第三章传热PPT课件

1、3.1 3.1 传热的基本概念传热的基本概念第三章第三章 传传 热热3.2 3.2 热传导热传导3.3 3.3 对流传热对流传热3.4 3.4 辐射传热辐射传热3.6 3.6 换热器换热器3.7 3.7 几种特殊情况下的传热几种特殊情况下的传热 3.5 3.5 稳定传热过程计算稳定传热过程计算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传

2、热在食品工程中的应用传热在食品工程中的应用 食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及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）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。对温度有一定的要求。3.1.1 传热的基本方式传热的基本方式 热传导热传导(conduction); (conduction); 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：3.1 传热的基本概念传热的基本概念对流对流(convection); (

3、convection); 辐射辐射(radiation)(radiation)。 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自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。 特点：特点：没有物质的宏观位移没有物质的宏观位移（1 1）热传导）热传导（又称导热）（又称导热）气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的液体 机理复杂强制对流：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

4、拌等外力所导致的对流称为强制对流。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体中流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同一流体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。热对流的两种方式：热对流的两种方式：自然对流：自然对流： 由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，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。（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。对流。 热对流仅发生在流体中。热对流仅

5、发生在流体中。（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。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何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。介质。 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。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，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互伴随着出现的。伴随着出现的。 温度场温

6、度场(temperature field)：空间中各点在某一瞬间：空间中各点在某一瞬间的温度分布，称为温度场。的温度分布，称为温度场。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，)3.1.2 温度场和温度梯度温度场和温度梯度（1）温度场）温度场不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面Q 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

7、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。 注意注意：沿等温面将无热量传递，而沿和等温面相交的任何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方向，

8、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。度以沿与等温面的垂直方向为最大。xxtxxt),(),( 对于一维温度场，等温面对于一维温度场，等温面x及及(x+x)的温度分别为的温度分别为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： xtxxtxxtgradtx),(),(lim0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。向为正。（2 2） 温度梯度温度梯度 ntnttgradn0limt+tt-ttnQdA 温

9、度梯度是一个点点的概念。 温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正 一维稳定热传导dxdt /3.1.3 传热速率与热通量传热速率与热通量传热速率传热速率（热流量）：单位时间通过传热面积的（热流量）：单位时间通过传热面积的热量。用热量。用Q表示，单位表示，单位W (J/s)。热通量热通量（热流密度）：单位时间通过单位传热面（热流密度）：单位时间通过单位传热面积的热量积的热量q ，单位，单位W/m2dSdQq热阻（阻力）传热温度差（推动力）传热速率xtdSdQ 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导单位时间内传导的热量

10、与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即，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，w S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。 3.2.13.2.1傅立叶定律与热导率傅立叶定律与热导率xtddq3.2 热传导热传导ndSQt+ttt-tt/n图图 温度梯度和

11、傅立叶定律温度梯度和傅立叶定律 负号表示传热方向与温度梯度方向相反ntSQqdd 表征材料导热性能的物性参数。越大，导热性能越好，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。 用热通量来表示 对一维稳态热传导 dxdtSQdd (2) 是分子微观运动的宏观表现。(1) 在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 = f(结构,组成,密度,温度,压力）(3) 各种物质的导热系数金属固体 非金属固体 液体 气体 )1 (0at在一定温度范围内：式中 0, 0, t时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。 对大多数金属材料a 0 ， t 1)固体 金属：纯金属 合金 非金属：同

12、样温度下，越大， 越大。2)液体 金属液体较高，非金属液体低，水的最大。 t （除水和甘油） 一般来说，纯液体的大于溶液3)气体 t 气体不利用导热，但可用来保温或隔热。如图所示：如图所示：bt1 t2 Qtt1 t2 obx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

13、。3.2.2 通过平壁的稳定热传导通过平壁的稳定热传导（1） 单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导dxdtqRtbttttb2121)(q 式中式中tt=t=t1 1-t-t2 2为导热的推动力为导热的推动力( (driving forcedriving force) )，而，而R=b/R=b/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 分离积分变量后积分，分离积分变量后积分，积分边界条件：当积分边界条件：当x x=0=0时，时，t= tt= t1 1；x=bx=b时，时，t= tt= t

