化工原理第四章 传热导论

1、 t1 T1 T2 t 4.1概述概述一、传热在化工生产中的应用一、传热在化工生产中的应用 (1)化学反应（化学反应（Reaction)；(2)单元操作单元操作(Unit operation)；动量传递（动量传递（chapter1-2）热量传递（热量传递（chapter4-5）质量传递质量传递化学工程化学工程反应工程反应工程三传（化工原理）三传（化工原理）热量传递热量传递（传热）：由于热量在空间位置上分布的不均匀，热能够（传热）：由于热量在空间位置上分布的不均匀，热能够自发地从高温物体传送到低温物体自发地从高温物体传送到低温物体 。 t1 T1 T2 t 4.1概述概述二、热量传递的三种方式二

2、、热量传递的三种方式热传导（热传导（conduction）对流传热（对流传热（convection）热辐射（热辐射（radiation）实际传热过程中，这三种传热方式或单独存在或同时存在实际传热过程中，这三种传热方式或单独存在或同时存在 t1 T1 T2 t 热传导热传导热传导热传导(conduction)是由于物体中微观粒子的是由于物体中微观粒子的热运动所致热运动所致，在传热，在传热过程中质点过程中质点没有宏观运动没有宏观运动。通常发生在相互接触的流体之间和流体。通常发生在相互接触的流体之间和流体内部。内部。 对流传热对流传热是指流体各部分质点发生是指流体各部分质点发生宏观相对位移宏观相对位

3、移而引起的热量传递而引起的热量传递过程，因而对流只能发生在流体中。过程，因而对流只能发生在流体中。 t1 T1 T2 t 对流传热对流传热分类分类自然对流自然对流传热传热- -因受热而有因受热而有密度密度的局部的局部变化变化，导致，导致发生对流而传热发生对流而传热 强制对流强制对流传热传热- -用用机械能机械能使流体发生对流而传热使流体发生对流而传热 wfqtt() tw: 壁温壁温tf：流体温度：流体温度牛顿冷却定律牛顿冷却定律对流传热对流传热 t1 T1 T2 t 辐射辐射是一种以是一种以电磁波形式电磁波形式传播能量的现象，传播能量的现象，不需要任何介质不需要任何介质作媒介。作媒介。在高温

4、情况下，辐射传热成为主要传热方式。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。 辐射传热辐射传热 t1 T1 T2 t 基本概念基本概念dQqdA 1、传热速率传热速率Q（热流量）：单位时间内通过传热面的热量，单位（热流量）：单位时间内通过传热面的热量，单位W 传热速率传热推动力（温差）传热速率传热推动力（温差）/传热热阻（阻力）传热热阻（阻力）2、热通量热通量q（热流密度）：单位传热面积上的传热速率，单位（热流密度）：单位传热面积上的传热速率，单位W/m23、稳态传热稳态传热：物体中各点温度不随时间而改变得传热过程。：物体中各点温度不随时间而改变得传热过程。4、非稳态传热非稳态传热：物体的温度分

5、布随时间而变化的传热过程。：物体的温度分布随时间而变化的传热过程。5、温度场温度场：物体中各点的温度随时间和空间位置变化的函数。：物体中各点的温度随时间和空间位置变化的函数。 tf（x，y，z，）。）。 定态温度场：物体内温度分布与时间无关。定态温度场：物体内温度分布与时间无关。 非稳态温度场：物体内各点温度随时间变化。非稳态温度场：物体内各点温度随时间变化。6、等温面等温面：温度场中温度相同的点连成的面。：温度场中温度相同的点连成的面。 等温线：两维坐标中的等温面。等温线：两维坐标中的等温面。 注意注意：温度不同的：温度不同的等温面（线）不能相交等温面（线）不能相交。 等温面（等温线）的等温

6、面（等温线）的切线切线方向上方向上没有温度变化没有温度变化，没有没有热量传递热量传递。穿过等温面的任何方向上均有温度变化和热量传递。穿过等温面的任何方向上均有温度变化和热量传递。7、温度梯度：在等温面（线）的法线方向上的温度变化率称为、温度梯度：在等温面（线）的法线方向上的温度变化率称为温度梯度。温度梯度。nttgrad tnn0lim t1 T1 T2 t 基本概念基本概念 t1 T1 T2 t 热传导的基本定律热传导的基本定律傅立叶定律傅立叶定律：热传导速率与等温面的法向温度梯度及导热面积成：热传导速率与等温面的法向温度梯度及导热面积成正比。正比。 式中式中: dQ 热传导速率，热传导速率

