环境工程原理第四章 热量传递

1、第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 对流传热对流传热第四节第四节 辐射传热辐射传热第五节第五节 换热器换热器 主要内容主要内容第四章第四章 热量传递热量传递第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式一、热传导一、热传导二、对流传热二、对流传热三、辐射传热三、辐射传热 主要内容主要内容一、传热在环境工程中的应用一、传热在环境工程中的应用传热：传热：凡有温差存在的地方，必然有热量的传递。凡有温差存在的地方，必然有热量的传递。1、环境工程中的传热、环境工程中的传热 一些单元操作过程，如污泥及有机废水厌氧消化、热电一些单元操作过程，如污泥及有机废水厌氧消化

2、、热电 厂烟气冷却等，需要按一定速率向设备输入或输出热量。厂烟气冷却等，需要按一定速率向设备输入或输出热量。 高温或低温下操作的设备，要求高温或低温下操作的设备，要求对管道及反应器进行保对管道及反应器进行保 温以减少系统的热量散失温以减少系统的热量散失 。 废热的合理利用与回收。废热的合理利用与回收。 2、环境工程中传热过程的两种情况、环境工程中传热过程的两种情况强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，减少热量损失。削弱传热过程，如对设备和管道的保温，减少热量损失。传热速率问题传热速率问题二、热源和冷源二、热源和冷源

3、2 2）饱和水蒸气：）饱和水蒸气：冷凝温度和压强有一一对应关系，调节饱和冷凝温度和压强有一一对应关系，调节饱和水蒸汽压强可控制加热温度，使用方便，且饱和蒸汽冷凝水蒸汽压强可控制加热温度，使用方便，且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。过程的传热速率快。 缺点：缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。1、热源、热源 1 1）电热：）电热：加热能达到的温度范围广，便于控制，使用方便，加热能达到的温度范围广，便于控制，使用方便，清洁，但费用较高清洁，但费用较高 。3 3）烟道气：）烟道气：温度可达温度可达700700以上，可将物料加热到较高温度以上，可

4、将物料加热到较高温度 。缺点：缺点：传热速度慢，温度不易控制。传热速度慢，温度不易控制。4 4）高温载热体：）高温载热体：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。2、冷源、冷源 一般用一般用水、空气、冷冻盐水、水、空气、冷冻盐水、液氨液氨( (-33.4) )等作为冷源。等作为冷源。 三、传热的三种基本方式三、传热的三种基本方式 1、热传导、热传导特点特点：物体各部分间：物体各部分间无宏观运动无宏观运动 2、对流传热、对流传热特点：特点：对流只能发生对流只能发生在液体和气体中在液体和气体中，通常认为通常认为是是流体与固体壁面之间的热传递过程。流体与固体壁面之

5、间的热传递过程。 强制对流强制对流 自然对流自然对流 依靠机械依靠机械( (泵、风机、搅拌等泵、风机、搅拌等) )施加外力使流施加外力使流体发生对流而传热。体发生对流而传热。由于温差而引起密度差，在浮力作用下，流体由于温差而引起密度差，在浮力作用下，流体发生对流而传热发生对流而传热 物体中由于分子物体中由于分子(原子和电子原子和电子)振动、与振动、与相邻分子发生碰撞而将热量从高温传向相邻分子发生碰撞而将热量从高温传向低温的传递方式。低温的传递方式。流体中由于质点发生相对位移而引起流体中由于质点发生相对位移而引起的热量传递。的热量传递。3、辐射传热、辐射传热特点：特点：辐射传热不仅是能量的传递，

6、还伴随着能量的辐射传热不仅是能量的传递，还伴随着能量的转化。不需要任何介质作媒介，转化。不需要任何介质作媒介，可以在真空中可以在真空中传播传播。 以电磁波形式发出辐射能的过程。以电磁波形式发出辐射能的过程。 载热体用量的确定；载热体用量的确定； 设计新的换热器；设计新的换热器；核算现有换热器的传热性能；核算现有换热器的传热性能； 强化或削弱传热的方法。强化或削弱传热的方法。 忽略过程热损失忽略过程热损失QQ 吸放mQKAtmQqKtA传热速率传热速率(热流量热流量) Q ： 单位时间内交换的热量单位时间内交换的热量(W)传热基本方程式传热基本方程式 传热通量传热通量(热流密度热流密度)q：单位

7、时间单位传热面积传递的单位时间单位传热面积传递的热量热量(W/m2)K 总传热系数，总传热系数，W/(m2K)解决这些问解决这些问题需要两个题需要两个基本关系式基本关系式第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式(1) 什么是热传导？什么是热传导？(2) 什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。自然对流传热的实例。(3) 简述辐射传热的过程及其特点。简述辐射传热的过程及其特点。(4) 试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。空气处于流动状态。(5) 若冬季和夏季的室温均

