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1、2022-7-62 传热：温差导致的能量传递过程，又称热传递传热：温差导致的能量传递过程，又称热传递。一、传热过程的应用一、传热过程的应用 1 1、化学反应过程加热与冷却、化学反应过程加热与冷却 化工生产的核心：化学反应，多数化学反应都有化工生产的核心：化学反应，多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应：例如：氨合成反应：470470520520；氨氧化法制备硝酸过；氨氧化法制备硝酸过程程800800。原料加热原料加热2022-7-69 物体（固体、液体和气体）都能将物体（固体、液体和气体）都能将热能以热能以电磁波形式发射电磁波形式发射出去，
2、而出去，而不需任何介质。不需任何介质。1 1、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能、热辐射不仅产生能量的传递，而且伴随着能量的转换。量的转换。2 2、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结、辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。果。3 3、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射、任何物体只要在绝对零度以上都能发生辐射能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热能，但是只有物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。才成为最主要的传热方式。高温物体高温物体辐射能辐射能低温物体低温物体2022-7-6三、工业换热器三、工业换热器1 1、混合式换热器、混合式换热器特点：特点：是依靠热流
3、体和冷流体直是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。接接触和混合过程实现的。优点：传热速度快、效率高，设优点：传热速度快、效率高，设备简单，是工业换热器的首选类备简单，是工业换热器的首选类型。型。典型设备：如凉水塔、喷洒式冷典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合式冷凝器却塔、混合式冷凝器适用范围：无价值的蒸气冷凝，适用范围：无价值的蒸气冷凝，或其冷凝液不要求是纯粹的物料或其冷凝液不要求是纯粹的物料等，允许冷热两流体直接接触混等，允许冷热两流体直接接触混合的场合。合的场合。 废蒸气废蒸气冷水冷水热水2022-7-6112 2、间壁式换热器、间壁式换热器特点：冷热两种流体被一固体壁所隔开，在
4、换热特点：冷热两种流体被一固体壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过热量由热流体通过间壁传给冷流体间壁传给冷流体。以达到换热的目的。以达到换热的目的。优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。利用和回收便利。缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。典型设备：典型设备：列管式换热器、套管式换热器。列管式换热器、套管式换热器。适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。适用范围：不许直接混合的两种流体间的热交换。2022-7-6122022-7-6132022
5、-7-6143 3、中间载热体式换热器、中间载热体式换热器 原理：将两个间壁式换原理：将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体热器由在其中循环的载热体（称为热媒）连接起来，（称为热媒）连接起来，载载热体在高温流体换热器中从热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后，带至低热流体吸收热量后，带至低温流体换热器传给冷流体温流体换热器传给冷流体。如空调的制冷循环、太阳能如空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换热器等供热设备、热管式换热器等均属此类。此类换热过程广均属此类。此类换热过程广泛应用于核能工业、冷冻技泛应用于核能工业、冷冻技术及工厂余热利用中。术及工厂余热利用中。（热媒式换热器）（热媒式换热器
6、）2022-7-615换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方法和换换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方法和换热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介绍。热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介绍。2022-7-616四、传热速率和热通量四、传热速率和热通量1 1 、传热速率、传热速率Q Q(rate of heat transfer)(rate of heat transfer)（热流量（热流量rate of heat flowrate of heat flow） 单位时间内通过传热面的热量。单位：单位时间内通过传热面的热量。单位：W W2 2 、热通量、热通量q q (he
