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1、第二章第二章传热传热本章重点和难点本章重点和难点:掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法；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；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；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。了解强化传热和热绝缘的措施。2第一节第一节概述概述热量传递原因热量传递原因n物体内物体内或或系统内系统内存在存在温度差温度差。n热量从高温处向低温处的传递热量从高温处向低温处的传递.热力学热力学：研究物体的平衡状态，确定状态转变所需能量。研究物体的平衡状态，确定状态转变所需能量。传热学传热学：研究传热速率研究传热速率。T
2、1T223传热问题研究的两种情况传热问题研究的两种情况n强化传热强化传热如各种如各种换热设备换热设备中的传热；中的传热；n削弱传热削弱传热如对如对设备和管道的保温设备和管道的保温（冬天防寒衣）、（冬天防寒衣）、保冷保冷（夏天冰棒箱，冰块），以减少热（夏天冰棒箱，冰块），以减少热（冷）损失（冷）损失。34本章的研究内容本章的研究内容传热的基本原理及在化工中的应用；传热的基本原理及在化工中的应用；影响传热的因素影响传热的因素;控制传热速率的一般规律控制传热速率的一般规律;传热设备与保温方法传热设备与保温方法;学会能源的利用（节能）学会能源的利用（节能）45 5n能能源源、化化工工、动动力力、冶冶金
3、金机机械械及及建建筑筑等等工工业业部部门门中都涉及许多传热的问题中都涉及许多传热的问题n化化工工生生产产中中的的很很多多过过程程和和单单元元操操作作（如如蒸蒸馏馏、蒸蒸发、干燥、结晶等）发、干燥、结晶等）都需要进行加热或冷却都需要进行加热或冷却n化化学学反反应应通通常常要要在在一一定定的的温温度度下下进进行行，为为了了达达到到并并保保持持一一定定的的温温度度，就就需需要要向向反反应应器器输输入入或或从从它它输出热输出热n传传热热过过程程普普遍遍地地存存在在于于化化工工生生产产中中，且且具具有有极极其其重要的作用重要的作用传热在化学工程中的应用传热在化学工程中的应用6热量传递基本方式热量传递基本
4、方式热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根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：据传热机理不同，传热的基本方式有三种：n热传导热传导(conduction):直接接触的物体间n对流传热对流传热(convection):自然对流,强制对流n辐射传热辐射传热(radiation)n在实际传热过程中，上面三种基本形式可以单独存在、亦在实际传热过程中，上面三种基本形式可以单独存在、亦可以可以两、三种形式同时存在；或者某形式为主，其他可忽两、三种形式同时存在；或者某形式为主，其他可忽略略67热传导热传导(又称导热又称导热)n物体各部分之间不发生相
5、对位移，仅借分子、原子物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递和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。称为热传导。1、金属金属（优良导电（优良导电/热体）：靠热体）：靠自由电子自由电子运动；运动；2、不良导体（固）和大多数液体不良导体（固）和大多数液体：靠：靠晶格振动晶格振动（原子、（原子、分子在分子在其平衡位置附近的振动、碰撞等）；其平衡位置附近的振动、碰撞等）；3、气体气体：靠分子的：靠分子的不规则运动不规则运动和碰撞。和碰撞。n热传导一般在固体、静止或滞流流体中进行。热传导一般在固体、静止或滞流流体中进行。T1T278 8热
6、对流热对流n流流体体各各部部分分之之间间发发生生相相对对位位移移所所引引起起的的热热传传递递过过程程称称为为热热对流。对流。热对流仅发生在流体中。热对流仅发生在流体中。n对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程，传导对流传热：流体与固体壁面之间的传热过程，传导+对流。对流。n热对流的两种方式：热对流的两种方式：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。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差差异异，致致使使流流体体产产生生相相对对位位移，这种对流称为自然对流。移，这
7、种对流称为自然对流。n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可能同时发生自然对流和强制对流。有可能同时发生自然对流和强制对流。9对流传热对流传热Convectionl机理机理:流体的宏观位移流体的宏观位移.这种传递方式仅在流这种传递方式仅在流体中进行。体中进行。910分类：分类：1、自然对流：因温差引起流体流动；它由于流自然对流：因温差引起流体流动；它由于流体各部分温度的不均匀分布，造成体各部分温度的不均匀分布，造成密度的差异密度的差异，在在浮力浮力的作用下，流体发生相对流动，形成热的作用下，流体发生相对流动，形成热量的交换。此为自然
