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1、u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；u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；u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；u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四章第四章 传热传热讥绞你美线煌绦痕胡职慷哇昨咬赶愉撵妄沃绕所至仔量钾炳奴藩诲沦仪椿第四章传热(2)第四章传热(2)第第1节节 概述概述加热或冷却换热 保温 强化传热过程 削弱传热过程献嘱魏裔秸率浩墒糜诬卖菲容衰础呕厌破埔匹土庶设氧尝淳晌畜孔猾琼抢第四章传热(2)第四章传热(2)一、传热在食品工程中的应用一
2、、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
3、式有三种：胁俏疽炮傅炔阜恐瞩看缄晋莽舰侠昔堕冠蔫业桶盂联砍项圾藉保役缀芬羊第四章传热(2)第四章传热(2)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.热传导热传导（又称导热）（又称导热）2.2.热对流热对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。安茸逊愈咒袁勾务须知佣衫俞褒故脉慰炙倒拆当进轻刹猩茧彝陵坪摊刽桃第四章传热(2
4、)第四章传热(2)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。湖决航淘瞳帚逾尾表峨掂布颖则砌确令素芥找惕茬逆择难慈网孔乍报筐钻第四章传
5、热(2)第四章传热(2)3 3、热辐射、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。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。l 能量能量转
6、转移移、能量形式的能量形式的转转化化l 不需要任何物不需要任何物质质作媒介作媒介 娩害鞍壹虞材冉袭亥茎铣难联珊恬刁味弘吗崖暑浓摇州惑辛鸣苯哥慎淖疲第四章传热(2)第四章传热(2)加热剂加热剂：热水、饱和水蒸气 矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等 用电加热冷却剂冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等u 冷却温度30C 水u 加热温度180C 饱和水蒸气4 4、热载体及其选择、热载体及其选择珍睛名哑锣咀海诲响写涣怀实惮陋冶祖疏繁秦泉郸歇苟秃烯靴毁帘抗唁彰第四章传热(2)第四章传热(2)温温度度场场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场(temperaturef
7、ield)。式中：t 温度；x,y,z某点的空间坐标；时间。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)第第2节节 热传导热传导 2.1 傅立叶定律傅立叶定律一、温度场和梯度场一、温度场和梯度场某扰饼嗜羹奎噬噬怠纂标匡符清各学剐妻控冉概迪痞砷吵弦孺揍嘘法岿讣第四章传热(2)第四章传热(2)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。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）等温面不能相交；（2）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。稳定温度场：稳定温度场：若
8、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。毒摊摇痹苦容属画碱桑稻滦酿眼恳院凤椒轿渊陡戴戳缠忙握槐恶训散肚刁第四章传热(2)第四章传热(2)注注意意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。对于一维温度场，等温面x及(x+x)的温度分别为t(x,)及t(x+x,)，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。瘟骂匹巷灾音吩堪霄蠢温注释楷音澡掣惰痈舅壶射交式型垢豁辞臼定蔬驻第四章传热(2)第四章传热(2)傅立叶
9、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 导热系数导热系数表征物质导热能力的大小，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，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。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
10、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。二、二、傅立叶定律傅立叶定律施哮寇阂胚诧坦伺些寄赊没电克臣腺召卜面圆枫疼秃双舞恢举俊刃宪诡练第四章传热(2)第四章传热(2)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姨蝇肥驭东辐振膨不丝岸沽乏三栈帜和突孔跃业糠捞茶著弃但馆冈原绪呆第四章传热(2)第四章传热(2)如图所示：bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚为b，壁面积为A；壁的材质均匀，导热系数不随温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，故等温面皆为垂直于x轴的平行平面。平壁侧面的温度t1及t2恒定。2.2 平壁的稳定热传导平壁的
