传热过程基础知识

第五章传热过程基础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，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，符合化学反应或单元操作的需要2.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，进行热量的综合回收利用。2023/1/2415.1.2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：5.1.2.1.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。2023/1/242从微观角度看，气体、液体、导电固体和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。2023/1/243液体：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。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。2023/1/2445.1.2.2.热对流(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。2023/1/245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(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(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。2023/1/2465.1.2.3.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。2023/1/2475.1.3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。2023/1/248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：S=πdL2023/1/2492.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，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(管方)流体；流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳程(壳方)流体。2023/1/2410若流流体体只只在在管管程程内内流流过过一一次次的的，，称称为为单单管管程程；；只只在在壳壳程程内内流流过过一一次次的的，，称称为为单单壳壳程程。若列列管管换换热热器器的的传传热热面面积积较较大大，，而而需需要要的的管管数数很很多多时时，，有有时时流流体体在在管管内内的的流流速速便便较较低低，，结结果果使使流流体体的的对对流流传传热热系系数数减减小小。。为为了了提提高高管管程程流流速速，，可可在在换换热热器器封封头头内内设设置置隔隔板板，，将将全全部部管管子子平平均均分分成成若若干干组组，，流流体体在在管管束束内内来来回回流流过过多多次次后后排排出出，，称称为为多多(管管)程程列列管管式式换换热热器器，，如如图图示示。。程数数增增多多，，虽虽然然提提高高了了管管内内流流体体的的流流速速，，增增大大了了管管内内的的对对流流传传热热系系数数，，但但同同时时也也使使流流动动阻阻力力增增大大，，平平均均温温度度差差降降低低。。此此外外，，设设置置隔隔板板后后占占去去部部分分布布管管面面积积而而减减少少了了传传热热面面积积。。因因此此，，程程数数不不宜宜过过多多，，一一般般为为双双程程、、四四程程、、六六程程。。传热热面面积积：：S=nππdL2023/1/711传传热速速率与与热通通量衡量传传热的的快慢慢用传传热速速率及及热通通量表表示。。传热速速率q：单位时时间内内通过过传热热面的的热量量，W热通量量q/S：每单位位面积积的传传热速速率，，W/m2〖说明〗〗传热速速率和和热通通量是是评价价换热热器性性能的的重要要指标标。q↑，，换热器器性能能愈好好由于传传热面面积具具有不不同的的表示示形式式，因因此同同一传传热速速率所所对于于的热热通量量的数数值各各不相相同。。计算算时应应标明明选择择的基基准面面积。。对不同同的传传热方方式，，传热热速率率、热热通量量的名名称略略有差差异。。