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1、5.1概述概述其它设备其它设备60%传热设备传热设备40%在设计时进行合理的优在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。有着重要的意义。5.1概述概述5.1.1传热过程的分类传热过程的分类5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式（1）直接接触式传热（混合式传热）直接接触式传热（混合式传热）热水热水空气空气填料填料凉水塔示意图凉水塔示意图（
2、2）间壁式（间接接触式）传热）间壁式（间接接触式）传热t2冷流体冷流体t1T1热流体热流体T2套管换热器中的换热套管换热器中的换热冷流体冷流体t热流体热流体T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式冷流体冷流体t热流体热流体T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热热量由热流体靠对流传热传给金热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）；属壁的一侧（对流给热）；热量自管壁一侧以热传导的形式热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）；传至另一侧（导热）；热量以对流传热的方式从壁面的热量以对流传热的方式
3、从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。另一侧传给冷流体（对流给热）。（3）蓄热式传热）蓄热式传热冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体固体填固体填充物充物蓄热器示意图蓄热器示意图5.1.1.2传热基本概念传热基本概念（1）传热速率）传热速率单位时间内通过传热面传递的热量单位时间内通过传热面传递的热量Q（W）；）；（2）热通量）热通量单位时间、单位传热面积上传递的热量单位时间、单位传热面积上传递的热量q（W/m2）；）；（3）非定态、定态传热过程）非定态、定态传热过程t=f（x，y，z，）温度不仅与空间位置还与时间有关，）温度不仅与空间位置还与时间有关，为非定态传热；为非定态传热；t=
4、f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热。为定态传热。5.2热传导（导热热传导（导热Conduction）5.2.1傅立叶定律（傅立叶定律（Flourierslaw）（1）温度场（）温度场（Temperaturefield）物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为温度场温度场。t=f（x，y，z，）（5-2）温度相同的点所组成的面称为温度相同的点所组成的面称为等温面等温面。温度不同的等温。温度不同的等温面不可能相交，为什么？面不可能相交，为什么？nq图图5-1温度梯度与热流温度梯度与热流方向的关系方向的
5、关系（2）温度梯度）温度梯度两等温面的温度差两等温面的温度差t与其间的垂直距离与其间的垂直距离n之比在之比在n趋趋于零时的极限，即于零时的极限，即5.2.1傅立叶定律（傅立叶定律（Flourierslaw）（3）傅立叶定律）傅立叶定律傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，热导率，热导率，W/m传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即传热速率不仅
6、与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即（5-3）5.2.2热导率热导率（2）液体的热导率）液体的热导率 t,；一般纯液体一般纯液体（水和甘油除外）（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导的热导率比其溶液的热导率大。率大。（3）气体的气体的热导率热导率气体的气体的很小，对导热不利，但对保温有利。很小，对导热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率热导率无明显影无明显影响。一般情况下气体响。一般情况下气体=f(t)，t,。5.2.2热导率热导率固体、液体、固体、液体、气体的气体的热导率的大致范围：热导率的大致范围：金属固体金属固体非金属固体非金
7、属固体液体液体气体气体金属固体：金属固体：101102W/(mK)；建筑材料：建筑材料：10-110W/(mK)；绝缘材料：绝缘材料：10-210-1W/(mK)；液体：液体：10-1W/(mK)；气体：气体：10-210-1W/(mK)；5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导传热速率（单位时间通过面积传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：上的传热量）为：（5-4）b或或A或或，R。上上式式为为常常数数，所所以以平平壁壁内内的的温温度度分分布布为为一一直直线线；若若导导热热系系数数与与温温度度有有关关，则则温温度度分分布布又又是是怎怎样样的的？txxdxt1t2t1t2005.2.3
