传热过程基础知识

1、第五章第五章 传热过程基础传热过程基础5.1 传热过程导论 物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程，称为热量的传递，简称传热称为热量的传递，简称传热。根据热力学第二定律，只要有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种物理现象。 5.1.1 传热在化工生产中的应用化学工业与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还是物理性操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此，传热是重要的化工单元操作之一，其应用主要包括以下几方面：1.加热或冷却流体加热或冷却流体，符合化学反应或单元操作的需要2.对

2、设备或管道进行保温、隔热对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量(或冷量)损失。 3.合理使用热源合理使用热源，进行热量的综合回收利用。 2021-12-815.1.2 传热的基本方式根据传热的机理不同，传热分为三种基本方式：.热传导(导热)定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传递现象。特点：由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方向上无物质的宏观位移。 存在于固体、静止流体及滞流流体中。发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温部分传向低温部分。2021-12-82从微观角度看，气体、液体、导电固体和

3、非导电固体的机理各不相同。气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递到低温区。非导电固体：导热是通过晶格结构的振动(即原子、分子在其平衡位置附近的振动)来实现的。物体中温度较高部分的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分传递给后者。一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。202

4、1-12-83液体：v一种观点认为它定性地和气体类似，只是液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多，因而更复杂。v另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡位置间歇地发生移动。总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。本章只讨论导热现象的宏观规律。2021-12-8.热对流热对流(对流对流)定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程特点：热对流只发生在流体中。流体各部分间产生相对位移 产生对流的原因由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下产生流体质点的相对位移，使轻者上

5、浮，重者下沉，称为自然对流；由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动，称为强制对流。 流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同时常常伴随有自然对流。2021-12-85化工生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作用的传热过程，即热由流体传递到固体表面热由流体传递到固体表面(或反之或反之)的的过程，通常将它称为对流传热过程，通常将它称为对流传热(也称给热也称给热)。其特点是靠近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。可见，对流传热与流体流动状况密切相关。虽然热对流是一种基本的传热方式，但由于热

6、对流总伴随热传导，要将二者分开处理是困难的。因此一般不讨论单纯热对流，而着重讨论具有实际意义的对流传热。2021-12-8.热辐射热辐射定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之物体之间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传递向低温物体。特点：可在真空中传播能量传递同时伴随有能量的转换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时，热辐

7、射才能成为主要的传热方式。实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种方式为主。 2021-12-875.1.3 典型的传热设备实现两流体换热过程的设备称为换热器 化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交换是指热流体经固体壁面(间壁)将热量传给冷流体的过程。热流方向间间壁壁热流体冷流体对流对流导热冷、热流体被间壁隔开，它们分别在壁面两侧流动。此壁面即构成间壁式换热器。热由热流体以对流方式传递到壁面一侧，通过间壁的导热，在由壁面另一侧以对流形式传递到冷流体。2021-12-88现讨论典型的间壁式换热器结构及其操作原理1.套管式换热器由直径

8、不同的两根圆管组成的同心套管。一种流体在内管中流动，另一种流体在套管的环隙中流动，两流体是通过内管壁面进行换热。 每一段套管称一程。程与程之间一般是上下排列，固定在管架上。若所需传热面积较大，则可用数排并列，各排均与总管连接而并联使用。优点：采用标准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和程数伸缩性大，可距需要增减。适当地选择内、外管的直径，可使两种流体都达到较高流速，从而提高传热系数；两流体可始终以逆流方向流动，平均温度差最大。缺点：接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。传热面积：传热面积：S=dL2021-12-892.列管式换热器 为了改变套管式换热器传热面积小，设备不紧凑的状况

9、，常将若干细管组成的管束放在一大的外管中，这种换热器称为列管式换热器 。组成：壳体、管束、管板和封头等部分。 一种流体由封头的进口管进入，流经封头与管板的空间分配至各管内，从另一端封头的出口管流出。另一种流体则由壳体的接管流入，在壳体与管束间的空隙流动中通过管束表面与管束内流体换热，然后从壳体的另一端接管排出。为增加流体湍动程度，通常壳体内安装若干与管束垂直的折流档板。 流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程(管方管方)流体；流体；流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为

10、壳程程(壳方壳方)流体流体。 2021-12-810若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程内若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程内流过一次的，称为单壳程流过一次的，称为单壳程。若列管换热器的传热面积较大，而需要的管数很多时，有时流体在管内的流速便较低，结果使流体的对流传热系数减小。为了提高管程流速，可在换热器封头内设置隔板，将全部管子平均分成若干组，流体在管束内来回流过多次后排出，称为多(管)程列管式换热器，如图示。程数增多，虽然提高了管内流体的流速，增大了管内的对流传热系数，但同时也使流动阻力增大，平均温度差降低。此外，设置隔板后占去部分布管面积而减少了传热面积。因此，