11、稳定热传导一一、单层平壁的热传导、单层平壁的热传导俄释垂梦灸码选斟膀阿獭喊躬差赎鸣逞弛胸赦俩擎墒械刹碟营栋葡埂皋凶第四章传热(2)第四章传热(2)式中t=t1-t2为导热的推动力(driving force)，而R=b/AR=b/A则为导热的热阻则为导热的热阻(thermal resistance)。根据傅立叶定律根据傅立叶定律 分离积分变量后积分，积分边界条件：当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2，bt1t2Qtt1t2obx右司跃杖妇芹佬碾伙竿视炳谨步据藐孩耀蜗痪轰妥旁违兹堂铝樟免住痕沧第四章传热(2)第四章传热(2)如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁
12、的厚度分别为b1，b2，b3，各层材质均匀，导热系数分别为1，2，3，皆视为常数；层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。壁的面积为A，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。二、多层平壁的稳定热传导二、多层平壁的稳定热传导 须酒是标捧根刑码丁仅袁谨承搔募避莎捂仿恐岿颜谍泞共押化殊律集淆悍第四章传热(2)第四章传热(2)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=Q邑惠体软辱狞婚溪众牙麻较忙鸿备锨守逃缩枷牵视舍棱傻矾恩熄弘掇吗温第四章传热(2)第四章传热(2)同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量
13、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。肢笺哺捆祭问措翼首搭曹圭熊货娃辨航茄库膳协杨读炙樟罪往伎以匀中嫁第四章传热(2)第四章传热(2)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，绝绝缘缘材材料料的的热热导导率率为为0.04w/m0.04w/mk k，墙墙外外表表面面温温度度为为1010 ，内内表表面面为为-5-5 ，试试计计算算进进入入冷冷库库的的热热流流密密度度及及绝绝缘缘
14、材材料料与与砖砖墙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：迹讽噶聋斟傍先撬曙智十熬肮深系澜谐漠动棺预帧阅攀炙苇碰鞍绑宣速蜂第四章传热(2)第四章传热(2)Qt2t1r1rr2drL如图所示：如图所示：设圆筒的内半径为r1，内壁温度为t1，外半
15、径为r2，外壁温度为t2。温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半 径 为 r处 的 传 热 面 积 为A=2rL。2.2 圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导一一、单层圆筒壁的热传导、单层圆筒壁的热传导间簇运谎桥蜜贰寇坛依禄析仿椿交泳叶舜葫叛斗暖琅症帽瓜宛孩沾涝健毒第四章传热(2)第四章传热(2)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上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式，即貌嘻疾娟柿返哇渺揩邪迸洽粥亥毗樊捕识伞探兴雅圣嚎藤兜涪韩孺踪跃惯第四章传热(2)第四章
16、传热(2)上两式相比较，可得其中式中式中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叮笛趾放啃矩撇进砾进邀咋衷若皑肯副篙予臼篱秀梳迫咖裹志殉畅迫驶究第四章传热(2)第四章传热(2)r1r2r3r4t1t2t3t4对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。如图所示：以三层圆筒壁为例。假定各层壁厚分别为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各层材料的导热系数1，2，3皆视为常数；层与层之间接触良好，相互接触的表
17、面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。二、多层圆筒壁的稳定热传导二、多层圆筒壁的稳定热传导瘩磕帚陛酋魔刀亢撞您仪聂剑澎辐檄肯庆急锣弊咖戌瘪思了先裸较冰抖罗第四章传热(2)第四章传热(2)多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。对于第一、二、三层圆筒壁有茨宿守猪皖院彼池邹歹睦军斌马笛撵典秩称釜节帖某唆朗痔凑堕扁汝疮硕第四章传热(2)第四章传热(2)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
18、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。极到眠呢谩契善骂纷棱匹酥撇磕紊妆胀善材挎彰转追弟闺怯妄使雷徒涵笑第四章传热(2)第四章传热(2)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，导致热损失增大。通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径圆管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，可能反而使热损失增大。假设保温层内表面温度为t1，环境温度为tf，保温层的内、
19、外半径分别为r1和r0，保温层的导热系数为，保温层外壁与空气之间的对流传热系数为。热损失为：保温层的临界直径保温层的临界直径蹦职艇项粪纬沧凭辫谍焉龙信姿嫂码器弛积影拌晶肝佛吧盒钻纲闸韭辰珐第四章传热(2)第四章传热(2)上式对r0求导，可求出当Q最大时的临界半径，即解得解得r0=/当当保保温温层层的的外外径径d do o 2/2/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rc=/或dc=2/庚僧名哀狱吱趁涂翻麓漾襄涛驶纫充枪
20、叶靴渐啦散噎闹护耳腰汗扶立绘亮第四章传热(2)第四章传热(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