14、2 2，210qttbdtdx讨论： 热阻推动力Rtqttt()12bR 2分析平壁内的温度分布210qttbdtdx上限由2ttbx 时，xxtt时，xttttxq)(q111可表示为推动力：热阻：为xbtttt211 不随t变化， tx成呈线形关系。)1 (0at3当随t变化时() /122若随t变化关系为：则tx呈抛物线关系。 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Qb1 b2 b3 xtt1 t2 t3 t4 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

15、，2 2，3 3，皆视，皆视为常数；为常数； 层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于温面亦皆为垂直于x x轴的平行平轴的平行平面。面。 壁的面积为壁的面积为A A，在稳定导热过，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。程中，穿过各层的热量必相等。（2 2） 多层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导)(q21111ttb121111qtttb3333qtb2222qtb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=q321332211)(qtttbbb)()(q332211

16、41332211321bbbttbbbttt32141321321qRRRttRRRtttn1ii11111Rqnniiiinttbtt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。 例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm12cm，中间夹层厚，中间夹层厚10cm10cm，填以绝缘材料。砖墙的热导率为填以绝缘材料。砖墙的热导率为0.70w/m0.70w/mk k，绝缘材料的热导，绝缘材料的热导率为率为0.04w/mk0.04w/mk，墙外表面温度为，墙外表面温度为

17、1010 ，内表面为，内表面为-5-5 ，试，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。度。233221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQq按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t31 . 970. 012. 027. 5101112bqtt1 . 4) 5(70. 012. 027. 54333tbqt解：解： 根据题意，已知根据题意，已知t t1 1=10=10 ，t t4 4=-5=-5 ，b b1 1=b=b3 3=0.12m=0.12m，b2=0.10

18、mb2=0.10m，1 1= = 3 3= = 0.70w/mk0.70w/mk， 2 2= 0.04w/mk= 0.04w/mk。按热流密度公式计算按热流密度公式计算q q：Qt2 t1 r1 rr2 drL如图所示：如图所示：3.2.3、圆筒壁的稳定热传导、圆筒壁的稳定热传导（1） 单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导设圆筒的内半径为设圆筒的内半径为r r1 1，内，内壁温度为壁温度为t t1 1，外半径为，外半径为r r2 2，外壁温度为外壁温度为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

19、与平壁不同点是其面随半径而变化。径而变化。 在半径在半径r r处取一厚度为处取一厚度为drdr的薄层，若圆筒的长度为的薄层，若圆筒的长度为L L，则半，则半径为径为r r处的传热面积为处的传热面积为 A=2rLA=2rL。drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQ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122121)()(rrttAbttAQmmxtdAdQLrrrrrLAmm2ln)

20、(212121212lnrrrrrm12121212ln22ln)(2AAAALrLrrrLAm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，m Am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 即：即：当当(r2/r1)22时，时，rm=(r1+r2)/2r1 r2 r3 r4 t1 t2 t3 t4 对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即对稳定导热过程，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。经过各单层壁所传导的

21、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； 层与层之间接触良好，相互层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，各等温接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。面皆为同心圆柱面。（2 2） 多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导 12211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rr

22、ttLQ 多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。多层圆筒壁的热传导计算，可参照多层平壁。 对于第一、对于第一、二、三层圆筒壁有二、三层圆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 34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2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：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率都是相同的，但是相同的，但是热流密度热流密度却

23、不相等。却不相等。LrrrLttRRttQff010121121ln21 通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小通常，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。增加，可能反而使热损失增大。 假设保温层内表面温度为假设保温层内表面温度为t t1 1，环境温度为，环境温度为t tf f，保温层，保温层的内、外半径分别为的内、外半径分别为r r1 1和和r r0 0，保温层的导热系数为，保温层的导热系数为，保，保温层外壁与空气之间的温层外壁与空气之间的对流传热系数为对

