换热器设计传热学基础

1、郑州大学化工设备研究所：郑州大学化工设备研究所： 王培萍王培萍电电 话：话：0371-63887306Email: 网网 址：址： 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网换热器设计传热学基础换热器设计传热学基础 1.5 1.5 化工生产中的传热过程及常见换热器化工生产中的传热过程及常见换热器 1.2 1.2 传导传热传导传热1.3 1.3 对流传热对流传热 1.6 1.6 间壁式热交换的计算间壁式热交换的计算 1.7 1.7 传热过程的强化传热过程的强化 1. 1 1. 1 传热基本理论的应用传热基本理论的应用 1.4 1.4 热辐射热辐射 河南省压力容器技

2、术协作网河南省压力容器技术协作网31.1生产生活中的传热学应用 自然界与生产过程到处存在温差自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍传热很普遍 a a 夏天人在同样温度（如：夏天人在同样温度（如：2525度）的空气和度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？水中的感觉不一样。为什么？b b 北方北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？利于保温。如何解释其道理？越厚越好？(1) (1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子： 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网4（2)2)生产技术领域大量存在传热问题生产技术领域大量存在传

3、热问题a 航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞行器航空航天：卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器冷却；重返大气层冷却；超高音速飞行器冷却；b 微电子：微电子： 电子芯片冷却电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器官的冷冻保存器官的冷冻保存d 军军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水热泵；高温水源热泵源热泵f 新能源：太阳能；燃料电池新能源：太阳能；燃料电池 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网

4、5(3) (3) 工程实践中工程实践中大量存在传热问题大量存在传热问题 例如：热源和冷源设备的选择、配套和合例如：热源和冷源设备的选择、配套和合理有效利用；供热通风空调及燃气产品的开理有效利用；供热通风空调及燃气产品的开发、设计和实验研究；各种供热设备管道的发、设计和实验研究；各种供热设备管道的保温材料及建筑围护结构材料的研制及其热保温材料及建筑围护结构材料的研制及其热物理性质的测试、热损失的分析计算；各类物理性质的测试、热损失的分析计算；各类换热器的设计、选择和性能评价；建筑物的换热器的设计、选择和性能评价；建筑物的热工计算和环境保护等。热工计算和环境保护等。 河南省压力容器技术协作网河南省

5、压力容器技术协作网61.21.2热热传导（导传导（导热）热）1.2.11.2.1定定义和特征义和特征定义：指定义：指温度不同的物体各部分温度不同的物体各部分或或温度不同的两物体温度不同的两物体间间直接接触直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。粒子热运动而进行的热量传递现象。物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网71.2.21.2.2导导热的特点热的特点 必须有必须有温差温差 物体物体直接接触直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子

6、依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量热运动而传递热量 不发生宏观的相对位移不发生宏观的相对位移 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1.21.2热热传导（导传导（导热）热）8 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1.21.2热热传导（导传导（导热）热）91.2.31.2.3导导热机理热机理 气体：气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。果。 导电固体：导电固体：自由电子运动。自由电子运动。 非导电固体：非导电固体：晶格结构的振动。晶格结构的振动。 液体：液体：很复杂。很复杂。 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术

7、协作网1.21.2热热传导（导传导（导热）热）10W tA2mW tAq ：热流量，单位时间传递的热量热流量，单位时间传递的热量WWq q：热流密度，单位时间通过单位面热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量积传递的热量:平壁的厚度mm；A A：垂直于导热方向的截面积：垂直于导热方向的截面积mm2 2 21wwttt：平壁两侧壁温之差：平壁两侧壁温之差 C:C)(mW热导率（导热系数）热导率（导热系数）河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.2 1.2 传导传热传导传热 1.2.1.1.2.1.热传导基本方程热传导基本方程傅里叶定律傅里叶定律（Fourier）11dxdtq2m/W

8、当温度当温度t t沿沿x x方向增加时方向增加时，dt/dx0dt/dx0，q0q0，说明，说明热量沿热量沿x x减小的方向传递；反之，减小的方向传递；反之，dt/dx0dt/dx0，q0q0，说明热量沿说明热量沿x x增加的方向传递。增加的方向传递。 dxdt 为为温度梯度，温度梯度，负号负号表示表示热流密度热流密度的方向与的方向与温度梯度温度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度的方向相反。即热量传递的方向与温度升高的方向相反。升高的方向相反。河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.2 1.2 传导传热传导传热 12热热导率（导热系数）导率（导热系数） tAW tA 具有单位温