7、at flux) (heat flux)或热流密度或热流密度(density of heat flow rate)(density of heat flow rate) 单位时间内通过单位传热面积传递的热量。单位时间内通过单位传热面积传递的热量。 q=Q/Aq=Q/A2022-7-617 Q=KA Q=KA t tm m= =推动力推动力/ /热阻热阻 K-K-总传热系数总传热系数(overall heat (overall heat transfer coefficient)transfer coefficient)，单位：，单位：W/mW/m2 2.K.K。其。其大小决定于两流体的流动型态
8、，流体性质，设大小决定于两流体的流动型态，流体性质，设备尺寸大小。备尺寸大小。 t tm m-推动力，冷热流体的平均温差。推动力，冷热流体的平均温差。 五、稳态传热与非稳态传热五、稳态传热与非稳态传热六、两流体通过间壁的传热过程对流、导热、六、两流体通过间壁的传热过程对流、导热、对流对流七、传热速率方程式七、传热速率方程式应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径2022-7-618一、傅立叶定律一、傅立叶定律（一）导热的分类（一）导热的分类由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体内部的温度分布情况有关。
9、导热体内部在空间和时间内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间上的温度分布称为温度场。上的温度分布称为温度场。若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不稳定温度场。可用数学表达式表示为：稳定温度场。可用数学表达式表示为： t = f t = f ( (x, y, z, x, y, z, ) )2022-7-619 式中式中 t温度，温度，； x、y、z任一点的空间坐标；任一点的空间坐标； 时间，时间，s。 显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导热（又称非定态导热）。热（又称非定态导热）。 例如，从燃烧炉夹出的煤块，内
10、外温度随例如，从燃烧炉夹出的煤块，内外温度随时间变化，其导热速率也随时间变化。时间变化，其导热速率也随时间变化。 2022-7-620若温度场内各点的温度不随时间改变，则称为稳定温度若温度场内各点的温度不随时间改变，则称为稳定温度场。稳定温度场中的导热即为稳定导热（又称定态导场。稳定温度场中的导热即为稳定导热（又称定态导热）。可用数学表达式表示为：热）。可用数学表达式表示为：t = f t = f ( (x, y, zx, y, z) ) 稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等温面。 当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变化时，称为一当稳定温度场
11、中的温度只沿空间某一方向变化时，称为一维稳定温度场，此时的导热称为一维稳定导热。可用数学维稳定温度场，此时的导热称为一维稳定导热。可用数学表达式表示为：表达式表示为：t = f t = f ( (x x) )2022-7-621（二）傅立叶定律（二）傅立叶定律 傅立叶定律：导热体的导热速率与导热方傅立叶定律：导热体的导热速率与导热方向上温度的变化率和垂直于导热方向的导向上温度的变化率和垂直于导热方向的导热面积成正比。对一维稳定导热过程，傅热面积成正比。对一维稳定导热过程，傅立叶定律可表述为立叶定律可表述为dtQAdx 2022-7-622 若要将上式写成等式，则需引入一比例系数若要将上式写成等
12、式，则需引入一比例系数，即，即 式中式中 Q导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，导热速率，指导热体在单位时间内传递的热量，J/s或或W； 比例系数，称为导热系数，比例系数，称为导热系数，J/sm或或W/m； A导热面积，导热面积，m2。 上式即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表上式即为一维稳定导热过程的傅立叶定律的数学表达式，是一维稳定导热计算的基本公式。达式，是一维稳定导热计算的基本公式。 dtQAdx 2022-7-623Qd tAd x 定 义 式导热系数：导热系数：在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是在数值上等于单位温度梯度下的热通量。它是表表征物质导热性能的一个物性参数
13、征物质导热性能的一个物性参数， 越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。导热性能的大小与物质的组成、结构、温度及压强等有关。 物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值物质的导热系数通常由实验测定。各种物质的导热系数数值差别极大，一般而言，差别极大，一般而言，金属的导热系数最大金属的导热系数最大，非金属次之，非金属次之，而气体最小而气体最小。2022-7-6241 1气体的导热系数气体的导热系数 气体的导热系数最小气体的导热系数最小 随着温度的升高而增大随着温度的升高而增大；而在；而在相当大的压强范相当大的压强范围围内，气体的导热系