8、对量的交换。此为自然对 流。流。2 2、强制对流：人为促使流体流动（滞、湍）。、强制对流：人为促使流体流动（滞、湍）。101111热辐射热辐射n因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。n所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。n任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。12同时进行导热、对流传热及辐射传热同时进行导热、对流传热及辐射传热1213化工生产中的对流传热过程化工生产中的对流传热过程在化工生产中的对流传热过程，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递（包括了层流底层中的热传导）。131414传热过
9、程中热、冷流体热交换的方式传热过程中热、冷流体热交换的方式n直接接触式换热和混合换热器n蓄热式换热和蓄热器n间壁式换热和间壁式换热器1515典型的间壁式换热器典型的间壁式换热器换热器是实现传热过程的基本设备，简单介绍典型间壁式换热器：n流体与固体壁面传热称为对流传热过程n冷、热流体各在固体壁面的一侧，热流体通过壁面将热量传递给冷流体，两者互不混合。套管式换热器单程管壳式换热器双程管壳式换热器1616套管式换热器列管式（单管程单壳程）双管程双壳程1717传热速率和热通量传热速率和热通量n传热速率（又称热流量）是指在单位时间内通过传热面的热量，用Q表示，单位为Wn热通量（又称传热速度）是指单位传热
10、面积的传热速率，用q表示，单位为W/m2n自然界中传递过程的普遍关系为：传递过程速率与过程推动力成正比，与过程的阻力成反比1818稳态传热和非稳态传热稳态传热和非稳态传热n稳态传热：传热系统中不积累能量的传热过程特点：温度分布不随时间而变，传热速率在任何时间都为常数连续生产过程中的传热n非稳态传热：传热系统中温度分布随时间而变化间歇操作、连续生产开停工阶段输入的能量等于输出的能量1919第二节第二节热传导热传导一、傅立叶定律1温度场和温度梯度温度场(temperaturefield)：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场。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-
11、1)式中：t温度；x,y,z空间坐标；时间。2020一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
12、成的面。2121 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向，因温度发生变化则有热量的传递。方向，因温度发生变化则有热量的传递。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。2222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
13、：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，即热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即式中式中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 傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律傅立叶定律是热传导的基本定律傅立叶定律是热传导的基本定律傅立叶定律是热传导的基本定
14、律.2323ndSQt+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24导热系数导热系数n导热系数数值上等于单位时间、单位面积、单位温度梯度下传递的热量。n=f（物质的组成，结构，t，P）24 导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，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。=-Q/(Adt/dx)25导热系数导热系数的大致范围的大致范围物质种类 导热系数/W/(m)气体 0.0060.6液体 0.07-0.7纯金属 1001400非导固体 0.23.0金属
15、15420绝热材料 0.25 金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。26固体的导热系数固体的导热系数多数与温度成正比：=o（1+at）纯金属随温度升高而降低，非金属随温度升高而增大.热传导过程中,物体各处温度不等,所以计算,应取最高最低平均温度下的值;或是各温度下的的平均值.27常见气体的导热系数常见气体的导热系数1-水蒸气2-氧3-二氧化碳4-空气5-氮6-氩2828如图所示：如图所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为平壁壁厚为b b，壁面积为，壁面积为A A；壁壁的的材材质质均均匀匀，导导热热系系数数不不随温度变化，视为常数；随温度变化，视为常数；平平壁壁的的温
16、温度度只只沿沿着着垂垂直直于于壁壁面面的的x x轴轴方方向向变变化化，故故等等温温面面皆皆为为垂垂直于直于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1 单层平壁的热传导2929 式式中中t=tt=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
