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1、p了解热传导（导热）、热对流和热辐射的基本概念；了解热传导（导热）、热对流和热辐射的基本概念；p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；p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；p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；p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。本章重点和难点本章重点和难点第二章第二章 传热传热一、传热在食品工程中的应用一、传热在食品工程中的应用第一节第一节 传热的基本概念传热的基本概念传热：传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个
2、不同温度部位之间所进行的热的转移。度部位之间所进行的热的转移。传热在食品工程中的应用：传热在食品工程中的应用：(1)(1)一般的加热、冷却、冷凝过程；一般的加热、冷却、冷凝过程；(2)(2)食品的杀菌和保藏；食品的杀菌和保藏；(3)(3)蒸发浓缩、干燥、结晶蒸发浓缩、干燥、结晶(通过加热去除水分通过加热去除水分)；(4)(4)蒸煮、焙烤蒸煮、焙烤(通过加热使食品完成一定的生化反应通过加热使食品完成一定的生化反应)。食品生产过程对传热的要求：食品生产过程对传热的要求：强化传热强化传热(加热或冷却物料加热或冷却物料)削弱传热削弱传热(设备和管道的保温设备和管道的保温)二、传热的基本方式二、传热的基
3、本方式热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据起的，根据传热机理传热机理不同，传热的基本方式有三种：不同，传热的基本方式有三种：热传导热传导(conduction)conduction)；对流对流(convection)convection)；辐射辐射(radiation)radiation)。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。电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。金属固体：金属固体：热传导主要依靠自由电子运动。热传导主要
4、依靠自由电子运动。不良导体的固体与液体：不良导体的固体与液体：主要靠分子、原子的振动。主要靠分子、原子的振动。气体：气体：主要靠分子的不规则热运动。主要靠分子的不规则热运动。1.1.热传导（又称（又称导热）2.2.热对流流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对流流。热热对对流流仅仅发发生生在在流流体体中中。通通常常把把流流体体与与固固体体壁壁面面之之间间的的传传热热称为称为对流传热对流传热强制对流：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
5、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。在在同同一流体中有可能一流体中有可能同时发生同时发生自然对流和强制对流。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差差异异，致致使使流流体体产生相对位移，这种对流称为自然对流。产生相对位移，这种对流称为自然对流。3、热辐射射因热的原因而产生的因热的原因而产生的电磁波电磁波在空间的传递，称为热辐射。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。当电磁波遇到
6、物体时，介质。当电磁波遇到物体时，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。实实际际上上，上上述述三三种种传传热热方方式式很很少少单单独独出出现现，而而往往往往是是相相互互伴随着出现的。伴随着出现的。三、三、换热器类型换热器类型换热器换热器：实现实现冷、热介质冷、热介质热量交换的设备热量交换的设备 冷冷、热热流流体体交交换换流流过过热热载载体体时时，热热流流体体将将热热量量传传递递给给冷冷流流体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热
7、。体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。直接混合式直接混合式 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。蓄热式蓄热式 热量热量 存储在热载体上存储在热载体上 传递给冷流体。如传递给冷流体。如（图（图3-3动画）动画）用于输送热量的介质用于输送热量的介质载热体载热体。加热介质（加热剂）加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。起加热作用的载热体。水蒸气、热水等水蒸气、热水等。冷却介质（冷却剂）冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。起冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。冷水、空气制冷剂。间壁式间壁式 热流体通过间壁将热量传递给冷流体，热流体通过间壁将热
8、量传递给冷流体，化工、食品生产中应用极为广泛，主要有：化工、食品生产中应用极为广泛，主要有：夹套式热交换器；夹套式热交换器；蛇型式热交换器；蛇型式热交换器；套管式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器板式热交换器。(套管式换热器套管式换热器)(列管式换热器列管式换热器)(带补偿圈带补偿圈)四、四、传热过程中基本问题与传热机理传热过程中基本问题与传热机理 传热过程中的基本问题可以归结为：传热过程中的基本问题可以归结为：载热体用量计算载热体用量计算 传热面积计算传热面积计算 换热器的结构设计换热器的结构设计 提高换热器生产能力的途径。提高换热器生产能力的途径。解决这