8、为若冬季和夏季的室温均为18，人对冷暖的感觉，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？思考题思考题一、傅立叶定律一、傅立叶定律二、导热系数二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导主要内容主要内容第二节第二节 热传导热传导 热传导在热传导在气态、液态和固态气态、液态和固态物质中物质中都可以发生，都可以发生，但传递的方式和机理不同。但传递的方式和机理不同。 气体气体热量传递是热量传递是气体分子作不规则热运动气体分子作不规则热运动时相互碰时相互碰撞的结果；撞的结果； 固体

9、固体以两种方式传递热量以两种方式传递热量: 晶格振动和自由电子迁移晶格振动和自由电子迁移； 液体液体的分子结构的分子结构介于气体和固体之间介于气体和固体之间，分子可作幅，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既依靠分子的振动，度不大的位移，热量的传递既依靠分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。又依靠分子间的相互碰撞。一、基本概念和傅立叶定律一、基本概念和傅立叶定律 1、温度场和等温面、温度场和等温面 (1) 温度场：温度场：某一时刻物体或系统中各点温度的分布某一时刻物体或系统中各点温度的分布 数学表达式为：数学表达式为：t = f ( x , y , z , ) 从时间上：从时间上：稳定温度场稳定温

10、度场t = f ( x , y , z ) ，温度不随温度不随t而变；而变；不稳定温度场不稳定温度场t = f ( x , y , z , )，温度随温度随t而变。而变。温度场为位置和时间的函数，温度场为位置和时间的函数，从位置上：从位置上：三维温度场：三维温度场：t = f ( x, y, z, ) 一维温度场：一维温度场：t = f ( x, ) t1T2 t1t2 等温面等温面Q（2）等温面：）等温面：温度场中温度相同的点所组成的面温度场中温度相同的点所组成的面稳定、一维温度场稳定、一维温度场 tf (x)2、温度梯度：、温度梯度：两等温面间的温度差两等温面间的温度差 t与其垂直距离与其

11、垂直距离 n之比，在之比，在 n趋于趋于0的极限的极限(即温度场内某一点等温面法即温度场内某一点等温面法线方向温度的变化率线方向温度的变化率) 用用gradt表示。表示。Q dA t +tt tt n n t圆柱圆柱平壁平壁圆球圆球t1T2 t1t2 等温面等温面Q温度梯度与热温度梯度与热流方向关系流方向关系3、傅立叶定律、傅立叶定律 温度梯度是向量，温度梯度是向量，沿等温面垂直方向，指向温沿等温面垂直方向，指向温度增加的方向，与传热反向。度增加的方向，与传热反向。0 tlim nntgradtn 某一微元的热传导速率某一微元的热传导速率( (单位时间内传导的热量单位时间内传导的热量) )与该

12、微元等温面的温度梯度及该微元的导热面积与该微元等温面的温度梯度及该微元的导热面积成正比。成正比。 一维稳定温度场一维稳定温度场，温度梯度可表示为温度梯度可表示为 ：dtgradtdx tdQdAn tdQdAn dQ 传热速率，传热速率，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；热量传递的推动力热量传递的推动力 导热系数，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。负号表示热流方向与温度梯度方向相反负号表示热流方向与温度梯度方向相反( (即热量向温度降低即热量向温度降低方向传递方向传递) )。傅立叶定律的表达式傅立叶定律的表达式d d QtqAn

13、用热通量表示：用热通量表示：一维一维y轴方向轴方向热通量：热通量：d d Qd tqAd y ddppcTqcy 变换：变换：pac d()dpc Tqay 导温系数导温系数，或称热量扩散系，或称热量扩散系数，数，m2/s，反映温度变化在，反映温度变化在物体中的物体中的传播能力传播能力 热量浓度，热量浓度，J/m3令令d/ dqTy 不同物质的不同物质的 差异较大，要差异较大，要强化传热，选用强化传热，选用 大的大的材料；要削弱传热，选用材料；要削弱传热，选用 小的材料。小的材料。二、导热系数二、导热系数1、定义：、定义：导热物质在单位温度梯度下的导热物质在单位温度梯度下的热通量热通量物理意义

14、：物理意义：表示物质导热性强弱即导热能力大小表示物质导热性强弱即导热能力大小影响因素：影响因素： 是分子微观运动的宏观表现，与分子运是分子微观运动的宏观表现，与分子运动和分子间相互作用力有关，动和分子间相互作用力有关，大小取决大小取决于物质结构及组成、温度、压力等因素。于物质结构及组成、温度、压力等因素。 同一物质，同一物质， 随不同方向而变化随不同方向而变化各向异性各向异性 与方向无关与方向无关各向同性各向同性2、固体的导热系数、固体的导热系数 纯金属纯金属 ：随温度升高而减小；合金却相反随温度升高而减小；合金却相反。 晶体晶体 ：随温度的升高而减小，非晶体则相反。随温度的升高而减小，非晶体