24、流传热系数为。热损失为：热损失为：补充内容：补充内容：保温层的临界直径保温层的临界直径 分析：当分析：当r r1 1不变、不变、r r0 0增大时，热阻增大时，热阻R R1 1增大，增大，R R2 2减小，因此有可能使总热阻（减小，因此有可能使总热阻（R R1 1+R+R2 2）下降，导）下降，导致热损失增大。上式对致热损失增大。上式对r r0 0求导，可求出当求导，可求出当Q Q最大最大时的临界半径，即时的临界半径，即01)/ln()11)(22012010rrrrrttLdrdQoof解得解得 r0=/ 当保温层的外径当保温层的外径d do o222/时，增加保温层的时，增加保温层的厚度才

25、使热损失减少。厚度才使热损失减少。 对管径较小的管路包扎对管径较小的管路包扎较大的保温材料时较大的保温材料时，要核算，要核算d d0 0是否小于是否小于d dc c。所以，临界半径为所以，临界半径为 rc=/ 或或 dc=2/例例 在一在一 603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，的钢管外层包有两层绝热材料，里 层 为里 层 为 4 0 m m 的 氧 化 镁 粉 ， 平 均 导 热 系 数的 氧 化 镁 粉 ， 平 均 导 热 系 数=0.07W/m，外层为，外层为20mm的石棉层，其平均导的石棉层，其平均导热系数热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁。现用热电偶测得管内壁r1 r2

26、 r3 r4 t1 t2 t3 t4 温度为温度为500，最外层表面，最外层表面温度为温度为80，管壁的导热，管壁的导热系数系数=45W/m。试求每。试求每米管长的热损失及两层保米管长的热损失及两层保温层界面的温度。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34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ式中式中:r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09mmwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.0

27、03.0ln451)80500(14.32保温层界面温度保温层界面温度t3 23212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得解得 t3=131.2 对流传热：对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠它是依靠流体质点的移动流体质点的移动进行热量传递的，与流体的进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。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

28、对流）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。方式进行。对流传热的基本概念对流传热的基本概念3.3 对流传热对流传热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。温度边界层。有温度梯度

29、较大的区域。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集种在此层传热的热阻即主要集种在此层中中。温度温度距离距离ThTwh Twc Tc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TSQ上式称为上式称为牛顿冷却定律。牛顿冷却定律。 简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚简化处理：认为流体的全部温度差集中在厚度为度为t的有效膜内，但有效膜的厚度的有效膜内，但有效膜的厚度t又难以测又难以测定，所以以定，所以以代替代替/t 而用下式描述对流传热的而用下式描述对流传热的基本关系基本关

30、系 3.3.1 牛顿冷却定律与对流传热系数牛顿冷却定律与对流传热系数TSQ（1）量纲分析法）量纲分析法n目的：减少实验工作量，把若干个变量组减少实验工作量，把若干个变量组成几个量纲为一的特征数。成几个量纲为一的特征数。n原理（伯金汉 定理） 1、量纲一致性原则。、量纲一致性原则。2、任何数学函数均可用一幂函数近似地表示。、任何数学函数均可用一幂函数近似地表示。3.3.2 对流传热系数关联式的建立方法对流传热系数关联式的建立方法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

31、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。 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：（2）对流传热过程的因次分析）对流传热过

32、程的因次分析 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： ),(tgclufp用幂函数表示用幂函数表示:gfTdcpbaltgcksnpmtlgcluCl)()()(223 八个物理量涉及四个基本因次：质量八个物理量涉及四个基本因次：质量M，长度，长度M，长度，长度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：snmGrANuPrRe即即准数符号及意义准数符号及意义 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 准数关联式是一

33、种经验公式，在利用关联式准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。2 2、特性尺寸、特性尺寸 无因次准数无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。寸作为特征尺寸。3 3、定性温度、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流体物理特性参数的温度称为数中流体物理特性参数的温度称为定性温度定性温度。一般定性温度有。一般定性温

