《掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法； 熟悉各种热交换设备的结构和特点； 掌握稳定综合传热过程的计算； 了解强化传热和热绝缘的措施 本章重点和难点.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法； 熟悉各种热交换设备的结构和特点； 掌握稳定综合传热过程的计算； 了解强化传热和热绝缘的措施 本章重点和难点.ppt（122页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；熟悉各种热交换设备的结构和特点；掌握稳定综合传热过程的计算；了解强化传热和热绝缘的措施。本章重点和难点 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、传热在食品工程中的应用一、传热在食品工程中的应用二、传热的基本方式二、传热的基本方式热传导热传导(conduction);(conduction);对流对流(convection);(convection);辐射辐射(radiation)(radiation)。食品加工过程
2、中的温度控制、灭菌过程以及各种单元操作食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及各种单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）对温度有一定的要求。（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）对温度有一定的要求。热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：热机理不同，传热的基本方式有三种：第一节第一节 概述概述物物体体各各部部分分之之间间不不发发生生相相对对位位移移，仅仅借借分分子子、原原子子和和自自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。1.1.热传导（又称导
3、热）（又称导热）2.2.热对流流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。流。热对流仅发生在流体中。热对流仅发生在流体中。强制对流：强制对流：因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。流流动动的的原原因因不不同同，对对流流传传热热的的规规律律也也不不同同。在在同同一一流流体体中中有有可能同时发生自然对流和强制对流。可能同时发生自然对流和强制对流。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流：由由于于流流体体各各处处的的温温度度不不同同而而引引起起的的密密度度
4、差差异异，致致使使流流体体产产生相对位移，这种对流称为自然对流。生相对位移，这种对流称为自然对流。3 3、热辐射射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所所有有物物体体都都能能将将热热以以电电磁磁波波的的形形式式发发射射出出去去，而而不不需需要要任任何何介质。介质。任任何何物物体体只只要要在在绝绝对对零零度度以以上上都都能能发发射射辐辐射射能能，但但是是只只有有在在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。实际上上，上上述述三三种种传热方方式式很很少少单独独出出现，而而往往往
5、往是是相相互互伴随着出伴随着出现的。的。温温度度场场(temperature field)：某某一一瞬瞬间间空空间间中中各各点点的的温温度度分布，称为温度场分布，称为温度场(temperaturefield)。式中：式中：t 温度；温度；x,y,z空间坐标；空间坐标；时间。时间。物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即 t=f(x，y，z，)(4-1)第二节第二节 热传导热传导一、一、傅立叶定律傅立叶定律1 1 温度温度场和温度梯度和温度梯度 一维温度场：一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。一维温度场的
6、温度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为：t=f(x,)(4-1a)等温面的特点等温面的特点：（1 1）等温面不能相交；）等温面不能相交；（2 2）沿等温面无热量传递。）沿等温面无热量传递。不稳定温度场：不稳定温度场：温度场内如果各点温度随时间而改变。温度场内如果各点温度随时间而改变。稳定温度场：稳定温度场：若温度不随时间而改变。若温度不随时间而改变。等温面：等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。注注意意：沿沿等等温温面面将将无无热热量量传传递递，而而沿沿和和等等温温面面相相交交的的任任何何方方向向，因因温温度度发发生生变变化化则则有有热热量