8、平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导 从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和热阻等于各层热阻之和。此式说明，在多层壁导热过程中，此式说明，在多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。（5-6）5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导将上式写成热通量的形式为将上式写成热通量的形式为（5-6）5.2.3圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的
9、稳定热传导5.2.3圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导式中式中 b=r2-r1，为圆筒壁的厚度。平均面积，为圆筒壁的厚度。平均面积Am=2lrm，而而称称为为对对数数平平均均半半径径。当当r2/r12，K2，K几乎完全取决于几乎完全取决于2。因此要提高因此要提高K值关键在于提高较小的一个值关键在于提高较小的一个值。值。5.3.5总传热系数总传热系数注：注：传传热热间间壁壁为为圆圆筒筒壁壁时时，dA1dA2dAm，存存在在基基准准问问题题，由由于于换换热热器器系系列列中中均均为为外外表表面面积积A1，故故没没有有特特别别说说明明情情况况下下，均均以以外外表表面面积积为为基基准准；但但不不论论采
10、采用用哪哪种种基基准准计计算算得得到到的传热量的传热量Q相同；相同；下下标标1代代表表管管外外，2代代表表管管内内（ms1cp1代代表表热热流流体体，ms2cp2代代表表冷冷流流体体），K与与1、2、d1、d2、Rs1、Rs2等等参参数数有有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关；关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关；在在应应用用总总传传热热速速率率方方程程时时，若若K以以外外表表面面积积为为基基准准，则则A=A1；若；若K以内表面积为基准，则以内表面积为基准，则A=A2；5.3.6传热面积的计算传热面积的计算套管换热器套管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准以内表
11、面积为基准以内表面积为基准内管外径内管外径内管内径内管内径列管换热器列管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准以内表面积为基准以内表面积为基准传热管外径传热管外径传热管内径传热管内径总传热管数总传热管数5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7.1恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）若若间间壁壁两两侧侧流流体体均均为为相相变变对对流流传传热热，即即饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝和和饱饱和和液液体体沸沸腾腾，如如蒸蒸发发单单元元操操作作，热热流流体体在在换换热热器器中中处处处处的的温度均为温度均为T，冷流体在换热器中处处温度均为，冷流体在换热器中处处温
12、度均为t，故：，故：5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7.2变温差传热变温差传热在在实实际际中中常常见见的的是是变变温温差差传传热热，两两流流体体在在换换热热器器中中不不同同位位置置传传热热温温度度差差t不不同同；间间壁壁两两侧侧流流体体的的流流动动形形式式各各种种各各样样，但最基本的有两种形式：逆流、并流但最基本的有两种形式：逆流、并流图图5-13两侧流体均无相变时的温度变化两侧流体均无相变时的温度变化T2T1t2t1并流并流t1t2T2T1t1t2dTdt逆流逆流t2t2t1TTt1t2（a）蒸汽冷凝加热无）蒸汽冷凝加热无相变流体相变流体ttTT（b）无相变流体加热）无
13、相变流体加热液体沸腾液体沸腾图图5-13一侧流体相变时的温度变化一侧流体相变时的温度变化5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算（1）以逆流为例导出计算平均温度差）以逆流为例导出计算平均温度差tm的通式的通式取一微元传热面取一微元传热面dA经经dA的传热速率为的传热速率为dQ=K（T-t）dA=KtdA对对dA进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）dQ=-ms1cp1dT=-ms2cp2dt对整个换热器进行热量衡算对整个换热器进行热量衡算设设Q损损=0，cp1、cp2分分别别取取平平均均温温度度下下的的平平均