34、度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。壁面的平均温度（膜温）。4 4、无因次数群、无因次数群 准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。量必须用统一的单位制度。 npiicudd)()(023. 08 . 0Nu=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 ： Re10000，0.7Pr120，管长与管径比，管长与管径

35、比L/di60。若。若 L/di60时，时，须乘以（须乘以（1+（di/L）0.7）进行校正。）进行校正。 特性尺寸特性尺寸 ： 取管内径取管内径di定性温度：定性温度： 流体进、出口温度的流体进、出口温度的算术平均值算术平均值。3.3.3 3.3.3 流体在管内强制对流时的对流传热系数流体在管内强制对流时的对流传热系数（1 1） 圆形直管内强制圆形直管内强制湍流湍流时的对流传热系数时的对流传热系数1) 1) 低粘度流体低粘度流体 （小于水粘度的（小于水粘度的2 2倍，倍，2.01000010000，0.70.7Pr16700Pr50 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 1

36、0-5) =2.28 104 104(湍流湍流) Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68 8 .444 .60053. 003928. 0NudW/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 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流及热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。流方向对对流传热系数的影响。 (1) 当自然对流的影响比较小且可被忽略时，对水平管，当自然对流的影响比较小且可被忽略时，对

37、水平管，按下式计算：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： Re2300，0.6Pr50。 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。（2 2） 流体在圆形直管内作流体在圆形直管内作强制滞流强制滞流 (2) 自然对流的影响自然对流的影响不能忽略时不能忽略时，而自然对流的影响又因，而自然对流的影响又因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。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。 对水平

38、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，当管子较短，l/d50时，计算所得的时，计算所得的值应校正。值应校正。 特性尺寸：取管内径特性尺寸：取管内径d di i 定性温度：壁温定性温度：壁温twtw与流体进、出口平均温度的平均值与流体进、出口平均温度的平均值t tm m，即，即 膜温。膜温。 t=tt=tw w-t-tm mNu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2补充： (3) 对于垂直管，自然对流的影响较大，可作对于垂直管，自然对流的影响较大，可作近似校正。如强制对流方向和自然对流方向相同近似校正。如强制对流方向和自然对流方向相同时，时，

39、值按上式计算结果减少值按上式计算结果减少15%，方向相反时，方向相反时，加大加大15%。校正系数校正系数f f的数值的数值（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 2300Re100002300Re10000 在过渡流时，对流传热系数可先用湍流时的计算公在过渡流时，对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算，根据所得的式计算，根据所得的值再乘以校正系数值再乘以校正系数，即可得到，即可得到过渡流下的对流传热系数。过渡流下的对流传热系数。8.15Re1061)77.11(rdfi 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大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

40、度，使对流传热系数较直管内大。了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内大。式中式中 弯管中的对流传热系数，弯管中的对流传热系数，w/（m2 ） 直管中的对流传热系数，直管中的对流传热系数，w/（m2 ） r 弯管轴的弯曲半径，弯管轴的弯曲半径，m（4 4） 流体在弯管内作强制对流流体在弯管内作强制对流例：一套管换热器，套管为例：一套管换热器，套管为893.5mm钢管，内管钢管，内管为为252.5mm钢管。环隙中为钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15，出，出口为口为85。冷却水流速为。冷却水流速为0.4

41、m/s，试求管壁对水的对，试求管壁对水的对流传热系数。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/m3 Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5）=8836 Re在在230010000之间，为过渡流区之间，为过渡流区 Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2 a可按式可按式 Nu=0

42、.023Re0.8Prn 进行计算进行计算，水被加热水被加热，n=0.4。9524. 088361061Re10618 . 158 . 15f校正系数校正系数f kmwfcuddpii24 . 08 . 04 . 08 . 0/19789524. 0)2 . 6()8836(02. 0608. 0023. 0)()(023. 0对流传热系数对流传热系数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。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。润