14、数随压强的变化很小，可内，气体的导热系数随压强的变化很小，可以以忽略不计忽略不计，只有当压强很高（大于，只有当压强很高（大于200MPa200MPa）或很低（小于或很低（小于2.7kPa2.7kPa）时，才应考虑压强的影）时，才应考虑压强的影响，此时导热系数随压强的升高而增大。响，此时导热系数随压强的升高而增大。 2022-7-6252 2液体的导热系数液体的导热系数 液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融的纯钠具有较高的导热系数，融的纯钠具有较高的导热系数，大多数金属液大多数金属液体的导热系数随温度的升高而降低体的导热系数随温度的升高而降低。在非金
15、属。在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，液体中，水的导热系数最大。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大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低而降低。通常纯液体的导热系数较其溶液的要。通常纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热系数基本上与大。液体的导热系数基本上与压强无关压强无关。 2022-7-6263 3固体的导热系数固体的导热系数 在所有固体中，金属的导热性能最好。在所有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的导大多数金属的导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增加而增大热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增加而增大，也即合金比纯金属的导热系数
16、要低。也即合金比纯金属的导热系数要低。 非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程度及温度有关度有关。大多数非金属固体的导热系数随密度增加而增。大多数非金属固体的导热系数随密度增加而增大；在密度一定的前提下，其导热系数与温度呈线性关大；在密度一定的前提下，其导热系数与温度呈线性关系，随温度升高而增大。系，随温度升高而增大。 注意：注意：在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变在导热过程中导热体内的温度沿传热方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程计算中，为简便起化，其导热系数也在变化，但在工程计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。见通常使用
17、平均导热系数。 2022-7-627三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳态热传导 1、单层平壁导热、单层平壁导热 如图如图4-8所示，所示，Ab，壁内，壁内温度只沿垂直于壁面的温度只沿垂直于壁面的x方向方向发生变化，即所有等温面是发生变化，即所有等温面是垂直于垂直于x轴的平面，且壁面的轴的平面，且壁面的温度不随时间变化，显然为温度不随时间变化，显然为稳态一维导热。稳态一维导热。t1t2b2022-7-628由傅立叶定律由傅立叶定律 d tQAd x 210tbtQd td xA 12()AttQb12()tttQbRA导 热 推 动 力导 热 热 阻Qt1t2b2022-7-6292 2、多层平壁
18、热传导、多层平壁热传导 在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热在稳定传热时，通过上述串联平壁的导热速率都是相等的。即速率都是相等的。即 233412123123()()()ttttttQbbbAAA根据等比定律则有根据等比定律则有14312123()tttQbbbRAAA总推动力总热阻b1b2b3Qtt1t2t3t4x2022-7-630 化简得化简得 若由三层平壁导热向若由三层平壁导热向n层平壁推广，其导热层平壁推广，其导热速率方程式则为：速率方程式则为： 式中下标式中下标i为平壁的序号。为平壁的序号。 注意注意t t壁面两侧的温度之差壁面两侧的温度之差14312123()A ttQbbb11
19、1()nniiiA ttQb2022-7-631四、圆筒壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导1、单层圆筒壁导热、单层圆筒壁导热 化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导化工生产中的导热问题大多是圆筒壁中的导热问题。它与平壁导热的不同之处在于：热问题。它与平壁导热的不同之处在于： 温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为温度随半径而变；此时傅立叶定律应改写为 圆筒壁的导热面积随半径而变，圆筒壁的导热面积随半径而变，A2rL。 dtQAdr 2022-7-632 如图所示，由傅立叶定如图所示，由傅立叶定律有：律有：(2)dtQrLdr 2022-7-633 将上式分离变量，并根据边界条件积分。即：将上
20、式分离变量，并根据边界条件积分。即： 积分得：积分得： 式中式中 即为圆筒壁的导热热阻。即为圆筒壁的导热热阻。 上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式，该上式即为单层圆筒壁的导热速率方程式，该式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。算式的形式。 22112rtrtdrQLdtr 121222112()ln()ln2LtttttQrr rRrL 21ln()2r rRL 2022-7-6342、多层圆筒壁导热计算、多层圆筒壁导热计算1111312111223311112()1lnnnnniimmmnmniminniiiitttttQbbbbbRAAAA