14、均值值，可可以以认认为为是常数，冷、热流体均无相变化，是常数，冷、热流体均无相变化，Q=ms1cp1（T1-T2）=ms2cp2（t2-t1）5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算 导出计算导出计算tm的通式的通式5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算令令对数平均温度差，对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流对逆流、并流及一侧流体变温的情况均使用，是计算体变温的情况均使用，是计算tm的通式的通式t1热流体进口侧的传热温差，热流体进口侧的传热温差，；t2热流体出口侧的传热温差，热流体出口侧的传热温差，。传热基本方程式传热基本方程式5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算（2）
15、讨论）讨论tm由逆流推导得出，但同样适用于并流由逆流推导得出，但同样适用于并流逆流：逆流：t1=T1-t2，t2=T2-t1并流：并流：t1=T1-t1，t2=T2t2若若max(t1,t2)/min(t1,t2)tm并并，若，若Q相同，相同，则则A逆逆A并并，所以工业换热器一般是采用逆流；，所以工业换热器一般是采用逆流；b、并流、并流t2总是总是T2，逆流，逆流t2可以可以(t2-t1)并并，冷却剂用量冷却剂用量ms2逆逆(T1-T2)并并，加热剂用量加热剂用量ms1逆逆100即可达到湍流）。即可达到湍流）。（3）复杂折流（多管程、多壳程）复杂折流（多管程、多壳程）实实际际上上，工工业业换换
16、热热器器并并不不一一定定都都是是逆逆流流或或并并流流，许许多多情情况况下采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动下采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动的的tm按下式计算按下式计算式中式中5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算讨论讨论：（1）单单管管程程改改为为多多管管程程，壳壳程程增增加加折折流流挡挡板板，虽虽然然能能提提高传热效果，但同时也增大了流动阻力；高传热效果，但同时也增大了流动阻力；（2）对对一一侧侧有有相相变变的的情情况况，饱饱和和液液体体沸沸腾腾P0，R；饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝R0；由由R、P关关系系图图可可知知，=1，其其对对数数平平均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正
17、；均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正；（3）一一般般1，当当0.8，否否则则经经济济上上不不合合理理、操操作作温温度度略略有有变变动动，操操作作不稳定不稳定；思考思考：提高：提高的方法？的方法？5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算改用多壳程：改用多壳程：单壳程：单壳程：R=2.0，P=0.3时，时，=0.86多壳程：多壳程：R=2.0，P=0.3时，时，=0.97因此，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。因此，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。（4）若若蒸蒸汽汽冷冷凝凝于于壳壳程程，由由于于蒸蒸汽汽本本身身的的对对流流给给热热系系数数很很大大，所所以以壳壳程程安安装装挡挡板板的
18、的距距离离比比一一般般的的换换热热器器要要大大，且挡板间应有冷凝水的排放口。且挡板间应有冷凝水的排放口。5.3.8壁温的计算壁温的计算对于稳定传热过程对于稳定传热过程热流体侧传热面积热流体侧传热面积冷流体侧传热面积冷流体侧传热面积平均传热面积平均传热面积5.4对流给热与对流给热系数对流给热与对流给热系数5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素（1）引起流动的原因：自然对流和强制对流）引起流动的原因：自然对流和强制对流自自然然对对流流：流流体体内内温温度度不不同同，导导致致密密度度差差异异，热热流流体体上上升升，冷冷流流体体下下降降，由由于于流流体体温温度度不不同同而而使使流流体体