11、程数不宜过多，一般为双程、四程、六程。 传热面积：传热面积：S=ndL2021-12-8115.1.4 传热速率与热通量衡量传热的快慢用传热速率及热通量表示。传热速率q：单位时间内通过传热面的热量，W热通量q/S：每单位面积的传热速率，W/m2说明说明传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。vq，换热器性能愈好由于传热面积具有不同的表示形式，因此同一传热速率所对于的热通量的数值各不相同。计算时应标明选择的基准面积。对不同的传热方式，传热速率、热通量的名称略有差异。传热方式传热方式传热速率传热速率Q热通量热通量q导热导热速率导热热通量对流传热对流传热速率对流传热热通量辐射传热辐射传热速率辐射

12、传热热通量2021-12-8125.1.5 稳态传热与非稳态传热稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化稳态传热：温度仅随位置变化而不随时间变化的传热方式的传热方式。显著特点是传热速率特点是传热速率q为常量为常量。连续传热过程属于稳态传热。非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化非稳态传热：温度既随位置变化又随时间变化的传热方式。的传热方式。显著特点是传热速率特点是传热速率q为变量为变量。间歇传热过程属于非稳态传热。2021-12-8135.3 热热 传传 导导 5.3.1 热传导的基本概念 温度场 一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就可以从高温点向低温点传导，即产生热流

13、。因此物体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率(导热速率)温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和。因此，温度场内任一点的温度为该点位置和时间的函数，即：t=f(x,y,z,) 说明说明若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳态的导热状态。 t=f(x,y,z,) 若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态的导热状态。 t=f(x,y,z)若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，但不随时间变化，此温度场为一维稳态温度场t=f(x)2021-12-8 等温面在

14、同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温度，所以温度不同的温度不同的等温面不会相交等温面不会相交。 温度梯度从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿和等温面相交的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿法向最大。温度梯度：相邻两等温面间温差相邻两等温面间温差t与其距离与其距离n之比的极限之比的极限：tgradntntlim0ndxdttgradt+ttt-tgrad tQn说明说明温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。稳定的一

15、维温度场，温度梯度可表示为： 2021-12-8155.3.2 热传导基本定律热传导基本定律 -傅立叶定律 物体或系统内导热速率的产生，是由于存在温度梯度的结果，且热流方向和温度降低的方向一致，即与负的温度梯度方向一致，后者称为温度降度。傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，因热传导而产生的导热速率大小的定律。定义：通过等温面导热速率，与其等温面的面积及温度梯通过等温面导热速率，与其等温面的面积及温度梯度成正比度成正比： 式中：dq导热速率，WdS等温表面的面积，m2k比例系数，称为导热系数，W/(m)“”表示热流方向与温度梯度方向相反ntkdSdqntdSdq2021-12-8165.

16、3.3 导热系数导热系数 将傅立叶定律整理，得导热系数定义式：物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。因此，导热系数表征物体导热能力的大小，是物质的物性常数之一。其大小取决于物质的组成结构、状态、温度和压强等。 导热系数大小由实验测定，其数值随状态变化很大。 ntdSdqk小大气体液体非金属固体金属 2021-12-8 固体的导热系数 金属：35420W/(m)，非金属：0.23.0W/ (m) 固体中，金属是最好的导热体。v纯金属：t，kv金属： 纯度，k非金属：，t ，k说明说明对大多数固体， k值与温度大致成线性关

17、系：式中： k固体在温度为 t时的导热系数，W/(m) k0固体在温度为 0时的导热系数，W/(m) 温度系数。v 大多数金属：0 ) t1 (kk02021-12-818在热传导计算中，用物体的平均导热系数代替各点处的导热系数，以简化计算，引起的误差很小。方法： 液体的导热系数液体导热系数：0.070.7W/(m) t，k(水、甘油除外)v金属液体：其k比一般液体高，其中纯Na最高v非金属液体：纯液体的k比其溶液的大在缺乏实验数据时，溶液的导热系数可按经验公式估算，导热系数估算式为：有机化合物水溶液：km=0.9aiki有机化合物的互溶混合液：km=aikik2tttk,k2k

18、kk21m2121查图表或手册壁面两侧的导热系数ai组分i的质量分率2021-12-8 气体的导热系数气体的导热系数：0.0060.6 7W/(m)温度的影响：t，k P的影响v一般压强范围内，k随压强变化很小，可忽略v过高(2105kPa)、过低(b, 故从壁的边缘处损失的热量可忽略，S为常量。傅立叶定律可简化为： SQbt1t2dxdtkSq2021-12-821积分限：x=0b，t=t1t2 积分txb0t1t2W/mkbRW/SkbRRt)tt (bkSqRt)tt (bkSqkSdtqdx22121ttb021导热热阻，导热热阻，式中：热通量：说明说明推动力为t，阻