7、，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) 表征材料导热性能的物性参数表征材料导热性能的物性参数 越大，导热性能越好越大，导热性能越好 一维稳态热传导：一维稳态热传导： 热通量来表示：热通量来表示： t1 T1 T2 t 导热系数导热系数1、导热系数的物理意义、导热系数的物理意义物理意义：单位温度梯度下的热通量物理意义：单位温度梯度下的热通量强化传热：选用强化传热：选用 大的材料；削弱传热：选用大的材料；削弱传热：选用 小的材料。小的材料。2 2、影响导热系数的因素、影响导热系数的因素 与

8、分子运动和分子间相互作用力有关与分子运动和分子间相互作用力有关 数值大小取决于物质的结构及组成、温度和压力等因素。数值大小取决于物质的结构及组成、温度和压力等因素。固体固体液体液体金属液体导热系数金属液体导热系数 非金属液体的导热系数非金属液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大在非金属液体中，水的导热系数最大 纯液体的纯液体的 大于溶液大于溶液 绝大多数液体绝大多数液体t t， （除水和甘油等少量液体（除水和甘油等少量液体 ）纯金属纯金属t， ，纯金属比合金的，纯金属比合金的 大。大。非金属非金属t， ，同样温度下，同样温度下， 越大，越大， 越大。越大。气体气体 t， 。在通常压力

9、范围内，。在通常压力范围内，p对对 的影响一般不考虑。的影响一般不考虑。 t1 T1 T2 t 影响导热系数的因素影响导热系数的因素固体固体液体液体金属液体导热系数金属液体导热系数 非金属液体的导热系数非金属液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大在非金属液体中，水的导热系数最大 纯液体的纯液体的 大于溶液大于溶液 绝大多数液体绝大多数液体t t， （除水和甘油等少量液体（除水和甘油等少量液体 ）纯金属纯金属t， ，纯金属比合金的，纯金属比合金的 大。大。非金属非金属t， ，同样温度下，同样温度下， 越大，越大， 越大。越大。气体气体 t， 。在通常压力范围内，。在通常压力范围内，p对

10、对 的影响一般不考虑。的影响一般不考虑。 t1 T1 T2 t 影响导热系数的因素影响导热系数的因素 W/(mK)金属固体金属固体 101102建筑材料建筑材料10-1100绝缘材料绝缘材料10-210-1液体液体10-1气体气体10-210-1 ( (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) ) t1 T1 T2 t 固体绝缘材料固体绝缘材料( (软木软木, ,玻璃棉玻璃棉) )的导热系数之所以小，是因为的导热系数之所以小，是因为其结构呈纤维状或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有大量空其结构呈纤维状或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有大量空气的

11、缘故。气的缘故。 影响导热系数的因素影响导热系数的因素 t1 T1 T2 t y qy+ dqy qz qx (x,y,z) qx+dqx dy dzqz+dqzdx qy x z 微元控制体微元控制体 累累积积速速率率速速率率输输出出热热量量速速率率输输入入热热量量 Sdxdydzdxdyqdxdzqdydzqzyx 速速率率输输入入热热量量 dxdyqqdxdzqqdydzqqzzyyxx 速速率率输输出出热热量量 tdxdydzcp 累累积积速速率率热传导微分方程及其定解热传导微分方程及其定解 t1 T1 T2 t tcSdzqdyqdxqpzyx 于于是是：若、cp为常数，则： tcS

12、zqyqxqpzyx tcSqp即将傅立叶定律代入得： tcSztzytyxtxp热传导微分方程及其定解热传导微分方程及其定解 t1 T1 T2 t tcSztytxtp222222-直角坐标系下的导热微分方程 一一维维时时 tcSxtxpI. C： =0 时时，t0=f（x，y，z）B.C：tw=常数常数 -第一类第一类 B.C qw=常数常数 -第二类第二类 B.C wwxtq （变量）（变量）-第三类第三类 B.C 若为常数，则：定解条件：定解条件：热传导微分方程及其定解热传导微分方程及其定解由以上方程和边界条件、初始条件可数值求解温度场。由以上方程和边界条件、初始条件可数值求解温度场。