15、则相反。 非金属建筑材料或绝热材料非金属建筑材料或绝热材料 ：随密度增加而增大，随密度增加而增大， 随温度升高而增大。随温度升高而增大。 在非金属液体中，在非金属液体中，水的导热系数最大。水的导热系数最大。 除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的 升高而略有减小。升高而略有减小。 纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。3、液体的导热系数、液体的导热系数 气体气体导热系数很小，不利于导热，但导热系数很小，不利于导热，但利于保温利于保温。 气体导热系数气体导热系数随温度升高而加大随温度升高而加大 。 在相当大的压强

16、范围内，气体的导热系数随压强变在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变 化极小。化极小。 4、气体的导热系数、气体的导热系数 注意：注意：传热过程中，物质内不同位置的温度可能传热过程中，物质内不同位置的温度可能不同，因而导热系数也不同，工程计算中常取不同，因而导热系数也不同，工程计算中常取导热系导热系数的算术平均值。数的算术平均值。（1）水的导热系数最大，）水的导热系数最大，20时为时为0.6W(m K)。因。因此，此，水是工程上最常用的导热介质。水是工程上最常用的导热介质。 （3）非金属中，石墨导热系数最高，高于）非金属中，石墨导热系数最高，高于 一般金属；一般金属；且耐腐蚀，因此且耐腐

17、蚀，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。想材料。 水比空气导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性水比空气导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道注意防潮。能将大幅度下降。因此，露天保温管道注意防潮。 （2）气体导热系数很小，气体导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、对导热不利，但利于绝热、保温。工业上保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，常用多孔材料作为保温材料，就是就是利用空隙中存在的气体，使导热系数变小。利用空隙中存在的气体，使导热系数变小。5、工程中常用材料的导热系数、工程中常用材料的导热系数1、单层平壁的热传导、单层平壁的热传

18、导 壁厚壁厚b，壁两侧温度为壁两侧温度为T1、T2，T1T2，且只沿，且只沿x轴变化，各点温度不随时间而变，则该平壁的热传轴变化，各点温度不随时间而变，则该平壁的热传导为一维稳态热传导，热传导速率为常数。导为一维稳态热传导，热传导速率为常数。dTdQAx 10:xTT 2:xb TT12()QA TTb 1T2T三、平壁的稳定热传导三、平壁的稳定热传导。傅立叶定律表达式：傅立叶定律表达式：边界边界条件条件210bttQdxAdt 10:xTT 边界边界条件条件1()QA TTx 1QxTTA :xx TT QTqAr 温差为传温差为传热推动力热推动力12/TTQbA 推动力热阻bRA 12()

19、TTTQRR br 导热热阻，导热热阻，K/W单位传热面积的导热热阻，单位传热面积的导热热阻，m2K/W传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大。热阻越大。热量传递过程，必然有推动力，也有阻力热量传递过程，必然有推动力，也有阻力2、多层平壁的热传导、多层平壁的热传导12314312123123TTTTTQbbbRRRAAA+ + + + +11TQR 22TQR 33TQR 121111232222343333()() () TTTQAbRTTTAbRTTTAbR 层间接触良好，相接触两表面温度相同，层间接触良好，相接触两表面温度相同，T

20、1T2T3T4 稳态热传导中，通过各层的热流量相等，故有：稳态热传导中，通过各层的热流量相等，故有：123(1) 推广到推广到n层平壁有：层平壁有：111111nnnniiiiiTTTTQbRA + 多层平壁导热是一种串联导热过程，多层平壁导热是一种串联导热过程，推动力为各推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和。热阻之和。 312122334123123:bbbTTTTTTRRRAAA 从上面的式子可以推出：从上面的式子可以推出： 在稳定多层壁导热过程中，在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温哪层热阻大，哪层温差就大差

21、就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。当总；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定，传热速率大小取决于总热阻大小。温差一定，传热速率大小取决于总热阻大小。 (2) 层与层之间存在空气层层与层之间存在空气层附加热阻附加热阻 (接触热阻接触热阻) 1312012TTqbbr +接触热阻，与接触面材接触热阻，与接触面材料、粗糙度、压紧力和料、粗糙度、压紧力和空隙中气压等有关。空隙中气压等有关。采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导，采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导，传热面积传热面积随半径发生变化，随半径发生变化，根据傅立叶定律：根据傅立叶定律：dd(2)ddTTQArLrr 稳态导热时径向稳