9、度差（具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上，在它的单位面积上(1m2)、每单位时间、每单位时间(1s)的导热量的导热量(J)。单位：。单位：w/(m.K)热导率热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。关。 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网13不同物质的导热性能不同：不同物质的导热性能不同

10、：非金属金属气体液体固体Cmw/398纯铜Cmw/7 . 2大理石0C时：时：Cmw/22. 2冰Cmw/551. 0水Cmw/0183. 0蒸汽 当当0.2 W/(m) t t2 2 ；管材导热；管材导热系数为系数为。则由傅立叶定律有：。则由傅立叶定律有： 因因稳定过程导热体的导热速率为常稳定过程导热体的导热速率为常数，若导热体的导热系数可视为常数数，若导热体的导热系数可视为常数或可取平均值，则上式中仅包含或可取平均值，则上式中仅包含温度温度t t和和半径半径r r两个变量。两个变量。 (2)dtQrLdr 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1.3.21.3.2圆圆筒壁导热筒壁

11、导热1) 1)单单层圆筒壁导热层圆筒壁导热39将上式分离变量，并根据将上式分离变量，并根据r=rr=r1 1，t=tt=t1 1；r=rr=r2 2，t=tt=t2 2的的边界条件积分。即：边界条件积分。即：积分得：积分得： 即为圆筒壁的导热热阻。即为圆筒壁的导热热阻。 上上式为单层圆筒壁的导热速率方程式，该式也式为单层圆筒壁的导热速率方程式，该式也可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。可以改写成类似单层平壁的导热速率计算式的形式。 22112rtrtdrQLdtr 121222112()ln()ln2LtttttQrr rRrL 21ln()2r rRL 河河南南省省压压力力容容器器

12、技技术术协协作作网网1) 1)单层圆筒壁导热单层圆筒壁导热40上式中 ，为圆筒壁的厚度，m。 若令上式中的 ，称为圆筒壁的对数平均半径；又根据圆筒壁的导热面积计算式，可令 ，称为圆筒壁的平均导热面积。12122122112()2()lnlnLttLttrrQrrrr 21rr2121ln()mrrrrr 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1) 1)单层圆筒壁导热单层圆筒壁导热mmALr241故上式可改写为：故上式可改写为：跟传热平均温度差计算相类似地，当跟传热平均温度差计算相类似地，当r r2 2/ /r r1 1 2 2时，上式中的对数平均半径也可用算术平时，上式中的对数平均半

13、径也可用算术平均值代替。均值代替。 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1) 1)单层圆筒壁导热单层圆筒壁导热)(21ttAQm422)2)多多层圆筒壁导热计算层圆筒壁导热计算1111312111223311112()1lnnnnniimmmnmniminniiiitttttQRAAAAAL ttQrr也 可 写 为 ： 在工程上，多层圆筒壁的导热情况比较常见。例如，在工程上，多层圆筒壁的导热情况比较常见。例如，在高温或低温管道的外部包上一层乃至多层保温材料，在高温或低温管道的外部包上一层乃至多层保温材料，以减少热量（或冷量）损失；在反应器或其他容器内衬以减少热量（或冷量）损失；在

14、反应器或其他容器内衬以工程塑料或其他材料，以减小腐蚀；在换热器内换热以工程塑料或其他材料，以减小腐蚀；在换热器内换热管的内、外表面形成污垢等等。与多层平壁相似，对于管的内、外表面形成污垢等等。与多层平壁相似，对于多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：多层圆筒壁，其导热速率方程可以表示为：河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网43例例5 5： 某管道外径为某管道外径为2r2r，外壁温度为，外壁温度为t t1 1，如外包两层厚，如外包两层厚度均为度均为r r（即（即 2 2 3 3r r）、导热系数分别为）、导热系数分别为 2 2和和 3 3（ 2 2 / / 3 3=2=2）的保温材料

15、，外层外表面温度为）的保温材料，外层外表面温度为t t2 2。如将两层。如将两层保温材料的位置对调，其他条件不变，保温情况变化保温材料的位置对调，其他条件不变，保温情况变化如何？由此能得出什么结论？如何？由此能得出什么结论？解：解： 设两层保温层直径分别为设两层保温层直径分别为d d2 2、d d3 3和和d d4 4，则，则d d3 3/d/d2 2=2=2，d d4 4/d/d3 3=3/2=3/2。导热系数大的在里面：。导热系数大的在里面： ;11969. 023ln212ln221ln21ln2133334323221ttddddttqL河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网