13、但是，下面我们将重新从热量衡算出发求解一维导热问题。但是，下面我们将重新从热量衡算出发求解一维导热问题。 t1 T1 T2 t 热传导微分方程及其定解热传导微分方程及其定解 t t1 t2 0 b x常常数数速速率率输输出出热热量量速速率率输输入入热热量量 QQ常数常数 dxdtAqAQ 热热阻阻推推动动力力 Abtt 21qAQ dx一、无限大单层平壁一维稳态导热一、无限大单层平壁一维稳态导热一维稳态导热一维稳态导热-单层平壁单层平壁( (薄壳衡算法薄壳衡算法) )RA210bttQdxAdt 120;xt t xbt t边界条件：时， =时， =Fourier若 为常数，则定律式子可通过分

14、离变量 法积分：不为常数时温度分布？ t1 T1 T2 t t t2 t3 t4 t1 0 x b显然，通过每一层的 Q=常数或 q=常数 热热阻阻推推动动力力 qAQ 2334121431122331iiittttttttAAAA 总推动力总热阻二、无限大多层平壁一维稳态导热二、无限大多层平壁一维稳态导热一维稳态导热一维稳态导热-多层平壁多层平壁1t2t3t4t1R 2R 3R Q t1 T1 T2 t 假设各层之间接触良好，可以近似地认为假设各层之间接触良好，可以近似地认为接合面上各处的温度相等接合面上各处的温度相等由热阻分析法：由热阻分析法：111nniiittq思考思考1 1：现在已经

15、知道了：现在已经知道了q q，如何计算其中第，如何计算其中第 i i 层的右侧壁温？层的右侧壁温？第一层：第一层： 11122111)(qttttq第二层：第二层：22233222)(qttttq第第 i 层：层： iiiiiiiiqttttq111)( 312122334123123:.:.: .ttttttR R RAAA思考思考2 2：各层的温差比？：各层的温差比？)(11111111 nnjjjijjjijjjitttqtt t1 T1 T2 t 一维稳态导热一维稳态导热-多层平壁多层平壁 t t2 t3 t4 t1 0 x bAAbttQiii 13101 总总热热阻阻总总推推动动力

16、力 21ttAQ 牛牛顿顿冷冷却却定定律律：思考思考3：若上述平壁的右侧温度非固定，而是与环境进行对流传若上述平壁的右侧温度非固定，而是与环境进行对流传热，设环境温度为热，设环境温度为t0、对流传热系数为、对流传热系数为 ，则传热量表达式如何？，则传热量表达式如何？ t1 T1 T2 t 一维稳态导热一维稳态导热-多层平壁多层平壁例题例题1 t1 T1 T2 t 某一冷库的墙壁由三层材料筑成，内层为软木，厚度某一冷库的墙壁由三层材料筑成，内层为软木，厚度12.7mm；中层为松木，厚度中层为松木，厚度101.6mm；外层为混凝土，厚度；外层为混凝土，厚度76.2mm，现，现侧得冷库的内墙表面温度

17、为侧得冷库的内墙表面温度为255.4K，外墙面为，外墙面为297.1K。 已知已知 松木的导热系数松木的导热系数1=0.151W/mK； 软木的软木的2=0.0433W/mK； 混凝土的混凝土的3=0.762W/mK。 （1）试求每平方米墙面的散热量）试求每平方米墙面的散热量W/m2； （2）各层接触面上的温度；）各层接触面上的温度； （3）若去掉中间松木层，内外表面温度不变，）若去掉中间松木层，内外表面温度不变， 则每平方米墙面的散热量又为多少？则每平方米墙面的散热量又为多少？1414123112233/ttttqRRR255.4297.10.0127/0.1510.1016/0.04330