22、态导热时径向Q为常数，为常数，2211d2drTrTrQLTr 1212212ln/TTTTQLrrR 3、圆管壁的稳定热传导、圆管壁的稳定热传导r12m/TTQbA mbRA21brr21m21ln/AAAAA 当当rr21(/)2 时，用算术平均值代替对数平均值。时，用算术平均值代替对数平均值。21m21ln/rrrrr mm2Ar L1212212ln/TTTTQLrrR 21ln/2rrRL 圆管壁的导热圆管壁的导热热阻，热阻，K/W bRA 平壁导平壁导热热阻热热阻对数平对数平均半径均半径对数平对数平均面积均面积21ln/2rrRL 22112rtrtQdrrldt 11112ln

23、ln2rQrQl TTTTrlr 圆筒壁内的温度分布圆筒壁内的温度分布上限从上限从r=r2时，时，t=T2，改为，改为r=r时，时，t=T；积分：；积分：将将从上式可知，从上式可知，tr成对数曲线变化成对数曲线变化(假设假设 不随不随t变化变化) n层圆管壁的热传导层圆管壁的热传导假设层与层间接触良好，根据串联热阻叠加原则，假设层与层间接触良好，根据串联热阻叠加原则， 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA +112233rqr qr q 多层圆筒壁导热的总推动力也为总温度差，总热多层圆筒壁导热的总推动力也为总温度差，总热阻也为各层热阻之和，计算时，与多层平壁不同的是阻也为各层热阻

24、之和，计算时，与多层平壁不同的是其各层热阻所用的传热面积不相等，应采用各层各自其各层热阻所用的传热面积不相等，应采用各层各自的平均面积。的平均面积。 由于各层圆筒的内外表面积不同，所以在稳定传由于各层圆筒的内外表面积不同，所以在稳定传热时，单位时间通过各层的传热量热时，单位时间通过各层的传热量Q虽然相同，但单虽然相同，但单位时间通过各层内外壁单位面积的热通量位时间通过各层内外壁单位面积的热通量q却不相同，却不相同，其相互的关系为：其相互的关系为：12212ln/TTQLrr 12212ln/QTTLrr 设保温层内半径为设保温层内半径为r处温度为处温度为T112ln /QTTLr r 【例题例

25、题4.2.3】外径为外径为426mm的蒸汽管道外包装厚度为的蒸汽管道外包装厚度为426mm的保温材料，保温材料的导热系数为的保温材料，保温材料的导热系数为0.615 W/(mK)。若蒸汽管道外表面温度为。若蒸汽管道外表面温度为177，保温层的，保温层的外表面温度为外表面温度为38，试求每米管长的热损失和保温层，试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布。中的温度分布。 保温层内的温度分布为曲线保温层内的温度分布为曲线 (1) 简述傅立叶定律的意义和适用条件。简述傅立叶定律的意义和适用条件。(2) 分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。(3) 为什么多孔材

26、料具有保温性能？保温材料为什么为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？需要防潮？(4) 当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。温度分布有何差异。(5) 若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。分析应如何布置效果最好。本节思考题本节思考题第三节第三节 对流传热对流传热 一、对流传热的机理一、对流传热的机理二、对流传热速率二、对流传热速率三、影响对流传热的因素三、影响对流传

27、热的因素四、对流传热系数的经验式四、对流传热系数的经验式五、保温层的临界直径五、保温层的临界直径六、间壁传热过程计算六、间壁传热过程计算主要内容主要内容 指流体流过与其温度不同的固体壁面时指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁流体与壁面之间的热量交换，面之间的热量交换，是热传导与对流联合作用的结果。是热传导与对流联合作用的结果。 1、对流换热过程、对流换热过程一、对流传热的机理一、对流传热的机理 温度为温度为T0的冷流体沿温度的冷流体沿温度Tw的热壁面流动，由于的热壁面流动，由于两者之间存在温差，壁面将向流体传递热量。两者之间存在温差，壁面将向流体传递热量。2、流动边界层的传热机理及温度分

28、布、流动边界层的传热机理及温度分布层流区层流区湍流区湍流区WT0T 流体层与层间无质点宏观运动，在垂直于流动方流体层与层间无质点宏观运动，在垂直于流动方向上，热量通过向上，热量通过热传导热传导传递。传递。 （1）层流边界层）层流边界层 与静止流体中的热传导一样吗？与静止流体中的热传导一样吗？在静止流体中在静止流体中在层流流动流体中在层流流动流体中机理相同机理相同 流体流动流体流动增大了壁面处的温度梯度，增大了壁面处的温度梯度，使壁面处的使壁面处的热通量较静止时大。热通量较静止时大。流体流动使传热增强。流体流动使传热增强。 （2）湍流边界层）湍流边界层层流底层层流底层缓冲层缓冲层湍流中心湍流中心