16、2)多层圆筒壁导热计算44导热系数大的在外面：导热系数大的在外面： 1426. 023ln2212ln2133321tttqL两种情况散热量之比为：两种情况散热量之比为： 84. 019. 111969. 01426. 01LLLqqqq或结论：导热系数大的材料在外面，导热系数小的结论：导热系数大的材料在外面，导热系数小的材料放在里层对保温更有利。材料放在里层对保温更有利。 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网2)多层圆筒壁导热计算451.3热对流与对流换热 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网461.3.1 定义与特征定义：流体中（气体或液体）温度不同的各定义：流体中

17、（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现热量由一处传递到另一处的现象。象。流体中有温差流体中有温差 热对流必然同时伴随着热热对流必然同时伴随着热传导，传导，对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触时对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程的热量交换过程 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1.3热对流与对流换热47对流换热的特点对流换热的特点 对流换热与热对流不同，既有热对流，也对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式有导热；不是基本传热方式 导热与热对流同时存在的复

18、杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差动；也必须有温差 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1.3热对流与对流换热48 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网491.3.2牛顿冷却公式（1701）W )(tthAwuttwA2mW )( fwtthAq 热流量热流量WW，单位时间传递的热量，单位时间传递的热量q q2mW 热流密度热流密度C)(mW2 h h 表面传热系数表面传热系数A A2m 与流体接触的壁面面积与流体接触的壁面面积wtC 固体壁表面温度固体壁表面温度tC

19、 流体温度流体温度 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网50表面传热系数（对流换热系数）)( ttAhwC)(mW2 当流体与壁面温度相差当流体与壁面温度相差1 1度时、每单位壁面度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的面积上、单位时间内所传递的热量。热量。h h是表征对流换热过程强弱的物是表征对流换热过程强弱的物理量。理量。影响影响h h因素：因素：流动原因、流动状态、流体物性流动原因、流动状态、流体物性（、c cp p) )有无相变、壁面形状大小等有无相变、壁面形状大小等 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网511.3.3对流传热机理 对流传热是流体流动过程中发生

20、的热量传递对流传热是流体流动过程中发生的热量传递. 工业工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，截面上，流体主体区的温度差很小。流体主体区的温度差很小。 由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，故主要热阻及温度差都集中壁面处总存在滞流底层，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。在滞流底层。河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网52 由于固体壁面对流体分子的吸附作用由于

21、固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态。面上的流体是处于不流动或不滑移的状态。 在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方向上发生改变。于壁面的方向上发生改变。流体速度从壁面上的零流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值逐步变化到来流的速度值速度值。 同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散用下向流体扩散(热传导热传导)，并不断地被流体的流动而，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而也导致紧靠壁面处的流带到下游（热对流），因而也导致

22、紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网对流传热特点 53 如图为热流体与壁面对流传热如图为热流体与壁面对流传热及壁面与冷流体的对流传热，工程及壁面与冷流体的对流传热，工程上将湍流主体和过渡区的热阻予以上将湍流主体和过渡区的热阻予以虚拟，折合为相当厚度为虚拟，折合为相当厚度为t的滞流的滞流底层热阻，底层热阻，流体与壁面之间的温度流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为变化可认为全部发生在厚度为t的的一个膜层内一个膜层内，通常将这一存在温度，通常将这一存在温度梯度的区域称为梯度的区域称为传热边界层

23、传热边界层。传热传热边界层以外，温度是一致的、没有边界层以外，温度是一致的、没有热阻热阻.河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.3对流传热机理 54/()ttA式中式中流体的热导率，流体的热导率， 11KmWt传热边界层厚度，传热边界层厚度，m； T对流传热温度差，对流传热温度差， ,wTTTK或或 ,wtt 实际上对流传热过程实际上对流传热过程为为： 1/()thA 该式称为牛顿（该式称为牛顿（NewtonNewton）冷却定律或给热方程，）冷却定律或给热方程， h h为表面传热系数，或称为对流传热系数，亦称给热系为表面传热系数，或称为对流传热系数，亦称给热系数，单位为数，

24、单位为12KmW 可可将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界将湍流状态复杂的对流传热归结为通过传热边界层的热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程层的热传导，用热传导基本方程来描述对流传热过程河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网55例例6 6： 一室内暖气片的散热面积为一室内暖气片的散热面积为3m3m2 2，表面温度为，表面温度为t tw w = 50 = 50，和温度为，和温度为2020的室内空气之间自然对流的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为换热的表面传热系数为h = h = 4 W/(m4 W/(m2 2K)K)。试问该暖气。试问该暖气片相当于多大功率的电暖气片相