43、湿周边流体流动截面积 4ed传热周边流体流动截面积 4ed或或（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3.3.4 3.3.4 流体外绕壁面强制对流流体外绕壁面强制对流（1） 流体平行流过平板流体平行流过平板当当 Re3105（湍流）时（湍流）时Nu=0.664Re0.8Pr1/3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：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

44、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）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动 换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为换热器内装有圆缺形挡板（缺口面积为25%的壳体内截面的壳体内截面积）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的流速。取管外径，流速取每排管子中

45、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。（3 3） 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：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流动，则：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流动，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。间的当量直径。 应用范围应用范围: Re=21031 105 特性尺寸特性尺寸: 取当量直径，管子排列不同

46、，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。Nu=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3.3.5 3.3.5 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。膜状冷凝膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整：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，

47、的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜冷凝液膜是其主要热阻。是其主要热阻。滴状冷凝滴状冷凝：若冷凝液不能润湿避免，由于表面张力的作若冷凝液不能润湿避免，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，此中冷用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为滴状冷凝。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。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是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。蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。3.3.6 流体有相变时的对流传热系数流体有相变时的对流传热系数 （1 1） 蒸汽冷凝时的对流传热系数蒸汽冷凝时的对流传热

48、系数4123)(13. 1tlgr1）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 2） 膜状冷凝时对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数 2） 水平管壁上作膜状冷凝水平管壁上作膜状冷凝 41023)(725.0tndgr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 不凝性气体的影响不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成

49、一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数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： 对液体对流加热时，在液相内部伴有由液相变成气相的对液体对流加热时，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) 大溶积沸腾（池内沸腾）大溶积沸腾（池内沸腾）：加热壁面浸没在液体：加热壁面浸没在液体中，液体在壁

50、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、蒸发器、蒸汽锅炉等。3.3.7 3.3.7 液体沸腾时的对流传热系数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 温度差温度差t qABCD 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。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中度之差。在大空间内沸腾时，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） 液体的沸腾过程液体的

51、沸腾过程 根据传热温差的变化，可将液体沸腾传热过程分为以下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：四个阶段：1) 自然对流阶段自然对流阶段 如如AB段所示，温差小，无明显沸腾现象。此阶段段所示，温差小，无明显沸腾现象。此阶段和和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段所示，由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，段所示，由于气泡运动所产生的对流和扰动作用，此阶段此阶段和和q均随着温差增大而迅速增加。温差越大，汽化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。核心越多，气泡脱

52、离表面越多，沸腾越强烈。 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素3）膜状沸腾阶段）膜状沸腾阶段 图中图中CD所示。因汽化核心过多而形成不稳定汽膜，使所示。因汽化核心过多而形成不稳定汽膜，使加热面与液体隔开，加热面与液体隔开， 和和q下降。下降。4）稳定腊状沸腾阶段）稳定腊状沸腾阶段 图中图中D点以后，汽泡在加热面上形成和发展。点以后，汽泡在加热面上形成和发展。1）温度差：）温度差：温度差是控制沸腾传热的重要参数，应尽量在核温度差是控制沸腾传热的重要参数，应尽量在核状沸腾阶段操作。状沸腾阶段操作。2）操作压力：）操作压力：提高操作压力可提高液体的饱和温度，从而使提高操作压力可提高液体的饱和温度，从

53、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，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。其结果是强化了对流传热过程。3）流体物性：）流体物性：气泡离开表面的快慢与液体对金属表面的浸润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。等也有影响。4）加热面的影响：）加热面的影响：加热面的材料、粗糙度的影响。加热面的材料、粗糙度的影响

54、。 （3 3） 沸腾对流传热系数的计算沸腾对流传热系数的计算在应用对流传热计算公式时应注意以下几点：在应用对流传热计算公式时应注意以下几点：1、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流、首先分析所处理的问题是属于哪一类，如：是强制对流或是自然对流，是否有相变等。或是自然对流，是否有相变等。2、选定响应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选、选定响应的对流传热系数计算式，特别应注意的是所选用的公式的使用条件。用的公式的使用条件。3、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，、当流体的流动类型不能确定时，采用试差法进行计算，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。