29、湍流区湍流区 层流底层中热量传递主要靠热传导，层流底层中热量传递主要靠热传导，符合傅立叶定律，符合傅立叶定律，温度分布几乎为直线；温度分布几乎为直线；由于流体由于流体导热系数较低导热系数较低，使层内导热，使层内导热热阻很大，该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大。热阻很大，该层中温度差较大，温度分布曲线的斜率大。层流区层流区层流底层缓冲层湍流中心湍流区 缓冲层中质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致缓冲层中质点的脉动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。处于同等地位，由于对流传热的作用，温度梯度变小。 在湍流中心，质点强烈脉动，使主体部分的温度在湍流中心，质点

30、强烈脉动，使主体部分的温度趋于均一，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的趋于均一，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小；作用很小； 温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线温度梯度很小，即传热热阻很小，温度分布曲线趋于平坦。趋于平坦。 湍流传热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳湍流传热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳定的串联传热过程，定的串联传热过程，热阻集中在层流底层上。热阻集中在层流底层上。 湍流传热速率远大于层流湍流传热速率远大于层流。层流底层层流底层缓冲层缓冲层湍流中心湍流中心湍流区湍流区减少层流底层厚度是强化传热的重要途径减少层流底层厚度是强化传热的重要途径 湍流流动

31、中存在流体质点的随机脉动，促使流体在湍流流动中存在流体质点的随机脉动，促使流体在y方向上掺混，传热过程被强化。方向上掺混，传热过程被强化。热阻分布情况？热阻分布情况？湍流传热速率的大小？湍流传热速率的大小？(T-TW)0.99(T0-TW)将将(T-TW)0.99(T0-TW)处处作为传热边界层的界限，该界作为传热边界层的界限，该界限到壁面的距离称为边界层的厚度。限到壁面的距离称为边界层的厚度。壁面附近因传热而使流体壁面附近因传热而使流体温度发生变化的区域（即温度发生变化的区域（即存在温度梯度的区域存在温度梯度的区域）3、传热边界层、传热边界层（1）传热边界层）传热边界层（2）传热边界层的厚度

32、）传热边界层的厚度T边界层以外的区域认为不存在温度梯度。边界层以外的区域认为不存在温度梯度。传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热阻力传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热阻力取决于传热边界层的厚度。取决于传热边界层的厚度。TmanprcPT(T-TW)0.99(T0-TW)mnpcaPr1时，TT 温度变化主要在层流底层中，热阻主要集中在温度变化主要在层流底层中，热阻主要集中在层流底层中。层流底层中。（3）流动边界层与传热边界层厚度间的关系）流动边界层与传热边界层厚度间的关系其厚度关系取决于普兰德数其厚度关系取决于普兰德数Pr表明表明分子动量传递能力和分子热量传递能力分子动量传递能力

33、和分子热量传递能力的比值。的比值。(一一) 牛顿冷却定律牛顿冷却定律 二、对流传热速率二、对流传热速率 过传热面的传热速率正比于固体壁面与周围流体过传热面的传热速率正比于固体壁面与周围流体的温度差和传热面积的温度差和传热面积 TAQdd与传热方向垂直的微与传热方向垂直的微元元传热面积传热面积，m2局部对流传热系局部对流传热系数数，或称为膜系，或称为膜系数，数，W/(m2K)流体与固体壁面流体与固体壁面dA之间的之间的温差温差，K通过传热面通过传热面dA的局部的局部对流传对流传热速率热速率，WWTTTWTTT流体被冷却时流体被冷却时流体被加热时流体被加热时TAQATQ1A1为为对流传热热阻。对流

34、传热热阻。传热过程中，温度沿程变化，传热过程中，温度沿程变化，对流系数为局部的参数对流系数为局部的参数。实际工程中，常采用平均值进行计算。实际工程中，常采用平均值进行计算。对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即AbR导热热阻导热热阻 流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用遵循傅立叶定律。用 表示近壁处的温度梯度，表示近壁处的温度梯度，0yyT0ddyyTAQ牛顿冷却定律牛顿冷却定律0yyTTTAQd

35、d对流传热微分方程式对流传热微分方程式理论计算对流传热系数的基础理论计算对流传热系数的基础y（二）对流传热系数（二）对流传热系数 对一定的流体，当流体与壁面温差对一定的流体，当流体与壁面温差一定时，对流传热系数之取决于紧靠一定时，对流传热系数之取决于紧靠壁面流体的温度梯度。壁面流体的温度梯度。0yyTT 热边界层的厚薄影响层内温度分布，因而影响温热边界层的厚薄影响层内温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外温差一定，热边界层越薄，度梯度。当边界层内、外温差一定，热边界层越薄，温度梯度越大，因而温度梯度越大，因而也就上升。也就上升。改善流动状况，使层改善流动状况，使层流底层厚度减小，是强化传热

