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1、化工流体流动与传热 对流传热概述1第1页，本讲稿共47页 流流体体流流过过固固体体壁壁面面(流流体体温温度度与与壁壁面面温温度度不不同同)时时的的传热过程称为对流传热。传热过程称为对流传热。流流体体无无相相变变的的对对流传热流传热强制对流传热强制对流传热自然对流传热自然对流传热流流体体有有相相变变的的对流传热对流传热蒸气冷凝蒸气冷凝液体沸腾液体沸腾 4.3 对流传热概述对流传热概述 根据流体在传热过程中的状态：根据流体在传热过程中的状态：2第2页，本讲稿共47页 4.3 对流传热概述对流传热概述1.对流传热速率方程对流传热速率方程4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流
2、传热系数3第3页，本讲稿共47页 对对流流传传热热是是一一复复杂杂的的传传热热过过程程，影影响响对对流流传传热热速速率率的的因因素素很很多多，而而且且不不同同的的对对流流传传热热情情况况又又有有差差别别，因因此此对对流流传传热热的的理理论论计计算算是是很很困困难难的的，目目前前工工程程上上仍仍按下述的半经验方法处理。按下述的半经验方法处理。1.对流传热速率方程对流传热速率方程对流传热速率对流传热速率=对流传热推动力对流传热推动力/对流传热阻力对流传热阻力 =系数系数推动力推动力4第4页，本讲稿共47页对流传热速率可由牛顿冷却定律描述对流传热速率可由牛顿冷却定律描述 温度差温度差局部对流局部对流
3、传热系数传热系数微分对流微分对流传热通量传热通量1.对流传热速率方程对流传热速率方程5第5页，本讲稿共47页 换换热热器器的的传传热热面面积积有有不不同同的的表表示示方方法法，可可以以是是管管内内侧侧或或管管外外侧侧表表面面积积。例例如如，若若热热流流体体在在换换热热器器的的管管内内流流动动，冷冷流流体体在在管管间间(环环隙隙)流流动动，则则对对流传热速率方程式可分别表示为流传热速率方程式可分别表示为1.对流传热速率方程对流传热速率方程6第6页，本讲稿共47页 4.3 对流传热概述对流传热概述1.对流传热速率方程对流传热速率方程4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传
4、热系数2.对流传热系数对流传热系数7第7页，本讲稿共47页2.对流传热系数对流传热系数 牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即 对对流流传传热热系系数数在在数数值值上上等等于于单单位位温温度度差差下下、单单位位传传热热面面积积的的对对流流传传热热速速率率，其其单单位位为为W/(m2)。它它反反映映了了对对流流传传热热的的快快慢慢，愈愈大大表表示示对对流流传传热热愈愈快快。表表4-5列出了几种对流传热情况下列出了几种对流传热情况下的数值范围。的数值范围。8第8页，本讲稿共47页 4.3 对流传热概述对流传热概述4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数对
5、流传热速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介对流传热机理简介1.对流传热分析对流传热分析9第9页，本讲稿共47页 对对流流传传热热是是借借流流体体质质点点的的移移动动和和混混合合而而完完成成的的，因因此此对对流流传传热热与与流流体体流动状况密切相关。流动状况密切相关。对流传热对流传热图图4-13 对流传热的温度分布情况对流传热的温度分布情况1.对流传热分析对流传热分析10第10页，本讲稿共47页 当当流流体体流流过过固固体体壁壁面面时时，由由于于流流体体黏黏性性的的作作用用，使使壁壁面面附附近近的的流流体体减减速速而而形形成成流流动动边边界界层层，边界层内存在速度梯度。边界层内存在
6、速度梯度。层流内层层流内层缓冲层缓冲层湍流核心湍流核心 湍流边界层湍流边界层传热方式传热方式热传导热传导热传导和涡流传热热传导和涡流传热涡流传热涡流传热1.对流传热分析对流传热分析11第11页，本讲稿共47页层流内层层流内层缓冲层缓冲层湍流核心湍流核心 湍流边界层湍流边界层温度梯度温度梯度 较大较大居中居中较小较小热阻热阻 较大较大居中居中较小较小1.对流传热分析对流传热分析12第12页，本讲稿共47页 对对流流传传热热是是集集热热对对流流和和热热传传导导于于一一体体的的综综合合现现象象。对对流流传传热热的的热热阻阻主主要要集集中中在在层层流流内内层层，因因此此，减减薄薄层层流流内层的厚度是强
