第三章 传热及传热设备

1、安全工程专业专业基础课安全工程专业专业基础课 安全工程专业课件安全工程专业课件 本章重点 掌握三种传热方式的基本定律和计算方法。掌握三种传热方式的基本定律和计算方法。 重点掌握对流传热及其计算。重点掌握对流传热及其计算。 了解换热器的类型、结构。掌握列管式换热器的结构、了解换热器的类型、结构。掌握列管式换热器的结构、 设计及选用。设计及选用。 了解新型换热器的结构及原理。掌握强化传热的途径。了解新型换热器的结构及原理。掌握强化传热的途径。 安全工程专业课件安全工程专业课件 本章主要内容 n第一节第一节 概述概述 n第二节第二节 热传导热传导 n第三节第三节 对流传热对流传热 n第四节第四节 传

2、热计算传热计算 n第五章第五章 辐射传热辐射传热 n第六章第六章 换热器换热器 n小结、习题课小结、习题课 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质， 这些性质的变化都涉及热能的传递。这些性质的变化都涉及热能的传递。 化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；蒸发、化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；蒸发、 蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；高温或蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；高温或 低温设备：隔热

3、保温，减少热损失；热能的合理利用和废低温设备：隔热保温，减少热损失；热能的合理利用和废 热回收。热回收。 化工生产的传热问题化工生产的传热问题 安全工程专业课件安全工程专业课件 热传导：热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热； 热对流：热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热 现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表 面与接触流体的传热也称为对流传热；面与接触流体的传热也称为对流传热； 热辐射：热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传

4、热现象热辐高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐 射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传 热成为主要传热方式。热成为主要传热方式。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 （一）热传导（一）热传导 气体气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果；分子做不规则热运动时相互碰撞的结果； 固体固体 导电体：自由电子在晶格间的运动；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实现；非导电体：通过晶格结构的振动实现； 液体液体 机理复杂。机理复杂。 特点：静止介质中的传热

5、，没有物质的宏观位移。特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 （二）热对流（二）热对流 n自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力引起的流动。 n强制对流：流体受外力作用而引起的流动。强制对流：流体受外力作用而引起的流动。 n特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动。特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动。 （三）热辐射（三）热辐射 n物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 n能量转移、能量形

6、式的转化。能量转移、能量形式的转化。 n不需要任何物质作媒介不需要任何物质作媒介 。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 二、典型的换热设备 直直接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合接混合式传热：冷热两种流体直接接触，在混合 过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。过程中进行热交换。不常用，如凉水塔。 间间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间壁式换热：参与传热的两种流体被隔开在固体间 壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固 体间壁进行热量的交换。体间壁进行热量的交

7、换。 套管式换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进 热溶液出 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 列管式换热器 单程列管式换热器 双程列管式换热器 1 2 3 3 6 6 5 4 4 5 7 二典型的换热设备 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 传热过程的基本问题 载热体用量的确定； 设计新的换热器； 核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。 解决这些问题需要 两个基本关系式 若忽略过程热损失 吸放 QQ 传热速率(热流量) Q ：单位时间内所交换的热量(

8、W) 传热通量(热流密度) q： 单位时间单位传热面积上传递的热量(W/m2) 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 （一）间壁式换热器（一）间壁式换热器 三、流体通过间壁换热过程三、流体通过间壁换热过程 冷流体冷流体t1 t2 热流体热流体T1 T2 夹套式换热器夹套式换热器 安全工程专业课件安全工程专业课件 传热速率传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传（热流量）：单位时间内通过换热器的整个传 热面传递的热量，单位热面传递的热量，单位 J/s或或W

9、。 热流密度热流密度q （热通量）（热通量） ：单位时间内通过单位传热面积传：单位时间内通过单位传热面积传 递的热量，单位递的热量，单位 J/(s. m2)或或W/m2。 （二）传热速率与热流密度（二）传热速率与热流密度 A Q q 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 （三）稳态与非稳态传热（三）稳态与非稳态传热 非稳态传热非稳态传热 ,zyxftqQ 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0 t 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 管壁内侧管壁内侧热流体热流体 对