36、的主要途径之一。流底层厚度减小，是强化传热的主要途径之一。很难得出！很难得出！ 对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在用牛顿冷却定律把复杂问题转到计算对流传热系数上用牛顿冷却定律把复杂问题转到计算对流传热系数上面。目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的面。目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联式。计算式，只能通过实验得到其经验关联式。（1）量纲分析）量纲分析 （2）利用动量传递与热量传递的类似性）利用动量传递与热量传递的类似性 求解对流传热系数的途径求解对流传热系数的途径 对流传热系数的经验式对流传热系数的

37、经验式三、对流传热系数经验关联式的建立三、对流传热系数经验关联式的建立 （一）对流传热系数的影响因素（一）对流传热系数的影响因素1、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况 2、流体的物性、流体的物性 1）导热系数：）导热系数：层流内层的温度梯度一定时，层流内层的温度梯度一定时，流体流体 的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。 2）粘度：）粘度：流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度）比热和密度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。cp愈大，流体携带热量能力愈强，对流传热的强度愈强

38、。愈大，流体携带热量能力愈强，对流传热的强度愈强。4）体积膨胀系数）体积膨胀系数 体积膨胀系数体积膨胀系数值愈大值愈大，密度差愈大密度差愈大，有利于自有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响然对流。对强制对流也有一定的影响。3、流体的温度、流体的温度4、流体流动状态：、流体流动状态：湍流对流传热系数远比滞流时的大。5、流体流动的原因、流体流动的原因 强制对流：强制对流：外力的作用外力的作用 自然对流：自然对流：流体内部存在温度差，使各部分的流体流体内部存在温度差，使各部分的流体密度不同，引起流体质点位移。单位体密度不同，引起流体质点位移。单位体积的流体所受的浮力为：积的流体所受的浮力为： 10

39、000 1tggg t + + 6、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 （二）量纲分析法（二）量纲分析法 , , , , , , pfu LcgTgm m 列出影响列出影响 的物理量：的物理量：特征流速特征流速u、特征尺寸、特征尺寸l、流体黏度、流体黏度、导热系数、导热系数、密度密度、比热容、比热容cp以及浮力以及浮力gT并用一般函数关系表示：并用一般函数关系表示：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T变量总数：共变量总数：共8个个 定理：无量纲数群数定理：无量纲数群数844 量纲分析结果如下：量纲分析结果如下：322() () ()pa

40、fhcLLuLgTkm mmmmm Re Pr GrakgNuk 准数的符号和意义准数的符号和意义准数名称准数名称符号符号准数式准数式意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数（Nusselt）Nul表示对流传热的系数表示对流传热的系数 雷诺准数雷诺准数（Reynolds）Remlu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）Prmpc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）Gr223mtlg表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数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1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定

41、）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：定性尺寸：Nu，Re数中数中L应如何选定。应如何选定。3）应用范围：关联式中）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。等准数的数值范围。 四、无相变时对流传热系数的经验关联式四、无相变时对流传热系数的经验关联式 （一）流体在管内的强制对流（一）流体在管内的强制对流 1流体在圆形直管内呈强烈湍流状态流体在圆形直管内呈强烈湍流状态a) 低粘度（大约低于低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体倍常温水的粘度）流体fNuPrRe023. 08 . 0fpiicuddmm8 . 0023. 0注意事项：注意事项：（1）定性温度取流体进出温度

42、的算术平均值）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm；（2）特征尺寸为管内径）特征尺寸为管内径di；（3）流体被加热时，）流体被加热时，f0.4，流体被冷却时，流体被冷却时，f0.3；（4）特征速度为管内平均流速。）特征速度为管内平均流速。 应用范围：应用范围：Re 104，0.7Pr50b) 高粘度的液体高粘度的液体 0.140.80.230.027uerwuNRPm m 为考虑热流体方向的校正项。 应用范围：应用范围： 50,167007 . 0,1000ReirdLP定性尺寸：定性尺寸： 取为管内径取为管内径di。定性温度：定性温度： 除除w取壁温以外，其余均取液体进、出口取壁温以外，其

43、余均取液体进、出口温度的算术平均值。温度的算术平均值。 在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为：对于液体，加热时：对于液体，加热时： 05. 1)(14. 0wmm冷却时：冷却时：95. 0)(14. 0wmm 2、流体在圆形直管内呈层流状态、流体在圆形直管内呈层流状态 （1）Gr25000时，自然对流的影响不能忽略时，时，自然对流的影响不能忽略时，按上式计算出按上式计算出后再乘以校正因子后再乘以校正因子 3、流体在圆形直管内呈过渡流态、流体在圆形直管内呈过渡流态 51.86101efR 4、流体在弯管内作强制对流、流体在弯管内作强制对流 1