19、力为R(R)导热速率与温度差、传热面积、导热系数成正比，而与平壁厚度成反比。k，R；q常数时，tRk常数：t=f(x)为直线；k=k0(1+t)：t=f(x)为曲线热阻概念的应用：v计算界面温度或物体内温度分布v从温度分布判断各部分热阻的大小2021-12-822单层平壁热传导计算举例例 某平壁厚度为0.37m，内表面温度t1为1650，外表面温度t2为300，平壁材料导热系数k=0.815+0.00076t(t的单位为，k的单位为W/(m)。若将导热系数分别按常量和变量处理时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。解：(1)导热系数按常量处理2m/w5677)3001650(37. 0556

20、. 1)tt (bksq)m/(w556. 197500076. 0815. 0t00076. 0815. 0k975230016502ttt21m21m平均导热系数：平均温度：结论：导热系数按常量处理时，温度分布结论：导热系数按常量处理时，温度分布为直线为直线txtt1t2bx0 x36491650556. 1x56771650ksqxtt) tt (xksq112021-12-823(2)导热系数按变量处理222222121b0ttm/W5677)3001650(37. 0200076. 0)3001650(37. 0815. 0sq)tt (b200076. 0)tt (b815. 0s

21、qdt) t00076. 0815. 0(dxsqdxdt) t00076. 0815. 0(dxdtksq21得：积分：x1049. 11041. 71072t)t1650(x200076. 0) t1650(x815. 05677)tt (b200076. 0) tt (x815. 0sq76222211整理得：结论：导热系数按变量处理时，温度分布为曲线结论：导热系数按变量处理时，温度分布为曲线txtt1t2bx02021-12-8 多层平壁的稳态热传导 以三层平壁为例。前提条件：层间接触良好，即相互接触的两表面温度相同，且t1t2t3t4各层平壁面积均为S，厚度分别为b

22、1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各层导热系数为常数，分别为k1、k2、k3 传热为稳态一维热传导：q1=q2=q3=q据此，由傅立叶定律，得：qSkbttSkbttSkbtt3343223211212021-12-8253213213322114133221132141333432223211121RRRtttSkbSkbSkbttk)SkbSkbSkb(qttttt : ) 3()2() 1 () 3(SbQttt)2(SbQttt) 1 (SbQttt整理，得：总阻力总推动力率计算式为：层平壁热传导，导热速推广到n1iin1iin1iii1n1RtSkbttqn2021-12-

23、826 说明说明多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差；总热阻为各层热阻之和。q计q测：(t1-tn+1)一定，q，R。说明实际情况层间接触不良，存在附加的热阻t1tn+1，q0，热量损失 t1tn+1，qt2，在圆筒壁半径r处沿半径方向取微元厚度dr的圆筒壁，其传热面积：S=2rL圆筒很长，沿轴向散失热量可以忽略，温度仅沿半径方向变化，为一维稳态热传导。圆筒壁材质均匀，导热系数k为常数 2021-12-829122121rr21ttrr2121ln)tt (Lk2qLdt2krdrqttt ,rrrdrdtrL2kdrdtkSq整理，得：积分：积分限：傅立叶定律：2SS12mr

24、r12mmrr12m1221m21mmlnSSS mlnr-rrLr2ln)r-r (L2Sr-r)tt (Skb)tt (Skq121212积，圆筒壁的对数平均面径，圆筒壁的对数平均半其中：速率方程类似的形式：将此式写成与平壁导热单层圆筒壁导热速率计算式2021-12-830说明说明当圆筒壁两侧温度不变时，传热速率q为常量，但由于S与r有关，故热通量q/S不再是常量，而q/L保持常量；在任一半径r处，温度表示为:表明温度沿r方向为对数曲线分布； 表明导热速率与推动力t成正比，而与导热热阻R成反比。 误差不超过4，工程上允许。11rrlnkL2qttRtqkSbRm，称导热热阻，则若令2SSS

25、 2SS212rrr 2rr2121m1221m12时，当时，当2021-12-831单层圆筒壁导热计算举例例4-2 在外径为133mm的蒸汽管道外包扎一层石棉保温材料，导热系数为0.2W/(m)，蒸汽管外壁温度为160，要求保温层外侧温度40，若每米管长热损失控制在240W/m下，求保温层厚度。解：单层圆筒壁热传导速率方程故保温层厚度b=r2-r10.125-0.06650.058 m m125. 0e0665. 0errrrln)tt (Lk2q240)40160(2 . 02L/Q)tt (k2121221212021-12-83 多层圆筒壁稳态热传导多层圆筒壁稳态热传导

26、 以三层为例。前提条件：各层间接触良好各层导热系数k1、k2、k3均为常数一维稳态热传导据多层平壁热传导计算公式：321321RRRtttq2021-12-833343232121413213213433m3334332322m222322121rr121121m111211rrlnk1rrlnk1rrlnk1)tt (L2RRRtttqrrlnLk21SkbR tttrrlnLk21SkbR tttrrlnLk21ln)rr (L2krrSkbR ttt12式中：n1iin1iin1ii1ii1n1Rtrrlnk1)tt (L2qn程式为：层圆筒壁，导热速率方推广到2021-12-834说明