17、条件件：当当x x=0=0时时，t=t=t t1 1；x=bx=b时，时，t=tt=t2 2，3030Qb1b2b3xtt1t2t3t4如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例假假定定各各层层壁壁的的厚厚度度分分别别为为b b1 1，b b2 2，b b3 3，各各层层材材质质均均匀匀，导导热热系系数数分分别别为为1 1，2 2，3 3，皆皆视视为为常数；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上上温温度度相相等等，各各等等温温面面亦皆为垂直于亦皆为垂直于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程中，穿过各
18、层的热量必相等。中，穿过各层的热量必相等。2 多层平壁的稳定热传导3131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：Q1=Q2=Q3=Q3232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。3333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12cm，中中间间夹夹层层厚厚10cm，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/mk，绝绝缘缘材材料料的的热热导导率率为为0.04w/mk，墙墙外外表表面面温温度度为为10，内内表表面面
19、为为-5，试试计计算算进进入入冷冷库库的的热热流密度及流密度及绝缘绝缘材料与材料与砖墙砖墙的两接触面上的温度。的两接触面上的温度。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t1=10，t4=-5，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1=3=0.70w/mk，2=0.04w/mk。按按热热流密度公式流密度公式计计算算q：3434Qt2t1r1rr2drL如图所示：如图所示：设设圆圆筒筒的的内内半半径径为为r1，内内壁壁温温度度为为t1，外外半半径径为为r2，外外壁壁温温度度为为t2。温温度度只只沿沿半半径径方方向向变变化化，等等温温面面为为同同心心圆圆柱柱面
20、面。圆圆筒筒壁壁与与平平壁不同点是其面随半径而壁不同点是其面随半径而变变化。化。在在半半径径r处处取取一一厚厚度度为为dr的的薄薄层层，若若圆圆筒筒的的长长度度为为L，则则半半径径为为r处处的的传热传热面面积为积为A=2rL。三、圆筒壁的稳定热传导1 单层圆筒壁的稳定热传导3535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3636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
21、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)/23737r1r2r3r4t1t2t3t4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。假假定定各各层层壁壁厚厚分分别别为为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各各层层材材料料的的导导热热系系数数1，2，3皆皆视为视为常数；常数；层层与与层层之之间间接接触触
22、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，各各等等温面皆温面皆为为同心同心圆圆柱面。柱面。2 多层圆筒壁的稳定热传导3838 多多层层圆圆筒筒壁壁的的热热传传导导计计算算，可可参参照照多多层层平平壁壁。对对于于第第一一、二、三层圆筒壁有二、三层圆筒壁有3939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
23、的，但是热通量却不相等。4040分分析析：当当r1不不变变、r0增增大大时时，热热阻阻R1增增大大，R2减减小小，因因此此有有可能使可能使总热总热阻（阻（R1+R2）下降，）下降，导导致致热损热损失增大失增大。通通常常，热热损损失失随随着着保保温温层层厚厚度度的的增增加加而而减减少少。对对于于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，随随着着保保温温层层厚厚度度的的增增加加，可可能能反而使热损失增大。反而使热损失增大。假假设设保保温温层层内内表表面面温温度度为为t1，环环境境温温度度为为tf，保保温温层层的的内内、外外半半径径分分别别为为r1和和r0，保保温温层层的
24、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气之间间的的对对流流传热传热系数系数为为。热损失为：热损失为：保温层的临界直径4141上上式式对对r0求求导导，可求出当，可求出当Q最大最大时时的的临临界半径，即界半径，即当当保保温温层层的的外外径径do2/时时，增增加加保保温温层层的的厚厚度度才才使使热热损损失失减减少。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d0是是否否小小于于dc。临界半径：临界半径：rc=/或或dc=2/4242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