9、些问题，主要依靠两个基本关系。解决这些问题，主要依靠两个基本关系。热量衡算热量衡算根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则Q热热=Q冷冷，称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。体的用量。传热速率传热速率传热速率传热速率Q（热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称为传热速率，以传热速率，以Q表示，其单位表示，其单位W(j/s)。热通量热通量q：单位时间内通过单位传热面的热量，单位时间内通过单位传热面的热量，W/m2。q=Q/S实践证明，传热速率
10、的数值与热流体和冷流体之间的温度差实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差tm及传热面积及传热面积S成正比，即：成正比，即：Q=KStm(1-1)S=ndL(1-2)式式中：中：Q传热速率，传热速率，W；S传热面积，传热面积，m2；tm温度差，温度差，；K传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2；n管数；管数；d管径，管径，m；L管长，管长，m。将式（将式（1-1）变换成下列形式：）变换成下列形式：式中：式中：tm传热过程的
11、推动力，传热过程的推动力，1/K传热总阻力（热阻），传热总阻力（热阻），m2/W两点说明：两点说明：单位传热面积的传热速率单位传热面积的传热速率(热通量热通量)正比于推动力，反比于正比于推动力，反比于热阻。因此，热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径提高换热器的传热速率的途径是提高传热推是提高传热推动力和降低热阻。动力和降低热阻。从式（从式（1-1）可知，如果己知传热量）可知，如果己知传热量Q，则可在确定则可在确定K及及tm的基础上算传热面积的基础上算传热面积S，进而确定换热器的各部分尺寸，完进而确定换热器的各部分尺寸，完成换热器的结构设计。成换热器的结构设计。(1-3)温温度度场场(temp
12、erature 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分布，称为温度场布，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，)(2-1)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 xdSQt+ttt-tt/x温度场与温度梯度温度场与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。一维温度场的温
13、度分布表达式为：一维温度场的温度分布表达式为：t=f(x,)(2-1a)等温面的特点：等温面的特点：（1）等温面不能相交；）等温面不能相交；（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。在不稳定温度场中的传热为在不稳定温度场中的传热为不稳定传热不稳定传热。稳定温度场稳定温度场：若温度不随时间而改变。此时为：若温度不随时间而改变。此时为稳定传热稳定传热。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
14、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度以以沿沿等等温温面面的的垂垂直直（法法线线）方方向向为最大。沿等温面法线方向上的温度变化率称为为最大。沿等温面法线方向上的温度变化率称为温度梯度温度梯度。温度梯度温度梯度:温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。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
15、均温度变化率为：2-22-2a傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传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 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 conductivity)，w/m.k。式中的负号指热流方向和温度梯度式中的负号指热流方向和温度梯度方向方向相反相反。2 2 傅立叶傅立叶(Fourier)定律定律上式可
16、改写为：上式可改写为：Q/S=q：单位时间、单位面积所传递的热量，称为单位时间、单位面积所传递的热量，称为热量通量热量通量。Fourier定律表示热量通量与温度梯度成正比定律表示热量通量与温度梯度成正比。2-3a2-3或或表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与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。由实验测得。物质的组成，结构、密度、温度及压强有关。由实验测得。一般金属一般金属（固体）（固体）的导热系数的导热系数非金属（固体）非金属（固体）液体液体气体气体多数固体多数固体与温度的关系与温度的关系 =k0+kt单位：单位：W/(m
17、 K)k0-0下的导热系数下的导热系数k为经验常数。为经验常数。对大多数金属材料，其对大多数金属材料，其k值为负值；对非金属材料则为正值。值为负值；对非金属材料则为正值。3.导热系数导热系数由由2-3式推导式推导：2-3b单位：单位：W/(m K)对于金属对于金属t(通过自由电子的运动通过自由电子的运动)对于非金属对于非金属t(通过靠晶格结构的振动通过靠晶格结构的振动)对于液体对于液体t(通过靠晶格结构的振动通过靠晶格结构的振动)对于气体对于气体t(通过分子不规则热运动通过分子不规则热运动)随压力变化不大。只有当系统的压力随压力变化不大。只有当系统的压力P,3kpa P或或P200Mpa，随压
18、力的降低，导热系数随压力的降低，导热系数也降低，当也降低，当达到真空，达到真空，约为约为0，保，保温温瓶瓶的的夹夹层层抽抽真真空空就就是是此此道道理理。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；壁的材质均匀，导热系数壁的材质均匀，导热系数不随不随温度变化，视为常数；温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面的平壁的温度只沿着垂直于壁面的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。即为一维轴的平行平面。即为一维热传导。热传导。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。