27、说明多层圆筒壁热传导的总推动力为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。总的导热速率与总推动力成正比，而和总阻力成反比。对各层，同样有温差与热阻成正比。不论圆筒壁由多少层组成，通过各层导热速率Q和Q/L为常量，但q不为常量；其中每一层的温度分布为曲线，但各层分布曲线不同； 2SSS 2SS212rrr 2rr211iimii1i1iimii1i时，当时，当2021-12-8355.4 对流传热对流传热 5.4.1 对流传热机理 对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热对流传热，指流体与固体壁面直接接触时的传热，是流体的对流与导热两者共同作用的结果。其传热速率与流动状传热速率与流动状况有密切关系

28、况有密切关系。 考察湍流流体：流体流过固体壁面时，由于流体的粘性作用，使靠近固靠近固体壁面附近存在一薄滞流底层体壁面附近存在一薄滞流底层。在此薄层内，沿壁面的法线方向没有热对流，该方向上热的传递仅为热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流底层中的导热热阻很大，因此该层中温度差较大，即温度梯度较大温度梯度较大。在湍流主体湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差及温度梯度极小，各处的温度基本各处的温度基本相同相同。在湍流主体与滞流底层的过渡层中过渡层中，热传导和热对流均起作用，在该层内温度发生了缓慢的变化温度发生了缓慢的变化。2021-12-836在热流体的湍流主体中，由于

29、流体质点充分混合，温度基本一致，即图中T；在过渡层中，温度由T缓慢下降至Tw；在滞流底层中，由于热阻较大，温度由Tw急剧下降至Ts，再往右，通过管壁，因其材料为金属，热阻较小，因此，管壁两侧的温度Ts和ts相差很小。此后，在冷流体中，又顺序通过滞流底层、过渡层而到达湍流主体，温度由ts经tw下降至t。 在计算传热量时，一般用易于测量的平均温度Tb和tb代替截面上最高、最低温度T和 t。TtTwtwTsts图示即为温度在湍流流图示即为温度在湍流流体中的分布情况。体中的分布情况。由以上分析可知，对流传热的热阻对流传热的热阻主要集中在滞流底层中，因此，减主要集中在滞流底层中，因此，减薄滞流底层的厚度

30、是强化对流传热薄滞流底层的厚度是强化对流传热的重要途径的重要途径。Tbtb2021-12-8375.4.2 热边界层及对流传热系数热边界层及对流传热系数 流体流过平板时的热边界层与流动边界层相似，若流体自由流的温度和壁面温度不同，就会形成热边界层，也称温度边界层。当温度为t0的流体在表面温度为tw的平板上流过时，流体和板间将进行换热。实验表明，大多数情况下(导热系数很大的流体除外)，流体的温度也和速度一样，仅在靠近板面的滞流层中有显著的变化，即在此薄层中存在温度梯度，将此薄流体层定义为热边界层。热边界层以外的区域，流体温度基本相同，温度梯度可视为零。显然，热边界层是进行对流传热的

31、主要区域。如图示，曲线1表示流体呈滞流时在平板上的流动边界层的发展过程。u0,t0t0ttst1x02曲线2表示流体呈滞流，且在离平板起点x0处开始传热时热边界层的发展过程。大多数情况下，流动边界层的厚度大于热边界层厚度t。通常规定ts-t=0.99(ts-t0)处为热边界层的界限(t为某处热边界层上的温度)。2021-12-83 流体流过圆管时的热边界层流体流过圆管时的热边界层流体以速度u0和温度t0进入管内，因受壁面温度的影响，热边界层的厚度由进口的零值逐渐增加，经过一定距离后，在管中心汇合。流体由管进口至汇合点的轴向距离称为传热进口段。超过汇合点后，温度分布趋于平坦，此时

32、热边界层的厚度等于管子的半径。2021-12-83 对流传热系数对流传热系数据前分析，对流传热是一复杂的过程，包括流体中的热传导、热对流及壁面的热传导过程，因而影响对流传热速率的因素很多。由于过程复杂，进行纯理论计算是相当困难的，故目前工程上采用半经验方法处理，将许多复杂影响因素归纳到比例系数h内。.1 对流传热速率方程将湍流主体区和滞流底层的温度梯度曲线延长，其交点与壁面距离为，此膜层称为虚拟膜或有效膜。 湍流主体区 过渡区滞流底层虚拟膜 说明这是一集中了全部传热温差以导热方式传热的膜层，其温度梯度为 tdshdq,k-htdsk-dydtds-kdq,tdyd

