072004006001000800165432102/(Wm-11）1水蒸气2氧气3二氧化碳4空气5氮气6氩气几种气体的热导率：几种气体的热导率：0161026242012各种液体的导热率水11514131211109876543285.98/(Wm-11）t /H2O85.98/(Wm-11）475153555759491无水甘油2蚁酸3甲醇4乙醇5蓖麻油6苯胺7醋酸8丙酮9丁醇10硝基苯11异丙苯12
11、苯13甲苯14二甲苯15凡士林油2060100140几种液体的热导率：几种液体的热导率：气体液体非金属金属可见，在数值上：物质热导率的大致范围物质热导率的大致范围 物质种类 热导率 纯金属 1001400 金属合金 50500液态金属 30300非金属固体 0.05 50非金属液体 0.55绝热材料 0.051 气体 0.0050.5 0.010.020.040.060.10.20.40.6124610204060100200400600200600100014001800空气甲烷二氧化碳苯（气态）硅藻土冰水硅砖粘土耐火砖镁砖铝（液体）高合金钢合金钢低碳钢钾（液体）锌（液体）钢（液体）锌（固体
12、）铜铝温度 K不同物质导热系数随温度变化的比较导热系数w/mK)1(0ta对多数匀质固体：温度系数a；多数金属：0a0a多数非金属：不同物质随温度变化的不同物质随温度变化的一般规律一般规律,:t气体)(,:水、无水甘油例外液体t)(,高合金钢例外金属：t)(,冰例外非金属：t固体：4.2.3 平壁的稳态热传导平壁的稳态热传导(1)单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导 条件条件：平壁、一维稳态导热(x 方向)；内容内容：热流量计算、温度分布。对平壁做热量衡算对平壁做热量衡算：热量积累率输出热流率输入热流率输出热流率输入热流率 Qconst即：热流量对稳态传热：对稳态传热：bx1x2txt1t
13、2 单层平壁的稳态热传导Q热导率为常数热导率为常数dtQAdx 210bttQdxAdt 积 分：21()AQttb 得：RtAbtt21传热阻力（热阻）传热推动力（温差）Rtbttq21热流密度：ARR bR 热流量：热流量：t2t1x/mt/单层平壁导热温度分布平壁内的温度分布：平壁内的温度分布：QdtdxA 由：QtxCA 积分得：即：沿壁厚方向，温度分布为一直线。沿壁厚方向，温度分布为一直线。热导率和温度有关热导率和温度有关方法方法1：，积分得：代入)1(0tadxdttq)(2121)1(0 xxttdxqdtt)(211)(21210ttattqb整理：mbttq/21热流密度：K
14、mWtttmm/)(21(21的热导率，：平均温度平壁内的温度分布：平壁内的温度分布：xxttdxqdtt11)1(0不定积分：axxaqtat1)(2)1(211021解得：方法方法2：把 m，按为常数处理，即：=f(t)时，时，沿壁厚方向，温度分布为非线性。12mttQbA热流量：t/x/m)1(0tm单层平壁导热的热流量与壁内的温度分布例题：某平壁厚度为例题：某平壁厚度为0.37 m0.37 m，平壁内表面温度，平壁内表面温度为为16501650，外表面温度为，外表面温度为300300，平壁材料导热，平壁材料导热系数与温度的关系为系数与温度的关系为t00076.0815.0若将导热系数分
15、别按常量和变量计算，试求若将导热系数分别按常量和变量计算，试求导热导热热通量和平壁内的温度分布热通量和平壁内的温度分布设壁厚设壁厚x处的温度为处的温度为tmmqxttttxq11)(xt36491650温度和距离呈直线关系温度和距离呈直线关系5677/btSQqm975221tttm556.197500076.0815.0m(1)导热系数按常量计算设壁厚设壁厚x处的温度为处的温度为txt761049.11041.71072温度分布为曲线温度分布为曲线5677q(2)导热系数按变量计算xtqxtSQdddd 将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的，而温度分布不同工程中计算热通量时，
16、可取平均温度下导热系数，将导热系数按常量处理对温度分布的影响3333Abtx/mt2t1t/t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布123QQQQ1111tQbA2222Abt123312112233tttQbbbAAA 和比定理：(2)多层平壁的稳态热传导多层平壁的稳态热传导 条件条件：多层平壁一维稳态导热(x方向)。则则：33322211141AbAbAbttiiRt11nitttt其中，iiiiAbRR书书p216，例，例4-23333Abtx/mt2t1t/t2t3t4多层平壁稳态导热温度分布聚氨酯泡沫http:/ 长圆筒壁的稳态热传导长圆筒壁的稳态热传导 L/d 10，可按一维导热处理。