19、流流动动的的传传热热过过程，称为自然对流给热。程，称为自然对流给热。强强制制对对流流：由由外外力力作作用用（输输送送机机械械）使使流流体体流流动动而而传传热热，称为强制对流给热。称为强制对流给热。强制对流强制对流自然对流自然对流（2）流体流动形态）流体流动形态流流体体传传热热热热阻阻主主要要集集中中在在层层流流底底层层中中。对对层层流流而而言言，整整个个流流体体均均处处于于层层流流状状态态；而而湍湍流流流流体体中中只只有有层层流流底底层层处处于于层层流流状状态态；所所以以湍湍流流情情况况下下传传热热效效果果大大于于层层流流状状态态，且且湍湍动动程程度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。度越大
20、，层流底层越薄，对流给热系数越大。湍流湍流层流层流5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素（3）流体的性质）流体的性质影影响响对对流流给给热热过过程程的的性性质质主主要要有有：比比热热、导导热热系系数数、粘粘度、密度等。度、密度等。如如粘粘度度大大，流流动动阻阻力力大大，湍湍动动程程度度差差，传传热热效效果果差差；导导热热系系数数大大，层层流流底底层层中中热热阻阻小小。一一般般比比热热大大、导导热热系系数数大大、密度大、粘度小对传热有利。密度大、粘度小对传热有利。（4）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等流流通通截截面
21、面及及形形状状（圆圆管管、套套管管环环隙隙、翅翅片片管管、单单管管、管管束、板、弯管）束、板、弯管）管子排列方式（三角形、正方形）管子排列方式（三角形、正方形）位置（水平、垂直）位置（水平、垂直）大小（短管、长管）大小（短管、长管）相变（无相变、沸腾、冷凝）相变（无相变、沸腾、冷凝）5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素补充：自然对流环流流速补充：自然对流环流流速流动的推动力为密度不同引起的静压差，则流动的推动力为密度不同引起的静压差，则液体的密度随温度变化的关系式如：液体的密度随温度变化的关系式如：紧靠壁面处密度（温度高时）紧靠壁面处密度（温度高时）T=T-T体积膨胀系数体积
22、膨胀系数5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素自自然然对对流流的的强强弱弱与与加加热热面面的的位位置置密密切切相相关关。水水平平加加热热面面的的上上部部有有利利于于产产生生较较大大的的自自然然对对流流(如如图图a a所所示示)，故故房房间间采采暖暖用用的的加加热热器器应应尽尽量量放放在在下下部部；水水平平冷冷却却面面的的下下部部有有利利于于产产生生较较大大的的自自然然对对流流(如如图图b b所所示示)，故故剧剧场场的的冷冷气气装装置置应应放放在在剧剧场场上部。上部。热平板热平板图图a水平加热面的对流情况水平加热面的对流情况冷平板冷平板图图b水平冷却面的对流情况水平冷却面的对流情
23、况5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用（1 1）获得给热系数的方法）获得给热系数的方法分分析析法法：对对描描写写某某一一类类给给热热问问题题的的偏偏微微分分方方程程及及其其定定解解条条件件进进行行数数学学求求解解，获获得得特特定定问问题题的的温温度度场场，从从而而获获得得给给热系数和传热速率的分析解。热系数和传热速率的分析解。数数值值法法：数数值值求求解解法法是是将将给给热热的的偏偏微微分分方方程程离离散散化化，用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。实实验验法法：通通过过实实验验来来获获得得不不同同情情况况
24、下下的的给给热热计计算算式式（常常为为关关联联式式或或经经验验式式）。为为减减少少实实验验工工作作量量，提提高高实实验验结结果果的的通通用用性性，应应当当在在量量纲纲分分析析的的指指导导下下进进行行；即即对对某某一一类类给给热热问问题题，将将影影响响给给热热系系数数的的因因素素用用量量纲纲分分析析归归纳纳成成几几个个无无量量纲纲的的特特征征数数，以以减减少少变变量量数数目目，再再用用实实验验确确定定这这些些特特征征数数之之间的具体关系。间的具体关系。5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 （2 2）因次）因次分析在对流给热中的应用分析在对流给热中的应用 根根据据前前面面
25、的的分分析析可可知知，影影响响对对流流给给热热系系数数的的因因素素有有（无无相变）：相变）：（1 1）流体物性：）流体物性：、cp（2）流动状态：）流动状态：u （3 3）传热面特征尺寸：）传热面特征尺寸：l （4 4）自自然然对对流流：Tg （视视为为一一个个变变量量，相相当当单单位位质质量量流体由于温度不同所产生的浮力）流体由于温度不同所产生的浮力）所以对流给热系数是以上七个变量的函数：所以对流给热系数是以上七个变量的函数：令令5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 对对SISI制制基基本本量量纲纲有有七七个个，在在此此关关系系有有涉涉及及到到四四个个量量纲纲，包包