7、化对流传热的主要途径。内层的厚度是强化对流传热的主要途径。1.对流传热分析对流传热分析13第13页，本讲稿共47页2.热边界层热边界层 靠靠近近壁壁面面的的存存在在温温度度梯梯度度的的薄薄流流体体层层定定义义为为热热边边界界层层。在在热热边边界界层层以以外外的的区区域域，流流体体的的温温度度基本上相同，即温度梯度可视为零。基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层热边界层14第14页，本讲稿共47页图图 4-14 平板上的热边界层平板上的热边界层o2.热边界层热边界层15第15页，本讲稿共47页 若若紧紧靠靠壁壁面面处处薄薄层层流流体体内内的的传传热热只只能能是是热热传传导导，则传热速率可用傅里
8、叶定律表示，即则传热速率可用傅里叶定律表示，即 紧靠壁面处紧靠壁面处薄层流体的薄层流体的温度梯度温度梯度2.热边界层热边界层16第16页，本讲稿共47页 根根据据牛牛顿顿冷冷却却定定律律，流流体体和和壁壁面面间间的的对对流流传传热热速率方程为速率方程为换热器任一截面上换热器任一截面上与热流体相接触一与热流体相接触一侧的壁温侧的壁温 换热器任一截换热器任一截面上热流体的面上热流体的平均温度平均温度2.热边界层热边界层17第17页，本讲稿共47页因此有因此有 上上式式为为对对流流传传热热系系数数的的另另一一定定义义式式，该该式式表表明明，对对于于一一定定的的流流体体和和温温度度差差，只只要要知知道
9、道壁壁面面附附近近的的流流体体层的温度梯度，就可由该式求得层的温度梯度，就可由该式求得。热热边边界界层层的的厚厚薄薄影影响响层层内内的的温温度度分分布布，因因而而影影响响温温度度梯梯度度。当当边边界界层层内内、外外侧侧的的温温度度差差一一定定时时，热热边边界界层层愈愈薄薄，则则(d(dt t/d/dy y)w w愈愈大大，因因而而就就愈愈大大。反反之之，则则相相反。反。2.热边界层热边界层18第18页，本讲稿共47页 流流体体在在管管内内流流动动时时，热热边边界界层层的的发发展展过过程程也也和和流流动动边边界界层层相相似似。流流体体进进入入管管口口后后，边边界界层层开开始始沿沿管管长长而而增增
10、厚厚;在在距距管管入入口口一一定定距距离离处处，于于管管子子中中心心相相汇汇合合，边边界界层厚度即等于管子的半径，此时称为充分发展流动。层厚度即等于管子的半径，此时称为充分发展流动。流流体体在在管管内内传传热热时时，从从开开始始加加热热(或或冷冷却却)到到达达到基本稳定的这一段距离称为进口段。到基本稳定的这一段距离称为进口段。2.热边界层热边界层19第19页，本讲稿共47页 4.3 对流传热概述对流传热概述4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数对流传热速率方程和对流传热系数4.3.2 对流传热机理简介对流传热机理简介4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径20第20页，本讲稿共47页
11、通通常常，热热损损失失随随保保温温层层厚厚度度的的增增加加而而减减少少。但但是是在在小小直直径径圆圆管管外外包包扎扎性性能能不不良良的的保保温温材材料料，随随保保温温层层厚厚度度增增加加，可可能能反反而使热损失增大。而使热损失增大。4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径21第21页，本讲稿共47页式式中中R1为为保保温温层层的的热热传传导导热热阻阻，R2为为保保温温层层外外壁壁与与空空气的对流传热热阻。气的对流传热热阻。当当保保温温层层厚厚度度增增加加(即即ri不不变变，ro增增大大)时时，热热阻阻R1虽虽然然增增大大，但但是是热热阻阻R2反反而而下下降降，因因此此有有可可能能使使总热阻