7、量的的传传递递。温温度度随随距距离离的的变变化化程程度以沿与等温面的垂直方向为最大。度以沿与等温面的垂直方向为最大。对对于于一一维维温温度度场场，等等温温面面x及及(x+x)的的温温度度分分别别为为t(x,)及及t(x+x,)，则两等温面之间的平均温度变化率为：，则两等温面之间的平均温度变化率为：温度梯度温度梯度:温温度度梯梯度度是是向向量量，其其方方向向垂垂直直于于等等温温面面，并并以以温温度度增增加加的的方方向为正。向为正。傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即热量与温度梯
8、度及垂直于热流方向的截面积成正比，即 导热系数表征物系数表征物质导热能力的大小，是物能力的大小，是物质的物理性的物理性质之之一，一，其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。式中式中Q单位时间传导的热量，简称传热速率，单位时间传导的热量，简称传热速率，wA导热面积，即垂直于热流方向的表面积，导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热系数导热系数(thermal conductivitythermal conductivity)，w/m.kw/m.k。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。2 2 傅立叶
9、定律傅立叶定律ndSQt+ttt-tt/n图图 温度梯度和傅立叶定律温度梯度和傅立叶定律如图所示：如图所示：平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为，壁面积为A A；壁的材质均匀，导热系数壁的材质均匀，导热系数不不随温度变化，视为常数；随温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面平壁的温度只沿着垂直于壁面的的x x轴方向变化，故等温面皆为垂轴方向变化，故等温面皆为垂直于直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。平壁侧面的温度平壁侧面的温度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。二、平壁的稳定热传导二、平壁的稳定热传导1 1 单层平壁的平壁的热传导t1t2btxdxQxQx+dx 式式中中t=tt=
10、t1 1-t-t2 2为为导导热热的的推推动动力力(driving driving forceforce)，而而R=b/AR=b/A则为导热的热阻则为导热的热阻(thermal resistancethermal resistance)。根据傅立叶定律根据傅立叶定律 分分离离积积分分变变量量后后积积分分，积积分分边边界界条条件件：当当x x=0=0时，t=t=t t1 1；x=bx=b时，时，t=tt=t2 2，平壁内的温度分布 不随t变化，tx成呈线形关系。若随t变化关系为：则tx呈抛物线关系。当随t变化时 如：1t1，2t2如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例假定各层壁的厚度分
11、别为假定各层壁的厚度分别为b b1 1，b b2 2，b b3 3，各层材质均匀，导热系，各层材质均匀，导热系数分别为数分别为1 1，2 2，3 3，皆视，皆视为常数；为常数；层与层之间接触良好，相互接层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于面亦皆为垂直于x x轴的平行平面。轴的平行平面。壁壁的的面面积积为为A A，在在稳稳定定导导热热过过程中，穿过各层的热量必相等。程中，穿过各层的热量必相等。2 2 多多层平壁的平壁的稳定定热传导 t1t2b1txb2b3t2t4t3第一层第一层第三层第三层第二层第二层对于稳定导热过程：对于稳定导热过程：Q
12、1=Q2=Q3=Q同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的一般公式为层的平壁，穿过各层热量的一般公式为式中式中i为为n层平壁的壁层序号。层平壁的壁层序号。各层的温差各层的温差t1t2t3t4312思考：厚度相同的三层平壁传热，温度分布如图所示，哪一层热阻最大，说明各层的大小排列。例例：某某冷冷库库外外壁壁内内、外外层层砖砖壁壁厚厚均均为为12cm12cm，中中间间夹夹层层厚厚10cm10cm，填填以以绝绝缘缘材材料料。砖砖墙墙的的热热导导率率为为0.70w/m0.70w/mk k，绝缘材材料料的的热导率率为0.04w/m0.04w/mk k，墙外外表表面面温温度度为1010 ，内内表