19、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 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/SR=b/S则为导热的则为导热的热阻热阻(thermal resistancethermal resistance)。根据傅立叶定律根据傅立叶定律对上式进行积分，对上式进行积分，积分边界条件：当积分边界条件：当x=0 x=0时，t=tt=t1 1；x x=b=b时，时，t=tt=t2 2或或2-6将将2-6式推而广之，则传递过程的普遍关系式为：式推而广之，则传递过程的普遍关系式为：过程传
20、递速率过程传递速率=过过程的推动力程的推动力/过程的阻力。过程的阻力。(对传热，传质，动量传递对传热，传质，动量传递“三传三传”均适均适用）用）当当为为常数，常数，单层平壁内温度分布为直线单层平壁内温度分布为直线当当随随温度变化时，单层平壁内温度分布为曲线。温度变化时，单层平壁内温度分布为曲线。如图所示：以三层平壁为例如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁的厚度分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
21、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S S，在在稳稳定定导导热热过过程程中，穿过各层的热量必相等。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 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=QSSSSSSS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。SSSSSSS多层平壁导热是一个串联的传热过程，由上式可见，串联传
22、热过多层平壁导热是一个串联的传热过程，由上式可见，串联传热过程的推动力（总温度差）为各分过程的温度差之和，总热阻是各程的推动力（总温度差）为各分过程的温度差之和，总热阻是各分过程热阻之和，此即为分过程热阻之和，此即为串联热阻叠加原则，当总温差一定时，串联热阻叠加原则，当总温差一定时，传热速率取决于总热阻。传热速率取决于总热阻。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1212cmcm，中中间间夹夹层层厚厚1010cmcm，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0.700.70w/mw/mk k，绝缘材材料料的的热导率率为0.040.04w/mw/mk k，墙外
23、外表表面面温温度度为1010 ，内内表表面面为-5-5 ，试计算算进入入冷冷库的的热热通通量量（热流流密密度度）及及绝缘材料与材料与砖墙的两接触面上的温度。的两接触面上的温度。按温度差分别计算按温度差分别计算t2、t3解：根据题意，已知解：根据题意，已知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b b2 2=0.10m=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：St1t2t3t4b1b2b3132如如图所示：所示：设圆筒的
24、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 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等温面壁与平壁不同点是其等温面随半径而变化。随半径而变化。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=2A=2rLrL。三、圆筒壁的稳定热传导三、圆筒壁的稳定热传导 1 1 单层圆筒壁的筒壁的稳定定热传导 Qt2t1r1rr2
25、drL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SSmSm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圆筒壁的圆筒壁的对数平均半径对数平均半径，mSm圆筒壁的内、外表圆筒壁的内、外表面对数平均面积面对数平均面积，m2当当S2/S12时，可认为时，可认为Sm=（S1+S2）/2算术平均值算术平均值SmSmr1r2r3r4t1t2t3t4 对对稳稳定定导导热热过过程程，单单位位时时间间内内
26、由由多多层层壁壁所所传传导导的的热热量量，亦亦即等于经过各单层壁所传导的热量：即等于经过各单层壁所传导的热量：Q1=Q2=Qn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，各各等等温面皆为同心圆柱面。温面皆为同心圆柱面。2 2 多多层圆筒壁的筒壁的稳定定热传导
27、多多层圆筒筒壁壁的的热传导计算算，可可参参照照多多层平平壁壁。对于于第第一一、二、三二、三层圆筒壁有筒壁有整理上三式可得整理上三式可得: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相同的，但是的，但是热通量热通量却却不相等不相等。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
28、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，可可能反而使热损失增大。能反而使热损失增大。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气之间的对流传热系数为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tfr1r0t1上式对
29、上式对r r0 0求导，可求出当求导，可求出当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时，增加保温层的厚度才使热损失减少。损失减少。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是是否小于否小于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