10、流对流 )( 1 )1( Q （四）两流体通过间壁的传热过程（四）两流体通过间壁的传热过程 t2 t1 T1 T2 对流对流对流对流 传导传导 冷冷 流流 体体 Q 热热 流流 体体 管壁外侧管壁外侧管壁内侧管壁内侧 热传导热传导 )( 2 )2( Q 冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧 对流对流 )( 3 )3( Q 稳态传热：稳态传热：QQQQ 321 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 式中式中 tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，或或K； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2)或或W/(m

11、2K)。 总总热热阻阻 总总传传热热推推动动力力 KA t tKAQ /1 m m （五）总传热速率方程（五）总传热速率方程 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第一节第一节 概述概述 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 一、热传导基本概念一、热传导基本概念 温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 （一）温度场和等温面（一）温度场和等温面 非稳态温度场非稳态温度场 ,zyxft 稳态温度场稳态温度场 zyxft, 等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点等温面：在同一

12、时刻，温度场中所有温度相同的点 组成的面。组成的面。 不同温度的等温面不相交。不同温度的等温面不相交。 安全工程专业课件安全工程专业课件 （二）温度梯度（二）温度梯度 n t n t tgrad n 0 lim n n x t+ t t x n t Q 方向：法线方向，以温度增加的方向为正。方向：法线方向，以温度增加的方向为正。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 温度梯度：两等温面的温度差与其温度梯度：两等温面的温度差与其 间的法线距离之比称为温度梯度，间的法线距离之比称为温度梯度， 即即: 安全工程专业课件安全工程专业课件 n t AQ dd 式中式中

13、dQ 热传导速率，热传导速率，W或或J/s； dA 导热面积，导热面积，m2； t/ n 温度梯度，温度梯度，/m或或K/m； 导热系数，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。 负号表示传热方向与温度梯度方向相反负号表示传热方向与温度梯度方向相反 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比，单位时间通过单位面积的热流量与其温度梯度成正比， 即即: 二、傅里叶定律二、傅里叶定律Fourier 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 三、热导率三、热导率/热

14、传导系数热传导系数 热导率：热导率：表示物质导热能力的物理量，称为热导率。表示物质导热能力的物理量，称为热导率。 热导率的大小与物质的组成、结构、密度、压力和温度有关热导率的大小与物质的组成、结构、密度、压力和温度有关 固体的热导率：固体的热导率：金属的热导率较大，且随温度升高而略有下金属的热导率较大，且随温度升高而略有下 降；非金属的热导率较小，且一般随温升而增。在不是特别降；非金属的热导率较小，且一般随温升而增。在不是特别 精确的计算时，我们可认为固体的热导率是常数。精确的计算时，我们可认为固体的热导率是常数。 液体的热导率：液体的热导率：非金属液体中水的热导率最大。除水和甘油非金属液体中

15、水的热导率最大。除水和甘油 外，热导率随温升而降。外，热导率随温升而降。 气体的热导率：气体的热导率：气体的热导率很小，不利于传热而有利于保气体的热导率很小，不利于传热而有利于保 温。故一般的保温材料都是多孔的。温。故一般的保温材料都是多孔的。 安全工程专业课件安全工程专业课件 nt q nt dAdQ / / 在数值上等于单位温度梯度下的热通量在数值上等于单位温度梯度下的热通量 = f(结构结构, 组成组成, 密度密度, 温度温度, 压力）压力） 金属固体 金属固体 非金属固体非金属固体 液体液体 气体气体 表征材料导热性能的表征材料导热性能的物性物性参数参数 三、热传导系数三、热传导系数