17、与平壁稳态热传导相比，与平壁稳态热传导相比，相同点：相同点：一维稳态导热，Q=常数r1r2t1t2 单层圆筒壁的导热不同点：不同点：热流方向（径向）；传热面积沿径向不同(/)qQ A热流密度径向不同221122qrqr(1)计算热流量计算热流量 单层圆筒壁单层圆筒壁 沿径向取一小薄层，由傅立叶定律：(2)dtdtQArLdrdr 321qqqrLAr2r1r2t1t2单层圆筒壁的导热121222112lnln/2tttttQLrrRLrr LrrR2)/ln(12其中，211222112()()2()ln2L rr ttQrLrrrL 变形：121221ln)(AAbAAtt1212lnAAA
18、AAm对数平均面积：12mttQbA热流量：mAbLrrR2)/ln(12其中，多层圆筒壁多层圆筒壁33322211141mmmAbAbAbtt12121lnAAAAAm其中，23232lnAAAAAmRtLrrtt2/ln122134343lnAAAAAm334223112412)/ln(2)/ln(2)/ln(LrrLrrLrrttiiRtr1r2r3r4t1t2t3t4123多层圆筒壁的导热(2)圆筒壁内温度分布圆筒壁内温度分布 可由傅立叶定律得出：drdtrLq)2(11ln2rrLtt积分得：即：沿半径方向温度分布为非线性。4.2.5 圆球壁的稳态热传导圆球壁的稳态热传导与圆筒壁一维
19、稳态导热类似，利用傅立叶定律推出：r1r2rr1rr2dr 单层球壁导热温度分布t1t2t21214AArrrAm式中：温度分布：温度分布：非线性热流量：热流量：RtAbttm21说明：说明：对多层紧密接触的球壁，总温度差为各层温度差之和 总的热阻为各层热阻之和。14123ttQRRR121211121,11121ln(/)22ln(/)mbrrrrRrrSLLrr 4333ln(/)2rrRL 3222ln(/)2rrRL 1432411223347.7/111lnlnln222LttQqW mrrrLLrLrLr (1055)2 3.1434.8/16011201180lnlnln4554
20、0.04600.16120LqW m 好的绝热材料应包在管的内层好的绝热材料应包在管的内层（2 2）石棉和软木互换后损失的冷量）石棉和软木互换后损失的冷量（1 1）每米管长上损失的冷量）每米管长上损失的冷量1.傅立叶定律傅立叶定律xtqddntqbttq)(21AbtbttAxtAQ/)(21dd2.通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导Review3.多层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导333343222232111121RtAbttRtAbttRtAbttQ3141321321iiRttRRRtttQ总热阻总温差niinRttQ114.通过单层圆筒壁的稳定热传导通过单层圆筒壁的稳定热
21、传导xtqddxtAQddA=2rlxtrlQdd2RtAbttbttlrrrrrrrttlQmm)()(2ln)()(2212112121221对于对于n层圆筒壁：层圆筒壁：niiiinniiiinniinrrttlAbttRttQ1111111111ln1)(2m32141321321RRRttRRRtttQ对于三层圆筒壁：对于三层圆筒壁：5.通过多层圆筒壁的稳定热传导通过多层圆筒壁的稳定热传导热流体冷流体thtcth,wtc,w 流体通过间壁的热交换流体与固体壁面之间传热：流体与固体壁面之间传热;流体中质点发生相对位移而引起热交换。4.3 对流传热对流传热说明：说明：流体的运动对传热发生
22、重要影响。（1）机理）机理 流体质点碰撞、混合，传递热量，包括对流传热和热传导 对流传热与流体流动状况密切相关对流传热与流体流动状况密切相关 湍动程度越高，对流的传热速率越大。工程上，对流传热指利用工程上，对流传热指利用固体壁面间隔固体壁面间隔的的流体间流体间传热过程传热过程（2）分类）分类 自然对流：自然对流：温差引起密度差，造成流体流动。强制对流强制对流：流体靠外加动力流动，造成对流。流动的流体与外界的传热静止流体与外界的传热1t2tQQ强制对流自然对流Forced convectionNatural convection管内冷凝管外冷凝冷凝传热管内沸腾大容器沸腾沸腾传热有相变混合对流传热
23、有限空间自然对流大空间自然对流自然对流传热外部流动内部流动强制对流传热无相变对流传热热流体冷流体thtcth,wtc,w 流体通过间壁的热交换（2）分类）分类4.3.1 热边界层的概念热边界层的概念 （1）热边界层）热边界层 近壁处，流体温度显著变化的区域。tttt-t(t-tW)/(t-t)=0.99t-ttW 流体被平壁冷却温度边界层u0tytttt(tW-t)/(tW-t)=0.99tW t 流体被平壁加热温度边界层0tytu热边界层热边界层的形成过程的形成过程（2）热边界层的厚度）热边界层的厚度)(99.0ttttww（3）热边界层的特点）热边界层的特点 层内（近壁处）：层内（近壁处）
24、：集中全部的温差和热阻 0dydt层外（流体主体）：层外（流体主体）：等温区，无温差和热阻 0dydt（4）热边界层发展过程）热边界层发展过程dt21max,圆管内（5）热边界层与流动边界层关系）热边界层与流动边界层关系 ttt(tW-t)/(tW-t)=0.99tW t 流体被平壁加热温度边界层0tytudu/dydu/dyuuuu/u=0.99uuuuu/u=0.99层流内层湍流边界层层流边界层平板上的流动边界层区别区别：本质不同，厚度不一定相等。联系联系：研究问题方法相似，两者密切相关。流动边界层对热边界层的影响流动边界层对热边界层的影响：湍流区：湍流区：质点相互混合交换热量，温差小。缓