25、当于多大功率的电暖气? ?解：解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热， Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为即相当于功率为0.36kW0.36kW的电暖气。的电暖气。 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网561.3.4对流换热过程的分类对流换热：导热对流换热：导热 + 热对流；壁面热对流；壁面+流动流动对流换热的分类：对流换热的分类：1）流动起因：）流动起因：自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产

26、生的流动差异所产生的流动（Free convectionFree convection）强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动用所产生的流动（Forced convectionForced convection）自然强制hh河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网57河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.4对流换热过程的分类582 2）换热表面的几何因素：）换热表面的几何因素：内部流动对流换热：管内或槽内内部流动对流换热：管内或槽内外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束3

27、 3）流动状态：）流动状态：层流：整个流场呈一簇互相平行的流线层流：整个流场呈一簇互相平行的流线湍流：流体质点做复杂无规则的运动湍流：流体质点做复杂无规则的运动层流湍流hh河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.4对流换热过程的分类59河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.4对流换热过程的分类60河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网614 4）流体有无相变：）流体有无相变：单相换热：换热过程中介质无相的变化单相换热：换热过程中介质无相的变化相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等hh相变单相河河南南省省压压力

28、力容容器器技技术术协协作作网网1.3.4对流换热过程的分类62对流换热分类表河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网631.3.5对流传热系数的影响因素及其求取 影响影响h的因素很多，主要有以下几个方面：的因素很多，主要有以下几个方面： 影响影响h的主要因素可用下式表示：的主要因素可用下式表示：流体的种类和性质流体的种类和性质； 液体、气体、蒸气，其密液体、气体、蒸气，其密度、比热容、粘度等不同。度、比热容、粘度等不同。 流体的流动形态：流体的流动形态： 滞流、过渡流或湍流时滞流、过渡流或湍流时h各不各不相同。相同。传热壁面的形状、排列方式和尺寸传热壁面的形状、排列方式和尺寸流体的对流

29、状态流体的对流状态： 强制对流较自然对流时强制对流较自然对流时h为大。为大。河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网）,(Ldutcpfh64 由于影响由于影响h的因素很多，要建立一个通式来求各种的因素很多，要建立一个通式来求各种对流传热情况下的对流传热情况下的h是不可能的。是不可能的。工程上采用量纲分工程上采用量纲分析的方法，将影响析的方法，将影响h诸多因素归纳为较少的几个量纲诸多因素归纳为较少的几个量纲合一的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相合一的特征数群，确定这些特征数在不同情况下的相互联系，从而得到经验性的关联公式。互联系，从而得到经验性的关联公式。描述对流传热过程的特征

30、数关系为：描述对流传热过程的特征数关系为：cbaGrANuPrRe各特征数的含义如下表各特征数的含义如下表2-1所示所示河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.51.3.5对流传热系数的影响因素及其求取对流传热系数的影响因素及其求取 65 河河 南南 省省 压压 力力 容容 器器 技技 术术 协协 作作 网网对流传热过程中的准则数对流传热过程中的准则数体积膨胀系数体积膨胀系数表示浮升力和粘滞力比值的表示浮升力和粘滞力比值的大小的参数，作用类似于雷大小的参数，作用类似于雷诺数对强制对流的影响诺数对强制对流的影响66LuLuRe称为雷诺数，称为雷诺数，表征了给定表征了给定流场的惯性

31、力与其黏性力流场的惯性力与其黏性力的对比关系的对比关系，也就是反映，也就是反映了这两种力的相对大小。了这两种力的相对大小。 利用雷诺数可以判别一个给定流场的稳定性，利用雷诺数可以判别一个给定流场的稳定性，随着惯性力的增大和黏性力的相对减小，雷诺数就随着惯性力的增大和黏性力的相对减小，雷诺数就会增大，而大到一定程度流场就会失去稳定，而使会增大，而大到一定程度流场就会失去稳定，而使流动从层流变为紊流。流动从层流变为紊流。河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网对流传热过程中的准则数对流传热过程中的准则数的物理意义的物理意义67紊流区过渡区），（层流区 10Re 10 2300Re 2300

32、Re44dum河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网对流传热过程中的准则数对流传热过程中的准则数的物理意义的物理意义68hLNu 努谢尔特（努谢尔特（NusseltNusselt）准则，它）准则，它反映了给定流场的反映了给定流场的换热能力与其导热能力的对比关系。换热能力与其导热能力的对比关系。这是一个在对这是一个在对流换热计算中必须要加以确定的准则。流换热计算中必须要加以确定的准则。 河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网对流传热过程中的准则数对流传热过程中的准则数的物理意义的物理意义691.3.6对流传热系数关联式对流传热系数关联式对流传热系数的影响因素对流传热系数的影响