21、AL ttQrr也可写为：与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：程可以表示为：2022-7-635【例4-1】在一603.5mm的钢管外包有两层绝热材料,里层为40mm的氧化镁粉,平均导热系数=0.07W. m-1K-1,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数=0.15 W. m-1K-1 .现用热电偶测得管内壁的温度为500,最外层表面温度为80,管壁的导热系数=45 W. m-1K-1 .试求每米管长的热损失及保温层界面的温度.(类似P139:例4-4)解(a)每米管长的热损失 1413241122332111lnlnlntt
22、qrrrrrr此处， 120.0530.02650.02650.00350.032rmr，340.03 0.040.070.070.020.09rmrm，2022-7-636112 3.14 (500 80)19110.0310.0710.09lnlnln45 0.0265 0.07 0.03 0.15 0.07qWm2022-7-637【例4-2】某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100 mm，其导热系数分别为0.9 W/（）及0.7 W/（）。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700, 外表面温度为130。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40
23、mm, 导热系数为0.06 W/（）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740, 外表面温度为90。设两层材料的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？ 解：设单位面积炉壁的热损失为q（q = Q/A），加保温层前，是双层平壁的热传导 2022-7-638加保温层后，是三层平壁的热传导 热损失减少的百分数 （q1 q2）/q1 =（2240 - 707）/2240 = 68.4% 2022-7-639【例4-3】某冷库的墙壁由三层材料构成，内层为软木，厚15mm，导热系数0.043W/(m)，中层为石棉板，厚40mm,导热系数0.10W/ (m) ，外层为混凝土，厚
24、200mm,导热系数1.3W/ (m) ，测得内墙表面为-18，外墙表面温度为24，计算每平方米墙面的冷损失量；若将内、中层材料互换而厚度不变，冷损失量将如何变化。解 t1=18,t4=24,1=0.043W/(m),2=0.10W/(m),3=1.3W/ (m) 2143121231824465/0.0150.0400.200.0430.11.3ttqW mbbbA 2022-7-640t1 -18 ,t4= 24 ,1= 0.10W / ( m ) , 2= 0.043W/(m),3=1.3W/ (m) 214312123182434/0.0150.0400.200.10.0431.3tt
25、qW mbbbA 互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。互换材料后，由于导热热阻的增大，使得冷量损失减少。在使用多层材料保温时要注意热阻的分配在使用多层材料保温时要注意热阻的分配。保温时，导热系数小的放在里层好保温时，导热系数小的放在里层好 2022-7-641Problem 1 P198: Exercises no.4-4 and no.4-62022-7-642一、一、 对流传热的分析对流传热的分析1 1、滞流内层、滞流内层：无对流传热，传热方式仅是热传导。热阻：无对流传热，传热方式仅是热传导。热阻较大，温度梯度大。较大，温度梯度大。2 2、过度层、过度层：热传导和对流传热同时
26、起作用，热阻较小。：热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。3 3、湍流主体、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。无温度梯度。2022-7-6432022-7-644传热方向：垂直于流动方向。传热方向：垂直于流动方向。热流体：热流体：T经过渡区、层流底层降至壁面温度经过渡区、层流底层降至壁面温度Tw冷流体：冷流体：tw经层流底层、过渡区降至经层流底层、过渡区降至t对流传热：推动力对流传热：推动力:热流体一侧热流体一侧T-Tw，推动力，推动力:冷流体一侧冷流体一侧tw-t 假设把过渡区和湍流主体的传热阻力全部叠加到层流假设把过渡区和湍
27、流主体的传热阻力全部叠加到层流底层的热阻中，在靠近壁面处构成一层厚度为底层的热阻中，在靠近壁面处构成一层厚度为 的流体膜，的流体膜，称为有效膜（称为有效膜（effective film).假设膜内为层流流动，而膜假设膜内为层流流动，而膜外为湍流，即把所有热阻都集中在有效膜中。外为湍流，即把所有热阻都集中在有效膜中。-对流传对流传热的膜理论模型。热的膜理论模型。2022-7-645二、对流传热速率方程二、对流传热速率方程 ( (牛顿冷却定律牛顿冷却定律) ) 对流传热速率对流传热推动力对流传热速率对流传热推动力/ /阻力系数阻力系数推动力推动力Q= At-Q= At-对流传热速率方程，牛顿冷却公