44、1.77/idR+ 对于对于Re = 230010000时的过渡流范围，时的过渡流范围， 先按湍流先按湍流的公式计算的公式计算，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数 f。R弯管的曲率半径由于离心力的作用，扰动加剧，使传热系数增加由于离心力的作用，扰动加剧，使传热系数增加5、流体在非圆形管中作强制对流、流体在非圆形管中作强制对流 0.5310.81320.02eredRPdd 应用范围：应用范围：Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性尺寸：定性尺寸： 当量直径当量直径de定性温度：定性温度： 流体进出口温度的算术平均值。流体进出口温度的算术平均值。 对于非圆形管内对流传热系

45、数的计算，前面有关对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：关联式为： （二）（二）大空间的自然对流传热大空间的自然对流传热 nurrNC GP 所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面(传传热面热面)放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设流的物体存在，如沉浸式换热器的传

46、热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热。备或管道的热表面向周围大气的散热。 对流传热系数仅与反映自然对流的对流传热系数仅与反映自然对流的Gr和反映物性和反映物性的的Pr有关，依经验式计算：有关，依经验式计算： 通过实验侧得的通过实验侧得的c,n的值在表的值在表4-3-2中。中。（1）特性尺寸对水平管取外径，垂直管或板取管长和）特性尺寸对水平管取外径，垂直管或板取管长和板高。板高。（2）定性温度取膜温（）定性温度取膜温（tm+tw）/2。（三）提高对流传热系数的途径（三）提高对流传热系数的途径 1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数

47、，传热系数，并且并且Re，应力求使流体在换热器内应力求使流体在换热器内达到湍流流动。达到湍流流动。 2）在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。径对提高对流传热系数的效果更为显著。 3）流体在换热器管间流过时，）流体在换热器管间流过时，设置折流板提高流设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。较显著的作用。 4) 不论管内还是管外，提高流不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热都能增大对流传热系数，但是增大系数，但是增大u，流动阻力一般按

48、流速的平方增加，流动阻力一般按流速的平方增加，应应根据具体情况选择最佳的流速。根据具体情况选择最佳的流速。 5）除增加流速外，）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，螺纹管的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。增大，但此时能耗增加。 1 1、冷凝传热、冷凝传热 蒸汽是工业上最常用的热源。蒸汽在饱和温度蒸汽是工业上最常用的热源。蒸汽在饱和温度下冷凝时，放出汽化潜热。下冷凝时，放出汽化潜热。 蒸汽具有一定的压力，蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系

49、。四、四、有相变时对流传热系数的经验关联式有相变时对流传热系数的经验关联式 (1)膜状冷凝：膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，冷凝液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜。在壁面上铺展成膜。 特点：特点：蒸汽放出的潜热必须穿过液蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻。因冷凝在整蒸汽间传热的主要热阻。因冷凝在整个壁面上发生，若凝液籍重力沿壁下个壁面上发生，若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小，如果壁面足够高，壁下部液之越小，如果壁面足够高，壁下部液膜中会出现凝液的湍流流动，使给热膜中会出

50、现凝液的湍流流动，使给热系数复又增加。系数复又增加。( (2)滴状冷凝：滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，凝液不能完全润湿壁面，在壁面在壁面 上形成小液滴，且不断成长变上形成小液滴，且不断成长变 大，在下滚过程中合并成更大的液滴，大，在下滚过程中合并成更大的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。使壁重新暴露在蒸汽中。 特点：特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的的 5 5-10 -10 倍甚至更高。倍甚至更高。 实现滴状冷凝的方法：实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一在壁面上涂一层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂类层油类物

51、质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；对管表面进行改性处理。物质；对管表面进行改性处理。3 3、蒸汽在竖直板或竖直管上的、蒸汽在竖直板或竖直管上的膜状冷凝膜状冷凝 从顶向底流动时，液膜从顶向底流动时，液膜，；当高度；当高度L一定时，一定时，流动从层流过渡到湍流时，流动从层流过渡到湍流时，Re ，层流底层，层流底层，。S-液膜的横截面积（液膜的横截面积（m2）；）；qm冷凝液的质量流量（冷凝液的质量流量（kg/s）；）；b润湿周边长（润湿周边长（m）；）；e4Sdb 44RemeqSd uMbS mmmmmmM-单位时间单位润湿周边长上流过的冷凝液量，单位时间单位润湿周边长上流过的冷凝液量，称为冷凝负

52、荷，称为冷凝负荷，kg/（ms）Re2000，膜内为滞流，则，膜内为滞流，则 、 、m m 分别为凝液的导热系数，密度和粘度；分别为凝液的导热系数，密度和粘度； r 冷凝潜热，冷凝潜热，kJ/kg； T 蒸汽饱和温度蒸汽饱和温度 ts 与壁面与壁面 tw 之差，之差，。Re2000，膜层为湍流，则膜层为湍流，则 特征尺寸：特征尺寸：L取垂直取垂直管或板的高度。管或板的高度。定性温度：蒸汽冷凝定性温度：蒸汽冷凝潜热潜热 r 取饱和温度取饱和温度 ts 下的值，其余下的值，其余物性参数取液膜物性参数取液膜平均温度平均温度 (ts+tw)/2 下的值。下的值。12341.13grL T m m 12