16、第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 1.固体固体热传导系数热传导系数/ /热导率热导率 金属材料金属材料 10102 W/(mK) 建筑材料建筑材料 10-110 W/(mK) 绝热材料绝热材料 10-210-1 W/(mK) )1( 0 at 在一定温度范围内：在一定温度范围内： 对大多数金属材料对大多数金属材料a 0 ， t 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 2.液体液体热传导系数热传导系数/热导率热导率 金属液体金属液体 较高，非金属液体较高，非金

17、属液体 低；低； 非金属液体水的非金属液体水的 最大；最大； 水和甘油：水和甘油：t ， 其它液体：其它液体：t ， 0.090.6 W/(mK) 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 3.气体气体热传导系数热传导系数/热导率热导率 t ， 一般情况下，一般情况下， 随随p的变化可忽略；的变化可忽略； 气体不利于导热，有利于保温或隔热。气体不利于导热，有利于保温或隔热。 0.0060.4 W/(mK) 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及

18、传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 n4.热传导系数与温度的关系热传导系数与温度的关系 n二者基本上呈直线关系，金属和体液的热传导系数随二者基本上呈直线关系，金属和体液的热传导系数随 温度增加而减少温度增加而减少(水例外水例外)，气体与非金属热传导系数随，气体与非金属热传导系数随 温度增加而增加。温度增加而增加。 n5.热传导系数与压强关系热传导系数与压强关系 n固体和液体的热传导系数与压强基本无关，气体在压固体和液体的热传导系数与压强基本无关，气体在压 强很高强很高(大于大于200MPa) 或很低或很低(小于小于2700Pa)时热传导系时热传导系 数随压强增加而增大或随压强降

19、低而减小。数随压强增加而增大或随压强降低而减小。 安全工程专业课件安全工程专业课件 t1 t2 b t x dx Q （一）单层平壁热传导（一）单层平壁热传导 假设：假设： 材料均匀，材料均匀， 为常数；为常数； 一维温度场，一维温度场，t沿沿x变化；变化； A/b很大，忽略端损失。很大，忽略端损失。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 四、平壁的稳态热传导四、平壁的稳态热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 x t A n t AQ d d 2 1 0 t t b AdtQdx )( 21 tt b A Q 积分：积分： 热阻热阻 推动力推动力 R t

20、Ab tt Q 21 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 （二）多层平壁热传导二）多层平壁热传导 假设：假设： 各层接触良好，接触面各层接触良好，接触面 两侧温度相同。两侧温度相同。t1 t2 b1 1 t x b2b3 2 3 t2 t4 t3 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 A b tt A b tt A b tt Q 3 3 43 2 2 32 1 1 21 总热阻总热阻 总推动力总推动力 i R tt A b A b A b ttt 41 3

21、3 2 2 1 1 321 321 3 3 2 2 1 1 433221 :RRR A b A b A b tttttt 各层的温差各层的温差 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 结论：结论： 多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和， 总热阻为各层热阻之和；总热阻为各层热阻之和； 各层温差与热阻成正比。各层温差与热阻成正比。 推广至推广至n层：层： n i i i n n i i i A b tt A b t Q 1 11 1 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二

22、节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 （一）单层圆筒壁的热传导（一）单层圆筒壁的热传导 特点特点： (1)传热面积随半径变化，传热面积随半径变化， A=2 rl (2) 一维温度场，一维温度场，t沿沿r变化。变化。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 五、圆筒壁的稳态热传导五、圆筒壁的稳态热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 在半径在半径r处取处取dr同心薄层圆筒同心薄层圆筒 r t rl r t AQ d d d d 2 积分积分 2 1 2 1 2 t t r r rldtQdr 1 2 21 ln )(2 r r ttl Q 第三章第

23、三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 讨论：讨论： R tt l r r tt Q 21 1 2 21 2ln 1 2 12 ln 2 A A AA lrA mm 12 rrb 对数平均面积对数平均面积 热阻热阻 令令 1 2 12 ln r r rr rm 对数平均半径对数平均半径 12 121 2 2 ln rr rr l r r R m A b 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 m Ab tt Q 21 又又 r r 2 1 2 一般一般 时，时， 2 21 rr rm 安全工程专业课件安全