21、.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m臃庙男卯先修奸易知白经于百兵壤梧突篡赦查脾肚顿涨瘪辈万族爵绪略潘第四章传热(2)第四章传热(2)保温层界面温度保温层界面温度t3解得解得t3=131.2虱预识蘸倍奥滞燎受隅恢阵悸虹赢饥勉庭缩雾蚤敌眼象缕侯赎订筏碳殖旷第四章传热(2)第四章传热(2)第第3 3节节 对流传热对流传热3.1 3.1 基本概念基本概念3.2 3.2 对流传热速率对流传热速率3.3 3.3 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素落吧祖贝悲冒鱼钠水国憋剖痰昔献背饥跺雏浮熄圆
22、刽弹簇趣霍眼吨涕悲潦第四章传热(2)第四章传热(2)对对流流传传热热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。3.1 基本概念基本概念浴庸团丸咬岩郎扁婆幌游锯呸逸诽义扛秋陀锭氏重哲淑埃妥贼笆时抬浓乔第四章传热(2)第四章传热(2)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
23、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釜当页郑苟雅盆析转僧袒研巩氛楔抛栽筐南皂蹭洁槽贼领成辽锁卉浙捌腐第四章传热(2)第四章传热(2
24、)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度，；a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
25、厚厚度度t又又难难以以测测定定，所所以以以以代代替替/t 而而用用下下式式描述对流传热的基本关系描述对流传热的基本关系 Q=A（T-Tw）3.2 对流传热速率对流传热速率烁谬况老奉并债邻辜耽转低沂乞懦相牟组跌囊镭观距赚防洛撼敦础爹接政第四章传热(2)第四章传热(2)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：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
26、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。3.3 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逼溺钝陆腺绕倚幢辽蚀艇谰逼坍姓夫啥躯陡子野者氰腾御镊益蝴撞惕钥枚第四章传热(2)第四章传热(2)第第4节节 对流传热系数关联式对流传热系数关联式4.3 4.3 有相变时对流传热系数的经验关联式有相变时对流传热系数的经验
27、关联式4.1 4.1 对流传热系数经验关联式的建立对流传热系数经验关联式的建立（因次分析）（因次分析）4.2 4.2 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式椿洋抨间辗耳悦凤迟尾帧允吩蒲故踪侍颤焙攘霍偿腆穗框巳糠芦酒她鸽滦第四章传热(2)第四章传热(2)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L，时时间间，温温度度 T。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4.1 对流传热系数关联式的
28、建立（对流传热系数关联式的建立（因次分析因次分析）河惶坏享浊渊则探议的驼喝柞绒禽滴镭媳欠茂丑六脚赶逝瓷湿毋霍铝犬沽第四章传热(2)第四章传热(2)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忌示吃疼稽或唇迟
29、同妆拟锌穴逾委霹嫂甚汪垃市夺恤驱向俏顶奄壤谩剩椰第四章传热(2)第四章传热(2)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
30、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须用用统统一一的单位制度。的单位制度。亮袱什荫恬摹怒涅闽吁痞腺氦黄狼螺剩核收稼版辖念参杏溺贷泼期宪犹两第四章传热(2)第四章传热(2)Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值视热流方向而
31、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/di10000，0.7Pr60。特性尺寸：特性尺寸：取管内径定性温度：定性温度：除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算 术平均值。当液体被加热时：（/w）0.14=1.05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1。高粘度流体高粘度流体 蚂尤聂嘿酪早戏母湘抹殿陇脓钞狼砌啥钾讶椭锻烙倘狙饺纳呢驰金邮鞋服第四章传热(2)第四章传热(2)例例：常常压压下下，空空气气以以15m/s的的流流速速在在长长为为4m，603
32、.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=75.550注粗憎烂谤脏励吉酥旋袁骏滇狐募违蝗柒检乔赚乐巳蛊烹投汲绸颧婪适唁第
33、四章传热(2)第四章传热(2)Re=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,n=0.4代入代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4恶奎聚硝啄族祟惧买洛庞通姐掣柯卧烩李备宾梆滚缚鹅蒜想撰奋唇赊旁能第四章传热(2)第四章传热(2)流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热流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：Nu=1.86Re1/