12、总热阻(R1+R2)下降，导致热损失增大。下降，导致热损失增大。热损失可表示为热损失可表示为 4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径22第22页，本讲稿共47页解得一个解得一个Q为最大值时的临界半径为最大值时的临界半径整理得整理得4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径23第23页，本讲稿共47页习惯上以习惯上以rc表示表示Q最大时的临界半径，故最大时的临界半径，故或或dc为为保保温温层层的的临临界界直直径径。若若保保温温层层的的外外径径小小于于dc，则则增增加加保保温温层层的的厚厚度度反反而而使使热热损损失失增增大大。只只有有在在do2/下下，增加保温层的厚度才使热损失减少。增加保
13、温层的厚度才使热损失减少。4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径24第24页，本讲稿共47页图图4-15 保温层的临界直径保温层的临界直径dc4.3.3 保温层的临界直径保温层的临界直径25第25页，本讲稿共47页第第 4 章章 传热传热4.1 概述概述 4.2 热传导热传导 4.3 对流传热概述对流传热概述4.4 传热过程计算传热过程计算4.4.1 热量衡算热量衡算26第26页，本讲稿共47页 假假设设换换热热器器的的热热损损失失可可忽忽略略，则则单单位位时时间间内内热热流流体体放出的热量等于冷流体吸收的热量。放出的热量等于冷流体吸收的热量。对对于于换换热热器器的的微微元元面面积积d
14、dS S，其其热热量量衡衡算算式式可可表表示示为为对于整个换热器，其热量衡算式为对于整个换热器，其热量衡算式为热平衡方程热平衡方程27第27页，本讲稿共47页 若若换换热热器器中中两两流流体体无无相相变变化化，且且流流体体的的比比热热容容不不随随温度而变或可取平均温度下的比热容时温度而变或可取平均温度下的比热容时 若若换换热热器器中中的的热热流流体体有有相相变变化化，例例如如饱饱和和蒸蒸气气冷冷凝时凝时热平衡方程热平衡方程28第28页，本讲稿共47页当冷凝液的温度低于饱和温度时当冷凝液的温度低于饱和温度时热平衡方程热平衡方程29第29页，本讲稿共47页第第 4 章章 传热传热4.1 概述概述
15、4.2 热传导热传导 4.3 对流传热概述对流传热概述4.4 传热过程计算传热过程计算4.4.1 热量衡算热量衡算4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数总传热速率微分方程和总传热系数30第30页，本讲稿共47页 通通过过换换热热器器中中任任一一微微元元面面积积d dS S的的间间壁壁两两侧侧流流体体的的传传热热速速率率方方程程，可可以以仿仿照照对对流流传传热热速速率率方方程程写写出，即出，即1.1.总传热速率微分方程总传热速率微分方程31第31页，本讲稿共47页 总总传传热热系系数数必必须须和和所所选选择择的的传传热热面面积积相相对对应应，选选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。择的
16、传热面积不同，总传热系数的数值也不同。总传热速率微分方程总传热速率微分方程1.1.总传热速率微分方程总传热速率微分方程32第32页，本讲稿共47页显然有显然有 管内径管内径管外径管外径平均管径平均管径 工工程程上上大大多多以以外外表表面面积积为为基基准准，故故后后面面讨讨论论中中，除除非非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。1.1.总传热速率微分方程总传热速率微分方程33第33页，本讲稿共47页2.总传热系数总传热系数1.总传热系数的计算总传热系数的计算 总总传传热热系系数数(简简称称传传热热系系数数)K是是评评价价换换热热器器性性能能的的一一个个重
17、重要要参参数数，又又是是换换热热器器的的传传热热计计算算所所需需的的基基本本数数据。据。K的的数数值值与与流流体体的的物物性性、传传热热过过程程的的操操作作条条件件及及换换热热器器的的类类型型等等诸诸多多因因素素有有关关，因因此此K值值的的变变动动范范围围较大。较大。K值值的的来来源源：K值值的的计计算算；实实验验查查定定；经经验验数数据。据。34第34页，本讲稿共47页 两流体通过管壁的传热包括以下过程两流体通过管壁的传热包括以下过程:热流体在流动过程中将热量传给管壁的对热流体在流动过程中将热量传给管壁的对 流传热；流传热；通过管壁的热传导；通过管壁的热传导；管壁与流动中的冷流体之间的对流传