28、式对流传热速率方程，牛顿冷却公式tt流体平均温度与壁面平均温度之差值流体平均温度与壁面平均温度之差值 对流传热系数对流传热系数 (convective heat-transfer (convective heat-transfer coefficient)coefficient)或膜系数或膜系数( film coefficient)W/m( film coefficient)W/m2 2，非，非物性常数物性常数 流体与壁面间的平均温度差为流体与壁面间的平均温度差为11，面积为，面积为1/m1/m2 2的热的热通量，对流传热系数越大，传热越剧烈。通量，对流传热系数越大，传热越剧烈。2022-7-
29、646对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响a a的的主要因素是：主要因素是：1.1.流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况气体气体 无相变无相变2.2.流体的物性流体的物性对对影响较大的流体物性有导热系数影响较大的流体物性有导热系数、粘度、粘度、比热、比热CpCp、密、密度度及对自然对流影响较大的体积膨胀系数及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。具体地：。具体地： 、Cp Cp 、 、 三、影响对流传热系数的因素三、影响对流传热
30、系数的因素2022-7-6473.3.流体的温度流体的温度流体温度对对流传热的影响表现在流体温度与壁面温度之差t，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。4.4.流体的流动状态流体的流动状态流体 呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，增大。流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故较湍流时小。即： 滞流湍流 5.5.流体流动的原因流体流动的原因自然对流：由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。强制对流：由于外来的作用，
31、迫使流体流动。自然对流10000 0.7Pr120 L/di60；1 ， Pr0.4Pr0.3，所以液体被加热时所以液体被加热时n=0.4，被冷确时取，被冷确时取n=0.3。 2022-7-659b、高粘度液体、高粘度液体Nu=(0.027 /d）Re0.8Pr0.33(w )0.14应用范围应用范围:Re10000,0.7Pr60特征尺寸取管内径特征尺寸取管内径d定性温度，除黏度定性温度，除黏度w取壁温外，其余均取液体进、出口温度取壁温外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。的算术平均值。:液体在主体平均温度下的粘度液体在主体平均温度下的粘度w：液体在壁温下的粘度：液体在壁温下的粘度其中（
32、其中（/w）0.14一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计算时，液体加热算时，液体加热(/w）0.14=1.05 ，液体被冷，液体被冷却时（却时（/w）0.14=0.952022-7-6602）流体在圆形直管内强制滞流）流体在圆形直管内强制滞流a.自然对流可以忽略自然对流可以忽略Nu=1.86Re0.33Pr0.33(di/L)0.33(/w)0.14应用范围：应用范围：Re60, RePrdi/L10特征尺寸：特征尺寸：为管内径为管内径定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值（定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值（ w 除除取壁温）取壁温）b.当
33、强制滞流不可忽列时见书当强制滞流不可忽列时见书p1452022-7-6613)流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态流体在圆形直管内作强制对流于过渡状态当当Re=230010000 先按湍流时计算然后再用式先按湍流时计算然后再用式1600000/Re1.8求出校正系数。求出校正系数。180012330.420.0077Regamb、 垂直管外冷凝垂直管外冷凝12341.13rgl tam冷凝液膜为层流，冷凝液膜为层流，Re1800使用范围及条件：使用范围及条件： 特征尺寸特征尺寸l 取管长或板高；取管长或板高； 冷凝比汽化热冷凝比汽化热r按饱和温度按饱和温度ts取；取； 其余物性按液膜平均温度其
34、余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取取2022-7-666冷凝液液膜沿壁面流动的冷凝液液膜沿壁面流动的Re表达式：表达式：计算步骤：计算步骤：假设为层流假设为层流计算计算ReRe 1800，12330.420.0077Regam12341.13rgl tameRed um44Sde流通截面积润湿周边2022-7-667冷凝液的质量流量冷凝液的质量流量q qm m=Su=Su , ,代入上式得：代入上式得：4Remqm蒸气冷凝放出的热量为：蒸气冷凝放出的热量为：Q=qQ=qm mr (ar (a）r-r-比汽化热，单位为比汽化热，单位为J/kgJ/kg蒸气向壁面的对流传热速率为：蒸气向