13、表面面为-5-5 ，试计算算进入入冷冷库的的热流流密密度度及及绝缘材材料料与与砖墙的的两两接接触触面面上上的的温温度。度。按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t3解解：根根据据题题意意，已已知知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5 ，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b2=0.10mb2=0.10m，1 1=3 3=0.70w/m0.70w/mk k，2 2=0.04w/m0.04w/mk k。按热流密度公式计算按热流密度公式计算q q：Qt2t1r1rr2drL如图所示：如图所示：设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r r1 1，内壁，内壁温度为温度为t t1
14、 1，外半径为，外半径为r r2 2，外，外壁温度为壁温度为t t2 2。温度只沿半径方向变化，温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半壁与平壁不同点是其面随半径而变化。径而变化。在在半半径径r r处处取取一一厚厚度度为为drdr的的薄薄层层，若若圆圆筒筒的的长长度度为为L L，则则半半 径径 为为 r r处处 的的 传传 热热 面面 积积 为为A=2rLA=2rL。3.圆筒壁热传导圆筒壁热传导将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积分并整理得根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为上式
15、也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即上两式相比较，可得上两式相比较，可得其中其中式中式中rm圆筒壁的对数平均半径，圆筒壁的对数平均半径，mAm圆筒壁的内、外表面对数平均面积，圆筒壁的内、外表面对数平均面积，m2当当A2/A12时，可认为时，可认为Am=（A1+A2）/2圆筒壁内的温度分布上限从改为tr成对数曲线变化(假设不随t变化)平壁：各处的Q和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。r1r2r3r4t1t2t3t4对对稳稳定定导导热热过过程程，单单位位时时间间内内由由多多层层壁壁所所传传导导的的热热量量，亦亦即即经过各单层壁
16、所传导的热量。经过各单层壁所传导的热量。如图所示：以三层圆筒壁为例。如图所示：以三层圆筒壁为例。假定各层壁厚分别为假定各层壁厚分别为b b1 1=r=r2 2-r r1 1，b b2 2=r=r3 3-r-r2 2，b b3 3=r=r4 4-r-r3 3；各层材料的导热系数各层材料的导热系数1 1，2 2，3 3皆视为常数；皆视为常数；层层与与层层之之间间接接触触良良好好，相相互互接接触触的的表表面面温温度度相相等等，各各等等温温面皆为同心圆柱面。面皆为同心圆柱面。2 2 多多层圆筒壁的筒壁的稳定定热传导 多多层圆筒壁的筒壁的热传导计算，可参照多算，可参照多层平壁。平壁。对于第一、二、三于第
17、一、二、三层圆筒壁有筒壁有根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得根据各层温度差之和等于总温度差的原则，整理上三式可得同理，对于同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为注注：对对于于圆圆筒筒壁壁的的稳稳定定热热传传导导，通通过过各各层层的的热热传传导导速速率率都都是是相同的，但是热通量却不相等。相同的，但是热通量却不相等。分分析析：当当r r1 1不不变变、r r0 0增增大大时时，热热阻阻R R1 1增增大大，R R2 2减减小小，因因此此有有可可能使总热阻（能使总热阻（R R1 1+R+R2 2）下降，导致热损失增大。）下降，导致热损失增
18、大。通通常常，热损失失随随着着保保温温层厚厚度度的的增增加加而而减减少少。对于于小小直直径径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，随随着着保保温温层厚厚度度的的增增加加，可可能能反而使反而使热损失增大。失增大。假假设保保温温层内内表表面面温温度度为t t1 1，环环境境温温度度为为t tf f，保保温温层层的的内内、外外半半径径分分别别为为r r1 1和和r r0 0，保保温温层层的的导导热热系系数数为为，保保温温层层外外壁壁与与空空气之间的对流传热系数为气之间的对流传热系数为。热损失为：热损失为：保温层的临界直径保温层的临界直径上式对上式对r r0 0求导，可求出当求导，可
19、求出当Q Q最大时的临界半径，即最大时的临界半径，即解得解得r0=/当保温层的外径当保温层的外径d do o 2 2/时，增加保温层的厚度才使热损失时，增加保温层的厚度才使热损失减少。减少。对对管管径径较较小小的的管管路路包包扎扎较较大大的的保保温温材材料料时时，要要核核算算d d0 0是是否否小小于于d dc c。所以，临界半径为所以，临界半径为rc=/或或dc=2/例例在在一一 603.5mm的的钢钢管管外外层层包包有有两两层层绝绝热热材材料料，里里层层为为40mm的的氧氧化化镁镁粉粉，平平均均导导热热系系数数=0.07W/m，外外层层为为20mm的的石石棉棉层层，其其平平均均导导热热系系
