化工原理课件-5传热

1、1第五章 传 热 通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题。学习目的与要求25.1 传热过程概述第五章 传 热3传热热量从高温度区向低温度区移动的过程称为热量传递，简称传热。 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求概述45.1 传热过程概述5.1.1热传导及导热系数第五章 传 热5一、热传导(导热)热传导(导热) 不依靠物体内部各部分质点的宏观混合运动而借助于物体分子、原子、离子、自由电子等微观粒子的热运动产生的热量传递称为热传导，简称导热。 6dQtdSn 描

2、述热传导现象的物理定律为傅立叶定律（Fouriers Law），其表达式为傅立叶定律（Fouriers Law）温度梯度导热系数微分导热通量热通量与温度梯度方向相反一、热传导(导热)7二、导热系数导热系数dQ dStn 导热系数表征了物质热传导能力的大小，是物质的基本物理性质之一，其值与物质的形态、组成、密度、温度等有关。 8导热系数W/(m.oC)0.0060.03.0154200.0030.06气体液体非导电固体金属绝热材料二、导热系数91.固体的导热系数纯金属的导热系数与电导率的关系可用魏德曼（Wiedeman）-弗兰兹（Franz）方程描述 eLT良好的电导体必然是

3、良好的导热体，反之亦然。 二、导热系数10对大多数均质固体，导热系数与温度近似呈线性关系 01t对大多数金属材料，为负值；而对大多数非金属材料，为正值；对理想气体，=1/T ，1/K。 二、导热系数112.液体的导热系数除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。 金属液体的导热系数比一般的液体要高 纯液体的导热系数比其溶液的要大 二、导热系数123.气体的导热系数气体导热系数随温度升高而增大。在相当大的压力范围内，气体的导热系数随压力的变化很小，可以忽略不计。 二、导热系数135.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数第五章 传 热5.1.2 对流14 对流是由流体内

4、部各部分质点发生宏观运动和混合而引起的热量传递过程 对流对流传热 在化工生产中特指流体与固体壁面之间的热量传递过程。 对流15对流传热速率可由牛顿冷却定律描述 dQtdS温度差对流传热系数微分对流传热通量对流165.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数5.1.2 对流第五章 传 热5.1.3 热辐射17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。 热辐射1.可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。 2.不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换。 3.任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但仅当物体的温度较高、物体间的温度差较大时，辐射传热才能成为主要的传热方式。

5、 185.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数5.1.2 对流5.1.3 热辐射第五章 传 热5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及换热器19一、直接接触式换热和混合式换热器 二、蓄热式换热和蓄热器三、间壁式换热和间壁式换热器冷热流体（接触）热交换方式及换热器20图5-1 套管式换热器1-内管 2-外管冷热流体（接触）热交换方式及换热器动画2221图5-2 单程管壳式换热器1-外壳,2-管束,3、4-接管,5-封头,6-管板,7-挡板,8-泄水池 冷热流体（接触）热交换方式及换热器动画2122间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程包括以下三个步骤：（1）热流体以对流方式将热量传递给管壁

6、；（2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧；（3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。冷热流体（接触）热交换方式及换热器235.1 传热过程概述5.1.1 热传导及导热系数5.1.2 对流5.1.3 热辐射5.1.4 冷热流体（接触）热交换方式及换热器第五章 传 热5.1.5 载热体及其选择24载热体及其选择 在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的称为加热介质（或加热剂）；起冷却（冷凝）作用的称为冷却介质（或冷却剂）。载热体25选择载热体原则（1）载热体的温度易调节控制；（2）载热体的饱和蒸气压较低，加

7、热时不易分解；（3）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备；（4）价格便宜，来源容易。载热体及其选择26第五章 传 热5.2 热传导5.2.1 平壁一维稳态热传导27一、单层平壁一维稳态热传导假设：1.导热系数不随温度变化，或可取平均值；2.一维稳态3.忽略热损失。 图5-3 单层平壁热传导28对平壁一维稳态热传导 dtQSdx 积分并整理得12()SQttb微分式 积分式 一、单层平壁一维稳态热传导2912tttQbRS12ttQtqbSR热传导推动力热传导速率热传导热阻导热热阻一、单层平壁一维稳态热传导30二、多层平壁的一维稳态热传导图5-4 三层平壁热传导假设：1.导热系数不随温度变