18、.0762/0.762241.716.48W/m0.08412.3460.1 负号说明热量是从外侧传向内侧，即此时是冷量损失。2（ ）各接触面的温度为：1121tttqR16.48(0.0841)1.39 211.39255.4 1.39256.8Ktt解：(1) t t2 t3 t4 t1 0 x b t1 T1 T2 t 例题例题122323216.48(2.346)38.6738.67295.5KtttqRtt 1414131133(3) /ttttqRR241.7226.51W/m0.0841 0.1 当少了热阻最大的软木层，冷量损失更大 t t2 t3 t4 t1 0 x b t1

19、T1 T2 t 例题例题1btttQRA12 单层平壁单层平壁多层平壁多层平壁 t1 T1 T2 t 一维平壁稳态热传一维平壁稳态热传导导 niiniiinRtAbttQ1111 常常数数 drdtAqAQ 常常数数但但 q常数常数 drdtrLqAQ 2drrLQdtrrtt 112 LrrttQ211ln t t1 r1 r2 t20 r bQQdr薄壳衡算法若若 为常数，则：为常数，则：-可见温度分布可见温度分布 为对数关系为对数关系一维稳态导热一维稳态导热-单层圆筒壁单层圆筒壁 t1 T1 T2 t 12121221122122rrrrLrrttLrrttQlnln 1212lnrrr

20、rrm 令令-对数平均半径当212 rr时，可用算术平均代替 mmAbttrLbttQ21212 于于是是 t t1 r1 r2 t20 r bQQdr薄壳衡算法热热阻阻推推动动力力对对照照：平平壁壁： AbttQ 21 t1 T1 T2 t 一维稳态导热一维稳态导热-单层圆筒壁单层圆筒壁热热阻阻推推动动力力 qAQ t t1 t2 t3 t4 r1 r2 t20 r b1 b2 b3总热阻总热阻总推动力总推动力 miiiimmmAbttAbttAbttAbtt 3141333432223211121 Q=常数常数，但，但 q 常数常数 t1 T1 T2 t 一维稳态导热一维稳态导热-多层圆筒

21、壁多层圆筒壁思考思考1：气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？里面好，还是穿在外面好？思考思考2：圆管保温层越厚，保温效果越好吗？圆管保温层越厚，保温效果越好吗？ t1 T1 T2 t 一维稳态导热一维稳态导热-多层圆筒壁多层圆筒壁1221221131222112211312211312221113122211131122)111(222rrrrLbttQrrrrLbttrrLbttrLbrLbttAbAbttQ )()()(212112212211rrrrrr 2121rr 假设：21QQ 保温性能好的放在内层保温性能

22、好的放在内层 t1 T1 T2 t 思考题思考题1 21201212LrLrrttQ ln总热阻总热阻总推动力总推动力02 drdQ令令 t1 t2 t0 则 2r 002222 drdQrdrdQr时，时，当当时，时，当当 Q rcr2-临界半径 rc故 Q 有极大值 思考题思考题2-保温层的临界厚度保温层的临界厚度 t1 T1 T2 t 影响因素影响因素：接触材料的种类及硬度，接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。空隙内的流体性质。接触热阻一般通过实验测定或凭经验估接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计计接触热阻接触热阻

23、t1 T1 T2 t 例题例题2505的不锈钢管，导热系数的不锈钢管，导热系数1为为16 W/mK，外包厚，外包厚30mm的的石棉，导热系数石棉，导热系数2为为0.2 W/mK。若管内壁温为。若管内壁温为350，保温层，保温层外壁温度为外壁温度为100，试计算每米管长的热损失。，试计算每米管长的热损失。 20mm25mm55mm1=16W/mK1=0.2W/mK100350 t1 T1 T2 t 解：钢管层的平均面积计算12(50 5 2)/220mm,50/225mmrr 不锈钢管内径外半径21/2rr 可按算术平均算每米管长的平均面积211212(0.0250.02)/2 10.141mm

24、mAr 20mm25mm55mm1=16W/mK1=0.2W/mK100350例题例题2 t1 T1 T2 t 石棉层的平均面积计算2325mm,55mmrr石棉层内径外半径需按对数平均算每米导热面积212210.0550.0250.038mln(/ )ln(0.055/0.025)mrrrrr2122120.038 10.239mmmAr 32/2rr 20mm25mm55mm1=16W/mK1=0.2W/mK100350例题例题2 t1 T1 T2 t 故每米管长的热损失为：121122350 1000.0050.0316 0.1410.2 0.239mmQtbbLAA250250397