20、数数=0.15W/m。现现用用热热电电偶偶测测得得管管内内壁壁温温度度为为500，最最外外层层表表面面温温度度为为80，管管壁壁的的导导热热系系数数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m保温层界面温度保温层界面温度t3解得解得t3=131.2对对流流传传热热：是是在在流流体体流流动动进进程程中中发发生生的的热热量量传传递递现现象象
21、，它它是是依依靠靠流流体体质质点点的的移移动动进进行行热热量量传传递递的的，与与流流体体的的流流动动情情况况密密切切相关。相关。当当流流体体作作层层流流流流动动时时，在在垂垂直直于于流流体体流流动动方方向向上上的的热热量量传传递递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。第三节第三节 对流传热对流传热一、对流传热的基本概念一、对流传热的基本概念传热过程传热过程高温流体高温流体湍流主体湍流主体壁面两侧壁面两侧层流底层层流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍流主体湍流主体对流传热对流传热温度分布均匀温度分布均匀p层流底层层流底层导热导热温度梯
22、度大温度梯度大p壁面壁面导热导热(导热系数较导热系数较流体大流体大)有温度梯度有温度梯度不同区域的不同区域的传热特性：传热特性：传传热热边边界界层层（thermal boundary layer）：温温度度边边界界层层。有有温温度度梯梯度度较较大大的的区区域域。传传热热的的热热阻阻即即主主要要几几种种在在此此层层中中。温度温度距离距离TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传热方向传热方向对流传热示意图对流传热示意图式中式中Q对流传热速率，对流传热速率，W；A传热面积，传热面积，m2t对流传热温度差，对
23、流传热温度差，t=T-TW或或t=t-tW，；T热流体平均温度，热流体平均温度，；TW与热流体接触的壁面温度，与热流体接触的壁面温度，；t冷流体的平均温度，冷流体的平均温度，；tW与冷流体接触的壁面温度，与冷流体接触的壁面温度，；h对流传热系数对流传热系数(heat transfer confficient)，W/m2K（或（或W/m2）。）。上式称为上式称为牛顿冷却定律牛顿冷却定律。简简化化处处理理：认认为为流流体体的的全全部部温温度度差差集集中中在在厚厚度度为为t的的有有效效膜膜内内，但但有有效效膜膜的的厚厚度度t又又难难以以测测定定，所所以以以以h代代替替/t 而而用用下下式式描述对流传
24、热的基本关系描述对流传热的基本关系 Q=hA（T-Tw）二、对流传热速率二、对流传热速率1流体的状态：流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相 变时对流流传热系数比无相系数比无相变化化时大的多；大的多；2流体的物理性质：流体的物理性质：影响较大的物性如密度影响较大的物性如密度、比热、比热cp、导热系数、导热系数、粘度、粘度等；等；3流体的运动状况：流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；层流、过渡流或湍流；4流体对流的状况：流体对流的状况：自然对流，强制对流；自然对流，强制对流；5传热表面的形状、位置及大小：传热表面的形状、位置及大小
25、：如管、板、管束、管径、管如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。三、三、影响对流传热系数的主要因素影响对流传热系数的主要因素无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：八八个个物物理理量量涉涉及及四四个个基基本本因因次次：质质量量M，长长度度M，长长度度L，时间时间T，温度，温度。通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即即四、对流传热中的因次分析四、对流传热中的因次分析准数符号及意义准数符号及意义准数名称准数名称准数名称准数
26、名称符号符号符号符号意义意义意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数努塞尔特准数努塞尔特准数（NusseltNusselt）Nu=hl/Nu=hl/表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数雷诺准数雷诺准数雷诺准数雷诺准数 （ReynoldsReynolds）Re=lu/Re=lu/确定流动状态的准数确定流动状态的准数确定流动状态的准数确定流动状态的准数普兰特准数普兰特准数普兰特准数普兰特准数 （PrandtlPrandtl）Pr=cPr=cp p/表示物性影响的准数表示物性影响的准数表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍
27、夫准数格拉斯霍夫准数（GrashofGrashof）Gr=gtlGr=gtl3 3 2 2/2 2 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数准准数数关关联联式式是是一一种种经经验验公公式式，在在利利用用关关联联式式求求对对流流传传热热系系数时，不能超出实验条件范围。数时，不能超出实验条件范围。在应用关联式时应注意以下几点：在应用关联式时应注意以下几点：1 1、应用范用范围2 2、特特性性尺尺寸寸无无因因次次准准数数Nu、Re等等中中所所包包含含的的传传热热面面尺尺寸寸称称为为特特征征尺尺寸寸。通通常常是是选选取取对对流流体体流流动动和和传传热热发
28、发生生主主要要影影响响的的尺尺寸作为特征尺寸。寸作为特征尺寸。3 3、定定性性温温度度流流体体在在对对流流传传热热过过程程中中温温度度是是变变化化的的。确确定定准准数数中中流流体体物物理理特特性性参参数数的的温温度度称称为为定定性性温温度度。一一般般定定性性温温度度有有三三种种取取法法：进进、出出口口流流体体的的平平均均温温度度，壁壁面面平平均均温温度度，流流体体和和壁面的平均温度（膜温）。壁面的平均温度（膜温）。4 4、准准数数是是一一个个无无因因次次数数群群，其其中中涉涉及及到到的的物物理理量量必必须用用统一一的的单位制度。位制度。Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值视热流方向而
29、定，当流体被加热时，值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.3。应用范围应用范围：Re10000，0.7Pr60。若。若L/di1000010000，0.70.7Pr16700Pr6060。特性尺寸特性尺寸 取管内径取管内径 定性温度定性温度 除除w w取壁温外，均为流体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均平均值。当液体被加热时当液体被加热时（/w）0.14=1.05当液体被冷却时当液体被冷却时（/w）0.14=0.95对于气体，不论加热或冷却皆取对于气体，不论加热或冷却皆取1。1.1.2 1.1.2 高粘度流体高粘度流体 例例：常常压压
30、下下，空空气气以以15m/s的的流流速速在在长长为为4m，603.5mm的的钢钢管管中中流流动动，温温度度由由150升升到到250。试试求求管管壁壁对对空空气气的的对对流流传热系数。传热系数。解：此题为空气在圆形直管内作强制对流解：此题为空气在圆形直管内作强制对流定性温度定性温度t=（150+250）/2=200查查200时空气的物性数据（附录）如下时空气的物性数据（附录）如下Cp=1.026103J/kg.=0.03928W/m.=26.010-6N.s/m2=0.746kg/m3Pr=0.68特性尺寸特性尺寸d=0.060-20.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.550R
31、e=du/=(0.053150.746)/(0.610-5)=2.28104104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.02610326.010-5)/0.03928=0.68W/m2本题中空气被加热本题中空气被加热,k=0.4代入代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4流流体体在在圆圆形形直直管管内内作作强强制制滞滞流流时时，应应考考虑虑自自然然对对流流及及热热流流方向对对流传热系数的影响。方向对对流传热系数的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：Nu=1.86Re1/3P
32、r1/3（di/L）1/3（/w）0.14应用范围：应用范围：Re2300，0.6Pr100。特性尺寸：取管内径特性尺寸：取管内径di定性温度：定性温度：除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。算术平均值。1.2 1.2 流体在流体在圆形直管内作形直管内作强制滞流制滞流当当自自然然对对流流的的影影响响不不能能忽忽略略时时，而而自自然然对对流流的的影影响响又又因因管管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。对水平管，按下式计算对水平管，按下式计算应用范围：应用范围：Re50；当管子较短，当管
33、子较短，l/d3000定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性温度：流体进、出口温度的平均值。定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。管排数为管排数为10，若不为，若不为10时，计算结果应校正。时，计算结果应校正。2 2 流体在管外强制对流流体在管外强制对流2.1 2.1 流体在管束外流体在管束外强制垂直流制垂直流动换换热热器器内内装装有有圆圆缺缺形形挡挡板板（缺缺口口面面积积为为25%的的壳壳体体内内截截面面积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：积）时，壳方流体的对流传热系数的关联式为：（1）多诺呼法）多诺呼法Nu=0.