8、化，或可取平均值；2.一维稳态3.忽略热损失4.没有接触热阻 31通过各层平壁截面的传热速率必相等 1234QQQQQ233412123123ttttttQSSSbbb233412123123ttttttQbbbSSS或二、多层平壁的一维稳态热传导32三层平壁稳态热传导速率方程 14312123ttQbbbSSS对n层平壁，其传热速率方程可表示为11niittQbS二、多层平壁的一维稳态热传导33接触热阻 因两个接触表面粗糙不平而产生的附加热阻。 接触热阻包括通过实际接触面的导热热阻和通过空穴的导热热阻（高温时还有辐射传热）。 接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压力等因素有关，可通过实

9、验测定。 二、多层平壁的一维稳态热传导34图图5-5 5-5 接触热阻的影响接触热阻的影响接触热阻二、多层平壁的一维稳态热传导35练 习 题 目思考题作业题: 1、21. 热量传递的三种基本方式是什么？分别用什么定律可以描述？2.在热传导问题中，术语“一维”是什么意思？何谓稳态热传导？3.试写出有接触热阻存在时多层平壁热传导的计算公式。36第五章 传 热5.2 热传导5.2.1 平壁一维稳态热传导5.2.2 圆筒壁的一维稳态热传导37一、单层圆筒壁的一维稳态热传导常量常量传热速率传热面积热通量平壁圆筒壁常量随半径变常量随半径变38图5-6 单层圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁的一维稳态热传导39通

10、过该薄圆筒壁的传热速率可以表示为 (2)dtdtQSrLdrdr 12212ln()ttQLr r积分并整理得微分式 积分式 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导40可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式 1221mttQSrr212122ln()mmrrSLr Lr r其中圆筒壁的对数平均面积一、单层圆筒壁的一维稳态热传导4121212211222lnln2mLrLrSSSLrSLrS2121lnmrrrrr或圆筒壁的对数平均半径一、单层圆筒壁的一维稳态热传导42二、多层圆筒壁的稳态热传导 假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同。 图5-7 多层圆筒壁的热传导43热传导速率可表示为

11、 1414332432421112233112233111lnlnln222mmmttttQrrrrrrrrrLrLrlrSSS 对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为11nniiimittQbS或11111ln2nniiiittQrLr 二、多层圆筒壁的稳态热传导44第五章 传 热5.3 换热器的传热计算5.3.1 热平衡方程45 假设换热器绝热良好，热损失可以忽略不计，则在单位时间内换热器中热流体放出的热量必等于冷流体吸收的热量。,m hhm ccdQqdIqdI 对于整个换热器，其热量衡算式为,12,21()()Tm hhhm cccQqIIqII热平衡方程46 若换热器中两流体均无相变

12、，且流体的定压比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的值， ,1212()()mmhphcpcTQcTTcttqq若换热器中流体有相变，例如饱和蒸气冷凝 ,21()mmhcpcTQcttqrq热平衡方程47若换热器中流体有相变，例如饱和蒸气冷凝，且冷凝液在低于饱和温度下离开换热器,221()()mmhphscpcTQrcTTcttqq热平衡方程48第五章 传 热5.3 换热器的传热计算5.3.1 热平衡方程5.3.2 总传热速率微分方程和总传热系数49一、总传热速率微分方程 冷、热流体通过间壁换热的传热机理为对流-传导-对流的串联过程，对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即 ()()

13、()iwiwwmowodQTT dSTtdStt dSb11wwwwiimooTTTtttdQbdSdSdS或50根据串联热阻叠加原理，可得()()()1111wwwwiimoiimoooTTTtttTtdQbbdSdSdSdSdSdS上式两边均除以 OdS1oooiiomdQTtdbddSdd一、总传热速率微分方程51令 11oooiimoKdbddd则()oodQK Tt dS同理可得 ()iidQK Tt dS()mmdQKTt dS总传热速率微分方程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5211iiiimooKbdddd1miioommKdbddd11oooiimo