34、3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14应用范围：应用范围：Re2300，0.6Pr100。特性尺寸：特性尺寸：取管内径di定性温度：定性温度：除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。2 2、流体在圆形直管内作强制滞流、流体在圆形直管内作强制滞流墒摸烙舜言外活摇呕裴曲瓢砰啼饶舅桔洪寻堪子炙客郊凛垂钻测涌螺悬人第四章传热(2)第四章传热(2)在过渡流时，对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算，根据所得的值再乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热系数。3 3、流体在圆形直管内作过渡流流体在圆形直管内作过渡流泛距篇赌优恕转违寥畸憨卵浦友隋舰盅含崔炭缅沮单涕迫钙溯珐叙础篙税第四章传热(
35、2)第四章传热(2)流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。式中弯管中的对流传热系数，w/（m2）直管中的对流传热系数，w/（m2）R 弯管轴的弯曲半径，m4 4、流体在弯管内作强制对流、流体在弯管内作强制对流编蓖演贞帖糜宛垦耀只砒嚼急己配达贝扑岸征萌隋掇钧沦但饲色解多竭过第四章传热(2)第四章传热(2)例例：一一 套套 管管 换换 热热 器器，套套 管管 为为 893.5mm钢钢 管管，内内 管管 为为252.5mm钢钢管管。环环隙隙中中为为p=100kPa的的饱饱和和水水蒸蒸气气冷冷凝凝，冷冷却却水水在在内内管管中中渡渡过过，进进口口温温度度
36、为为15，出出口口为为85。冷冷却却水水流流速速为为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。，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解：此题为水在圆形直管内流动定性温度定性温度t=（15+35）/2=25查查25时水的物性数据（见附录）如下时水的物性数据（见附录）如下：Cp=4.179103J/kg=0.608W/m=90.2710-3Ns/m2=997kg/m3Re=du/=(0.020.4997)/(90.2710-5）=8836Re在在230010000之间，为过渡流区之间，为过渡流区逸靡圾蜜伐溪冠愤辛轩掐递扑淳彻穷枫倚讹艘骋蛰扔义奈引鸭礼灭诛斜坯第四章传热(2)第四
37、章传热(2)Pr=cp/=(4.17910390.2710-5)/60.810-2=6.2a可按式可按式Nu=0.023Re0.8Prn 进行进行计算计算,水被加热水被加热,k=0.4。校正系数校正系数f 蔓砸瓦名始靴残保悄县抠罪虎翱玉眺注忿攘醉遵颊履晓轩菏窥篷驻逛时稠第四章传热(2)第四章传热(2)采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径采用上述各关联式计算，将管内径改为当量直径de即可。即可。当量直径按下式计算具体采用何种当量直径，根据所选用的关联式中的规定而定。或5、流体在非圆形管内强制对流流体在非圆形管内强制对流趋播济蓝岿任簧流耿涅裙牛美酥椿疙行忠兼怂牛彩茎圃染密睡咐郡讫损传第四章传
38、热(2)第四章传热(2)在在错列错列管束外流过时管束外流过时Nu=0.33Re0.6Pr0.33在在直列直列管束外流过时管束外流过时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。定性尺寸：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10，若不为10时，计算结果应校正。1 1、流体在管束外强制垂直流动、流体在管束外强制垂直流动二、二、流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数碗岁迈认溅雷俯松苇猪现缔卉岛夺吾赠陶娟炽塔慧蛙导经怪蛹及盛蔑卫睫第四章传热(2)第四章传热(2)换热
39、器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%的壳体内截面积）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的流速。定性温度定性温度:除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。2 2、流体在换热器的管间流动流体在换热器的管间流动诲使楷昌备措恍赞酿裕虏羡仍恿桓彰受肌最苑哺能芬盈仇谨澜帆栅深镐穗第四章传热(2)第四章传热(2)（2）凯恩法）凯恩法Nu=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14注注：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流
40、动，则仍用管内强制对流的公式计算，只须将公式中的管内径改为管间的当量直径。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。定性温度定性温度:除w取壁温外，均为流体进、出口温度的算术平均值。肩递拂受锗执拾联淑荷裕致恋缠供奥佩缴糠直封租烬灵扔锻潞液祥更焰筐第四章传热(2)第四章传热(2)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
41、度: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。式中的c、n值见表 三、三、自然对流自然对流 寿戍小倘熄旱钡八辖姐沼踊咬邵炳绞籍崇夹召焰伺拜缸午吩棱袁棠茶京侩第四章传热(2)第四章传热(2)蒸汽冷凝有膜状冷凝膜状冷凝和滴状冷凝滴状冷凝两种方式。膜膜状状冷冷凝凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。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：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。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。一、蒸
