传热化工原理-第三章-传热

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 第三章第三章 传热传热 一、传热在生物（食品）工程中的应用一、传热在生物（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

2、温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温 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。 传热在生物（食品）工程中的应用：传热在生物（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

3、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)。 物体各部分之间物体各部分之间不发生相对位移不发生相对位移，仅借分子、原子和自由，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

4、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（又称导热）热传导（又称导热） 2.2.热对流热对流 流体各部分之间流体各部分之间发生相对位移发生相对位移所引起的热传递过程称为热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。通常把热对流仅发生在流体中。通常把流体流体与与固体壁面固体壁面之间的之间的 传热

5、传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。 流动的原因不同，对流传热的规律也不同。在同流动的原因不同，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： 由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体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。产生相对位移，这种对流称为自然对流。 3、热辐射、热辐射 因热的原因而产生的

6、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。当电磁波遇到物体时，又转变为热。介质。当电磁波遇到物体时，又转变为热。 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

7、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、热流体交换流过热载体时，热流体将热量传递给冷流冷、热流体交换流过热载体时，热流体将热量传递给冷流 体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。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

8、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

9、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

10、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（热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称 为传热速率，以为传热速率，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=nd L (1-2) 式式 中：中： Q传热速率，传热速率，W； S传热面积

11、，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、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，流体流动情况、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，反比于热正比于

12、推动力，反比于热 阻。因此，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动是提高传热推动 力和降低热阻。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，进而确定换热器的各部分尺寸， 完成换热器的结构设计。完成换热器的结构设计。 K/ t tK S Q m m 1 (1-3) 热阻（阻力）热阻（阻力） 传热温度差（推动力）传热温度差（推动力） 传热速率传热速率 温度场温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的

13、温度分布，：某一瞬间空间中各点的温度分布， 称为温度场称为温度场(temperature field)。 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 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 x dS Q t+t t t-t t/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

14、场的温度分布表达式为：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。 注意：注意：沿等温面将无

15、热量传递，而和等温面相交的任何方向，因温度发生沿等温面将无热量传递，而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等温面的垂直（法线）变化则有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿等温面的垂直（法线） 方向为最大。沿等温面法线方向上的温度变化率称为方向为最大。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。 x t x xtxxt gradt x ),(),( lim 0 对于一维温度场，等温面对于一维温度场，等

16、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： x xtxxt ),(),( tgrad dx td 2-2 2-2a 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，w A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

17、导热系数(thermal conductivity)，w/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。 2 2 傅立叶傅立叶( (Fourier) )定律定律 dx dt q S Q 上式可改写为：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。 2-3a 2-3 x t dSdQ x t SQ 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

18、，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 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。 x t q x t dS dQ 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

19、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： b t1 t2 Q t t

20、1 t2 o bx 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。 二、平壁的稳定热传导二、平壁的稳定热传导 1 1 单层平壁的热传导单层平壁的热传导 式中式中t=tt=t1 1-t-t2 2为导热的为导热的推动力推动力( (dr

21、iving forcedriving force) )，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，时，t= tt= t1 1；x x=b=b时，时，t= tt= t2 2 dx dt SQ R t S b tt ttS b Q 21 21 R t b tt S Q q 21 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： 过程传递速

22、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） 当当为常数，为常数， x tt b tt q 121 ）（ 211 tt b x tt 单层平壁内温度分布为直线单层平壁内温度分布为直线 当当随温度变化时，单层平壁内温度分布为曲线。随温度变化时，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 Q b1b2b3 x t t1 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，各层材质均匀，导热

23、系数分别为系数分别为1 1，2 2，3 3，皆，皆 视为常数；视为常数； 层与层之间接触良好，相互接层与层之间接触良好，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。 壁的面积为壁的面积为S S，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 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 )( 21 1 1 1 ttA b Q S 121 1 1 1 ttt A b Q S 3

24、21 3 3 2 2 1 1 )(ttt A b A b A b Q SSS 2 2 2 2 t A b Q S 3 31 3 3 t A b Q S 321 41 321 321 RRR tt RRR ttt Q 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。 )()( 3 3 2 2 1 1 41 3 3 2 2 1 1 321 A b A b A b tt A b A b A b ttt Q SSSSSS R tt A b tt Q n ni i i i n11 0 11 S 多层平壁导