34、23Re0.6Pr1/3（/w）0.14应用范围应用范围:Re=(23)104特性尺寸特性尺寸:取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度定性温度:除除w取壁温外，均为取壁温外，均为流体进、出口温度的算流体进、出口温度的算术平均值。术平均值。2.2 2.2 流体在换热器的管间流动流体在换热器的管间流动（2）凯恩法）凯恩法Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14注注：若若换换热热器器的的管管间间无无挡挡板板，管管外外流流体体沿沿管管束束平平行行流流动动，则则仍仍用用管管内内强强制制对对流流的的公公式式计计算算，只只须须将将公公
35、式式中中的的管管内内径径改改为为管管间间的当量直径。的当量直径。应用范围应用范围:Re=21031105特性尺寸特性尺寸:取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。取当量直径，管子排列不同，计算公式也不同。定性温度定性温度:除除w取壁温外，均为取壁温外，均为流体进、出口温度的算流体进、出口温度的算术平均值。术平均值。加热表面形状加热表面形状加热表面形状加热表面形状特征尺寸特征尺寸特征尺寸特征尺寸GGr rP Pr r 范范范范围围围围c cn n水平圆管水平圆管水平圆管水平圆管外径外径外径外径d d0 010104 410109 90.530.531/41/410109 9101012120.
36、130.131/31/3垂直管或板垂直管或板垂直管或板垂直管或板高度高度高度高度L L10104 410109 90.590.591/41/410109 9101012120.100.101/31/3Nu=c（GrPr）n定性温度定性温度:取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算术平均值。术平均值。式中的式中的c、n值见表值见表3 3 自然对流自然对流 蒸汽冷凝有蒸汽冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和和滴状冷凝滴状冷凝两种方式。两种方式。膜膜状状冷冷凝凝：由由于于冷冷凝凝液液能能润润湿湿壁壁面面，因因而而能能形形成成一一层层完完整整的膜。在整个冷凝过程中，
37、冷凝液膜是其主要热阻。的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。滴滴状状冷冷凝凝：若若冷冷凝凝液液不不能能润润湿湿避避免免，由由于于表表面面张张力力的的作作用用，冷冷凝凝液液在在壁壁面面上上形形成成许许多多液液滴滴，并并沿沿壁壁面面落落下下，此此中中冷冷凝称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。凝称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。二、流体有相变时的对流传热系数二、流体有相变时的对流传热系数1 1 蒸汽冷凝蒸汽冷凝时的的对流流传热系数系数1.1.1在垂直管或垂直板上作膜状冷凝
38、在垂直管或垂直板上作膜状冷凝1.1.2水平管壁上作膜状冷凝水平管壁上作膜状冷凝式中式中 l垂直板或管的高度垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、导热系数、粘度冷凝液的密度、导热系数、粘度 r饱和蒸汽的冷凝潜热饱和蒸汽的冷凝潜热 t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d管子外径管子外径n管束在垂直面上的列数管束在垂直面上的列数1.1 1.1 膜状冷凝膜状冷凝时对流流传热系数系数不凝性气体的影响不凝性气体的影响在在蒸蒸汽汽冷冷凝凝时时不不凝凝性性气气体体在在液液膜膜表表面面形形成成一一层层气气膜膜，使使传传热热阻力加大，冷凝对流传热系数降低阻力加大，冷凝对流传热系数降低。蒸汽流速
39、和流向的影响蒸汽流速和流向的影响冷却壁面的高度及布置方式冷却壁面的高度及布置方式流体物性流体物性影响冷凝传热的因素：影响冷凝传热的因素：对对液液体体对对流流加加热热时时，在在液液相相内内部部伴伴有有由由液液相相变变成成气气相相的的过程称为过程称为沸腾沸腾。工业上沸腾的方法有两种：工业上沸腾的方法有两种：(1)管内沸腾管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。：液体在管内流动时受热沸腾。(2)大大溶溶积积沸沸腾腾（池池内内沸沸腾腾）：加加热热壁壁面面浸浸没没在在液液体体中，液体在壁面受热沸腾。中，液体在壁面受热沸腾。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸
40、发器、蒸汽锅炉等。2 2 液体沸液体沸腾时的的对流流传热系数系数2.12.1沸腾传热的特点沸腾传热的特点温度差温度差tqABCD 线线 q线线液液体体沸沸腾腾传传热热过过程程的的推推动动力力是是加加热热面面温温度度和和液液体体饱饱和和温温度度之之差差。在在大大空空间间内内沸沸腾腾时时，随随着着此此温温度度差差的的不不同同，过过程程中中的对流传热系数的对流传热系数和热流密度和热流密度q都发生变化。都发生变化。2.2 2.2 液体的沸液体的沸腾过程程根根据据传传热热温温差差的的变变化化，可可将将液液体体沸沸腾腾传传热热过过程程分分为为以以下下四个阶段：四个阶段：(1)自然对流阶段自然对流阶段如如A
41、B段段所所示示，温温差差小小，无无明明显显沸沸腾腾现现象象。此此阶阶段段和和q均均很小，且随着温差增大而缓慢增加。很小，且随着温差增大而缓慢增加。(2)泡核沸腾阶段泡核沸腾阶段如如BC段段所所示示，由由于于气气泡泡运运动动所所产产生生的的对对流流和和扰扰动动作作用用，此此阶阶段段和和q均均随随着着温温差差增增大大而而迅迅速速增增加加。温温差差越越大大，汽汽化化核核心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。2.3 2.3 影响沸影响沸腾传热的因素的因素（1）温温度度差差：温温度度差差是是控控制制沸沸腾腾传传热热的的重重要要参参数数，应应尽尽量量在在核状沸腾阶段操
42、作。核状沸腾阶段操作。（2）操操作作压压力力：提提高高操操作作压压力力可可提提高高液液体体的的饱饱和和温温度度，从从而而使使液液体体的的粘粘度度及及表表面面张张力力均均下下降降，有有利利于于气气泡泡的的生生成成与与脱脱离离壁壁面，其结果是强化了对流传热过程。面，其结果是强化了对流传热过程。（3）流流体体物物性性：气气泡泡离离开开表表面面的的快快慢慢与与液液体体对对金金属属表表面面的的浸浸润润能能力力及及液液体体的的表表面面张张力力的的大大小小有有关关，表表面面张张力力小小，润润湿湿能能力力大大的的液液体体，形形成成的的气气泡泡易易脱脱离离表表面面，对对沸沸腾腾传传热热有有利利。此此外外、等也有
43、影响。等也有影响。（4）加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。）加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。2.4 2.4 沸沸腾对流流传热系数的系数的计算算对对流流传传热热计计算算公公式式有有两两种种类类型型：准准数数关关系系式式和和纯纯经经验验公公式。在应用这些方程时应注意以下几点：式。在应用这些方程时应注意以下几点：1、首首先先分分析析所所处处理理的的问问题题是是属属于于哪哪一一类类，如如：是是强强制制对对流流或是自然对流，是否有相变等。或是自然对流，是否有相变等。2、选选定定响响应应的的对对流流传传热热系系数数计计算算式式，特特别别应应注注意意的的是是所所选选用的公式的使用条件。用的
44、公式的使用条件。3、当当流流体体的的流流动动类类型型不不能能确确定定时时，采采用用试试差差法法进进行行计计算算，再进行验证。再进行验证。4、计算公式中的各物性数据的单位。、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数小结对流传热系数小结传热计算主要有两种类型：传热计算主要有两种类型：设计计算设计计算根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。校核计算校核计算计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。第五节第五节 稳定传热的计算稳定传热的计算对间壁式换热器作能量恒算，在忽略热损失的情况下有对间壁式换热器作能量恒算，在
45、忽略热损失的情况下有上式即为换热器的热量恒算式。上式即为换热器的热量恒算式。式中式中Q换热器的热负荷，换热器的热负荷，kJ/h或或wW流体的质量流量，流体的质量流量，kg/hH单位质量流体的焓，单位质量流体的焓，kJ/kg下标下标c、h分别表示冷流体和热流体，下标分别表示冷流体和热流体，下标1和和2表示换热器的进口和出口。表示换热器的进口和出口。Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)一、能量恒算一、能量恒算若若换换热热器器中中两两流流体体无无相相变变时时，且且认认为为流流体体的的比比热热不不随随温温度而变，则有度而变，则有式中式中cp流体的平均比热，流体的平均比热，kJ/（kg）t