25、冲层：缓冲层：质点混合、分子运动共同作用，温度变化平缓。层流内层：层流内层：导热为主，热阻大、温差大。说明：说明：流动边界层对传热边界层影响显著，改善流动状况，特别是减薄层流内层厚度，可使传热速率大大提高。（6）对流传热过程的简化模型）对流传热过程的简化模型 真实模型真实模型 流体主体过渡层 层流内层 对流 对流,导热 导热 研究方法研究方法：计算各层的热流量。ThmTcmL1ThwL212TCW简化模型简化模型 有效膜（边界层）：有效膜（边界层）：集中全部温差，以热传导方式传热，问题简化。,11/()hh wttQA由傅立叶定律：etR一 定 时，则，（有 利 于 传 热）优点：优点：对流传
26、热问题 导热问题4.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数对流传热速率方程和表面传热系数（1）牛顿冷却定律）牛顿冷却定律 牛顿冷却定律：21ttAQ 对流传热系数，W/m2K（1）牛顿冷却定律）牛顿冷却定律QA t1tAqt或：2/W mK：表面传热系数，：流体与壁温之差t热流体冷流体thtcth,wtc,w 流体通过间壁的热交换th1th2tc1tc2说明说明：实验定律；对壁两侧流体(冷、热)均适用。热流体：热流体：冷流体冷流体：,()hhhh wQAtt,()ccc wcQAtt,1c wccttA a是计算关键是计算关键,1hh whttA 的获得主要有三种方法的获得主要有三种方法：1理
27、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。,湍动程度，层流内层厚度减薄，代价代价：动力消耗。4.3.3 表面传热系数的经验关联表面传热系数的经验关联(1)影响表面传热系数的因素影响表面传热系数的因素（b）流体流动原因）流体流动原因 强制对流强制对流：外部机械作功，一般流速较大，也较大。自然对流自然对流：由流体密度差造成的循环过程,一般流速较小，也较小。（a）流体流动状态）流体
28、流动状态,a：,eRa：./3CmkJCCPP，单位体积流体的热容量：PCa，eRa：，（c）流体的物理性质）流体的物理性质 定性温度：定性温度：计算表面传热系数的特征温度 一般，)(2121tttm（d）传热面的形状、位置和大小）传热面的形状、位置和大小 壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使a增大。（e）相变化的影响）相变化的影响 有相变传热有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，无相变传热：无相变传热：强制对流、自然对流，一般地，有相变时表面传热系数较大。例例：水 强制对流，蒸汽冷凝，2250 10000/aWm K：25000 15000/aWm K：(2)无相变化
29、时对流传热过程的量纲分析无相变化时对流传热过程的量纲分析 （2.1）量纲分析过程）量纲分析过程优点：优点：减少实验次数；依据：依据：物理方程各项量纲一致；步骤：步骤：（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；通过理论分析和实验观察，确定相关因素；（b）构造函数形式；构造函数形式；()a bcdefhpKu lcgt 322()()()afiPcldulgtK(,)pf u lgtC 无相变：（c）列出量纲指数的线性方程组（列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、）；）；（d）规定已知量（指数），规定已知量（指数），确定余下指数表达式；确定余下指数表达式；（e）整理特征数方程形式整理特征数方程形
30、式:()uerrNf RPG，无相变对传，流热：努赛尔数努赛尔数ulNltdydty0)(平均温度梯度壁面处温度梯度无量纲温度梯度说明：说明：反映对流传热的强弱，包含表面传热系数；努赛尔数恒大于1。粘滞力惯性力duuduRe2 说明：说明：反映流动状态对 a 的影响。l：特征尺寸特征尺寸，平板 流动方向的板长；管 管径或当量直径；0()ydtqtdy（2.2）特征数的物理意义）特征数的物理意义雷诺数雷诺数 普朗特数普朗特数/PrpCPC()()vr运动粘度 动量扩散系数导温系数 热扩散系数说明：说明：反映流体物性对传热的影响 反映热扩散和动量扩散的相对大小 反映流动边界层和热边界层的相对厚度1
31、,rtPvr1,rtPvr1,rtPvr使用时注意使用时注意：*查取定性温度下的物性；*计算所用单位，SI制。说明：说明：反映自然对流的强弱程度。格拉晓夫数格拉晓夫数（浮升力特征数）浮升力特征数）223tlgGr,化：单位体积流体浮力变tg),(reuPRfN 1.0/2erRG),(rruPGfN 10/2erRG),(,rreuPGRfN 10/1.02erRG22Re)(bblu,/1 C：体积膨胀系数，.Re数：表示自然对流的雷诺b强制对流强制对流自然对流自然对流混合对流混合对流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1 管内强制对流Nu/Pr