25、W/m0.00220.62740.629620mm25mm55mm1=16W/mK1=0.2W/mK100350例题例题2 t1 T1 T2 t nniiiiiiminittQbrALtr11111ln()2 mimiAr L2 mrrrr r2121ln() 对数平均半径对数平均半径 t1 T1 T2 t 一维圆筒壁稳态热传一维圆筒壁稳态热传导导对数平均面积对数平均面积传热数率传热数率 t1 T1 T2 t 间壁两侧流体热交换过程间壁两侧流体热交换过程 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 获得对流传热系数的方法获得对流传热系数的方法 对流传热对流传热 t1 T1 T2 t 间壁两侧

26、流体热交换过程间壁两侧流体热交换过程 1、间壁式换热器、间壁式换热器2、列管式换热器、列管式换热器一、间壁式换热器一、间壁式换热器 t1 T1 T2 t 二、传热数率二、传热数率三、两流体通过间壁的传热过程分析三、两流体通过间壁的传热过程分析间壁两侧流体热交换过程间壁两侧流体热交换过程 t1 T1 T2 t 第一步：热流体将第一步：热流体将热量传至固体壁面热量传至固体壁面的热侧（对流传热）的热侧（对流传热） 第二步：热量从壁第二步：热量从壁面的热侧传至壁面面的热侧传至壁面的冷侧（导热）的冷侧（导热）第三步、热量从壁第三步、热量从壁面的冷侧传至冷流面的冷侧传至冷流体（对流传热）体（对流传热） 间

27、壁两侧流体热交换过程间壁两侧流体热交换过程 热热热热阻阻间间壁壁与与冷冷流流体体的的对对流流传传间间壁壁的的导导热热热热阻阻传传热热热热阻阻热热流流体体与与间间壁壁间间的的对对流流冷冷流流体体温温度度热热流流体体温温度度 Q两流体通过间壁的传热速率：两流体通过间壁的传热速率： t1 T1 T2 t Ab 间壁两侧流体热交换过程间壁两侧流体热交换过程 ？四、对流传热系数（四、对流传热系数（？） t1 T1 T2 t 当流体为湍流流动时，对当流体为湍流流动时，对流传热的边界层可分为三流传热的边界层可分为三个区域：个区域：湍流核心湍流核心缓冲层缓冲层层流底层层流底层影响对流传热系数的因素影响对流传热

28、系数的因素 t1 T1 T2 t 湍流核心湍流核心 (turbulent (turbulent core)core) 流体质点剧烈运动，其传流体质点剧烈运动，其传热阻力很小，故温度梯度较热阻力很小，故温度梯度较小。小。影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 t1 T1 T2 t 层流底层层流底层（Buffer layer） 紧靠壁面，其热量传递以导热紧靠壁面，其热量传递以导热方式为主。由于大多数流体的导方式为主。由于大多数流体的导热系数较小，故该层热阻较大。热系数较小，故该层热阻较大。 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 t1 T1 T2 t 缓冲层缓冲层 (Buffer la

29、yer) 热量传递由传导和对流共同作热量传递由传导和对流共同作用，温度逐渐而平缓地变化。用，温度逐渐而平缓地变化。影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 温差：温差：T-Tw热阻：热阻：三个区域三个区域 t1 T1 T2 t 湍流核心湍流核心过渡层过渡层层流底层层流底层热阻之和热阻之和影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 t1 T1 T2 t 假设在靠近壁面处存在一层假设在靠近壁面处存在一层虚拟膜虚拟膜，也称有效膜（也称有效膜（effective film),该膜内集该膜内集中了全部传热温差、全部热阻，并以中了全部传热温差、全部热阻，并以导热方式传热。导热方式传热。 wwtttt

30、99% 这个膜区称为这个膜区称为热边界层热边界层。膜厚的决定膜厚的决定：温度温度t t满足满足热边界层热边界层 ttWt 影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 热流体侧的传热量：热流体侧的传热量： 冷流体侧的传热量：冷流体侧的传热量： t1 T1 T2 t ttWt 对流传热系数对流传热系数 )(WTTAQ 对流传热速率对流传热速率? 因次分析因次分析影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素 t1 T1 T2 t 因次分析在对流传热中的应用因次分析在对流传热中的应用 1 1、把影响、把影响的因素归纳为几个准数的因素归纳为几个准数( (参照第一章参照第一章) )2 2、用实验方法确定