25、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=0.09m4343保温层界面温度
26、保温层界面温度t3解得解得t3=131.24444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，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相关。切相关。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，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。第三节对流传热一、对流传热的基本概念4545n对流是热量传递的方式之一n对流是指在温度不均匀的流体内部，因流体质点发生相对位移而引起的
27、热传递,对流总伴随着热传导n流体流动为非等温运动n对流与热传导的区别：流体质点的相对位移n对流给（换、传）热是指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换n对流给（换）热过程是热传导与对流联合作用的结果n热传导规律制约、流体流动规律的支配46对流传热问题的分类对流传热问题的分类n产生流动的原因自然对流传（给、换）热自然对流传（给、换）热自然对流传（给、换）热自然对流传（给、换）热起因：温度差密度差流动房间采暖、油汀、热水汀等的工作原理为自然对流加热面或冷却面的位置强制对流传热强制对流传热强制对流传热强制对流传热起因：外力（如泵，风机，搅拌器等）作用流动强制对流强度比自然对流强度大
28、，热效率高如热风对流（有风机）的取暖器和热油汀的比较n按换热面几何形状和布置的不同来分管内强制对流传热管外强制对流传热4647按有无相变化来分按有无相变化来分474848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度大温度梯度大p壁面壁面导导热热(导导热热系系数数较较流体大流体大)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
29、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集集中中在在此此层层中中。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4949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，对流传热温度差，t=T-TW或或t=t-tW，；T热热流流体体平平均均温温度度，；TW与与热热流流体体接接触触的的壁壁面面温温度度，；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
30、度，；对对流流传传热热系系数数(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，以内，以代替代替/t 而用下式描述对流传热的基本关系而用下式描述对流传热的基本关系 Q=A（T-Tw）二、对流传热速率50501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 变时对流传热系数比无相变化时大的多；变时对流传热系数比无相变化时大的多；2流体的物理性质：
31、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：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、影响对流传热系数的主要因素51对流传热过程的分析对流传热过程的分析（对流传热机理）（对流传热机理）51n俗话说，冷在风里。人站在冷风里与站在背风的地方
32、相比感觉要冷多了，虽然人体与环境的温度差相同n相反，在高温的夏季里，打开电扇时人会感到舒服些，并且电扇风速越大，感觉愈凉快些n以上例子说明，流体流动使对流传热速率加快n原因是什么呢？n以热流体与冷平壁面的传热为例来加以分析说明52对流传热过程分析对流传热过程分析n静止流体由于没有流动，则热量传递只有热传导，温度分布为直线型。n流体流动层流时温度分布变成曲线，产生对流传热，传热速率加大，但曲线弯曲程度不大，速率不太大。湍流时由于流体质点强烈混合，远离壁面流体温度趋于均匀，曲线弯曲程度较大，传热速率大大提高。53对流传热过程分析对流传热过程分析n在相同的温差下，即流动比不流动q大，流速大比流速小q
33、大；化工中换热器内的冷热流体都为湍流流动。n湍流时对流给热的热阻主要集中在层流底层。是强化的重要途径。n所以u层流底层厚度对流给热速率。54强制对流与自然对流强制对流与自然对流n强制对流：流体因外力作用产生的宏观运动n如：泵、风机、搅拌器等n自然对流：因流体内部的温差导致的密度差所产生的流动n自然对流强弱的影响因素：n考察：液体中高度L的垂直平板与液体间的传热过程55自然对流自然对流n平板一侧设有加热器，热量由平板另一侧传给液体。加热过程中，加热面处的液体温度设为Tb，远离加热面的液体温度为Ta，且TbTa，温差为T=Tb-Ta，液体受热后体积膨胀，密度变小，设Ta处的液体密度为，Tb处的为，