14、Kdbddd基于管内表面积的局部总传热系数 基于平均表面积的局部总传热系数 基于管外表面积的局部总传热系数 一、总传热速率微分方程53显然有 oiioiodSKdKdSdommmooKdSdKdSd管内径管外径平均管径 工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。 一、总传热速率微分方程54二、总传热系数 总传热系数K表示单位传热面积，冷、热流体单位传热温差下的传热速率，它反映了传热过程的强度。 K是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。 K的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，可通过计算、实验测定或查阅相

15、关手册得到。 551.总传热系数的计算设计中应考虑污垢热阻的影响 011oooosisoiiimddbdRRKddd管壁外表面污垢热阻管壁内表面污垢热阻总传热系数计算式二、总传热系数56提高总传热系数途径的分析 总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻011oooosisoiiimddbdRRKddd壁阻总热阻管内热阻管内垢阻管外垢阻管外热阻二、总传热系数57若传热面为平壁或薄管壁 111sisoiobRRKoioK当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 111ioK若管壁外侧对流传热控制二、总传热系数58oiiK若管壁内侧对流传热控制o,i 若管壁内、外侧对流传热控制相当若管壁两侧对流传

16、热热阻很小，而污垢热阻很大污垢热阻控制二、总传热系数59欲提高 值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。 K二、总传热系数 值总是接近且永远小于 中的小者。当两侧对流传热系数相差较大时， 近似等于 中小者。 Ko,i Ko,i 602.总传热系数的测定 对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热基本方程式计算值。显然，这样得到的总传热系数值最为可靠。二、总传热系数613.总传热系数的推荐值 附录二十中列出了管壳式换热器的推荐值，可供设计时参考。 在实际设计计算中，总传热系数通常采用推荐值。这些推荐值是从实践中积累或通过实验测定获得的。二、总传热系数6

17、2 在选用总传热系数的推荐值时，应注意以下几点：设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致；设计中流体的性质（黏度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和状态相一致；设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致；二、总传热系数63总传热系数的推荐值一般范围很大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若需降低设备费（减小换热面积）可选取较大的值；若需降低操作费（增大换热面积）可选取较小的值。二、总传热系数64练 习 题 目思考题作业题: 3、4、51.什么叫热阻？试说明在多层平壁和多层筒壁热传导中应用热阻的优点。2.换热器中总的传热热阻包括哪几部分 ？在强化传热中，如何有效地减小

18、热阻？65第五章 传 热5.3 换热器的传热计算5.3.1 热平衡方程5.3.2 总传热速率微分方程和总传热系数5.3.3 传热计算方法66一、平均温度差法()oodQK Tt dS对总传热速率微分方程积分，可得TmQKS t总传热速率积分方程传热过程冷、热流体的平均温度差 67 推导平均温度差的表达式时，对传热过程作以下简化假定：传热为稳态操作过程；两流体的定压比热容均为常量；总传热系数为常量；忽略热损失。 一、平均温度差法681.恒温传热时的平均温度差 换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温传热。 T( - )QKS tKS T t 冷流体温度 热

19、流体温度 一、平均温度差法692.变温传热时的平均温度差（1）逆流和并流时的平均温度差逆流并流一、平均温度差法70由热量恒算并结合假定条件和，可得 ,m hphdQqcdT 常数,m cpcdQqcdt常数一、平均温度差法71因此， 及 都是直线关系，可分别表示为 QTQtTmQktm Qk 上两式相减，可得 也呈直线关系。将上述诸直线定性地绘于图5-9中 Qt一、平均温度差法72图5-9 逆流时平均温度差的推导一、平均温度差法7321()TttdtdQQ21()TttdtK tdSQ根据假定条件，积分上式得2121lnTmttQKSKS ttt总传热速率方程式一、平均温度差法742121ln

20、mttttt对数平均温度差逆流和并流时计算平均温度差的通式。一、平均温度差法75讨论：（1）在工程计算中，当 时，可用算术平均温度差（ ）代替对数平均温度差，其误差不超过4%。21/2tt 12()/2mttt （2）在冷、热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均温差较并流的为大。 一、平均温度差法76逆流： 采用逆流操作，若换热介质流量一定，则可以节省传热面积，减少设备费；若传热面积一定，则可减少换热介质的流量，降低操作费，因而工业上多采用逆流操作。并流： 若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，则宜采用并流操作。 一、平均温度差法77（