26、括括长长度度L L、质质量量M M、时时间间T、温温度度；所所以以关关联联式式中中各各变变量量的的因次分别为：因次分别为：（Wm-2-1）（Pas）（kgm-3）（Wm-1-1）（m）（Jkg-1-1）（ms-1）（ms-2）5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用把以上因次代入关联式把以上因次代入关联式 根据因次一致性原则：根据因次一致性原则：解得：解得：5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用令：令：努塞尔特准数，努塞尔特准数，反映对流与纯导热时传热反映对流与纯导热时传热能力的比值；能力的比值；雷雷诺诺准准数数，惯惯性性力力与与粘粘性性力力的的比
27、比值值，表表征征流流体体流流动动型型态态对对对对流流给给热热的的影影响响；强强制制对对流时影响显著，自然对流时影响微小；流时影响显著，自然对流时影响微小；5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；液体液体Pr1Pr1，气体，气体Pr1Pr1接近接近1 1；格拉斯霍夫准数，格拉斯霍夫准数，反映自然对流对对反映自然对流对对流传热的影响。流传热的影响。根据以上定义可以得到最终的关联式：根据以上定义可以得到最终的关联式：讨论：讨论：根根据据不不同同的的对对流流给给热热过过程程，由由实实验验确确定定系
28、系数数K及及指指数数f、e、g值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等；值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等；强制对流时，强制对流时，Gr一般可忽略，即一般可忽略，即Nu=f(Re,Pr)自然对流时，自然对流时，Re一般可忽略，即一般可忽略，即Nu=f(Pr,Gr)由由实实验验条条件件所所限限，得得到到Nu=f(Re,Pr,Gr)关关联联式式应应注注意意应用范围；应用范围；5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用由由于于流流体体在在传传热热过过程程中中存存在在传传热热边边界界层层，所所以以冷冷流流体体从从t上上升升到到tW，热热流流体体从从TW降降为为T；
29、故故对对冷冷、热热流流体体的的物物性性应应分分别别取取(t+tW)/2、(T+TW)/2查查取取或或计计算算；当当壁壁温温的的计计算算需需要要确确定定对对流流给给热热系系数数（未未知知需需试试差差），工工程程上上为为计计算算方方便便一一般般取取流流体体主主体体的的平平均均温温度度来来查查取取或或计计算算；这这个个确确定定物物性性参参数数数数值值的的温温度度称称为为定定性性温温度度。有有些些情情况况下下，定定性性温温度度不不一一定定取取进进出出口口的的平平均均温温度度，如如取取膜膜温温（进进出出口口平平均均温温度度与与壁壁温温的的平平均均值）；所以要注意关联式对定性温度的说明和要求；值）；所以要
30、注意关联式对定性温度的说明和要求；定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，它是定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，它是代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管定几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管定性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径；性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径；Nu=f(Re,Pr,Gr)适用于无相变的对流给热。适用于无相变的对流给热。5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 总总之之，对对流流传传热热是是流流体体主主体体
31、中中的的对对流流和和层层流流底底层层中中的的热热传传导导的的复复合合现现象象。任任何何影影响响流流体体流流动动的的因因素素（引引起起流流动动的的原原因因、流流动动型型态态和和有有无无相相变变化化等等）必必然然对对对对流流传传热热系系数数有有影影响响。下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即：下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即：强制对流时的给热系数；强制对流时的给热系数；自然对流时的对流给热系数；自然对流时的对流给热系数；蒸汽冷凝时的对流给热系数；蒸汽冷凝时的对流给热系数；液体沸腾时对流给热系数；液体沸腾时对流给热系数；5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数强制