32、0.4与Re的关系Nu/Pr0.4Re1(3)无相变化的对流传热无相变化的对流传热（3.1）管内强制对流传热）管内强制对流传热 一般关系式：nrmeuPCRN 传热流动状态划分（传热流动状态划分（区别于流体流动时规律 ）2300eR层流：10000eR湍流：100002300eR过渡流：流体在圆形直管内流体在圆形直管内湍流时湍流时的表面传热系数的表面传热系数nreuPRN8.0023.00.80.023npiicd ud或：a)一般流体一般流体流动状态不同，则 c、m、n 值不同流体被加热，n=0.4流体被冷却，n=0.310000eR1606.0rP50/dlPa3102定性温度：定性温度：
33、tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管内径di10000eR nrP保证流体达到传热湍流；适用条件适用条件：说明说明：/50ld 避开传热进口段，保证稳态传热。传热进口段传热进口段：传热正在发展，a不稳定 (随管长增加a减小)OxNux或axNuxax Nux或hx的变化趋势tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分发展了的边界层 层流情况下流体在管内温度分布进口段温度分布和局部表面传热系数的变化进口段温度分布和局部表面传热系数的变化传热进口段长度传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度。说明：经验公式，有一定误差。说明：经验公式，有一定误差。reentPRx05.0层流：dxe
34、nt50湍流：b)粘度较大粘度较大流体流体14.033.08.0)/(027.0wreuPRN近似取：05.1)(14.0w流体被加热：95.0)(14.0w流体被冷却：适用条件：适用条件：10000eR1677.0rP60/dl定性温度：定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：特征尺寸：管内径dic)流体流过流体流过短管短管（l/d80，边界层分离，使a，有一个最低点。2 2）高雷诺数）高雷诺数（140000219000）有两个最低点：N01：=70-80，层流边界 层湍流边界层；N02：=140（分离点），发生边界分离。400300200100500800700600160o120o
35、40o0o80oNu不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化Re=219000186000140000101300708001700003/1rneuPCRN常数C、指数n见下表沿整个管周的平均表面传热系数：沿整个管周的平均表面传热系数：ReCn0.44440404000400040000400004000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：特征尺寸：管外径(3)自然对流传热自然对流传热 温度差引起流体密度不均，导致流体流动。分类：分类：大空间自然对流传热大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰。有限空间
36、自然对流传热：有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰。大空间自然对流传热大空间自然对流传热：竖直壁面上表面传热系数的分布近壁处温度与流速的分布 沿竖壁自然对流的流动和换热特征ut,hW,htht1htuyxxh大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：有相变对流传热的特点有相变对流传热的特点相变过程中产生大量相变热（潜热）；相变过程中产生大量相变热（潜热）；例例：水 (4)有相变化的对流传热有相变化的对流传热kgkJrC/4.22581000时，汽化潜热CkgkJCpC00/187.41000，比热相变无相变一般：相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；相
37、变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。(4.1)蒸汽冷凝机理蒸汽冷凝机理 优点优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制 蒸汽冷凝的表面传热系数较大。冷凝方式：冷凝方式：膜状冷凝膜状冷凝 凝液呈液膜状（附着力大于表面张力），热量：蒸汽相液膜表面固体壁面。滴状冷凝滴状冷凝 凝液结为小液滴（附着力小于表面张力），有裸露壁面，直接传递相变热。比较两种冷凝方式的表面传热系数比较两种冷凝方式的表面传热系数a滴状冷凝滴状冷凝 a膜状冷凝膜状冷凝，相差几倍到几十倍，但工业操作工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝(4.2)膜状冷凝表面传热系