33、t则：令代入傅立叶定律，得牛顿冷却定律式中：dq 局部对流传热速率，W；dS微分传热面积；m2；t 换热器任一截面上流体的传热温度差，；h 局部对流传热系数，W/(m2 )。 2021-12-840说明说明1.h取平均值在换热器中，局部对流传热系数h随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，一般也用h表示，此时牛顿冷却定律可表示为： q=hSt式中： q 对流传热速率，W； S 总传热面积；m2； t 流体与壁面(或反之)间温度差平均值，； h 平均对流传热系数，W/(m2 ) 。 2.牛顿冷却定律的具体表达方式与实际换热情况有关换热器的传热面积有不同的表示方法，流体的流动位置不同

34、，牛顿冷却定律有不同的写法。如：热流体、管程：dq=hi(Tb-Ts)dSi热流体、壳程：dq=ho(Tb-Ts)dSo冷流体、管程：dq=hi(ts-tb)dSi冷流体、壳程：dq=ho(ts-tb)dSo可见，对流传热系数可见，对流传热系数是和传热面积及温度是和传热面积及温度差相对应的差相对应的2021-12-84.2 对流传热系数对流传热系数定义式一：定义式一：据牛顿冷却定律得tdSdqh即：在单位温度差下，对流传热系数在数值上等于由对流在单位温度差下，对流传热系数在数值上等于由对流传热参数的热通量传热参数的热通量。但该式并未揭示出影响对流传热系数或对流传热速率的因素，所

35、以无法通过此式计算对流传热系数h。定义式二：定义式二：据前述，在壁面附近的滞流底层中，传热方式只有热传导，故传热速率方程可以用傅立叶定律表示，即：dSdqh1t时，物理意义：当t)dydt(khtdShdqdS)dydt(kdqss，得：联立：说明：对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近流体层的温度梯度，就能求得h。可见，此式是在理论上分析和计算h的基础。2021-12-842说明说明热边界层的厚薄，影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当热边界层内、外侧温度差一定时：h)dydt(h)dydt(stst而热边界层的厚薄，受流动边界层的剧烈影响。结论结论减薄热边界层的厚度，有利于对流传热过程

36、的进行减薄热边界层的厚度，有利于对流传热过程的进行。2021-12-8435.4.4 对流传热过程的量纲分析对流传热过程的量纲分析 对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响因素对流传热是流体在外界条件作用下，在一定几何形状、尺寸的设备中流动时与固体壁面之间的传热过程，因此影响h的主要因素是：1.流体的种类和相变化情况流体的种类和相变化情况h气体h无相变2.流体的物性流体的物性对h影响较大的流体物性有导热系数k、粘度、比热Cp、密度及对自然对流影响较大的体积膨胀系数。具体地： k、Cp 、 、 h 2021-12-8443.流体的温度流体的温度流体温度对对流传热的影响表现在流体温度

37、与壁面温度之差t，流体物性随温度变化程度及附加自然对流等方面的综合影响。故计算中要修正温度对物性的影响。在传热计算过程中，当温度发生变化时用以确定物性所规定的温度称为定性温度。4.流体的流动状态流体的流动状态流体 呈湍流时，随着Re的增加，滞流底层的厚度减薄，阻力降低，h增大。流体呈滞流时，流体在热流方向上基本没有混杂作用，故h较湍流时小。即： h滞流h湍流 5.流体流动的原因流体流动的原因自然对流：由于流体内部存在温度差，因而各部分的流体密度不同，引起流体质点的相对位移。强制对流：由于外来的作用，迫使流体流动。 h自然对流h强制对流2021-12-84 对流传热过程的对流传热

38、过程的l量纲分析量纲分析6.传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小传热壁面的几何因素对流体沿壁面的流动状态、速度分布和温度分布都有较大影响，从而影响对流传热。如流体流过平板与管内的流动就不同，在自然对流时垂直热表面侧的流体就比水平热表面下面的流体自然对流条件要好。因此必须考虑传热面的特定几何条件对传热的影响，一般采用对对流传热有决定性影响的特征尺寸作为计算依据，称为定性尺寸。 由于影响对流传热系数的因素众多而复杂，因此不可能用一个通式来描述，为此首先进行理论分析，将众多的影响因素组合成若干无量纲数群(准数)，然后用实验的方法确定这些准数间关系，从而建立相应的关联式 。 本节采用白金汉

39、法处理对流传热问题，适用于变量较多的情况。2021-12-84.1 流体无相变时的强制对流传热过程流体无相变时的强制对流传热过程步骤：1.列出影响该过程的物理量据理论分析及实验研究，知影响h的因素有：定性尺寸l，流体的密度，粘度，比热Cp，导热系数k，流速u，可将其表示为：hf(l, ，Cp，k，u)2.确定准数数目 定理：任何一个量纲一致的物理方程都可表示成一个隐函数的形式，即： f(1, 2, 3， ，i)=0其中：i=j-m i无量纲准数的数目 j变量数 m基本量纲数(长度L、质量M、时间、温度T) i=7-4=3 有三个准数2021-12-8473.确定各准数的形式(1