25、热是一个串联的传热过程，由上式可见，串联传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：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，填以绝缘材料 。砖墙的热导率为。砖墙的热导率为0.70w/m0.70w/mk k，绝缘

26、材料的热导率为，绝缘材料的热导率为0.04w/m0.04w/mk k，墙外表面，墙外表面 温度为温度为1010 ，内表面为，内表面为-5-5 ，试计算进入冷库的，试计算进入冷库的热通量（热通量（热流密度热流密度）及绝及绝 缘材料与砖墙的两接触面上的温度。缘材料与砖墙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= = 0.0

27、4w/m0.04w/mk k。 按热流密度公式计算按热流密度公式计算q q： 2 3 3 2 2 1 1 41 /27.5 70.0 12.0 04.0 10.0 70.0 12.0 )5(10 )( mw bbb tt A Q q S 1 . 9 70. 0 12. 0 27. 510 1 1 12 b qtt 1 . 4) 5( 70. 0 12. 0 27. 5 4 3 3 3 t b qt b tt q 21 1 t1 t2 t3 t4 b1b2b3 1 3 2 如图所示：如图所示： 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

28、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。 在半径在半径r r处取一厚度为处取一厚度为drdr的的 薄层，若圆筒的长度为薄层，若圆筒的长度为L L，则，则 半 径 为半 径 为 r r 处 的 传 热 面 积 为处 的 传 热 面 积 为 A=2rLA=2rL。 三、圆筒壁的稳定热传导三、圆筒壁的稳定热传导 1 1 单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导 Q t2t1 r1 r r2 dr L 1 2 21

29、 ln 2 r r tt LQ 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 dr dt rL dr dt AQ2S 12 2121 )()( rr ttA b ttA Q mm Sm Sm 1 2 12 ln r r rr rm 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，m Sm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

30、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 1 2 12 1 2 12 ln 2 2 ln )(2 A A AA Lr Lr rrL Am Sm Lr r r rrL A mm 2 ln )(2 1 2 12 Sm r1 r2r3 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，亦对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，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

31、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，各等接触的表面温度相等，各等 温面皆为同心圆柱面。温面皆为同心圆柱面。 2 2 多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导 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 1 2 21 1 ln 2 r

32、 r tt LQ 3 4 43 3 ln 2 r r tt LQ 2 3 32 2 ln 2 r r tt LQ 1 2 1 21 2r r ln L Q tt 2 3 2 32 2r r ln L Q tt 3 4 3 43 2r r ln L Q tt 整理上三式可得整理上三式可得 : 3 4 32 3 21 2 1 41 ln 1 ln 1 ln 1 )(2 r r r r r r ttL Q ni i i i i n r r ttL Q 1 1 11 ln 1 )(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

33、，通过各层的注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导速率热传导速率都是都是 相同相同的，但是的，但是热通量热通量却却不相等不相等。 Lrr r L tt RR tt Q ff 01 0 1 21 1 2 1 ln 2 1 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，因此有减小，因此有 可能使总热阻（可能使总热阻（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，

34、随着保温层厚度的增加，可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。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，环境温度 为为t tf f，保温层的内、外半径分别为，保温层的内、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，保温层外壁与空气，保温层外壁与空气 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 tf r1 r0 t1 上式对上式对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 0

35、 1)/ln( ) 11 )(2 2 0 1 2 0 1 0 r rr rr ttL dr dQ o o f 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，要核算较大的保温材料时，要核算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：在一例：在一 603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为的钢管外层包有两层绝热材料，里层为 40mm的氧化镁粉，平均导热系数的氧化镁粉，平

36、均导热系数=0.07W/m，外层为，外层为 20mm的石棉层，其平均导热系数的石棉层，其平均导热系数=0.15W/m。现用热。现用热 电偶测得管内壁温度为电偶测得管内壁温度为500，最外层表面温度为，最外层表面温度为80，管，管 壁的导热系数壁的导热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层。试求每米管长的热损失及两层 保温层界面的温度。保温层界面的温度。 3 4 32 3 21 2 1 41 ln 1 ln 1 ln 1 )(2 r r r r r r tt L Q 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=26.5 mm=0.026