33、因素h h = = f f ( ( 物性、流动状态、温度、边界状况物性、流动状态、温度、边界状况) )1)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换热方换热方式式空气自空气自然对流然对流 气体强气体强制对流制对流 水自然水自然对流对流 水强制水强制对流对流 水蒸气水蒸气冷凝冷凝 有机蒸有机蒸气冷凝气冷凝 水沸水沸腾腾 w/(mw/(m2 2o oC)C)5 526 26 2020100 100 20201000 1000 1000100015000 15000 5000500015000 15000 5005002000 2000 2502500 025000 25000 表表 2

34、-3 2-3 h h值的范围值的范围河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网702)2)流体的物性流体的物性导热系数导热系数 大，大，h h 大；大；粘度粘度 大，大，h h 小；小；比热和密度比热和密度 Cp Cp 大，大，h h 大；大；体积膨胀系数体积膨胀系数 大，大，h h 大。大。3) 3) 流体的温度流体的温度 流体物性、附加自然对流流体物性、附加自然对流4)4)流体的流动状态流体的流动状态 滞流小、湍流大滞流小、湍流大河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.6对流传热系数关联式对流传热系数关联式715)5)流体流动的原因流体流动的原因自然对流小、强制对流大

35、自然对流小、强制对流大6)6)传热面的形状、位置和大小传热面的形状、位置和大小形状：管、板、环隙、翅片等形状：管、板、环隙、翅片等位置：水平、垂直、管束的排列方式位置：水平、垂直、管束的排列方式大小：管径、管长、板高、进口效应大小：管径、管长、板高、进口效应河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.6对流传热系数关联式对流传热系数关联式721.3.71.3.7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a a 定性温度定性温度 b b 特征尺寸特征尺寸c c 特征流速特征流速d d 应用条件应用条件河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网731.3.7.1特征尺寸

36、、特征流速和定性温度的确定特征尺寸、特征流速和定性温度的确定 特征参数是流场的代表性的数值，分别表征了流场特征参数是流场的代表性的数值，分别表征了流场的的几何特征、流动特征和换热特征几何特征、流动特征和换热特征。 特征尺寸特征尺寸，它反映了流场的几何特征，对于不同的流，它反映了流场的几何特征，对于不同的流场特征尺寸的选择是不同的。场特征尺寸的选择是不同的。流体平行流体平行流过平板：流过平板：流动方向上的流动方向上的长度尺寸长度尺寸；管内管内流体流动流体流动：垂直于流动方向的管内直径垂直于流动方向的管内直径；流体流体绕流圆柱体流动：绕流圆柱体流动：流动方向上的流动方向上的圆柱体外直径圆柱体外直径

37、。非圆管：取当量直径非圆管：取当量直径4 4 流动截面积流动截面积/ /传热周边长传热周边长河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网74特征流速特征流速，它反映了流体流场的流动特征。，它反映了流体流场的流动特征。流体流过流体流过平板平板：来流速度来流速度；流体流体管内流动管内流动：管子：管子截面截面上的上的平均流速平均流速；流体流体绕流圆柱体绕流圆柱体流动：流动：来流速度来流速度。定性温度定性温度，无量纲准则中的物性量是温度的函数，无量纲准则中的物性量是温度的函数，确定物性量数值的温度称为定性温度。确定物性量数值的温度称为定性温度。外部流动：来流外部流动：来流流体温度和固体壁面温度的算

38、术平流体温度和固体壁面温度的算术平均值均值，称为膜温度；，称为膜温度；内部流动：内部流动：管内流体进出口温度的平均值（算术平管内流体进出口温度的平均值（算术平均值或对数平均值）均值或对数平均值）.河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.7.1特征尺寸、特征流速和定性温度的确定特征尺寸、特征流速和定性温度的确定 751.3.8对流传热膜系数对流传热膜系数 （无相变）（无相变）1.3.8.11.3.8.1低粘度流体在管内强制湍流传热：低粘度流体在管内强制湍流传热：Dittus-BlelterDittus-Blelter当液体被加热：当液体被加热：n=0.4n=0.4液体被冷却：液体