34、则，为体积膨胀系数na，b间将形成压差p56自然对流自然对流n若T较小，则：n在此压差推动下，必造成如图所示的液体环流，环流速度u只要有T存在，就必有u存在，故流体内热传导必伴有自然对流u与L,T成正比57对流对流n以上没有考察流动阻力等因素nu：还与流动阻力、流动空间的几何形状、加热面或冷却面的位置等因素有关n如房间的采暖，取暖器应放置在地面上，这样做能造就充分的自然对流与制凉，冷气机应放置在天花板处58n流动边界层、传热中热边界层(温度边界层)n当温度为t的流体在表面温度为tw的平板上流过时，流体和板间将进行换热n实验表明，在大多数情况下(导热系数很大的流体除外)，流体的温度也和速度一样，
35、仅在靠近板面的薄流体层中有显著的变化，即在此薄层中存在温度梯度，将此薄流体层定义为热边界层n在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，温度梯度可视为零n热边界层是进行对流传热的主要区域n曲线表示流体呈滞流时在平板上的流动边界层的发展过程n大多数情况下，流动边界层的厚度大于热边界层的厚度tn热边界层的厚薄影响层内的温度分布影响温度梯度n当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w越大，因而就愈大n反之则相反热边界层热边界层59热边界层热边界层n流体在管内流动时，热边界层的发展过程也和流动边界层的相似n流体进入管口后，边界层开始沿管长而增厚；在距管入口一定距离后，于管子中心处
36、相汇合，边界层厚度即等于管子的半径充分发展流动n温度分布与速度分布不同，当管长再增加时，温度分布将逐渐变得更为平坦n当通过很长的管子后，温度梯度可能将消失，此时，传热也就停止了60对流传热边界层对流传热边界层6161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6262准数符号及意义准数符号及意义准数名称准数名称符
37、号符号意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数（Nusselt）Nu=l/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（Reynolds）Re=lu/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（Prandtl）Pr=cp/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（Grashof）Gr=gtl32/2 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数6363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
38、注意以下几点：1 1、应用范围、应用范围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
39、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须用用统统一一的单位制度。的单位制度。64习题习题n对某管道保温，现需将二种导热系数分别为1 和2的材料包于管外，已知1自然对流n液体：相变无相变n气、液体：液气换热方式空气自然对流气体强制对流水自然对流水强制对流水蒸汽冷凝有机蒸气冷凝水沸腾W/(m2)525201002001000100015000500015000500200025002500072传热系数传热系数的影响因素的影响因素实验研究表明，影响传热系数的因素主要有：流体的种类种类和相变相变情况（由上表可见
40、）流体的性质性质（、Cp、和）流体的流动状态流动状态：湍流时，Re层流底层 层流的较湍流的小（在热流方向上无掺混运动）73传热系数传热系数的影响因素的影响因素湍流流动的原因 强制对流 自然对流传热面的形状、位置和大小 （都直接影响值）：传热管、板、管束等不同，传热面的形状 列管换热器中管子的排列方式、放置位置 管径、管长和板的大小等74传热过程的数学描述n换热器内冷热两流体往往是间壁式传热过程换热器内冷热两流体往往是间壁式传热过程n本节讨论传热过程的计算问题本节讨论传热过程的计算问题n在连续化工业生产大都是定态传热过程在连续化工业生产大都是定态传热过程假定：(1)传热过程为稳定传热(2)壁面两
41、侧流体为恒温(3)取Tw，tw和相应的i，0为平均值对于换热器，热量从热流体传给冷流体，要经过如下过程：热流体T内壁面Tw外壁面tw冷流体t一般壁温Tw和tw是未知的，要想求出传热速率Q，则必须联立方程。i对流导热o对流7575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
42、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1 总传热速率微分方程7676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、内外表面平均面积基于管内表面积、外表面积、内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、内外表面平均面积，换热器内表面积、外表面积、内外表面平均面积，