40、)列出各物理量的量纲(2)选择m(即4)个共同物理量选择时遵循的原则： 不能包括待求的物理量如不能选h 不能同时选用量纲相同的物理量如不能选d,l 选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本量纲如不能选l,u,，因为不包括量纲T据此，选择l,k,u为3个无量纲准数的共同物理量LukCplhTM33LMLMTL22TML3L2021-12-848(3)量纲分析将共同物理量与余下的物理量分别组成无量纲数群，即Pr)f(Re,NuPrkCReluNuhhlhlk0m1k1j0i 1h1g0f1e0d0c1b1a1b0T3dcb30dcba0L1cb0MTMLLMTMLLTLMCukluklhuklp

41、32113dcb3a00001pmkji3hgfe2dcba1定理：据同理：对温度：对时间：对长度：对质量致性原则：，遵循等式两边因次一对流体无相变时强制对流传热时的准数关联式2021-12-84.2 自然对流传热过程自然对流传热过程通过实验进一步确定出具体的准数关联式自然对流中，引起流动的原因是单位体积流体的升力，大小为gt，其它因素与强制对流相同，故一般函数表达式为：hf(l, ，Cp，k， gt)方法同前，可得：Gr)f(Pr,NuGrtglPrkCNukhl2233p21联式为：即自然对流传热准数关4.确定具体的准数关联式通过实验进一步确定出具体的准数关联式2021-1

42、2-850各准数的名称、符合、意义如下：准数式准数式符号符号名称名称意义意义Nu努寒尔特准数(Nusselt)表示对流传热强弱程度的准数 Re雷诺准数(Reynolds)反映流体流动湍动程度的准数 Pr普兰特准数(Prandtl)反映物性对传热影响的准数Gr格拉斯霍夫准数(Grashof)反映自然对流强弱程度的准数kCp223tglkhllu2021-12-85.3 应用准数关联式应注意的问题应用准数关联式应注意的问题对应各种不同情况下的对流传热的具体函数关系是由实验确定的，在整理实验结果及使用方程式中应注意以下问题：1.应用范围关联式中Re、Pr、Gr等准数的数值范围等。2.

43、定性温度各准数中决定物性参数的温度，有3种表示方法：取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度取壁面平均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度取流体和壁面的平均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度壁温多为未知数，需用试差法，故工程上多用第一种方法3.特征尺寸无量纲准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸l。通常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。2021-12-8525.4.5 流体无相变时的对流传热系数流体无相变时的对流传热系数 流体在管内作强制对流1.流体在圆管内作强制湍流(1)低粘度流体(210-3Pas的气体及大部

44、分液体)2TTT2tttdlLd160dL.60dL120Pr7 . 0)10000Re10000(Re3 . 0n4 . 0nnkcuddk023. 0hPrRe023. 0Nu2121i7 . 0iiinp8 . 0iin8 . 0或定性温度：。取管内径特征尺寸：的短管，需乘修正系数。对于。，为湍流传热中规定应用范围：；被冷却时，体被加热时，值与热流方向有关，流或：2021-12-853(2)高粘度流体查取热流体物性参数查取冷流体物性参数查取定性温度：。取管内径特征尺寸：。，应用范围：或：2TTT2ttt 2Tttdl60dL16700Pr7 . 010000Rekcuddk027. 0h

45、PrRe027. 0Nu2121wwwii14. 0w31p8 . 0ii14. 0w318 . 02021-12-8542.流体在圆形直管内强制滞流 查取热流体物性参数查取冷流体物性参数查取定性温度：。取管内径特征尺寸：。，应用范围：2TTT2ttt 2Tttdl100)LdPr(Re6700Pr6 . 02300ReLdPrRe86. 1Nu2121wwwii14. 0w31i31312021-12-8553流体在圆形直管内呈过渡流 当流体在管内呈过渡状态流动时，即2300Re100时即可能形成湍流，对流传热系数加大。折流挡板的形式较多，最常用的是圆缺形挡板。(1)换热器内装有圆缺形挡板(

46、缺口面积为25%的壳体内截面)时 ，壳程流体的h关联式多诺呼法2TTT2ttt2Tt tdl1023RePrRe23. 0Nu2121Wwo414. 0w310.6定性温度：道处速度。，流速取管排中最窄通取管外径特征尺寸：。应用范围：2021-12-860凯恩法(2)无折流挡板按管内强制对流公式计算，将di用管间当量直径de代替即可。2TTT2ttt2Tt tdl101102RePrRe36. 0Nu2121Wwe4314. 0w310.55定性温度：取当量直径特征尺寸：。应用范围：2021-12-861三、自然对流时对流传热系数关联式三、自然对流时对流传热系数关联式 自然对流时的对流传热系数