37、5 m , r2=0.0265+0.0035=0.03 m r3=0.03+0.04=0.07m , r4=0.07+0.02=0.09m t1=500 , t4=80 t3 r1 r3 t1 r4 t4 t2 r2 mw L Q /4.191 07.0 09.0 ln 15.0 1 03.0 07.0 ln 07.0 1 0265.0 03.0 ln 45 1 )80500(14.32 2、求保温层界面温度、求保温层界面温度t3 2 3 21 2 1 31 ln 1 ln 1 )(2 r r r r tt L Q 03.0 07.0 ln 07.0 1 0265.0 03.0 ln 45 1

38、 )500(14.32 4.191 3 t 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， 它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情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。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。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

39、程 高温流体高温流体 湍流主体湍流主体 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。温度边界层。 有温度梯度较大的区域。有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 T T

40、w tw t 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 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，m2 T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 简化处理：认为流体的全部温度

41、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 t的有效膜内，并将对流传热看成是通过的有效膜内，并将对流传热看成是通过 t t的热传导，热流体对热壁面的传热速率为：的热传导，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： t w TT SQ Q= S（T-Tw）（热热阻阻） （推推动动力力） R t S t S TT Q w 11 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

42、、蒸汽及在传热过程中是否有相变。 有相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：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、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。管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。

43、 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 ),(tgcluf p gkpa tlg c lu C l )()()( 2 23 gka GrCNuPrRe 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： 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

44、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 准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系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。数时，不能超出实验条件范围。 在应用关联式时应注意

45、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：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、特性尺寸、特性尺寸：无因次准数：无因次准数NuNu、ReRe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。的尺寸作为特征尺寸。 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定性温度。一般定性温数中流体物理特性参数的温度称为定性温度。一

46、般定性温 度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度，度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均温度， 流体和壁面的平均温度（膜温）。流体和壁面的平均温度（膜温）。 4 4、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一 的单位制度的单位制度。 np i i c ud d )()(023. 0 8 . 0 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 ： Re10000，0.7Pr120，管长与管径

47、比，管长与管径比L/di60。若。若 L/di10000，0.7Pr60 Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104 (湍流湍流) Pr=Cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68 8 .444 .60 053. 0 03928. 0 Nu d （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 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然对流自然对流及及

48、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 流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流 当自然对流的影响当自然对流的影响不能忽略不能忽略时，而自然对流的影响又因管时，而自

49、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。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/d60 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 a可按式可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 进行计算，水被加热，进行计算，水被加热， k=0.4。 Pr=cp/=(4.179 103 90.27 10-5)/60.8 10-2 =6.2 校正系数校正系数： 952

50、40 8836 106 1 106 1 81 5 81 5 . R . e 1978 9524. 0)2 . 6()8836( 02. 0 608. 0 023. 0 )()(023. 0 4 . 08 . 0 4 . 08 . 0 f c ud d p i i 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 润湿周边 流体流动截面积 4 e d 传热周边 流体流动截面积 4 e d 或或 1.5 流体在非圆形管内强制对流流体在非圆形管内强制对流 注：注：传热计算中，究竟采用哪个当量直径

51、，由具体的关联式决传热计算中，究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决 定。但将关联式定。但将关联式中的中的di改用改用de是近似算法。对常用的非圆管是近似算法。对常用的非圆管 道，可直接通过实验求得计算道，可直接通过实验求得计算的关联式。例如的关联式。例如套管环隙套管环隙， 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： 3180 530 1 2 020 /. . e PrRe d d d . 应用范围：应用范围： 176512200001200 1 2 . d d ,Re 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

52、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

53、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

54、、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=0.36Re0.55Pr1/3（/w）0.14 注意注意：若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流动，：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。管间的当量直径。 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，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

55、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 范围范围 cn 水平圆管水平圆管外径外径d0 1041090.531/4 10910120.131/3 垂直管或板垂直管或板高度高度L 1041090.591/4 10910120.101/3 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 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

56、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，冷凝液膜完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜 是其主要热阻。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 蒸汽冷凝时的对流传热系数蒸汽冷凝时的对流传热系数 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。 滴状冷凝滴状冷凝

57、：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷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，此中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。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。称为。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

58、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。按膜状冷凝设计。 4 1 32 )(725.0 tdn gr 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

59、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 膜状冷凝时对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数 4 132 131) tl gr (. 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： 40 31 2 32 00770 . / Re g . 1.1.3 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 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， ，

60、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： 当液膜呈滞流流动时，若当液膜呈滞流流动时，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，使覆盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降，可达急剧下降，可达60%。 冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响： 如对于翅片管和螺旋管如对于翅片管和螺旋管 ，；传热面积；传热面积S，