24、工程专业课件 （二）多层圆筒壁的热传导（二）多层圆筒壁的热传导 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 3 1 1 41 3 4 3 43 2 3 2 32 1 2 1 21 ln 1 )(2 ln 1 )(2 ln 1 )(2 ln 1 )(2 i i i i r r ttl r r ttl r r ttl r r ttl Q 三层：三层： n n层圆筒壁：层圆筒壁： n i i n n i ii i n n i i i i n R tt A b tt r r ttl Q 1 11 1 11 1 1 11 ln 1 )(2 m

25、 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第二节第二节 热传导热传导 安全工程专业课件安全工程专业课件 1.对流传热过程对流传热过程 dA qm2， t2 qm1，T1 qm2，t1 qm1， T2 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 一、对流传热及其类型一、对流传热及其类型 流体流过与流体平均温度不同的流体流过与流体平均温度不同的 固体壁面时的热交换过程在工程固体壁面时的热交换过程在工程 上称为对流传热或上称为对流传热或“传热传热”过程。过程。 安全工程专业课件安全工程专业课件 t tW TW T A2A1 传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T

26、 t l 湍流主体湍流主体 温度梯度小，热对流为主温度梯度小，热对流为主 l 层流内层层流内层 温度梯度大，热传导为主温度梯度大，热传导为主 l 过渡区域过渡区域 热传导、热对流均起作用热传导、热对流均起作用 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 n对流传热过程大致可分四种基本类型对流传热过程大致可分四种基本类型 n(1) 流体强制对流传热流体强制对流传热 若由于若由于水泵水泵、风机风机或其它外力作用引起流体运动，或其它外力作用引起流体运动， 则称

27、为强制对流。则称为强制对流。 n(2) 流体自然对流传热流体自然对流传热 若由于运动是因流体内部各处温度不同引起局部密若由于运动是因流体内部各处温度不同引起局部密 度差异所致，则称为度差异所致，则称为自然对流自然对流。 2.对流传热的类型对流传热的类型 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 n(3) 蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝传热 n蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽 放热并凝成液体，冷凝液在重力作用下沿壁面流下，放热并凝成液体，冷凝液在重力作用下沿壁面流下， 这种传热类

28、型叫蒸汽冷凝传热。这种传热类型叫蒸汽冷凝传热。 n(4) 液体沸腾传热液体沸腾传热 n液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生气液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生气 泡，气泡在浮升时因继续发生液体气化而长大的传热泡，气泡在浮升时因继续发生液体气化而长大的传热 类型叫液体沸腾传热。类型叫液体沸腾传热。 n(1)(2)类型的传热为液体无相变的传热，类型的传热为液体无相变的传热，(3)(4)类型的传类型的传 热为流体有相变的传热。热为流体有相变的传热。 2.对流传热的类型对流传热的类型 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热

29、对流传热 二、对流传热速率与对流表面传热系数二、对流传热速率与对流表面传热系数 式中式中 Q 对流传热速率对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的热、冷流体的对流传热系数对流传热系数， W/(m2K)； T 、 、TW、 、t、tW 热、冷流体的热、冷流体的平均平均温度及温度及平均平均壁温，壁温，。 )( 11W TTAQ )( 22 ttAQ W 冷流体：冷流体： 热流体：热流体： 牛顿冷却定律牛顿冷却定律 安全工程专业课件安全工程专业课件 三、三、对流表面传热系数对流表面传热系数 的影响因素的影响因素 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 n1.流

30、体的流动状态流体的流动状态 n 湍流湍流 层流层流 n2.引起流动的原因引起流动的原因 n自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。 n强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 n 强制强制 自然自然 安全工程专业课件安全工程专业课件 自然对流的产生：自然对流的产生： 设设 热处：热处：t2， 2； ； 冷处 冷处：t1， 1 体积膨胀系数，体积膨胀系数，1/ C. tV VV 1 12 )1( 12 tVV 或或 而而 2 2 m V 1 1 m V 得：得：或或)1( 21 t ) t1( 11 12 第