31、这些准数对、用实验方法确定这些准数对的影响的影响因次分析：因次分析：通过因次分析得到：通过因次分析得到： 无相变对流传热无相变对流传热:Nu=f(Re，Pr，Gr) 在某些情况下在某些情况下,上式可简化如下上式可简化如下: 自然对流自然对流Nu=f(Pr，Gr) 强制对流强制对流Nu=f(Re，Pr） 准数的符号和意义准数的符号和意义努塞尔特准数努塞尔特准数(Nusselt)Nu 表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数 是导热热阻与对流热阻之比是导热热阻与对流热阻之比雷诺准数雷诺准数(Reynolds)Re 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

32、表示物性影响的准数表示物性影响的准数 一般，气体一般，气体Pr1格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数(Grashof)Gr 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数各准数中物理量的意义为各准数中物理量的意义为:-对流传热系数对流传热系数, W/( m2 )； u-流速流速, m/s；-流体的密度流体的密度, kg/ m3 ； l-传热面的特征尺寸传热面的特征尺寸,可以是管内径或外径可以是管内径或外径,或平板高度等或平板高度等, m；-流体的导热系数流体的导热系数,W/(m)； -流体的粘度流体的粘度, kg(ms)；Cp-流体的定压比热流体的定压比热, kJ（kg）；）；t-流体与壁面间的温度差流

33、体与壁面间的温度差, ；-流体的体积膨胀系数流体的体积膨胀系数, 1； g-重力加速度重力加速度, m/ s2 。 223 tlg pc lu l t1 T1 T2 t 传热过程中的几个准数传热过程中的几个准数 t1 T1 T2 t 使用由实验整理得到的使用由实验整理得到的关联式时关联式时,应应注意注意以下几点以下几点:(1) 应用范围应用范围关联式中关联式中Re,Pr等准数的数值范围等。等准数的数值范围等。(2) 特征尺寸特征尺寸Nu、Pr等准数中等准数中l应如何取定。应如何取定。(3) 定性温度定性温度各准数中流体的物性应按什么温度查定。各准数中流体的物性应按什么温度查定。 使用使用关联式

34、时的注意点关联式时的注意点管管内内强制对流传热传热系数的计算强制对流传热传热系数的计算 t1 T1 T2 t 一、流体在圆形直管内强制层流一、流体在圆形直管内强制层流 二、过渡状态下的对流传热系数二、过渡状态下的对流传热系数三、流体在圆形直管内强制湍流三、流体在圆形直管内强制湍流 四、流体在弯曲管道内流动四、流体在弯曲管道内流动 五、流体在非圆形直管内强制湍流五、流体在非圆形直管内强制湍流 流体在圆形直流体在圆形直管内管内强制强制层流层流 t1 T1 T2 t t1 T1 T2 t )31015. 01(8 . 02500014. 0)(31)(31Pr31Re86. 125000GrGrWl

35、ddGr 时时，时时，定性温度定性温度定性尺寸定性尺寸使用范围使用范围教科书教科书P198（考虑自然对流的影响）（考虑自然对流的影响） t1 T1 T2 t 过渡过渡状态下的对流传热系数状态下的对流传热系数 湍湍流流 )Re1061(8 . 15 流体在圆形直流体在圆形直管内管内强制强制湍湍流流 流体被加热时，流体被加热时，n=0.4；被冷却时，；被冷却时，n=0.3 t1 T1 T2 t 1、流体在圆形直管内强制湍流、流体在圆形直管内强制湍流nNuPrRe023. 08 . 0 应用范围应用范围Re1.01041.2105 0.7Pr120 管长与管径比管长与管径比 流体与管壁流体与管壁温差