38、数膜状冷凝表面传热系数 努塞尔方程的理论推导努塞尔方程的理论推导 研究：研究：垂直管外或壁面的膜状膜状冷凝；方法：方法：真实模型简化模型数学模型求解。膜状冷凝的真实过程膜状冷凝的真实过程 ax12340.943()rgL t努塞尔方程：2/)(wsmttt定性温度：膜温 特征尺寸：L（竖壁或圆管壁高度）1234sin0.943()rgL twsttt倾斜壁面：倾斜壁面：蒸气在斜壁上的冷凝sing 实验结果实验结果：实测值高于理论值（约20%）原因原因：液膜的波动、假设的不确切性(2)膜状冷凝传热膜系数的经验关联膜状冷凝传热膜系数的经验关联 垂直管外或壁面上的冷凝垂直管外或壁面上的冷凝 （a）液
39、膜层流液膜层流 1800eR12341.13()rgL t131.88eR实测：（b）液膜湍流液膜湍流 13230.4240.0077()()gLh tr或：0.40.0077eRneCR2000eR完全由实验获得 水平圆管外膜状冷凝说明：说明：此式计算值和实验结果基本一致。水平管冷凝表面传热系数水平管冷凝表面传热系数 （a）水平单管外冷凝水平单管外冷凝 理论计算：按倾斜壁对方位角做积分（0-1800）。123400.725()rgdt或：131.51eR)44Re(Mbqm其中，层流时层流时，水平管外膜状冷凝l例：常压空气在内径为25mm，长为2m的管内由20加热到100，空气的平均流速为1
40、5m/s，试求管壁对空气的对流传系数。解：空气的定性温度(20+100)/2=60，物性如下：=1.06kg/m3，=0.029W/mK，=2.0110-5Pas，Pr=0.696Re=du/=1978010000,l/d=8060=0.023Re0.8Pr0.4/d=63.1W/m2K 傅立叶定律傅立叶定律Review1t2tQQ对流传热对流传热4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径问题：对于一个小管路，如果要保温，包裹的保温材料是否越厚越好？保温层内表面温度保温层内表面温度t1,保温层外表面温度保温层外表面温度t2环境温度环境温度tf,保温层内外半径保温层内外半径ri,ro假设：传热
41、过程：保温层的热传导；保温层的热传导；保温层外壁与环境空气的对流传热保温层外壁与环境空气的对流传热条件：材料导热系数材料导热系数；传热面积传热面积2roL；对流传热系数对流传热系数；热损失：热损失：1f1fo12iotttt=r11RRln2 Lr2 r LQ 总推动力总热阻（a）导热热量：导热热量：121211ln2omitttttQbrRALr（b）对流传热热量：对流传热热量：20220212fftttQS tr L ttRr L 上两式求和上两式求和热损失：热损失：1f1fo12iotttt=r11RRln2 Lr2 r LQ 总推动力总热阻保温层热传导热阻保温层热传导热阻R1；外壁与空
42、气的对流传热热阻；外壁与空气的对流传热热阻R2对于上公式，判断对于上公式，判断r0变大对于变大对于Q的影响？的影响？Qrorcp224热损失：热损失：1f1fo12iotttt=r11RRln2 Lr2 r LQ 总推动力总热阻对ro求导，解得一个Q为最大值时的临界半径1f2oo2ooio112 L(tt)rrdQ0drln(r/r)1ro/r 习惯上以rc表示Q最大时的临界半径cc/or 2/rd 4.4 传热过程计算和换热器传热过程计算和换热器问题：1.特定的工艺需要多大的设备？2.现有的设备是否可以满足条件？设计计算：设计计算：根据生产要求的热负荷（换热器的传热量），确定换热器的传热面积
43、校核计算：校核计算：计算给定换热器的传热量、流体的流量或温度分类分类:1.按用途按用途-加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。2.按传热特征按传热特征 直接接触式：直接接触式：冷、热直接混合。蓄热式：蓄热式：4.4.1 换热器简介换热器简介间壁式：间壁式：冷、热两流体由金属壁隔开，不直接接触。热流体冷流体thtcth,wtc,w流体通过间壁的热交换冷流体热流体热流体冷流体 蓄热式换热器示意图 (1)夹套式换热器夹套式换热器 结构结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。优点：优点：结构简单。缺点：缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使釜内
44、液体受热均匀，可在釜内安 装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。加热蒸汽釜冷凝水物料物料搅拌器 夹 套 式 换 热 器4.4.1 换热器简介换热器简介thtcth,wtc,w(2)沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器 结构：结构：多以金属管子绕成，沉浸在容器内的液体中。优点：优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：缺点：由于容器比管子体积大得多,因此管外流体表面传热系数较小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。蛇蛇 管管 的的 形形 状状(3)喷淋式换热器喷淋式换热器 结构：结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式