31、三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 由温度差而产生的单位体积的升力：由温度差而产生的单位体积的升力： tggtg 22221 )1( 加热板加热板 冷却板冷却板 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 5. 是否发生相变是否发生相变 相变 相变 无相变无相变 4. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置 形状形状管、板、管束等；管、板、管束等； 大小大小管径、管长、板厚等；管径、管长、板厚等； 位置位置管子的排列方式，垂直或水平放置。管子的排列

32、方式，垂直或水平放置。 3.流体的物性流体的物性 cp-单位体积流体所具有的热容量，单位体积流体所具有的热容量， -粘度粘度， -热传导系数热传导系数，-体积膨胀系数。体积膨胀系数。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 n6.流体的温度流体的温度 n温度升高，附加的自然对流强度增大。温度升高，附加的自然对流强度增大。 n7.温度边界层温度边界层 n假定以流体温度假定以流体温度t满足满足tw-t=0.99(tw-t )的等温面为分界的等温面为分界

33、面，在此分界面与壁面间的流动层称为面，在此分界面与壁面间的流动层称为温度边界层温度边界层， 通常对流表面传热系数等于流体热传导系数与有效层通常对流表面传热系数等于流体热传导系数与有效层 流膜厚度之商，但有效层流膜厚度难以确定，因此要流膜厚度之商，但有效层流膜厚度难以确定，因此要 靠实验测得。靠实验测得。 安全工程专业课件安全工程专业课件 四、对流传热的特征数及特征数关联式的确定方法四、对流传热的特征数及特征数关联式的确定方法 1. 用量纲分析法确定有关特征数用量纲分析法确定有关特征数 变量数目：变量数目： 8个个 基本量纲基本量纲 4个：长度个：长度L，时间，时间T，质量，质量M，温度，温度

34、无量纲特征数无量纲特征数（8-4）=4 ),(LtgCuf p 无相变时无相变时 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 1. 努塞尔特努塞尔特（Nusselt ）数）数 L Nu 表示对流传热系数的特征数表示对流传热系数的特征数 2. 雷诺雷诺（Reynolds）数）数 uL Re 反映流体的流动状态反映流体的流动状态 对对流传热的影响对对流传热的影响 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 3. 普兰普兰特（特（Prandtl）数）数 Cp Pr 反映

35、流体的物性对对流传热的影响反映流体的物性对对流传热的影响 4. 格拉斯霍夫（格拉斯霍夫（Grashof）准数）准数 2 23 tgL Gr 表示自然对流表示自然对流对对流传热的影响对对流传热的影响 一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr) 简化：强制对流简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流自然对流 Nu=f (Pr, Gr) 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 使用特征数关联式时应注意：使用特征数关联式时应注意： 1. 定性温度：定性温度：流体进出口的平均温度、壁面的平均温度、流体进出口的平

36、均温度、壁面的平均温度、 流体和壁面的平均温度。流体和壁面的平均温度。 2. 定型尺寸：定型尺寸：传热面几何特征的长度。传热面几何特征的长度。 3. 特征速度：特征速度：流体的速度。流体的速度。 4. 热流方向对表面传热系数热流方向对表面传热系数 的影响的影响 要表明液体物性对的影响仅用定性温度是不够的，要表明液体物性对的影响仅用定性温度是不够的， 还需要指明热流方向。还需要指明热流方向。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 五、无相变时对流传热系数的经验关联式五、无相变时对流传热系数的经验关联式 （一）流体在管内作强制

37、对流（一）流体在管内作强制对流 1. 圆形直管内的强制湍流圆形直管内的强制湍流 nm CNuPrRe （1）应用范围：）应用范围：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 气体或低粘度的液体（气体或低粘度的液体（ 2 水 水） ） （2）定性温度：流体进出口的算术平均）定性温度：流体进出口的算术平均 值值 （3）特征尺寸：管内径）特征尺寸：管内径 n NuPrRe023. 0 8 . 0 流体被加热流体被加热 n=0.4 流体被冷却流体被冷却 n=0.3 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 讨论：讨论： （1