21、2）错流和折流时的平均温度差单管程，多管程单壳程，多壳程一、平均温度差法78图5-10 错流和折流示意图一、平均温度差法79mtmtt温差校正系数 ( ,)tf R P安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法 一、平均温度差法 先按逆流计算对数平均温度差，然后再乘以考虑流动方向的校正因素。即8012221111TTRttttPTt热流体的温降冷流体的温升冷流体的温升两流体的最初温度差具体步骤如下：根据冷、热流体的进、出口温度，算出纯逆流条件下的对数平均温度差tm。按下式计算因数 R 和 P：一、平均温度差法81根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校正系数； 将纯逆流条件

22、下的对数平均温度差乘以温度差校正系数，即得所求的。 mtmtt一、平均温度差法一边恒温时1t82 值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故。 t()()()ttt并流错、折流逆流 通常在换热器的设计中规定， 值不应小于0.8，否则值太小，经济上不合理。若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流。 t一、平均温度差法83二、传热单元数法1. 传热效率maxTQQ实际的传热量最大可能的传热量换热器的传热效率定义为84定义最大可能传热量 maxmin11()()mpQq cTt式中 qmcp 称为流体的热容量流率，下标 min表示两流体中热容量流率

23、较小者，并称此流体为最小值流体。换热器中可能达到的最大温差 较小者具有较大温差 二、传热单元数法85,2121,1111()()m cpcm cpcqcttttqcTtTt 若冷流体为最小值流体，则传热效率为 ,1212,1111()()m hphm hphqcTTTTqcTtTt若热流体为最小值流体，则传热效率为二、传热单元数法86 若已知传热效率，则可确定换热器的传热量和冷、热流体的出口温度 maxmin11()()TmpQQq cTt2111()ttTt2111()TTTt二、传热单元数法87 （2）传热单元数 NTU由换热器热平衡方程及总传热速率微分方程 ,()m hphm cpcdQ

24、qc dTqc dtK Tt dS 对于冷流体 ,m cpcdtKdSTtqc二、传热单元数法8821,0()tScm cpctdtKdSNTUTtqc对于热流体，同样可写出12()ThTdTNTUTt积分上式得基于冷流体的传热单元数基于热流体的传热单元数二、传热单元数法89 传热单元数是温度的量纲为一函数，它反映传热推动力和传热所要求的温度变化，传热推动力愈大，所要求的温度变化愈小，则所需要的传热单元数愈少。二、传热单元数法903.传热效率与传热单元数的关系 现以单程并流换热器为例做推导。假定冷流体为最小值流体，minmaxRCCC热容量流率比令min,m cpcCqcmax,m hphCq

25、c二、传热单元数法91min1 exp ()(1)1RRNTUCC推导可得minmin,()m cpcKSKSNTUcqc式中二、传热单元数法92minmin,()m hphKSKSNTUCqc,minmax,m hphRm cpcqcCCCqc若热流体为最小值流体，则min1 exp ()(1)1RRNTUCC式中二、传热单元数法93对于单程逆流换热器，可推导出传热效率与传热单元数的关系为 minmin1 exp ()(1)1exp ()(1)RRRNTUCCNTUC当两流体中任一流体发生相变时 min1 exp ()NTU 二、传热单元数法94当两流体的热容流率相等 单程并流换热器单程逆流

26、换热器1 exp 2()2NTU1NTUNTU1RC 二、传热单元数法95 3. 传热单元数法采用 法进行换热器校核计算的步骤如下：NTU(1)根据换热器的工艺及操作条件，计算（或选取）总传热系数；(2)计算 及 ，确定 及 ；,m hphqc,m cpcqcmax()mpq cmin()mpq c二、传热单元数法96（3）计算：minminmax()()()mpRmpmpq cKSNTUCq cq c及（4）根据换热器中流体流动的型式，由和 查得相应的 ；NTURCQ（5）根据冷、热流体进口温度及 ，可求出传热量 及冷、热流体的出口温度。二、传热单元数法97应予指出，一般在设计换热器时宜采用