30、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。试试求求每每米米管管长长的的热热损损失失及及两两层层保保温层界面的温度。温层界面的温度。解：解：1、求每米管长的热损失：、求每米管长的热损失：已知：已知：r1=(60-3.52)/2=26.5mm=0.0265m,r2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07m,r4=0.07+0.02=0.09mt1=500,t4=80t3r1r3t1r4t4t2r22、求保
31、温层界面温度、求保温层界面温度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，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密切相关。况密切相关。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递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。传递，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
32、层流底层层流底层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：传热边界层传热边界层（thermal boundary layer）：温度边界层。有温度边界层。有温度梯度较大的区域。温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层中传热的热阻即主要几种在此层中。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
33、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；S传热面积，传热面积，m2T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=T-TW对流传热温度差对流传热温度差，；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 t的的有有效效膜膜内内，并并将将对对流流传传热热看看成成是是通通过过t t
34、的的热传导，热流体对热壁面的传热速率为：热传导，热流体对热壁面的传热速率为：二、对流传热速率二、对流传热速率 通常有效膜的厚度通常有效膜的厚度t t难以测定，所以用难以测定，所以用代替代替/t t 而用下式描而用下式描述对流传热的基本关系：述对流传热的基本关系：Q=S（T-Tw）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。液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相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：影响较大的物性如密度流体的物理性质：影响较大的物性如密度、比热比热cp、导热导热系数系数、粘度粘度等；等；3流体的运动状况：层
35、流、过渡流或湍流；流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；4流体对流的状况：自然对流，强制对流；流体对流的状况：自然对流，强制对流；5传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管传热表面的形状、位置及大小：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
36、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符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 准准数数关关联联式式是是一一种种经
37、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：各准数都有一定的实验条件和范围。各准数都有一定的实验条件和范围。2 2、特特性性尺尺寸寸：无无因因次次准准数数NuNu、ReRe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尺寸作为特征尺寸。的尺寸作为特征尺寸。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
38、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，流体和壁面的平均温度（膜温）。流体和壁面的平均温度（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：Re10000，0.7Pr12
39、0，管长与管径比管长与管径比L/di60。若若L/di10000，0.7Pr60Re=du/=(0.053150.746)/(0.610-5)=2.28104104(湍流湍流)Pr=Cp/=(1.02610326.010-5)/0.03928=0.68（W/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流方向热流方向对对流传热系数的影响。对对流传热系数的影响。当当自然对流的影响比较小自然对流
40、的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：且可被忽略时，按下式计算：Nu=1.86Re1/3Pr1/3（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：除定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。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
41、同而异。对水平管对水平管，按下式计算：，按下式计算：应用范围：应用范围：Re50；当管子较短，当管子较短，l/d60Re=du/=(0.020.4997)/(90.2710-5）=8836Re在在230010000之间，为过渡流区之间，为过渡流区a可按式可按式Nu=0.023Re0.8Prn 进行进行计算，水被加热，计算，水被加热，k=0.4。Pr=cp/=(4.17910390.2710-5)/60.810-2=6.2校正系数校正系数：w/（m2）采用上述各关联式计算，将采用上述各关联式计算，将管内径管内径改为改为当量直径当量直径de即可。即可。当量直径按下式计算当量直径按下式计算或或1.5