47、仅与反映流体自然对流状况的Gr准数及Pr准数，其准数关联式可表示为：Nu(rPr)n 定性温度取膜温，即壁温与流体平均温度的算术平均值。式中的系数式中的系数C和指数和指数n值值 加热表面形状加热表面形状特征尺寸特征尺寸rPrCn水平圆管外径do1041090.531/410910120.131/3垂直管或板高度L1041090.591/410910120.101/32021-12-862准数关联式计算示例准数关联式计算示例例4-4 一水平蒸汽管，长20m，外径为159mm，管外壁温度为120，周围空气温度为20，计算该管段由于自然对流散失的热量。定性温度：t(120+20)/27070下空气物

48、性：1.03kg/m3，2.0610-5Pask0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694 W6621)20120(20159. 06.63t)-L(tdhq)Km/(W63. 6)1001. 2(159. 00297. 053. 0h41n0.53,C1001. 2694. 0)1006. 2(34003. 1159. 0)20120(81. 9PrtdgPrGrwo241772523223o散热量查表，得：2021-12-8635.4.8 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 蒸汽冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。这类传热过程的

49、特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温度基本不变。因此在壁面附近流体层中的温度梯度较高，从而对流传热系数比无相变时的更大。 蒸汽冷凝传热当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面相接触时，将放出潜热，冷凝成液体而使另一侧的流体被加热。因此生产上常将蒸汽冷凝作为一种加热的方式，其优点是：(1)饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制；(2)蒸汽冷凝的对流传热系数较无相变时大得多。这是因为蒸汽在壁面上冷凝的同时，蒸汽将迅速流到壁面补充空位，汽相主体与壁面间温差极小，因此饱和蒸汽冷凝时汽相中几乎无温差存在，致使液膜中温度梯度极大。2021-12-8641.蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式蒸气冷凝时，

50、根据其冷凝液是否能够润湿壁面分成两种方式：(1)膜状冷凝：若冷凝液能够完全润湿壁面，则将在壁面上形成一层连续的液膜，并向下流动。壁面完全被冷凝液所覆盖，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，与壁面不进行直接接触，冷凝潜热只能以导热和对流的方式通过液膜传给壁面。因蒸汽冷凝时有相的变化，一般热阻很小，故冷凝液膜就成为冷凝的主要热阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动，则所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高或对片水平放置的管径越大，则整个壁面的平均对流传热系数也越小。冷凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面附着力的关系，当附着力大于表面张力时则会形成膜状冷凝。2021-12-865(2)滴状冷凝滴状冷凝

51、若冷凝液不能够润湿壁面，则由于表面张力的作用，在壁面上形成液滴，液滴长大到一定程度后而脱落壁面，这种形式称为滴状冷凝。此时壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接触，由于没有液膜阻碍热流，所以其热阻很小，因而对流传热系数要比膜状冷凝高出510倍。 滴状冷凝虽然比膜状冷凝传热效果好，但在工业上很难实现，因此生产中大多为膜状冷凝。 2021-12-86675. 0z75. 0275. 01z21z21nnnnnnn:n,n,nZnZ1n 的排数为各列管子在垂直方向上列管子：互相平行的单管：2.膜状冷凝对流传热系数膜状冷凝对流传热系数冷凝液膜的流动也可分为滞流和湍流两种流型，判断流型也可用Re，而Re

52、常常表示为冷凝负荷M的函数，即：Re=f(M)。冷凝负荷M：单位时间单位长度润湿周边上流过的冷凝液量，kg/(ms) 设液膜流通截面积为A m2，润湿周边长为b m,冷凝液质量流量为W kg/s，则：(1)蒸汽在水平管(或管束)外冷凝 M4bW4AWbA4udRee管子数水平管束在垂直列上的:ntdngr725. 041o32232021-12-867(2)蒸汽在垂直管外蒸汽在垂直管外(或板上或板上)冷凝冷凝 计算步骤(试差法)假设一种流型选择公式计算h计算热负荷q=hoSo(ts-tw)2tttLtLgkr068. 0h)2100Re(tLgkr13. 1h)2100Re(ws3132413

53、2定性温度：取膜温取垂直管或板的高度特征尺寸：液膜为湍流：液膜为滞流wsttt计算质量流量W=q/r计算冷凝负荷M=W/b计算Re并校核2021-12-8683.影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 液膜两侧的温度差：t，q，h 流体的物性：传热冷凝液的密度越大，粘度越小，则液膜的厚度越小，因而冷凝对流传热系数h越大。导热系数大也有利于传热，冷凝潜热大，则在同样的热负荷下冷凝液减少，液膜变薄，h增大 蒸汽的流速和流向：当蒸汽流速较大时，蒸汽与液膜间的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，这种作用将使液膜减薄并促使其产生一定波动，因而使h增大。若逆向流动，这种作用会阻碍液膜流动，使其增厚导致