27、平均温度差法，在校核换热器时宜采用 法。NTU二、传热单元数法98练 习 题 目思考题作业题: 8、9、101.对数平均温度差值与哪些因素有关？2.换热器传热计算有哪两种方法，它们之间的区别是什么？3.在管壳式换热器设计中，为什么要限制温度差校正系数大于0.8 99第五章 传 热5.4 对流传热100 对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递过程，对流传热与流体的流动状况密切相关。 对流传热概述图5-12 对流传热的温度分布情况101无相变有相变强制对流自然对流对流传热蒸汽冷凝液体沸腾概述102第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1对流传热机理和对流传热系数103图5-12 对流传热的温

28、度分布情况一、对流传热机理104一、对流传热机理 当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将进行热交换。 层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层传热方式热传导热传导和涡流传热涡流传热105层流内层缓冲层湍流核心 湍流边界层温度梯度 较大居中较小热阻 较大居中较小对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 一、对流传热机理106二、热边界层及对流传热系数 靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层10

29、7图 5-13 平板上的热边界层二、热边界层及对流传热系数108 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即 ()wdtdQdSdy 紧靠壁面处薄层流体的温度梯度二、热边界层及对流传热系数109 根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为()1 ()wwTTdQTTdSdS换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温 换热器任一截面上热流体的平均温度二、热边界层及对流传热系数110()()wwwdtdtTTdyt dy 因此有对流传热系数的另一定义式，它表明了对流传热系数与壁面温度梯度之间的关系。 二、热边界层及对流传热系数111二、热边界层及对流传热系数

30、 当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成和发展。 对于一定的管长，破坏边界层的发展也能强化对流传热。 对于同一种流体，强制对流传热的对流传热系数要大于自然对流的，有相变化的要大于无相变化的。 112第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理和对流传热系数5.4.2 对流传热的量纲分析113一、影响对流传热系数的因素1.流体的种类和相变化的情况2.流体的特性：导热系数、黏度、比热容、密度以及体积膨胀系数 3.流体的温度4.流体的流动状态5.流体流动的原因6.传热面的形状、位置和大小114二、对流传热过程的量纲分析1.根据对问题的观察，找出影响对流传热过程的因素2.通过量纲分析确

31、定相应的量纲为一数群（准数）3.通过实验确定相应的经验关联式公式。量纲分析步骤115 量纲分析的基本依据是定理：一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含n-m个独立的量纲为一数群间的关联式，m指n个物理量中所涉及的基本量纲的数目。量纲分析的核心在于确定n和m，并用一定技巧将各个量纲为一数群的内涵确定下来。量纲分析基本依据二、对流传热过程的量纲分析1161.流体无相变时的强制对流传热过程（1）列出影响该过程的物理量 ( , , )pf lcu 传热设备的特征尺寸二、对流传热过程的量纲分析117（2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量

32、、时间和温度依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 123(,) 二、对流传热过程的量纲分析118通过量纲分析，可确定1lNu2Relu努赛尔特数(Nusselt number) 雷诺数(Reynolds number)表示对流传热系数的准数 表示惯性力与黏性力之比，是表征流动状态的准数 二、对流传热过程的量纲分析1193Prpc普兰德数(Prandtl number)表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参数，反映与传热有关的流体物性。 (Re,Pr)Nu强制对流（无相变）传热时的准数关联式 因此，有二、对流传热过程的量纲分析1202.自然对流传热过程自然对流传热过程（1）列出影响该过程

33、的物理量 传热设备的特征尺寸( ,)pf lcgt 作用在单位体积流体上的浮力ggt 二、对流传热过程的量纲分析121（2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量、时间和温度依据定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 123(,) 二、对流传热过程的量纲分析122通过量纲分析，可确定1lNu2Prpc努赛尔特数(Nusselt number) 普兰德数(Prandtl number)二、对流传热过程的量纲分析123格拉斯霍夫数(Grashof number)3232lgtGr表示由温度差引起的浮力与黏性力之比 (,Pr)NuGr自然对流（无相变）传热时的准