38、）加热与冷却的差别：）加热与冷却的差别： , W Rettt加加热热 液体液体 3 . 04 . 0 , 1,PrPrPr 液体液体 冷却冷却加热加热 气体气体 , Ret加加热热 3 . 04 . 0 , 1,PrPrPr 气体气体 冷却冷却加热加热 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 2 . 0 8 . 0 8 . 0 18 . 0 8 . 0 023. 0 )()(023. 0 d uCp Cpud d n nn n 物性一定时：物性一定时： 2 .0 8 .0 d u （2）影响因素：）影响因素： 第三章第三章

39、传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 公式修正：公式修正： （1）当）当L/d 2 水 水） ） 14. 0 )(PrRe027. 0 33. 08 . 0 W Nu 工程处理：工程处理： 加热：加热： 冷却：冷却： 05.1)( 14.0 W 95.0)( 14.0 W 7 . 0 1 1 l d 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 （3） 弯管弯管 弯管的曲率半径弯管的曲率半径 ）（ 直直弯弯直直弯弯 R R d 77. 11 （4）非圆形管道）非圆形管道 n

40、e e ud d Pr)(023. 0 8 . 0 实实 用当量直径计算。用当量直径计算。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 2. 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 8 . 1 5 Re 106 1 f f 校正系数校正系数 湍湍过过湍湍过过 2300 Re 104 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 3. 圆形直管内强制层流圆形直管内强制层流 （1）随热流方向不同，速）随热流方向不同，速 度分布情

41、况不同；度分布情况不同； （2）自然对流造成了径）自然对流造成了径 向流动，强化了对流传热向流动，强化了对流传热 过程。过程。 对于液体对于液体 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 14. 0 3 1 )()Pr(Re86. 1 W L d Nu 自然对流可以忽略：自然对流可以忽略： Gr 25000 乘校正因子：乘校正因子： )Gr.(.f 3 1 0150180 适用范围适用范围： 10)Pr(Re L d 670060 Pr.Re2300 定性温度：定性温度： 2 21 tt tm 特征尺寸：管内径特征尺寸：管内径

42、 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 （二）流体在管外强制对流传热（二）流体在管外强制对流传热 1. 流体在管束外垂直流过流体在管束外垂直流过 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 应用范围：应用范围：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值定性温度：进、出口温度平均值 Nu=C Ren Pr0.4 1122 12

43、nn m n A A A AAA 平均对流传热系数：平均对流传热系数： 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 2流体在换热器管间的流动流体在换热器管间的流动 折流挡板形式：圆缺形、圆环形折流挡板形式：圆缺形、圆环形 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 设置折流挡板目的设置折流挡板目的： 增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的 。 圆缺形折流挡板圆缺形折流挡板： 14. 0 3/155. 0 PrRe36. 0 W

44、 Nu 定性温度：定性温度： 2 21 tt t m 应用范围：应用范围：Re=2103106 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 正方形排列：正方形排列： 正三角形排列：正三角形排列： 特征尺寸特征尺寸：（：（1）当量直径当量直径de 0 2 0 2 )785. 0(4 d dt de 0 2 0 2 )785. 0 2 3 (4 d dt d e d0 t t 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 （2）流速）流速u按流通截面最大处的截面计算：按

45、流通截面最大处的截面计算： 式中式中 h两块折流挡板间距离，两块折流挡板间距离，m； D换热器壳径，换热器壳径，m； )1( 0 t d hDS 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 （三）自然对流时的对流传热系数（三）自然对流时的对流传热系数 n GrCNu)(Pr 定性温度：膜温（定性温度：膜温（tm+tw）/2 特征尺寸：垂直的管或板为高度特征尺寸：垂直的管或板为高度H 水平管为管外径水平管为管外径d0 各种情况下的各种情况下的C、n值及特征尺寸不同。值及特征尺寸不同。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第