39、被冷却：n=0.3n=0.3气体被加热或冷却：气体被加热或冷却：n=0.4n=0.4npncdudhNu8 . 08 . 0023. 0PrRe023. 0或河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网76上式的适用范围上式的适用范围1 1）ReRe10104 4，流体呈湍流状态。，流体呈湍流状态。2 2）若）若Re=2300Re=230010104 4属于过渡区，上式计算的传热系属于过渡区，上式计算的传热系数数h h作修正作修正8 . 1500Re1061hh过渡河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.8.11.3.8.1低粘度流体在管内强制湍流传热：低粘度流体在管内强制

40、湍流传热：77上式的适用范围上式的适用范围4 4）要求管长与管径之比，）要求管长与管径之比，l/dl/d6060。如果。如果l/dl/d6060，由于入口处的影响使由于入口处的影响使增加较多，可将增加较多，可将【1+1+（d/l)d/l)0.70.7】进行修正。进行修正。5 5）用于粘度小于）用于粘度小于2 2倍水的粘度的流体。倍水的粘度的流体。6 6）定性温度：液体进出口温度的算术平均值）定性温度：液体进出口温度的算术平均值; ;7) 7) 特征尺寸特征尺寸: : 管内径。管内径。河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.8.1 1.3.8.1 低粘度流体在管内强制湍流传热：低

41、粘度流体在管内强制湍流传热：78例例6 在一单程换热器中用在一单程换热器中用120的蒸汽将常压空气从的蒸汽将常压空气从20加热加热到到80,管束为管束为38mm3mm,蒸汽走壳程蒸汽走壳程,空气走管程空气走管程,其流其流速为速为14ms-1.求管壁对空气的表面传热系数求管壁对空气的表面传热系数.解: 空气的定性温度为t定=(20+80)/2=50查50下空气的物性数据Cp=1017Jkg-1K-1=1.9610-5Pas=1093kgm-3=2.8310-2Wm-1K-1d=0.032mu=14ms-1得24983Redu70. 0Prpc计算结果表明:空气在管内流动Re10000, 160P

42、r0.6, 必然符合下式的条件124 . 08 . 01 .58PrRe023. 0KmWdh河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网79b b、高粘度高粘度流流体体Nu=0.027ReNu=0.027Re0.80.8PrPr0.330.33(w w ) )0.140.14:液体在主体平均温度下的粘度液体在主体平均温度下的粘度w w：液体在壁温下的粘度：液体在壁温下的粘度其中（其中（/w w）0.140.14一项是考虑热流方向影响的校一项是考虑热流方向影响的校正项。正项。在工程计算时，在工程计算时，液体加热液体加热( (/w w）0.140.14=1.05 =1.05 ，液体被冷却时（

43、液体被冷却时（/w w）0.140.14=0.95=0.95河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.8.21.3.8.2高高粘度流体在管内强制湍流传热：粘度流体在管内强制湍流传热：80 由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同由于滞流内层的厚度粘度随热流方向的不同而不同，液体被加热而不同，液体被加热时时，滞流内层的温度比主体，滞流内层的温度比主体温度高，又粘度反比于温度，因此滞流内层厚度温度高，又粘度反比于温度，因此滞流内层厚度减薄，致使对流传热系数增大。液体被冷却减薄，致使对流传热系数增大。液体被冷却时时，情况相反，对于液体情况相反，对于液体Pr1 Pr1 即即 PrPr0.4

44、0.4PrPr0.30.3. .因此加因此加热时热时n=0.4n=0.4。 河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.8.2 1.3.8.2 高高粘度流体在管内强制湍流传热：粘度流体在管内强制湍流传热：811.3.8.31.3.8.3流体在管外的强制对流流体在管外的强制对流 单根园管、管束单根园管、管束03060901201501800.20.40.60.81.01.21.41.61.8Re=1E4180900 河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网821.3.8.3.11.3.8.3.1流体在管束外强制垂直流动流体在管束外强制垂直流动 管束的排列方式：管束的排列方式：

45、直列直列 错列错列正三角形、等边三角形正三角形、等边三角形流体在流体在错列错列管束外流过时管束外流过时 ，平均传热系数由下式计算：，平均传热系数由下式计算：流体在流体在直列直列管束外流过时管束外流过时 ，平均传热系数由下式计算：，平均传热系数由下式计算：直 列错 列 ： 正 三 角 错 列 ： 正 方 形 ( 等 边 三 角 形 )33. 06 . 0PrRe33. 0Nu33. 06 . 0PrRe26. 0Nu河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网正方形排列正方形排列 转角正三角形排列转角正三角形排列 正三角形排列正三角形排列83 应用范围：应用范围：Re3000Re3000，