35、壁面的对流传热速率为：Q=a aA t=aal t （b）A-传热面积，传热面积，A= l ，l-壁面高度壁面高度 -润湿周边长度，润湿周边长度， t=为蒸气的饱和温度为蒸气的饱和温度ts与壁面温度与壁面温度tw之差，之差， t=ts-tw2022-7-668由由(a)式与（式与（b）式得：）式得：4Remmq rl tql trl traaam 或代入得：影响冷凝传热的因素：影响冷凝传热的因素：P P1511512022-7-6692、液体的沸腾、液体的沸腾大容器沸腾：将加热面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称大容器沸腾。管内沸腾：使液体在管内流动时受热沸腾，称管内沸腾。实验表明，大容器
36、内液体饱和沸腾的情况随温度差t=tw-ts而变。下面以常压下水在大容器中沸腾传热为例，分析沸腾温度差t对传热系数和热通量q的影响。临界点c：由泡状沸腾向膜状沸腾的转折点。 泡状沸腾膜状沸腾,因此应控制在泡状区域内,其它液体在不同压强下的沸腾曲线与水的相类似，仅临界点的数值不同。25C5C沸腾温差t C热通量热通量q传热系数传热系数自然对自然对流流泡状沸腾泡状沸腾膜状沸膜状沸腾腾2022-7-6703影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素 (1)液体物性液体物性 液体的导热系数、密度、粘度、表面张力等对沸腾传液体的导热系数、密度、粘度、表面张力等对沸腾传热都有影响。一般热都有影响。一般随随 、的增
37、大、的增大、和和的减少而增大。的减少而增大。(2)温度差温度差t 温差温差ttw-ts是影响沸腾传热的重要因素。在核状是影响沸腾传热的重要因素。在核状沸腾区：沸腾区：a(t)n。式中。式中a和和n是根据液体种类、操作压强和壁面是根据液体种类、操作压强和壁面性质而定的常数，一般性质而定的常数，一般n23。(3)操作压强操作压强 提高操作压强即相当于提高了液体的饱和温度，使液提高操作压强即相当于提高了液体的饱和温度，使液体的表面张力和粘度下降，有利于汽泡的形成和脱离，使沸腾传热体的表面张力和粘度下降，有利于汽泡的形成和脱离，使沸腾传热增强，在同样的增强，在同样的t下能得到更高的下能得到更高的。(4
38、)加热壁面加热壁面 加热面的材料不同，光洁度不同，则形成汽化核心的加热面的材料不同，光洁度不同，则形成汽化核心的条件不同，对沸腾传热有显著影响。通常新的清洁加热面条件不同，对沸腾传热有显著影响。通常新的清洁加热面较高，较高，当壁面被油脂沾污后，会使当壁面被油脂沾污后，会使h急剧下降；壁面愈粗糙，汽化核心愈急剧下降；壁面愈粗糙，汽化核心愈多，有利于沸腾传热。此外加热面的布置对沸腾传热也有明显影响，多，有利于沸腾传热。此外加热面的布置对沸腾传热也有明显影响，如在水平管束外沸腾时，其上升汽泡会覆盖上方管的一部分加热面，如在水平管束外沸腾时，其上升汽泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致管的平均导致管的平
39、均下降。下降。 2022-7-671值的大致范围一般情况下，值的大致范围如下：空气自然对流，525 W/m.K ；空气强制对流，30300 W/m.K ；水蒸汽冷凝，10008000 W/m.K ；水沸腾，150030000 W/m.K ； 2022-7-672六、应用准数关联式应注意的问题对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系是由实验确定的，在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题：1.应用范围关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。2.定性温度各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法：取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度取壁面平均温度t=(tw+Tw)/2
40、为定性温度取流体和壁面的平均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度壁温多为未知数，需用试差法，故工程上多用第一种方法3.特征尺寸无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。2022-7-673【例4-4】一套管换热器，管套为 893.5mm钢管，内管为252.5mm 钢管，管长为2m，环隙中为p=100kPa的饱和水蒸汽冷凝，冷却水在内管中流过，进口温度为15，出口为35。冷却水流速为0.4 m/s ，试求管壁对水的对流传热系数。解： 此题为水在圆形直管内流动 定性温度 Ct2523515查得25时水的物性
41、数据（见附录）如下： 3119974179mkgKkgJcpsPaKmW51121027.90108 .60m2022-7-674可按p143式(4-18)计算，水被加热， a4 . 0n校正系数 953. 088361061Re10618 . 158 . 15ffd4 . 08 . 0PrRe023. 0a953. 0)2 . 6()8836(02. 0608. 0023. 04 . 08 . 0121981KmW10002. 022 . 6108 .601027.904179Pr25dlcp，m88361027.909974 . 002. 0Re5mdu过渡流 2022-7-675【例4-