46、三节第三节 对流传热对流传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 总传热速率方程总传热速率方程 式中式中 Q传热速率，传热速率，W； tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2) 。 m m QKAt 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 （一）恒温传热（一）恒温传热tTt m （二）变温传热（二）变温传热 tm与流体流向有关与流体流向有关 一、传热平均温度差一、传热平均温度差 逆流逆流并流并流错流错流 折流折流 第三章第三章 传热及传热设备传热

47、及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 1. 逆流与并流逆流与并流 t2 t 1 T 1 T2 t1t 2 T 1 T2 t2 t A t1 T2 T1 逆流逆流 t2 t A t1 T2 T1 并流并流 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 以逆流为例推导以逆流为例推导 tm 假设：（假设：（1）稳态流动，）稳态流动，qm1、 qm2为常数；为常数； （2）cp1、cp2为常数；为常数； （3）K沿管长不变化；沿管长不变化； （4）热损失忽略不计。）热损失忽略不计。

48、A T2 t1 t2 T1 dT dt dA t2 t1 t=T-t 对于微元：对于微元： 11mp dQqc dT 22mp dQqc dt 11 . mp dQ qcConst dT 22 . mp dQ qcConst dt 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 T1 T2 t2 t1 Q 1 t 2 t tTt Q tt dQ td 12 )( 而而 )(tTKdAdQ Q tt tdAK td 12 )( dA Q tt tK td 12 )( At t dA Q tt t td K0 12 2 1 )(

49、1 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 A Q tt t t K 12 1 2 ln 1 m tKA t t tt KAQ 1 2 12 ln 1 2 12 ln t t tt tm 逆流、并流均适用；逆流、并流均适用； 当当 t2/ t12，则可用算术平均值。，则可用算术平均值。 对数平均温度差对数平均温度差 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 逆逆mm tt ),(流型流型RPf 12 21 tt TT R 冷流体温升冷流体温升

50、 热流体温降热流体温降 11 12 tT tt P 两流体初温差两流体初温差 冷流体温升冷流体温升 2. 错流与折流错流与折流 查图查图 1 tm 0.9 若若 0.8，温差损失大，传热不稳定；，温差损失大，传热不稳定； 应改变流型应改变流型 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 （三）流向的选择（三）流向的选择 1. 所需传热面积所需传热面积 并并并并逆逆逆逆mm tKAtKAQ 逆逆并并mm tt 并并逆逆 AA 逆流优于并流。逆流优于并流。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计

51、算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 2. 载热体消耗量载热体消耗量 t1 t2 T1 T1 T2并 并 T2逆 逆 加热任务：加热任务：t1t2 （T2并 并） ）min=t2（T2逆 逆） ）min=t1 逆逆并并 )()( 2121 TTTT 1111 ()() mPmP qcqc 并并逆逆 逆流优于并流。逆流优于并流。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 3. 温度差分布温度差分布 逆流时的温度差分布更均匀。逆流时的温度差分布更均匀。 T2 并流并流 T1 t1 t2 t1 t2 T1 T2

52、逆流逆流 4. 并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热， 或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 二、总传热系数二、总传热系数 AK tT tTAKQ d 1 )(dd K总传热系数，总传热系数，W/(m2K) tw Tw 管内对流管内对流管外对流管外对流导热导热 冷冷 流流 体体 热热 流流 体体 t T dQ dQ1dQ3dQ2 （一）总传热系数计算（一）总传热系数计算 第三章第三章

53、传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 管内对流管内对流)(dd w223 ttAQ )(dd w111 TTAQ 管外对流管外对流 )( d d ww m 2 tT b A Q 管壁热传导管壁热传导 稳态传热稳态传热 321 ddddQQQQ 22 w m ww 11 w d 1 dd 1 d A tt A b tT A TT Q 22m11 d 1 dd 1 AA b A tT 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 22m11 d 1 dd 1 d