46、特征尺寸：管外径特征尺寸：管外径d do o，流速取最小流通截面速度。流速取最小流通截面速度。管排数为管排数为1010，不是，不是1010排时应进行校正。排时应进行校正。( (二二) )流体在换热器的管间流动流体在换热器的管间流动圆环圆盘折流板圆环圆盘折流板河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.8.3.11.3.8.3.1流体在管束外强制垂直流动流体在管束外强制垂直流动84弓形折流板弓形折流板圆弧型折流板圆弧型折流板有关的计算公式参见教材和有关资料。有关的计算公式参见教材和有关资料。河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.8.3.11.3.8.3.1流体在管束

47、外强制垂直流动流体在管束外强制垂直流动85 若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜，故称为膜状冷凝。层完整的液膜，故称为膜状冷凝。1.3.8.41.3.8.4液体有相变时的对流传热系数液体有相变时的对流传热系数1.3.8.4.1 1.3.8.4.1 蒸气冷凝蒸气冷凝 若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作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，用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝。此种冷凝称为滴状冷凝。滴状冷凝：滴状冷凝：膜状冷凝膜状冷凝: :河河南南省省压压力力容容器

48、器技技术术协协作作网网 化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。和水蒸气的冷凝。86 滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍乃至数十倍，工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此数倍乃至数十倍，工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法 。874/132)(943. 0tLgrh式中：式中：ll管长，管长，m;m; 分别为膜温下凝液的导

49、热系数分别为膜温下凝液的导热系数W/(m.),W/(m.),密密度度,kg/m,kg/m3 3; ;和粘度和粘度( (Pa.sPa.s) ) 冷凝潜热冷凝潜热,J/kg;,J/kg; t t饱和蒸汽温度与壁面温度的差值。饱和蒸汽温度与壁面温度的差值。其中，冷凝潜热按膜温其中，冷凝潜热按膜温t tb b查取，其余物性按液膜温度查取，其余物性按液膜温度t tL L查取。查取。t tL L=(t=(tb b+t+tw w)/2)/2河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网1.3.8.4.1 1.3.8.4.1 蒸气冷凝蒸气冷凝1 1）竖直平壁：）竖直平壁：884/132)sin(943. 0

50、tLgrh4/132)(725. 0tdgro河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网2 2）倾斜平壁：）倾斜平壁：3 3）单根水平园管：）单根水平园管：注意：上述公式只适用于滞流情况注意：上述公式只适用于滞流情况89 对流传热系数仍可用上式计算，但特征尺寸对流传热系数仍可用上式计算，但特征尺寸改改为为n n2/32/3d do o,n,n为水平管束垂直列上的管子数。为水平管束垂直列上的管子数。在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的n n列管子所列管子所组成，一般各列管子在垂直方向的管数不相等，若分组成，一般各列管子在垂直方向的管数不相等，若分别为别为

51、n n1 1,n,n2 2,n,n3 3, ,则则4/ 34/ 324/ 3121zzmnnnnnnn4 4）蒸气在水平管束外的冷凝蒸气在水平管束外的冷凝河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网90若膜层为滞流若膜层为滞流 Re1800Re1800Re1800时时 h h =0.0077(g=0.0077(g) )0.330.33ReRe0.40.4特征尺寸特征尺寸:l:l取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。定性温度定性温度：蒸气冷凝潜热：蒸气冷凝潜热r r取饱和温度取饱和温度t ts s下的值，下的值，其余物性取液膜平均温度其余物性取液膜平均温度t tm m=0.5(t=0.5(

52、ts s+t+tw w) )下的值。下的值。5 5）蒸气在垂直管内、外或垂直平板侧的冷凝蒸气在垂直管内、外或垂直平板侧的冷凝河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网916 6）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素液膜呈滞流时液膜呈滞流时：tt冷凝速率冷凝速率 hh 液膜两侧温差液膜两侧温差凝液物性凝液物性见公式见公式蒸气的流向与速度蒸气的流向与速度当蒸汽流动方向与液膜向下流动当蒸汽流动方向与液膜向下流动同方向时同方向时,使液膜拉薄使液膜拉薄,h增加增加,反之反之,减小减小蒸气中不凝性气体含量的影响蒸气中不凝性气体含量的影响 p不凝性气体含量不凝性气体含量冷凝时形成冷凝时形成“气膜气膜