32、对流情况下，强制对流情况下，Gr对对的影响较小，一般可以忽略，所以的影响较小，一般可以忽略，所以 其中其中C、m、n由实验测定。由实验测定。5.4.3.1流体在管内作强制对流的流体在管内作强制对流的（1）流体在圆形直管内作强制湍流时的）流体在圆形直管内作强制湍流时的低粘度（粘度低粘度（粘度104，流动是充分湍流；，流动是充分湍流；b、Pr=0.6160，一般流体皆可满足；，一般流体皆可满足；c、50，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的。若充分发展的。若l/d 1，被加热：被加热：t，u,b,，n=0.4;被冷却：被冷却：t，u,b,，n
33、=0.3;气体气体Pr104；b、Pr=0.6160；c、特征尺寸、特征尺寸l 取取d内内；d、流体物性参数按定性温度、流体物性参数按定性温度tm=(t1+t2)/2取；取；e、用用tWm=(tW1+tW2)/2求求W；f、不适用于液态金属。、不适用于液态金属。一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但在工程计算中，也可取以下近似值：在工程计算中，也可取以下近似值：液体被加热液体被加热液体被冷却液体被冷却5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（2）流体在圆形直管内作强制层流时的）流体在圆形直管内作强制层流时的Gr2500
34、0，自然对流的影响可以忽略，自然对流的影响可以忽略此此式式适适用用范范围围及及条条件件：Re2300，Gr25000，0.6Pr10（不不适适用用于于管管长长很很长长的的情情况况），特特征征尺尺寸寸取取d内内；定性温度取定性温度取tm=(t1+t2)/2，用，用tWm=(tW1+tW2)/2求求W。当当Gr25000时，自然对流对强制层流时，自然对流对强制层流的影响不能忽略，应的影响不能忽略，应乘以校正系数：乘以校正系数：注意：层流时注意：层流时很小，从而很小，从而K也很小，因此在换热器设计也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热。中尽量避免在层流条件下传热。5.4.3强制对流时的对
35、流给热系数强制对流时的对流给热系数（3）圆形直管内强制过渡状况时的）圆形直管内强制过渡状况时的当当Re=200010000的过渡状态时，因湍动不充分，层流的过渡状态时，因湍动不充分，层流底层较厚，热阻大，底层较厚，热阻大，比湍流时小，作为粗略估计，可用比湍流时小，作为粗略估计，可用Re104的公式算出的公式算出Re104值，然后乘以校正系数值，然后乘以校正系数f2（4）圆形弯管内作强制对流时的）圆形弯管内作强制对流时的流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流给热系数加大。使对流给热系数加大。弯管中的给热系数弯管中的给热系数直管中的给
36、热系数直管中的给热系数管内径管内径弯管轴的曲率半径弯管轴的曲率半径5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（5）非圆形直管内作强制对流时的）非圆形直管内作强制对流时的用上述关联式，但式中的用上述关联式，但式中的d要用代替要用代替de采用专用的关联式采用专用的关联式如对如对套管环隙套管环隙，用水而和空气等进行实验，得到关联式为：，用水而和空气等进行实验，得到关联式为：这种方法简便，但计算结果不够准确。这种方法简便，但计算结果不够准确。适适用用条条件件：Re=12000220000，d2/d1=1.6517，特特征征尺尺寸寸为为de，定定性性温温度度取取tm=(t1+t2)/2。
37、也也可可计计算算其其他他流流体体在在环环隙隙中中作作强制湍流时的强制湍流时的。5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数5.4.3.2流体在管外作强制对流时的流体在管外作强制对流时的（1）流体垂直流过单根管的）流体垂直流过单根管的（2）流体横向流过管束的）流体横向流过管束的C1、C2和和n的值见表的值见表5-11。上式的适用范围及约束条件：上式的适用范围及约束条件：a、Re=50007000和和x1/d=1.25，x2/d=1.25；b、特征尺寸取管外径；、特征尺寸取管外径；c、定性温度、定性温度tm=(t1+t2)/2;d、流速取各排最窄通道处的流速。、流速取各排最窄通道处的