55、、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 （1）热辐射能热辐射能 物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能。将吸收的辐射能转变成热能。10-101010 110210410610-410-210-6射线射线无线电波无线电波微波微波X射线射线紫外紫外热射线热射线红外红外能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。热射线。 电磁波的波长范围及热射线电磁波的波长范围及热射线

56、3.4 辐射传热辐射传热3.4.1辐射基本慨念辐射基本慨念（2）吸收率吸收率 A，反射率，反射率 R 和透过率和透过率 D （Absorption, Reflection and Diaphaneity )DRAEEEE1EEEEEEDRA1DRA根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：EREDEANE3.4.2 物体辐射的能力物体辐射的能力单色辐射单色辐射:单一波长的辐射。单一波长的辐射。单色辐射能：一定温度下，从单位物体表面在单位时间内发单色辐射能：一定温度下，从单位物体表面在单位时间内发射单一波长辐射的辐射能，用射单一波长辐射的辐射能，用 E表示，表示，其单位为其单位为 W/m2 灰体（灰体

57、（A+R1,D0）：）： 能吸收从能吸收从0无穷长的所有波长范无穷长的所有波长范围的辐射能且吸收率相等的物体称灰体。围的辐射能且吸收率相等的物体称灰体。 表面现象表面现象 容积现象容积现象（3）黑体、白体和透体和灰体黑体、白体和透体和灰体黑体黑体 A=1 白体白体 R=1 透体透体 D=1（1）单色辐射能）单色辐射能 E及及 Planks Law 黑体的单色辐射能黑体的单色辐射能 E Eb b 可用可用Planks Law Planks Law 精确地描述：精确地描述： 1251eTCbCE 由黑体辐射谱中能量分布图由黑体辐射谱中能量分布图可知：随着温度的提高，物体可知：随着温度的提高，物体最

58、大辐射能渐向波长缩短的方最大辐射能渐向波长缩短的方向移动。向移动。E b T=1400 KT=1200 K010Eb黑体的单色辐射能力，黑体的单色辐射能力，w/m3 波长，波长，m T物体的热力学温度，物体的热力学温度，K C1常数，其值为常数，其值为3.74310-16Wm2 C2常数，其值为常数，其值为1.438710-2mK （2）斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼波尔茨曼（Stephen-Boltzman ）定律定律全辐射能（辐射照度）为所有单色辐射能之和，即全辐射能（辐射照度）为所有单色辐射能之和，即对黑体对黑体4040)100(TcTdEEbb 称为称为斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼波尔茨曼辐射常数，其值

59、为辐射常数，其值为 5.6710-8 w/(m2K4) c0称为黑体辐射系数称为黑体辐射系数 上式说明，黑体的全发射能力正比于热力学温度的四次上式说明，黑体的全发射能力正比于热力学温度的四次方，此关系称为方，此关系称为斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律，波尔茨曼定律，亦称亦称四次方定律四次方定律。0dEE(W/m2)bEE黑体发射能力物体发射能力黑体吸收辐射能的能力物体吸收辐射能的能力黑度黑度：辐射率：辐射率（3）克希霍夫（）克希霍夫（Kirschoff）定律）定律当两物休，在相同的环境处于温度平衡之下，则：2211AEAEE1E0（1-A1）E0A1E0 灰体 黑体 42412121)100()100

60、(TTACQC C 1212 称为总辐射系数；称为总辐射系数； 称为角系数，表示由辐射面称为角系数，表示由辐射面A发射发射出的能量为另一物体所截获的分数，出的能量为另一物体所截获的分数，与两物体几何排列和面积有关。与两物体几何排列和面积有关。3.4.3 两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热3.4.5 辐射加热的方法辐射加热的方法食品热食品热 加工分直接加热和间接加热。加工分直接加热和间接加热。（一）红外线加热（一）红外线加热（二）高频加热（二）高频加热（三）微波加热（三）微波加热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(热负荷热负荷) 根据生产要求的热负荷确定换热器的