43、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。7777对对于于管管式式换换热热器器，假假定定管管内内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=i(T-Tw)dSi由管壁传给冷流体由管壁传给冷流体dQ=o(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 总传热系数2.1 总传热系数的计算式7878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
44、传热速率微分方程，有传热速率微分方程，有所以所以7979总传热系数（以外表面为基准）为总传热系数（以外表面为基准）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8080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 污垢热阻8181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
45、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不不大大时时，欲欲提提高高K值值，关关键键在在于于提提高高对对流流传传热热系系数数较小一侧的较小一侧的。若若两两侧侧的的相相差差不不大大时时，则则必必须须同同时时提提高高两两侧侧的的，才才能能提提高高K值。值。若若污污垢垢热热阻阻为为控控制制因因素素，则则必必须须设设法法减减慢慢污污垢垢形形成成速速率率或或及及时时清除污垢。清除污垢。由上可知：由上可知：8282流流体体种种类类污垢热阻污垢热阻m2/W流体种类流体种类污垢热阻污垢热阻m2/W水水(u1m/s,t50)蒸气蒸气海水海水0
46、.0001有机蒸汽有机蒸汽0.0002河水河水0.0006水蒸气水蒸气(不含油不含油)0.0001井水井水0.00058水蒸气废气水蒸气废气(含油含油)0.0002蒸馏水蒸馏水0.0001制冷剂蒸汽制冷剂蒸汽(含油含油)0.0004锅炉给水锅炉给水0.00026气体气体未处理的凉水塔用水未处理的凉水塔用水0.00058空气空气0.0003经处理的凉水塔用水经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体压缩气体0.0004多泥沙的水多泥沙的水0.0006天然气天然气0.002盐水盐水0.0004焦炉气焦炉气0.002污垢热阻的大致数值污垢热阻的大致数值8383例一列管式换热器，由252.5mm的钢管组
47、成。管内为CO2，流量为6000kg/h，由55冷却到30。管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20。CO2与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为3000W/m2K，CO2侧的对流传热系数为40W/m2K。试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表示。解：查钢的导热系数=45W/mK取CO2侧污垢热阻Ra1=0.5310-3m2K/W取水侧污垢热阻Ra2=0.2110-3m2K/W8484以内、外表面计时，内、外表面分别用下标1、2表示。8585两两种种流流体体进进行行热热交交换换时时，在在沿沿传传热热壁壁面面的的不不同同位位置置上上，在在任任何何时时间间两两种种流
48、流体体的的温温度度皆皆不不变变化化，这这种种传传热热称称为为稳稳定定的的恒恒温传热温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。t=T-t式中式中T热流体的温度热流体的温度；t冷流体的温度冷流体的温度。三、传热平均温度差的计算按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点温度变化的情况，可将传热分为恒温传热与变温传热两类。1 恒温传热8686在在传传热热过过程程中中，间间壁壁一一侧侧或或两两侧侧的的流流体体沿沿着着传传热热壁壁面面，在在不不同同位位置置时时温温度度不不同同，但但各各点点的的温温度度皆皆不不随随时时间间而而变变化化，即即为为稳定的变温
49、传热过程稳定的变温传热过程。该过程又可分为下列两种情况：。该过程又可分为下列两种情况：(1)间间壁壁一一侧侧流流体体恒恒温温另另一一侧侧流流体体变变温温，如如用用蒸蒸汽汽加加热热另另一一流流体体以以及及用用热热流流体体来来加加热热另另一一种种在在较较低低温温度度下下进进行行沸沸腾腾的的液液体体。(2)间间壁壁两两侧侧流流体体皆皆发发生生温温度度变变化化，这这时时参参与与换换热热的的两两种种流流体体沿沿着着传传热热两两侧侧流流动动，其其流流动动方方式式不不同同，平平均均温温度度差差亦亦不不同同。即即平平均均温温度度差差与与两两种种流流体体的的流流向向有有关关。生生产产上上换换热热器器内内流流体体
50、流流动动方向大致可分为下列四种情况。方向大致可分为下列四种情况。2 变温传热8787并并流流:参参与与换换热热的的两两种种流流体体在在传传热热面面的的两两侧侧分分别别以以相相同同的的方方向向流动。流动。生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：逆逆流流:参参与与换换热热的的两两种种流流体体在在传传热热面面的的两两侧侧分分别别以以相相对对的的方方向流动。向流动。错错流流:参参与与换换热热的的两两种种流流体体在在传传热热面面的的两两侧侧彼彼此此呈呈垂垂直直方方向向流动。流动。折流折流:简简单单折折流流：一一侧侧流流体体只只沿沿一一个个方方向