53、” 河河 南南 省省 压压 力力 容容 器技器技 术术 协协 作作 网网926 6）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素过热蒸气过热蒸气 把前面计算式中的潜热改为过把前面计算式中的潜热改为过热蒸汽与饱和液的焓差热蒸汽与饱和液的焓差,则可用则可用前述饱和蒸汽的公式来计算前述饱和蒸汽的公式来计算冷凝壁面的影响冷凝壁面的影响如果系统密封良好如果系统密封良好,则凝结侧热则凝结侧热阻很小阻很小.强化膜状凝结传热的基强化膜状凝结传热的基本原则是尽量减薄粘滞在换热本原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度表面上的液膜的厚度.可用各种可用各种带有尖锋的表面使其上冷凝的带有尖锋的表面使其上冷凝的液膜减薄液膜

54、减薄,并使得凝结的液体尽并使得凝结的液体尽快排掉快排掉.工程上可以采用低肋管或各种工程上可以采用低肋管或各种类型锯齿管等等类型锯齿管等等. 河河 南南 省省 压压 力力 容容 器技器技 术术 协协 作作 网网93液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为称为液体沸腾液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况因固体，又称沸腾传热。液体沸腾的情况因固体壁面温度壁面温度tw与液体饱和温度与液体饱和温度ts之间的差值而变化，之间的差值而变化，如如图图为水的沸腾曲

55、线：为水的沸腾曲线：1.3.8.5 液体沸腾液体沸腾河河南南省省压压力力容容器器技技术术协协作作网网94图图4-9 4-9 水的沸腾曲线水的沸腾曲线 当温差较小时，加热当温差较小时，加热面上的液体仅产生自然对面上的液体仅产生自然对流在液体表面蒸发，如图流在液体表面蒸发，如图中中AB段曲线；当段曲线；当t逐渐逐渐增高时，由于气泡的产生、增高时，由于气泡的产生、脱离和上升对液体剧烈扰脱离和上升对液体剧烈扰动，此段情况称为动，此段情况称为泡核沸泡核沸腾，如腾，如BC段曲线；段曲线； 沸腾曲线：沸腾随加沸腾曲线：沸腾随加热面温度与液体饱和温度热面温度与液体饱和温度差而变。差而变。95工业生产中工业生产

56、中, 总是设法维持在泡状沸腾下操作。总是设法维持在泡状沸腾下操作。 继续增大继续增大t时，产时，产生的气泡大大增多且产生的气泡大大增多且产生的速度大于脱离加热生的速度大于脱离加热表面的速度，形成一层表面的速度，形成一层不稳定的水蒸气膜，气不稳定的水蒸气膜，气膜的附加热阻使膜的附加热阻使q和和均均急剧下降，传热面几乎急剧下降，传热面几乎全部被气膜覆盖称为全部被气膜覆盖称为膜膜状沸腾状沸腾。（t t 52525）膜状沸腾）膜状沸腾 河河 南南 省省 压压 力力 容容 器技器技 术术 协协 作作 网网96工业上的液体沸腾：工业上的液体沸腾：将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称将加热壁面浸

57、没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称为大容积沸腾；为大容积沸腾；液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。25C5C沸腾温差t C热通量热通量q传热系数传热系数（ t t 5 2525）膜状沸腾）膜状沸腾 河河 南南 省省 压压 力力 容容 器器 技技 术术 协协 作作 网网97表表23 常见流体的表面传热系数大致范围常见流体的表面传热系数大致范围 河河 南南 省省 压压 力力 容容 器器 技技 术术 协协 作作 网网98表面传热系数的数值范围表面传热系数的数值范围 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网991.4热辐射（Thermal radi

58、ation）1.4.1定义物体通过电磁波来传递热量的方式。 物体的温度越高、辐射能力越物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种强；若物体的种 类不同、表面类不同、表面状况不同，其辐射能力不同状况不同，其辐射能力不同辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递传递 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网100 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网1011.4.2辐射换热的特点不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量质的存在，在真空中就可以传递能量无论温度高低，物体都在不停地相互发

59、射电无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总总的结果是热由高温传到的结果是热由高温传到低温。低温。 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能1021.4.3.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物黑体：能全部吸收投射到其

60、表面辐射能的物体。体。 或称绝对黑体。或称绝对黑体。（Black bodyBlack body）黑体的辐射能力与吸收能力最强黑体的辐射能力与吸收能力最强Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his lifes work was in vain. 河南省压力容器技术协作网河南省压力容器技术协作网103黑体向外发射的辐射能：黑体向外发射的辐射能：24mW TEbb 绝对黑体辐射力绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度）黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬斯蒂芬- -玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，