38、流速。由于各列的由于各列的不同，可按下式求出整个管束的平均不同，可按下式求出整个管束的平均：5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（3）流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的）流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的a、查图、查图5-30；b、当、当Re=2000106时时适用条件：适用条件：、换热器管间装有割去、换热器管间装有割去25%25%（面积）的圆缺形折流挡板；（面积）的圆缺形折流挡板；、Re=2000106 ；、定性温度定性温度tm=(t1+t2)/2;、tWm=(tW1+tW2)/2求求W；、特征尺寸、特征尺寸d de e（根据管束排列方式而定）（根据管束
39、排列方式而定）;、管外的流速根据流体流过的最大截面积、管外的流速根据流体流过的最大截面积S S计算。计算。5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（4）流体在列管换热器管间无折流挡板的）流体在列管换热器管间无折流挡板的用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管间当量直径。间当量直径。（5）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数容器直径容器直径搅拌器直径搅拌器直径搅拌器转速搅拌器转速搅拌雷诺数搅拌雷诺数传热壁面传热壁面m值值容器夹套内壁容器夹套内壁蛇管外壁蛇管外壁C值值涡轮式涡轮式平桨式平
40、桨式推进式推进式2/30.620.360.540.621.010.870.835.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数5.4.3.3提高对流给热系数提高对流给热系数的途径的途径（1）从层流转变为湍流时，）从层流转变为湍流时，Re，应力求使流体在换热，应力求使流体在换热器中达到湍流流动；器中达到湍流流动；（2）圆形直管时，）圆形直管时，u总费用总费用经常费经常费投资费投资费费用费用u最适宜最适宜（3）列管换热器管间加折流挡板时，）列管换热器管间加折流挡板时，设置折流板时设置折流板时u或或de对对都都有显著作用有显著作用（4）在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高，）在管内
41、加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高，但能耗，但能耗。5.4.4流体作自然对流时的对流给热系数流体作自然对流时的对流给热系数自自然然对对流流时时的的大大小小和和流流体体的的物物性性、传传热热面面的的大大小小、形形状状、位位置置及及传传热热面面与与流流体体间间的的温温度度差差都都有有关关系系，情情况况复复杂杂，仅仅限限于于讨讨论论大大空空间间（指指边边界界层层不不受受干干扰扰）的的自自然然对对流流。给给热热的的特特征征数数普普遍遍关关联联式式为为：Nu=f(Gr,Pr)，在在一一定定范范围围内内可可用用幂幂函函数数表示表示适用范围及条件：适用范围及条件：大容积（大空间）的自然对流；大容积（大空
42、间）的自然对流；定性温度取膜温定性温度取膜温 t膜膜=(tw+tm)/2;特征尺寸特征尺寸l：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高；：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高；t=tw-t。或或5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数（1）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻如如果果加加热热介介质质是是饱饱和和蒸蒸汽汽，当当饱饱和和蒸蒸汽汽和和低低于于饱饱和和温温度度的的壁壁面面接接触触时时，蒸蒸汽汽将将放放出出潜潜热热并并冷冷凝凝成成液液体体，冷冷凝凝对对流流传传热热过过程程的的热热阻阻几几乎乎全全部部集集中中在在冷冷凝凝液液膜膜内内。这这是是蒸蒸汽汽
43、冷冷凝凝对对流流传传热热过过程程的的一一个个主主要要特特点点。设设法法减减小小液液膜膜厚厚度度就就是是强强化化冷冷凝对流传热的凝对流传热的有效措施有效措施。如如果果加加热热介介质质是是过过热热蒸蒸汽汽，且且twts时时，则则壁壁面面上上不不会会发发生生冷冷凝凝现现象象，蒸蒸汽汽和和壁壁面面间间进进行行的的是是一一般般对对流流传传热热，此此时时热热阻阻将将集集中中于于壁壁面面附附近近的的蒸蒸汽汽层层流流底底层层中中。蒸蒸汽汽的的导导热热系系数数比比冷冷凝凝液液的的导导热热系系数数小小得得多多，故故饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝对对流流传传热热系系数数远远大于过热蒸汽的对流传热系数。大于过热蒸汽的对流传