42、 流体在非圆形管内强制对流流体在非圆形管内强制对流注注：传传热热计计算算中中，究究竟竟采采用用哪哪个个当当量量直直径径，由由具具体体的的关关联联式式决决定定。但但将将关关联联式式中中的的di改改用用de是是近近似似算算法法。对对常常用用的的非非圆圆管管道道，可可直直接接通通过过实实验验求求得得计计算算的的关关联联式式。例例如如套套管管环环隙隙，用水和空气进行用水和空气进行实验实验，可得，可得关联式：关联式：应用范围：应用范围：特征尺寸：特征尺寸：流动当量直径流动当量直径de。定性温度：定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。流体进、出口温度的算术平均值。式中：式中：d1为套管的内管直径，为套管
43、的内管直径，d2为套管的内管直径。为套管的内管直径。在错列管束外流过时在错列管束外流过时Nu=0.33Re0.6Pr0.33在直列管束外流过时在直列管束外流过时Nu=0.26Re0.6Pr0.33应用范围应用范围：Re3000定性温度定性温度：流体进、出口温度的平均值。：流体进、出口温度的平均值。定性尺寸定性尺寸：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。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
44、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=0.23Re0.6Pr1/3（/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取管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。的流速。定性温度定性温度:除除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算取壁温外，均为流体进、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=0.3
45、6Re0.55Pr1/3（/w）0.14注注意意：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，只只须须将将公公式式中中的的管管内内径径改改为为管间的当量直径。管间的当量直径。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，均为流体进、出口温度的算术取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。平均值。加热表面形状加热表面形状特征尺寸特征尺寸GrPr范范围围cn水平圆管水
46、平圆管外径外径d01041090.531/410910120.131/3垂直管或板垂直管或板高度高度L1041090.591/410910120.101/3Nu=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的膜膜。在在整整个个冷冷凝凝过过程程中中，冷冷凝凝液液膜膜是其主要
47、热阻。是其主要热阻。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若冷凝液膜在重力的作用若冷凝液膜在重力的作用下向下流动，则形成的液膜愈下向下流动，则形成的液膜愈向下愈厚，故壁愈高或水平放向下愈厚，故壁愈高或水平放置的管径愈大，整个对流传热置的管径愈大，整个对流传热系数也愈小。系数也愈小。滴滴状状冷冷凝凝：若若冷冷凝凝液液不不能能润润湿湿壁壁面面，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，此此中中冷冷凝凝称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。称为。在实际
48、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。滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的液滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜将蒸汽分开，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可膜将蒸汽分开，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。实验结果表明，滴状供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。实验结果表明，滴状冷凝的传热系数比膜状冷凝的传热系数大冷凝的传热系数比膜状冷凝的传热系数大510倍。倍。工业上，大多数是膜状冷凝，在冷凝器的设计中工业上，大多数是膜状冷凝，在冷凝器的设计中按膜状冷凝设计。按膜状冷
49、凝设计。1.1.1在垂直管或垂直板上作膜状冷凝：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冷凝液膜流动为层流冷凝液膜流动为层流（Re1800）时：时：冷凝液膜流动为湍流冷凝液膜流动为湍流（Re1800）时：时：1.1.3影响冷凝传热的因素影响冷
50、凝传热的因素蒸汽的流向和流速蒸汽的流向和流速：蒸汽和液膜同向流动，蒸汽和液膜同向流动，液膜厚度液膜厚度，若逆向流动，液膜厚度若逆向流动，液膜厚度，蒸汽的流速较大，蒸汽的流速较大，液液膜膜吹吹跑跑，冷凝液膜两侧的温度差冷凝液膜两侧的温度差t：当液膜呈滞流当液膜呈滞流流动时，若流动时，若t加大，则蒸气冷凝速率增加，因加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，而液膜层厚度增厚，蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中不凝气体含量的影响：若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆若蒸汽中含有不凝气体，壁面为气体（导热系数很小）所覆盖，增加了一层附加热阻，使盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降，可达急