42、5】 空气以 4m/s 的流速通过一 75.53.75mm 的钢管，管长20m。空气入口温度为305K，出口温度为341K，试计算： 1）空气与管壁间的对流传热系数。2）如空气流速增加一倍，其它的条件均不变，对流传热系数又为多少？解：此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数，故首先判断流动类型，再选用对应关联式计算：2022-7-6762022-7-6772022-7-678Problem 2 P199: Exercises no.4-11 2022-7-679不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热速率方不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热速率方程式及程式
43、及 、K计算式求解的过程，即计算式求解的过程，即传热速率方程：传热速率方程：mQKA tQ-传热速率，传热速率，WK-总传热系数，总传热系数，W/(m2)A-传热面积，传热面积， m2 tm-两流体的平均温度差，两流体的平均温度差， 2022-7-680 一、热量衡算一、热量衡算换热器的热负荷计算：换热器的热负荷计算： 1、焓差法、焓差法：Q=qm热热(H1-H2)=qm冷冷(h2-h1)-焓值查附焓值查附录录 2、显热法、显热法：无相变化时：无相变化时 Q=qm热热cp1 (T1-T2)=qm冷冷cp2 (t2-t1) cp1,cp2-为热冷流体的平均定压比热容。为热冷流体的平均定压比热容。
44、 此法应用非常广泛。此法应用非常广泛。 Q=qmcpt 弄清弄清t的的含义。含义。 3、潜热法、潜热法：此法用于载热体在热交换中发生相的：此法用于载热体在热交换中发生相的变化变化 Q=qm热热r热热=qm冷冷r冷冷 4.冷凝液出口温度低于饱和温度冷凝液出口温度低于饱和温度ts时时 Q=qm冷冷r+cp2(ts-t1)2022-7-681二、传热平均温度差的计算二、传热平均温度差的计算 在间壁式换热器中，按照参加热交换的两种流体，在沿着换在间壁式换热器中，按照参加热交换的两种流体，在沿着换热器的传热面流动时，各点温度变化的情况，可将传热过程分为热器的传热面流动时，各点温度变化的情况，可将传热过程
45、分为恒温传热和变温传热两种。恒温传热和变温传热两种。(一一)恒温传热与变温传热恒温传热与变温传热1、恒温传热、恒温传热蒸发蒸发(溶液沸腾和蒸汽冷凝溶液沸腾和蒸汽冷凝)由于恒温传热时，冷热两种流体的温度都维持不变，所以两流体由于恒温传热时，冷热两种流体的温度都维持不变，所以两流体间的传热温度差亦为定值。即间的传热温度差亦为定值。即tm=T-t2、变温传热、变温传热:P155间壁一边流体变温而另一边流体恒温间壁一边流体变温而另一边流体恒温间壁两侧流体变温间壁两侧流体变温2022-7-682t1Tt2T1t2t1T2一侧流体变温：逆流与并流一样 2022-7-683逆流：参与热交换的两种流体在间壁的
46、两边分别以相反的方向运动。 并流：参与热交换的两种流体在间壁的两边以相同的方向流动。 错流：参加热交换的两种流体在间壁的两边，呈垂直方向流动称为错流。折流：参加热交换的两种流体在间壁两边，其中之一只沿一个方向流动，此称为简单折流，若两流体均作折流，或既有折流又有错流的称为复杂折流。2022-7-6842022-7-685并流逆流错流折流2022-7-686（二）平均温度差tm的计算2121lntttttm假设：1、热、冷流体的质量流量qm1与qm2均为常数；2、冷热流体的比热容cp1与cp2及总的传热系数K沿传热面均不变；3、不计换热器的热损失适用：1、两侧流体变温传热的逆流操作和并流操作2、
47、对一侧流体变温传热注意：把温差中较大者作为t1，较小者作为t22022-7-687以逆流为例导出计算平均温度差以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 = qm1cp1dT= qm2cp2dt 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
48、，Q = qm1cp1（T1- T2）= qm2cp2（t2- t1）2022-7-688 导出计算导出计算tm 的通式的通式1 p12p21 p12p2dd11ddd()d()mmmmQQTtTtQq cqcq cqc1 p12p2d11dmmtQq cq c1221122112()()ddTTttTtTttttKAtQQQQ （）211201ddtAttttAKtQ 2121121211lnlnttttttAAKtQKtQ 即2022-7-68911221lntttAKtQ 1212lnttQKAtt 令令12m12lnttttt 对数平均温度差，对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流对逆流
49、、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，。mQKA t传热基本方程式传热基本方程式2022-7-690（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 1221m1221lnTtTttTtTt（） （）并流：并流： t1 = T1- t1， t2= T2 t21122m1122lnTtTttTtTt（） （） 若若max(t1 , t2)/min (
50、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qm1逆逆 qm1并并； 结论：逆流比并流优越，故应尽可能采用逆流操作。但对结论：逆流比并流优越，故应尽可能采用逆流操作。但对热敏性物料的加热并流操作可避免出口温度热敏性物料的加热并流操作可避免出口温度t2过高而影响产品过高而影响产品质量。此外，传热的好坏，除质量。此外，传热的好坏，除tm的大小外，还应考虑影