34、数关联式 因此，有二、对流传热过程的量纲分析1243.使用由实验数据整理得到的关联式应注意的问题（1）应用范围 关联式中Re、Pr等准数的数值范围等；（2）特性尺寸 Nu、Re等准数中的应如何确定；（3）定性温度 各准数中的流体物性应按什么温度查取。二、对流传热过程的量纲分析125第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理和对流传热系数5.4.2 对流传热的量纲分析5.4.3 流体无相变时的对流传热系数126一、流体在管内作强制对流1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流（1）低黏度流体可应用迪特斯（Dittus）贝尔特（Boelter）关联式0.80.023RePrnNu 0.80.0

35、23()()pniiCd ud或或当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 127特性尺寸：管内径。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。应用范围：4Re100.7Pr120/60iL d /60iL d 若，可将由上式求得的值乘以0.71 (/ )idL进行校正。一、流体在管内作强制对流128（2）高黏度流体可应用西德尔（Sieder）泰特（Tate）关联式0.81 30.027RePrNu0.81 30.140.027()() ()piiwCd ud或或壁温下的黏度0.14()w考虑热流方向的校正项 一、流体在管内作强制对流129特性尺寸：管内径。定性温度：除w取壁温外，

36、均取流体进、出口温度的算术平均值。应用范围：4Re100.7Pr1700/60iL d 一、流体在管内作强制对流1301 30.141.86(RePr)()iWdNuL2.流体在光滑圆形直管内作强制层流特性尺寸：管内径。 定性温度：除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。应用范围：Re23000.7Pr6700RePr/100idL 一、流体在管内作强制对流13151.81 6 10 Re Re2300 10000 当 时，对流传热系数可先用湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正系数。3. 流体在光滑圆形直管中呈过渡流一、流体在管内作强制对流132(1 1.77)idR 4. 流体

37、在弯管内作强制对流 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的大 管子的弯曲半径一、流体在管内作强制对流13322221212224()4eddddddd 5. 流体在非圆形管内作强制对流 流体在非圆形管内作强制对流时，只要将管内径改为当量直径，则仍可采用上述各关联式。传热当量直径定义：究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决定。 一、流体在管内作强制对流134练 习 题 目思考题作业题: 11、12、131.对流传热系数的定义是什么？说明对流传热的机理及求算对流传热系数的途径。2.量纲分析的步骤，所应用的基本定理是什么？3.传热过程所涉及到的量纲为一

38、准数的名称、计算式、含义是什么 ？135第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理和对流传热系数5.4.2 对流传热的量纲分析5.4.3 流体无相变时的对流传热系数136二、流体在换热器的管间作强制对流换热器管间流体的流动：装有折流挡板。流体的流向和流速不断地变化。在Re100时即可达到湍流。 137图5-14 换热器折流挡板二、流体在换热器的管间作强制对流138图5-15 管间管束排列形式二、流体在换热器的管间作强制对流1390.551 30.36RePrNu凯恩（Kern）法应用范围： 。特性尺寸：传热当量直径。定性温度：除w取壁温外，均取流体进出口温度的算术平均值。36Re2

39、 10 1 10二、流体在换热器的管间作强制对流140三、自然对流(Pr)nNuc Gr通过实验测得的c和n值列于表5-7中。 141第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理和对流传热系数5.4.2 对流传热的量纲分析5.4.3 流体无相变时的对流传热系数5.4.4 流体有相变时的对流传热系数142一、蒸汽冷凝传热1.蒸汽冷凝方式图5-16蒸汽冷凝方式滴状冷凝膜状冷凝1432.膜状冷凝时的对流传热系数（1）层流膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数关系式推导中作了以下假设：冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜的热传导。蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。一、蒸汽冷凝传热14

40、4蒸汽冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热，蒸汽温度和壁面温度保持不变。冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。一、蒸汽冷凝传热145对蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 1 4230.943rgL t蒸汽的饱和温度与壁面温度之差 swttt 饱和蒸汽的冷凝潜热一、蒸汽冷凝传热146 麦克亚当斯(McAdams)建议在工程设计时，应将计算结果提高20%，即1 4231.13()swrgL tt一、蒸汽冷凝传热147（2）湍流膜状冷凝时的对流传热系数 当液膜呈现湍流流动时可应用柯克柏瑞德(Kirkbride)的经验公式计算，即1 320.420.0076Refg一、蒸汽冷凝传热148冷凝时Re