18、热。管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。2.总传热系数总传热系数35第35页，本讲稿共47页 对对稳稳态态传传热热过过程程，各各串串联联环环节节的的传传热热速速率率必必然然相相等等，即即 或或2.总传热系数总传热系数36第36页，本讲稿共47页移项后相加，得移项后相加，得上式两边均除以上式两边均除以，并利用，并利用，得，得2.总传热系数总传热系数37第37页，本讲稿共47页比较比较 2.总传热系数总传热系数38第38页，本讲稿共47页基于管内表面积的基于管内表面积的局部总传热系数局部总传热系数 基于平均表面积的基于平均表面积的局部总传热系数局部总传热系数 基于管外表面积的基于管外表面积的局部总
19、传热系数局部总传热系数 得得2.总传热系数总传热系数39第39页，本讲稿共47页设计中应考虑污垢热阻的影响，即设计中应考虑污垢热阻的影响，即 管壁外表面管壁外表面污垢热阻污垢热阻管壁内表面污管壁内表面污垢热阻垢热阻总传热系数计算式总传热系数计算式某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。污垢热阻污垢热阻(又称污垢系数又称污垢系数)2.总传热系数总传热系数40第40页，本讲稿共47页提高总传热系数途径的分析提高总传热系数途径的分析 总热阻总热阻=管内热阻管内热阻+管内垢阻管内垢阻+壁阻壁阻+管外垢阻管外垢阻+管外热阻管外热阻壁阻壁阻总热阻总热阻管内管内热阻热
20、阻管内管内垢阻垢阻管外管外垢阻垢阻管外管外热阻热阻2.总传热系数总传热系数41第41页，本讲稿共47页若传热面为平壁或薄管壁，则若传热面为平壁或薄管壁，则 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 若若管壁外侧对流传热控制管壁外侧对流传热控制，则，则2.总传热系数总传热系数42第42页，本讲稿共47页管壁内侧对流传热控制管壁内侧对流传热控制若若管壁内、外侧对流传热控制管壁内、外侧对流传热控制相当相当若若管管壁壁两两侧侧对对流流传传热热热热阻阻很很小小，而而污垢热阻很大污垢热阻很大污垢热阻控制污垢热阻控制若若，则，则2.总传热系数总传热系数43第43页，本讲稿共47页 欲欲提
21、提高高K值值，强强化化传传热热，最最有有效效的的办办法法是是减减小小控制热阻。控制热阻。K值总是接近且永远小于值总是接近且永远小于 中的小者。中的小者。当当 两两 侧侧 对对 流流 传传 热热 系系 数数 相相 差差 较较 大大 时时，K近近 似似 等等 于于 中小者。中小者。2.总传热系数总传热系数44第44页，本讲稿共47页2.K的实验查定的实验查定 对对现现有有的的换换热热器器，通通过过实实验验测测取取有有关关的的数数据据，如如流流体体的的流流量量和和温温度度等等，然然后后用用总总传传热热速速率率方方程程式式计计算算得得到到K值。值。实实测测的的K值值不不仅仅可可以以为为换换热热器器的的
22、设设计计提提供供依依据据，而而且且可可以以了了解解换换热热器器的的性性能能，从从而而寻寻求求提提高高设设备备传传热热能能力力的的途径。途径。2.总传热系数总传热系数45第45页，本讲稿共47页3.总传热系数的经验值总传热系数的经验值 某某些些情情况况下下管管壳壳式式换换热热器器的的总总传传热热系系数数K的的经经验验值值列于表列于表4-6。从从表表4-6可可看看出出，通通常常经经验验值值的的范范围围较较大大，设设计计时时可可根根据据实实际际情情况况选选取取中中间间的的某某一一数数值值。若若为为降降低低操操作作费费，可可选选较较小小的的K值值；若若为为降降低低设设备备费费，可可选较大的选较大的K值。值。2.总传热系数总传热系数46第46页，本讲稿共47页练练 习习 题题 目目思考题思考题1.牛顿冷却定律的形式及其物理意义；牛顿冷却定律的形式及其物理意义；2.对流传热系数的物理意义；对流传热系数的物理意义；3.热边界层的概念及其对于传热的影响；热边界层的概念及其对于传热的影响；4.保温层临近直径的概念。保温层临近直径的概念。47第47页，本讲稿共47页