53、330.068grL T m m 4、蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝、蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝 蒸汽在水平单管外冷凝时，凝液受重蒸汽在水平单管外冷凝时，凝液受重力作用沿管周向下流动并脱离管壁。力作用沿管周向下流动并脱离管壁。单管平均给热系数可用下式计算：单管平均给热系数可用下式计算： 蒸汽在水平管束外冷凝的传热系数：蒸汽在水平管束外冷凝的传热系数： 2300.725rgdT m m 14232300.725rgn dT m m n水平管束在垂直列上的管子数；水平管束在垂直列上的管子数；d0 管外径；管外径； 5、影响冷凝传热的因素、影响冷凝传热的因素 纯饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝

54、液膜内，纯饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键。所液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键。所以，影响液膜状况的所有因素都将影响到冷凝传热。以，影响液膜状况的所有因素都将影响到冷凝传热。（1）流体物性的影响）流体物性的影响 冷凝液冷凝液mm，则液膜，则液膜；冷凝液；冷凝液。 冷凝潜热冷凝潜热 ，同样热负荷，同样热负荷冷凝液量小，膜厚冷凝液量小，膜厚。 在所有物质中水蒸汽的冷凝在所有物质中水蒸汽的冷凝 传热系数最大，一般为传热系数最大，一般为104 W/(m2.K)左右。左右。（2）温度差影响）温度差影响 当液膜作层流流动时，当液膜作层流流动时，

55、 T=TSTW， T ，则蒸汽，则蒸汽冷凝速率加冷凝速率加 大，液膜增厚大，液膜增厚，。 （3）不凝气体的影响）不凝气体的影响 在工业冷凝器中，蒸汽中常含微量不凝性气体，如在工业冷凝器中，蒸汽中常含微量不凝性气体，如空气。当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成空气。当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。气膜。 冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，先以扩散的方式通冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，先以扩散的方式通过这层气膜，相当于额外附加了一热阻。由于气体导热过这层气膜，相当于额外附加了一热阻。由于气体导热系数系数 小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。 在

56、冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对 的影响。的影响。 （4）蒸汽流速与流向的影响）蒸汽流速与流向的影响 蒸汽流速对蒸汽流速对 有较大的影响，蒸汽有较大的影响，蒸汽u10m/s时，还要考虑蒸时，还要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。汽与液膜之间的摩擦作用力。 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄膜变薄,；蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜；蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚流动，使液膜变厚,；但；但u时，会吹散

57、液膜，时，会吹散液膜，。一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于汽与液膜流向相同，有利于。 (5) 蒸汽过热的影响蒸汽过热的影响 蒸汽温度高于操作压强下饱和温度时称为过热蒸汽蒸汽温度高于操作压强下饱和温度时称为过热蒸汽 过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触( (t tWW t ts s) )，壁面无，壁面无冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触比其饱和温度低的壁面接触( (t tWW t ts s) )，由两个串联

58、的传热过，由两个串联的传热过程组成：冷却和冷凝。整个过程是过热蒸汽首先在气相程组成：冷却和冷凝。整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝，冷凝的下冷却到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝，冷凝的推动力仍为推动力仍为 T T= =t ts st tWW。 一般过热蒸汽冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理，所一般过热蒸汽冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理，所以前面的公式仍适用。但此时应把显热和潜热都考虑进以前面的公式仍适用。但此时应把显热和潜热都考虑进来。来。rttcrsvp+)(（6 6）冷凝面的高度及布置方式）冷凝面的高度及布置方式 例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使

59、例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。要比上排的为低。 冷凝面的表面情况对冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。下降。（7）强化传热措施）强化传热措施 对于纯蒸汽冷凝，恒压下对于纯蒸汽冷凝，恒压下ts为一定值。即在气相为一定值。即在气相主体内无温差也无热阻，主体内无温差也无热阻， 的大小主要取决于液膜的的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以，在流体一定的情况下，厚度及冷凝液的物性。所以，在流体一定

60、的情况下，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。 减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度和布置方式入手。如在垂直壁面上开纵向沟槽，以减和布置方式入手。如在垂直壁面上开纵向沟槽，以减薄壁面上的液膜厚度。还可在壁面上安装金属丝或翅薄壁面上的液膜厚度。还可在壁面上安装金属丝或翅片，使冷凝液在表面张力的作用下，流向金属丝或翅片，使冷凝液在表面张力的作用下，流向金属丝或翅片附近集中，从而使壁面上的液膜减薄；使冷凝传热片附近集中，从而使壁面上的液膜减薄；使冷凝传热系数得到提高。系数得到提高。 设备和管道保温的方法是