45、冷却器。优点优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。缺点：缺点：喷淋不易均匀。直管水槽 喷 淋 式 冷 却 器（4）套管式换热器）套管式换热器 结构：结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。优点：优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。外管内管套 管 式 换 热 器（5）列管式换热器）列管式换热器列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。优点：优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热
46、效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。结构：结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。重点介绍：重点介绍：固定管板式 浮头式 U型管式。列管式换热器的结构列管式换热器的结构 结构：结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程壳程。管束的壁面即为传热面。管束结构结构示意壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵纵向向横横向向 单程：单程：流体在管内每通过管束一次 一管程；流体在管外每通过壳体一次
47、一壳程。多程：多程：多管程：多管程：封头内设置分程隔板 单管程多管程。多壳程：多壳程：相当于单壳程串联，传热面积。单管程固定管板换热器tc1tc2th1th2单管程单管程换热器管、壳程流体流动换热器管、壳程流体流动双管程换热器内的流体流动双管程换热器内的流体流动安装：安装：上下安装，常用；左右安装，排液不畅时采用。常用形式常用形式：弓形，圆盘形。折流挡板折流挡板作用：作用：提高壳程流体湍动程度(Re100 湍流),h0，强化传热。冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳体起支撑作用。代价：代价：壳体阻力，系统动力消耗。弓形弓形圆盘形圆盘形管板折流板单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图单壳程水平圆
48、缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程圆盘形折流板管壳式换热器结构示意图管板折流板单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动b）U形管式换热器形管式换热器特点：特点：具有温度补偿作用；管程不易清清洗。适用：适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。结构结构:U U型管换热器内的流体流动型管换热器内的流体流动4.6.2 列管式换热器的设计和选用列管式换热器的设计和选用 要求：要求：根据生产任务设计或选择合适的换热器 (计算传热面积，确定管、壳程数，管规格，管排布等）（1）列管式
49、换热器设计和选用应考虑的问题）列管式换热器设计和选用应考虑的问题 (a)选择流程选择流程 一般原则：不洁净或易结垢的液体 腐蚀性流体 压力高的流体 管程管程饱和蒸汽流量小而粘度大的流体表面传热系数大的流体需要冷却的流体壳程壳程(b)流速的选择流速的选择 流速影响表面传热系数和污垢的大小。流速 流体中颗粒沉积，甚至堵塞管路；流速 流体阻力增大。(c)流动方式的选择流动方式的选择 对于同样的进、出口条件，传热量相同，A逆o，影响影响K的主要因素是的主要因素是o oK11当当oi，影响影响K的主要因素是的主要因素是i iK11结论：1）当两个对流传热系数相差较大时，欲提高K，关键在于提高对流传热系数
50、较小一侧的2）当两个对流传热系数相差不大时，欲提高K，必须同时提高两侧的为提高K，必须减小起决定作用的热阻3）若污垢热阻为控制因素，欲提高K，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。1mmtQKA tKA无相变时：1221ttcmTTcmQpccphh 有相变时：mrQ T Tw tw t T1T2t1t2-称为总传热热阻KA1a).Q的计算的计算overall heat transfer rateT Tw tw t 以冷、热流体均为等温变化为例。221122111111AAbAtTAttAbtTATTQmwmwww T1T2t1t2TtTtT Tw tw t b).K的计算的计算（1 1）