46、冷流体的温度，冷流体的温度，T热流体的温度，热流体的温度，Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)若换热器中的热流体若换热器中的热流体有相变有相变，如，如饱和蒸汽冷凝饱和蒸汽冷凝时，则有时，则有当当冷凝液的温度低于饱和温度冷凝液的温度低于饱和温度时，则有时，则有式式中中 Wh饱和蒸汽（热流体）的冷凝速率，饱和蒸汽（热流体）的冷凝速率，kg/hr饱和蒸汽的冷凝潜热，饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kgQ=Whr=Wccpc(t2-t1)注注：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。：上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。Q=Whr+cph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)
47、式中式中cph冷凝液的比热，冷凝液的比热，kJ/（kg）Ts冷凝液的饱和温度，冷凝液的饱和温度，通通过过换换热热器器中中任任一一微微元元面面积积dS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程（仿对流传热速率方程）为方程（仿对流传热速率方程）为dQ=K(T-t)dS=KtdS式中式中K局部总传热系数，局部总传热系数，w/（m2）T换热器的任一截面上热流体的平均温度，换热器的任一截面上热流体的平均温度，t换热器的任一截面上冷流体的平均温度，换热器的任一截面上冷流体的平均温度，上式称为上式称为总传热速率方程总传热速率方程。二、总传热速率方程二、总传热速率方程1 1 总传热速率微分方程速率微
48、分方程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，选选择择的的传传热面积不同，总传热系数的数值也不同。热面积不同，总传热系数的数值也不同。dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm式中式中Ki、Ko、Km基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积的总传热系数，的总传热系数，w/（m2）Si、So、Sm换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积，换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积，m2注：在工程大多以外表面积为基准。注：在工程大多以外表面积为基准。对对于于管管式式换换热热器器，假假定定管管内内
49、作作为为加加热热侧侧，管管外外为为冷冷却却侧侧，则通过任一微元面积则通过任一微元面积dS的传热由三步过程构成。的传热由三步过程构成。由热流体传给管壁由热流体传给管壁dQ=hi(T-Tw)dSi由管壁传给冷流体由管壁传给冷流体dQ=ho(tw-t)dSo通过管壁的热传导通过管壁的热传导dQ=(/b)(Tw-tw)dSm由上三式可得由上三式可得2 2 总传热系数系数2.1 2.1 总传热系数的系数的计算式算式由由于于dQ及及（T-t）两两者者与与选选择择的的基基准准面面积积无无关关，则则根根据据总总传热速率微分方程，有传热速率微分方程，有所以所以总传热系数（以外表面为基准）为总传热系数（以外表面为
50、基准）为同理同理总传热系数表示成热阻形式为总传热系数表示成热阻形式为在在计计算算总总传传热热系系数数K时时，污污垢垢热热阻阻一一般般不不能能忽忽视视，若若管管壁壁内、外侧表面上的热阻分别为内、外侧表面上的热阻分别为Rsi及及Rso时，则有时，则有当传热面为平壁或薄管壁时，当传热面为平壁或薄管壁时，di、do、dm近似相等，则有近似相等，则有2.2 2.2 污垢垢热阻阻当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，则可简化为若若oi，则有，则有总总热热阻阻是是由由热热阻阻大大的的那那一一侧侧的的对对流流传传热热所所控控制制，即即当当两两个个对对流流传传热热系系数数相相差差