41、f的计算：Reebfd u当量直径 凝液的平均流速若以 表示凝液的流通面积， 表示润湿周边长度， 表示凝液的质量流率，则有 APmq44RemmfqAqPAP一、蒸汽冷凝传热149单位长度润湿周边上的凝液质量流率 mqP 4Ref则从层流到湍流的 临界值一般可取为1800。 Ref一、蒸汽冷凝传热150（3）水平管外膜状冷凝时的对流传热系数 对于蒸气在单根水平管外的层流膜状冷凝，努赛尔特曾经获得下述关联式1 4230.725()oswrgd tt特征尺寸管外径一、蒸汽冷凝传热151水平管束外冷凝 1 4230.725()oswrgnd tt垂直列上的管数若各列管子在垂直方向上的排数不相等412

42、0.750.750.7512()zmznnnnnnn一、蒸汽冷凝传热152比较垂直管外水平管外1 4231.13()swrgL tt1 4230.725()oswrgd tt2式相比140.64OLd水平垂直对于长1.5m，外径20mm的圆管，水平放置时其层流膜状冷凝对流传热系数约为垂直放置时的2倍。一、蒸汽冷凝传热153 应予指出，若蒸气中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气体（导热系数很小）层所遮盖而增加一层附加热阻，使对流传热系数急剧下降。故在冷凝器的设计和操作中，必须考虑排除不凝气。 一、蒸汽冷凝传热154二、液体沸腾传热所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，伴有由液相变为气相，

43、即在液相内部产生气泡或气膜的过程。液体沸腾155液体沸腾的方式过冷沸腾饱和沸腾 二、液体沸腾传热池内沸腾管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾)1561.液体沸腾曲线图5-17水的沸腾曲线二、液体沸腾传热1572.液体沸腾传热的影响因素（1）液体性质的影响 通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热。二、液体沸腾传热158（2）温度差的影响 温度差是控制沸腾传热过程的重要参数。一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的对流传热系数与的关系可用下式表达，即()nkt二、液体沸腾传热159（3）操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于气

44、泡的生成和脱离。 二、液体沸腾传热160（4）加热壁面的影响 加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影响。清洁而粗糙的加热壁面传热系数较高。加热壁面的布置情况，也对沸腾传热有明显的影响。二、液体沸腾传热1613.液体沸腾传热系数的计算1 3Pr()LsfnLLvctQ SCrrg由于沸腾传热的机理相当复杂，目前还没有适当的分析解可以描述整个沸腾传热过程，故其传热系数的计算仍主要借助于经验公式，以下是工业计算中常用的罗森奥（Rohsenow）公式，即二、液体沸腾传热162第五章 传 热5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理和对流传热系数5.4.2 对流传热的量纲分析5.4.3 流体无相变时的对

45、流传热系数5.4.4 流体有相变时的对流传热系数5.4.5 非牛顿型流体的传热（选读）163练 习 题 目思考题作业题: 16、17、181.试说明流体有相变化时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数的理由。2为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的传热系数高？3对于膜状冷凝，雷诺数是如何定义的？4. 液体沸腾曲线的意义。164第五章 传 热5.6 换热器5.6.1 间壁式换热器的结构形式5.6.2 换热器传热过程的强化5.6.3 传热过程强化效果的评价5.6.4 管壳式换热器的设计和选型165一、换热器设计的基本原则1.流体流径的选择 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。

46、 腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。 压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。166 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏。一、换热器设计的基本原则167 流量小或黏度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 一、换热器设计的基本原则1682.流体流速的选择 增大流速加大对流传热系数减少污垢的形成流动阻力加大总传热系数增大 动力消耗增多 一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表5-11至表5-13列出了常用的流速范围，可供设计时参考。 一、换热器设计的基本原则1693.冷却介质（或加热介质）终温的选择 一般来说，设计时冷却水的进出口温度差可取510。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差。 一、换热器设计的基本原则1704.管子的规格和管间距管子规格 25 2.5mm19 2mm管径 1.5m2m3m6m管长管间距 见表5-14 一、换热器设计的基本原则1715.管程和壳