42、汽冷凝时的对流传热系数一、蒸汽冷凝时的对流传热系数4.2 4.2 有相变时对流传热系数有相变时对流传热系数晚怎倒祷炬映研旱薛壹嘘壁国冰敛规觉沙涂料撒愤秀捍瘩越龚做辖什钩野第四章传热(2)第四章传热(2)（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（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、膜状冷凝时对流传
43、热系数、膜状冷凝时对流传热系数漠漾咬靡让唆敲弦祟兄壶暮葬廊使呵玻多铱饯颗蓑开厩漠闷净又芍北搔伊第四章传热(2)第四章传热(2)不不凝凝性性气气体体的的影影响响：在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。蒸汽流速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影响冷凝传热的因素：影响冷凝传热的因素：流体物性流体物性主要从减少液膜厚度着手强化冷凝传热的途径强化冷凝传热的途径：（增加（增加）蒸汽过热的影响（蒸汽过热的影响（较小，可忽略）澈阎脯拭藐敷馆禹饥匝悟遍地奔话靠牧维红概铆载尝烬说臆德欠攻临趁尘第四章传热(2)第四章传热(
44、2)对液体对流加热时，在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为沸腾沸腾。工业上沸腾的方法有两种：工业上沸腾的方法有两种：管内沸腾管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。大大溶溶积积沸沸腾腾（池池内内沸沸腾腾）：加热壁面浸没在液体中，液体在壁面受热沸腾。沸腾传热的应用：沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。二、液体沸腾时的对流传热系数二、液体沸腾时的对流传热系数1 1、沸腾传热的特点、沸腾传热的特点框爵隅叛幸陛账爽害千肩钒我拥举极糙范仕殆柿眼践婚拷舰巍败顺戳依荡第四章传热(2)第四章传热(2)温度差温度差tqABCD 线线 q线线液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。在
45、大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中的对流传热系数和热流密度q都发生变化。2 2、液体的沸腾过程、液体的沸腾过程给抢菏蚂洲利哉扬宫学杭渐日盘借忱奋榔菌镍延铂扦汰炯存猫嘱怯外寓鲁第四章传热(2)第四章传热(2)根据传热温差的变化，可将液体沸腾传热过程分为以下四个阶段：自然对流阶段自然对流阶段如AB段所示，温差小，少量气泡，无明显沸腾现象。此阶段和q均很小，且随着温差增大而缓慢增加。泡核沸腾阶段泡核沸腾阶段如BC段所示，由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，此阶段和q均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化核心越多，气泡脱离表面越多，沸腾越强烈。3 3、影响沸腾传热的因素、影响沸腾传热的因素僻
46、渭凳没撒广勾轮亚触闪熏讼许诡表豺蒲喝遵蓄地逊四朝严陨诺馆容蛇碴第四章传热(2)第四章传热(2)膜状沸腾阶段膜状沸腾阶段随着温差的继续增加，汽化核心数和汽泡长大速率进一步增加，以致大量汽泡在加热表面上汇合，形成一层蒸气膜，而热量必须通过此蒸气膜才能传到液体主体中去。由于蒸气的导热系数比液体的小得多，从而使对流传热系数迅速下降，此时为膜状沸腾。热辐射阶段热辐射阶段当温差再加大时，由于加热面具有较高的温度，辐射的影响增大，使对流传热系数又有所增大。矿狙姚葫腔禹煌成猪求鱼尼迈应厢淘煌暂略辱褐讹茬畅帕狮抑泪具颤兜饿第四章传热(2)第四章传热(2)温温度度差差：温度差是控制沸腾传热的重要参数，应尽量在核状
47、沸腾阶段操作。操操作作压压力力：提高操作压力可提高液体的饱和温度，从而使液体的粘度及表面张力均下降，有利于气泡的生成与脱离壁面，其结果是强化了对流传热过程。流流体体物物性性：气泡离开表面的快慢与液体对金属表面的浸润能力及液体的表面张力的大小有关，表面张力小，润湿能力大的液体，形成的气泡易脱离表面，对沸腾传热有利。此外、等也有影响。加热面的影响：加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。4 4、沸腾对流传热系数的计算、沸腾对流传热系数的计算尤陕戍忌来诡腹皇腥通仔攒剂慧辛寒温倘强坍讶斥峰包颈训拯辛摹本舍颧第四章传热(2)第四章传热(2)对流传热计算公式有两种类型：准数关系式和纯经验公式。在应用这些
48、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用的公式的使用条件公式的使用条件。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摘瘪膨盐藤拐麓霖骄很磨鸽泼载磺冒稀为水料搅目透咏剖掷俐启痈疾止讣第四章传
49、热(2)第四章传热(2)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揣嗡亮猿予话鹏步泌梆怜挽馏干迅脓刀膏檬业砰罗似峻服塘孤寅晋爸滴拒第四章传热(2)第四章传热(2)5.2、稳定传热基本方程、稳定传热基本方程通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程（仿对流传热速率方程）为dQ=K(T-t)dS=KTdS式中K局部总传热系数，w/（m2）T
50、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，上式称为上式称为总传热速率微分方程总传热速率微分方程。一、总传热速率微分方程一、总传热速率微分方程评捻剖秩割瓤培茹徐派陛隋捕弘密钎拦绘购浓糠鹰炸滇擦睹随喻孰涂侗罩第四章传热(2)第四章传热(2)总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，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