36、不大温差不大的场合的场合 或或特征尺寸特征尺寸Re、Nu等准数中的等准数中的l取为管内径取为管内径di。定性温度定性温度取为流体进、出口温度的算术平均值。取为流体进、出口温度的算术平均值。ild60 对于水，温差不大于对于水，温差不大于2030对于气体，温差不超过对于气体，温差不超过50 W 2 t1 T1 T2 t wNu0.810.1340.027RePr w0.141.05 w0.140.95 1)高粘度流体在圆形直管内做湍流：（高粘度流体在圆形直管内做湍流：（ )工程计算中近似为：工程计算中近似为： 当液体被加热当液体被加热 当液体被冷却：当液体被冷却：W 2 2)圆形短直管圆形短直管

37、( )50 dl )(1 7 . 0ld t1 T1 T2 t 3)非圆形直管的流动非圆形直管的流动4)圆形弯管的流动圆形弯管的流动 )77. 11(Rd 经验式同圆形直管经验式同圆形直管特征尺寸：管径特征尺寸：管径di用当量直径用当量直径de代替代替思考题：思考题：1、为什么流体被加热时，、为什么流体被加热时，n0.4；而流体被冷却时，；而流体被冷却时，n0.3？2、与流速与流速u、管径、管径d之间的关系？之间的关系？ 3、为什么将换热器设计成短管换热器可以强化换热过程？将换热器设计成短管换热器可以强化换热过程？4、为什么弯管内的对流传热系数比直管内大？、为什么弯管内的对流传热系数比直管内大

38、？ t1 T1 T2 t 管管外外强制对流传热强制对流传热 t1 T1 T2 t 1、流体横向流过单管传热、流体横向流过单管传热 见：见：p200，图，图4-232、流体横向流过管束传热、流体横向流过管束传热 见：见：p201，式，式4-82、4-833、流体在管壳间的对流传热、流体在管壳间的对流传热 见：见：p202，式，式4-8414. 0)(31Pr55. 0Re36. 0WdNue 并排并排错排错排并排并排错排错排 影响自然对流传热系数的因素：影响自然对流传热系数的因素：流体的物理性质流体的物理性质传热面的大小、形状、位置传热面的大小、形状、位置传热面与流体间的温度差都有关系传热面与流

39、体间的温度差都有关系 nNuC Gr(Pr) t1 T1 T2 t 自然对流自然对流时的对流传热系数时的对流传热系数 大空间中的自然对流大空间中的自然对流c和和n值列于值列于表表44（p204）中。中。定性温度定性温度 取膜的平均温度取膜的平均温度tf，即壁面温度，即壁面温度tw和流体平均温度和流体平均温度tm 的算术平均值。的算术平均值。特征长度特征长度L：对于竖板或竖管，：对于竖板或竖管，L为垂直高度为垂直高度 对于水平管，对于水平管，L为外径为外径do 热流方向 蒸汽 ts 热流方向 蒸汽 ts膜膜滴滴 竖直壁面：竖直壁面： 层流：层流：P207P207式式4-904-90，4-944-

40、94 湍流：湍流： P208P208式式4-954-95 t1 T1 T2 t 冷凝与沸腾传热冷凝与沸腾传热一、冷凝传热一、冷凝传热冷凝传热冷凝传热膜状冷凝（工业设计）膜状冷凝（工业设计）滴状冷凝滴状冷凝膜状冷凝膜状冷凝当当ReRe值增加时值增加时, ,层流层流值减少；值减少；湍流湍流值增大值增大 水平圆管外：水平圆管外： 单根水平管外层流：单根水平管外层流：P208P208，式，式4-964-96 水平管束外冷凝，水平管束外冷凝，P209P209，式，式4-984-98膜状冷凝膜状冷凝swrgd tt231 40.725()() swrgnd tt231 42 30.725()() t1 T1 T2 t 冷凝与沸腾传热冷凝与沸腾传热n - 水平管束在垂直列上的管排数水平管束在垂直列上的管排数 思考题思考题：水平管外的冷凝传热系数与竖直管外的冷凝传热系数：水平管外的冷凝传热系数与竖直管外的冷凝传热系数哪个大，为什么？哪个大，为什么？影响冷凝传热的因素及强化措施影响冷凝传热的因素及强化措施 t1 T1 T2 t 热阻热阻集中在冷凝液集中在冷凝液膜内膜内液膜的厚度及其流动状况液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键因素是影响冷凝传热的关键因素 （1）蒸气中不凝气体的影响）蒸气中不凝气体的影响 （2）