44、热系数。因因此此，工工业业上上通通常常使使用用饱饱和和蒸蒸汽汽作作为为加加热热介介质质，其其原原因因有有两两个个：一一是是饱饱和和蒸蒸汽汽有有恒恒定定的的温温度度，二二是是它它有有较较大大的的对对流流传热系数。传热系数。5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数（2）膜状冷凝和滴状冷凝）膜状冷凝和滴状冷凝膜膜状状冷冷凝凝：冷冷凝凝液液能能够够润润湿湿壁壁面面并并形形成成一一层层完完整整的的液液膜膜向向下下流流动动。此此种种冷冷凝凝壁壁面面上上始始终终覆覆盖盖着着一一层层液液膜膜，蒸蒸汽汽冷冷凝凝时时放放出出的的潜潜热热只只能能以以导导热热的的形形式式通通过过液液膜膜后后才才能能
45、传传给给壁壁面面。因此膜状冷凝的热阻较大。因此膜状冷凝的热阻较大。滴滴状状冷冷凝凝：若若蒸蒸汽汽中中混混有有油油脂脂类类物物质质，或或者者壁壁面面被被油油脂脂沾沾污污时时，冷冷凝凝液液不不能能全全部部润润湿湿壁壁面面，而而是是结结成成滴滴状状小小液液珠珠从从壁壁面面落落下下，重重又又露露出出新新的的冷冷凝凝面面，这这种种冷冷凝凝称称为为滴滴状状冷冷凝凝。实实验验结结果果表表明明，滴滴状状冷冷凝凝的的比比膜膜状状冷冷凝凝的的大大几几倍倍甚甚至至几几十十倍倍。但但是是滴滴状状冷冷凝凝在在工工业业上上没没有有现现实实意意义义，难难以以实实现现，在在工工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。业上遇到的冷
46、凝过程大多数是膜状冷凝。5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数（3）蒸汽冷凝时的）蒸汽冷凝时的 理论推导理论推导特特征征尺尺寸寸H取取管管长长或或板板高高，冷冷凝凝潜潜热热r按按饱饱和和温温度度取取，其其余物性按液膜平均温度余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。取。推推导导上上式式的的条条件件：冷冷凝凝液液膜膜为为层层流流；蒸蒸汽汽u=0，对对液液膜膜无无摩摩擦擦阻阻力力；冷冷凝凝潜潜热热以以热热传传导导方方式式通通过过液液膜膜；冷冷凝凝液液物物性性为为常数。常数。平均平均b、单根水平管外、单根水平管外a、垂直管外或垂直板侧、垂直管外或垂直板侧5.4.5蒸汽冷凝时
47、的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数实验结果实验结果a、垂直管外或垂直板侧、垂直管外或垂直板侧使用范围及条件：使用范围及条件：特征尺寸特征尺寸H取管长或板高；取管长或板高；冷凝液膜为层流，冷凝液膜为层流，Re1800计算步骤：计算步骤：假设为层流假设为层流计算计算ReRe1800，5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数b、单根水平管外、单根水平管外实验结果和理论推导公式所得结果基本相符实验结果和理论推导公式所得结果基本相符在其它条件相同时在其它条件相同时一般一般Ldo，垂直垂直直排直排5.4.6液体沸腾时的对流给热系数液体沸腾时的对流给热系数对对液液体体加加热热时时，液液
48、体体内内部部伴伴有有液液相相变变为为气气相相产产生生汽汽泡泡的的过程称为沸腾。过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：按设备的尺寸和形状可分为：大大容容积积沸沸腾腾：传传热热面面浸浸沉沉浸浸在在无无强强制制对对流流液液体体中中发发生生的的沸腾现象。沸腾现象。管管内内沸沸腾腾：流流体体在在一一定定压压差差下下流流过过加加热热管管发发生生沸沸腾腾现现象象，沸沸腾腾过过程程受受液液体体流流速速的的影影响响，且且沸沸腾腾产产生生的的气气泡泡无无法法脱脱离离流流体体而而随随流流体体一一起起流流动动，形形成成复复杂杂的的气气液液两两相相流流。管管内内沸沸腾腾的的传热机理比大容器沸腾复杂得多。传热机理比大容
49、器沸腾复杂得多。根据沸腾温度分为：根据沸腾温度分为：过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。饱和沸腾：液体主体温度达到或高于饱和温度。饱和沸腾：液体主体温度达到或高于饱和温度。5.4.6液体沸腾时的对流给热系数液体沸腾时的对流给热系数（1）沸腾现象）沸腾现象过热度过热度平均温度平均温度饱和温度饱和温度汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称为为汽化核心汽化核心。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因
50、热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的比无相变时的比无相变时的大得多。大得多。沸腾沸腾无相变无相变5.4.6液体沸腾时的对流给热系数液体沸腾时的对流给热系数如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明 t对的对的 影响：影响：t很很小小时时，仅仅在在加加热热面面有有少少量量汽汽化化核核心心形形成成汽汽泡泡，长长大大速速度度慢慢，所所以以加加热热面面与与液液体体之之间间主