54、传热恶化。但当这种作用超过重力作用时液膜会被蒸汽带动而脱离壁面，反而使h急剧增大。2021-12-869不凝性气体的影响：蒸汽冷凝时不凝性气体将在液膜表面形成一层气体膜，由于其导热系数很小，使热阻增大，h大为降低。当蒸汽中不凝性气体含量为1%时，可使冷凝时h降低60%左右。因此在冷凝器的设计和操作中，都必须考虑不凝气的排除。冷凝壁面的影响： 冷凝液膜为膜状冷凝的主要热阻，设法减薄其厚度是强化传热的关键，最直接的方法是从冷凝壁的高度和布置方式上着手。对水平放置的列管式冷凝器，应减少垂直方向上管排的数目，或采用斜转排列方式，使冷凝液尽量沿管子的切向流过。在垂直壁面上，开若干纵向凹槽，使冷凝液沿凹槽

55、流下，以减薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑时对流传热系数提高。 2021-12-870 液体沸腾传热液体沸腾传热 液体与高温壁面接触时被加热，并产生大量气泡变为蒸汽的过程称为液体沸腾。这种传热方式由于在加热面上不断经历着汽泡的形成、长大和脱离的过程，造成对壁面处流体的强烈扰动，因而对流传热系数要比无相变时大。化工中常用的蒸发器、再沸器、蒸汽锅炉等，都是通过液体沸腾而产生蒸汽。液体在加热表面上沸腾时，按其沸腾所处的空间可分为大容器沸腾和管内沸腾。大容器沸腾是指加热面被沉浸在无宏观流动的液体表面下所产生的沸腾，这种情况下汽泡脱离表面后能自由浮升，液体的运动只是由自然对流和气泡扰动引

56、起。当液体以一定流速在加热管内流动时的沸腾称为管内沸腾，此时产生的汽泡不能自由浮升，被迫与液体一起流动，也称为强制对流沸腾。2021-12-8711大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 ht=tw-tsA自然对流B B泡状沸腾CDEF膜状沸腾(2)BC段 当t继续加大，加热表面上开始形成汽泡，在汽泡形成和脱离壁面的过程中，壁面附近流体产生大的扰动，故h随t急剧上升。随着t的进一步增大，汽化核心数增多，传热增强。但汽泡的增多，使部分汽泡在脱离加热面之前便相互连接，形成一片片汽膜，把加热面和液体隔开，产生附加热阻削弱了传热。因此h随t增大达到C点时，由于汽化核心增多加强传热的影响与汽泡覆盖表面削弱

57、传热的影响相互抵消，在该点出现h的最大值。BC段的沸腾称为泡状沸腾，C点称为临界点。 (1)AB段当t0K)就会不断向空间辐射出各种波长的辐射能。物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能力，的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能力，用用E表示，单位表示，单位W/m2。确定物体的辐射能力先需确定物体辐射某一波长的能力，物体发射特定波长的能力称为单色辐射能力，用物体发射特定波长的能力称为单色辐射能力，用Ek表示，表示，单位单位W/m2m。E的大小不仅与波长及温度有关，而且与物体的性

58、质有关，于是在一定温度下物体的辐射能力可表示为：对于黑体，其辐射能力Eb则可表示为： 0dEE0bbdEE2021-12-880.2 普朗克普朗克(MPlanck)定律定律 普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律，即表示黑体单色辐射能力Eb和波长、热力学温度T之间的函数关系，计算式为：式中： k 波长，m； T 黑体的绝对温度，K； C1普朗克第一常数，3.74310-16 m2； C2普朗克第二常数，1.438710-2 mK。 1ecETc51b2 不同温度下，Eb作图，如图示，每个温度有一条能量分布曲线。在指定温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。但在某一波长可

59、达到 Eb的最大值。在不太高的温度下，辐射主要集中在波长为0.810m的范围内。2021-12-88.3 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼波尔茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律定律 斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系：式中： 0黑体的辐射常数，5.6710-8 W/(m2K4) C0黑体的辐射系数，5.67 W/(m2K4)。上式称为斯蒂芬-波尔茨曼定律，它说明黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比，故又称为四次方定律。4o40bTc51b0bb100TCTE1ecEdEE22021-12-882实验证明，斯蒂芬-波尔茨曼定律也可以应用到灰体，此时

60、定律的数学表达式为： 式中：C灰体的辐射系数，W/(m2K4)，不同物体的C值不同，它取决于物体性质，表面状况和温度，且总是小于C0，因此在同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体，其比值称为物体的黑度，以表示：因而只要知道物体的黑度，就可通过上式求得该物体的辐射能力。物体的黑度取决于物体的性质、温度以及表面状况(表面粗糙度及氧化程度)，是物体本身的特性，与外界情况无关，一般通过实验测定。常用工业材料的黑度列于书中表5-6。 4100TCE4oob100TCECCEE2021-12-88.4 克希霍夫克希霍夫(Kirchhoff)定律定律 克