54、 1 AA b AAK （1）平壁）平壁 dA=dA1=dA2=dAm 21 111 b K 讨论：讨论： （2）以外表面为基准）以外表面为基准 (dA=dA1) 2 1 2m 1 11 d d1 d d11 A A A Ab K 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 2 1 2m 1 11 111 d d d db K dlA K1以外表面为基准以外表面为基准的总传热系数，的总传热系数，W/(m2.K) dm对数平均直径，对数平均直径，m 2 1 21m ln/ )( d d ddd 2m 2 1 2 12 11

55、1 d db d d K 以以内表面内表面为基准：为基准： d1/d2A计计 或 或 Q换 换 Q需要需要， ， 换热器合适。换热器合适。 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 二、操作型计算二、操作型计算 （1）已知：换热器）已知：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口 求：出口T2、t2 （2）已知：换热器）已知：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：求：qm2、 t2 注意：列管式换热器中注意：列管式换热器中 流通面积流通面积 2 2 4 dnA 流通流通 传热面积传热面积ldnA 1

56、传热传热 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 安全工程专业课件安全工程专业课件 一、基本概念一、基本概念 1. 辐射：物体通过辐射：物体通过电磁波来传递能量电磁波来传递能量的过程。的过程。 2. 热辐射：物体由于热辐射：物体由于热的原因热的原因以电磁波的形式向以电磁波的形式向 外发射能量的过程。外发射能量的过程。 特点：特点： 能量形式的转换能量形式的转换 不需要任何介质不需要任何介质 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第五节第五节 辐射传热辐射传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 Q Q Q N Q 能量守恒定律：能量守恒定律： Q

57、QQQ 吸收率吸收率 反射率反射率 穿透率穿透率 Q Q Q Q Q Q 1 DRA 3. 物体对热辐射的作用物体对热辐射的作用 总能量总能量Q；被物体吸收；被物体吸收Q ；被反射；被反射Q ；穿过物体；穿过物体Q 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第五节第五节 辐射传热辐射传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 黑体：黑体：1 白体白体(镜体镜体)：1 透热体：透热体： 1 灰体：灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体 固体、液体：固体、液体： =0 + =1 气体：气体： =0 + =1 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第五

58、节第五节 辐射传热辐射传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 二、物体的辐射能力二、物体的辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的 全部辐射能全部辐射能(波长从波长从0到到 ), E表示表示, W/m2 黑体辐射黑体辐射常数常数, 5.669 10-8W/(m2 .K4) （一）黑体（一）黑体 4 b ET 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律 四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感 4 () 100 b T C Cb黑体辐射黑体辐射系数系数, 5.669W/(m2 .K4) 第三章第三章 传

59、热及传热设备传热及传热设备 第五节第五节 辐射传热辐射传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 （二）实际物体（二）实际物体 黑度：黑度： b E E T2 1 2=1 E1 Eb （1- 1）Eb 1Eb 灰体灰体 黑体黑体 克希霍夫定律克希霍夫定律 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第五节第五节 辐射传热辐射传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 结论：结论： （1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大）物体的辐射能力越强，其吸收率越大 （2） = 同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等 （3） ，E Eb 在任何温度下、各种物体中以在任何温度下、

60、各种物体中以黑体黑体的辐射能力为最大的辐射能力为最大 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第五节第五节 辐射传热辐射传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 （一）辐射传热速率（一）辐射传热速率 三、两固体间的相互辐射三、两固体间的相互辐射 4412 1 21 2 ()() 100100 TT QCA 1 212b CC 两面积无限大的平行平板两面积无限大的平行平板 两平面有限大的平行平板两平面有限大的平行平板 1 2 12 11 1 b C C 1 1 第三章第三章 传热及传热设备传热及传热设备 第五节第五节 辐射传热辐射传热 安全工程专业课件安全工程专业课件 一物体被另一物体包围一物