传热方式传热速率Q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传热热通量2023/1/712稳稳态传传热与与非稳稳态传传热稳态传传热：：温度度仅随随位置置变化化而不不随时时间变变化的的传热热方式式。显著特点是是传热热速率率q为常量量。连续传传热过过程属属于稳稳态传传热。。非稳态态传热热：温温度既既随位位置变变化又又随时时间变变化的的传热热方式式。显著特点是是传热热速率率q为变量量。间歇传传热过过程属属于非非稳态态传热热。2023/1/7135.3热热传传导导热热传导的的基本概概念5.3.1.1温度度场一物体或或系统内内部，只只要各点点存在温温度差，，热就可可以从高高温点向向低温点点传导，，即产生生热流。。因此物物体或系系统内的的温度分分布情况况决定着着由热传传导方式式引起的的传热速速率(导导热速率率)温度场：：在任一瞬瞬间，物物体或系系统内各各点的温温度分布布总和。因此，温温度场内内任一点点的温度度为该点点位置和和时间的的函数，，即：t=f(x,y,z,θ)〖说明〗〗若温度场场内各点点的温度度随时间间变化，，此温度度场为非非稳态温温度场，，对应于于非稳态态的导热热状态。。t=f(x,y,z,θ)若温度场场内各点点的温度度不随时时间变化化，此温温度场为为稳态温温度场，，对应于于稳态的的导热状状态。t=f(x,y,z)若物体内内的温度度仅沿一一个坐标标方向发发生变化化，但不不随时间间变化，，此温度度场为一一维稳态态温度场场t=f(x)2023/1/7145.3.1.2等温面面在同一时刻，，具有相同温温度的各点组组成的面称为为等温面。因为在空间同同一点不可能能同时有两个个不同的温度度，所以温度不同的等等温面不会相相交。5.3.1.3温度梯梯度从任一点起沿沿等温面移动动，温度无变变化，故无热热量传递；而而沿和等温面面相交的任一一方向移动，，温度发生变变化，即有热热量传递。温温度随距离的的变化程度沿沿法向最大。。温度梯度：相邻两等温面面间温差△t与其距离△n之比的极限：t+Δttt-ΔtgradtQΔn〖说明〗温度梯度为向向量，其正方方向为温度增增加的方向，，与传热方向向相反。稳定的一维温温度场，温度度梯度可表示示为：2023/1/715热热传导基基本定律-傅立叶定律物体或系统内内导热速率的的产生，是由由于存在温度度梯度的结果果，且热流方方向和温度降降低的方向一一致，即与负负的温度梯度度方向一致，，后者称为温温度降度。傅立叶定律是是用以确定在在物体各点存存在温度差时时，因热传导导而产生的导导热速率大小小的定律。定义：通过等温面导导热速率，与与其等温面的的面积及温度度梯度成正比比：式中：dq－导热速率，WdS－等温表面的面面积，m2k－比例系数，称称为导热系数数，W/(m·℃℃)“－”－表示热流方向向与温度梯度度方向相反2023/1/7165.3.3导热热系数将傅立叶定定律整理，，得导热系系数定义式式：物理意义：：导热系数在在数值上等等于单位温温度梯度下下的热通量量。因此，导热热系数表征征物体导热热能力的大大小，是物物质的物性性常数之一一。其大小取决决于物质的的组成结构构、状态、、温度和压压强等。导热系数大大小由实验验测定，其其数值随状状态变化很很大。2023/1/717固固体的导热热系数金属：35～420W/(m··℃)，非金属：0.2～3.0W/(m·℃)固体中，金金属是最好好的导热体体。纯金属：t↑，k↓↓金属：纯纯度↑，k↑非金属：ρ，t↑↑，k↑〖说明〗对大多数固固体，k值与温度大大致成线性性关系：式中：k－固体在温度度为t℃时的导热系系数，W/(m··℃)k0－固体在温温度为0℃时的导热系系数，W/(m··℃)β－温度系数。。大多数金属属：β<0大多数非金金属：β>02023/1/718在热热传传导导计计算算中中，，用用物物体体的的平平均均导导热热系系数数代代替替各各点点处处的的导导热热系系数数，，以以简简化化计计算算，，引引起起的的误误差差很很小小。。方方法法：：液液体体的的导导热热系系数数液体体导导热热系系数数：：0.07～～0.7W/(m··℃℃)t↑↑，，k↓↓(水、、甘甘油油除除外外)金属属液液体体：：其其k比一一般般液液体体高高，，其其中中纯纯Na最高高非金金属属液液体体：：纯纯液液体体的的k比其其溶溶液液的的大大在缺缺乏乏实实验验数数据据时时，，溶溶液液的的导导热热系系数数可可按按经经验验公公式式估估算算，，导导热热系系数数估估算算式式为为：：有机机化化合合物物水水溶溶液液：：km=0.9∑∑aiki有机机化化合合物物的的互互溶溶混混合合液液：：km=∑∑aikiai－组分分i的质质量量分分率率2023/1/7195.3.3.3气体的的导热系数气体的导热系系数：0.006～0.67W/(m·℃℃)温度的影响：：t↑，k↑↑P的影响一般压强范围围内，k随压强变化很很小，可忽略略过高(>2××105kPa)、过低(<3kPa)时，P↑，k↑↑气体的导热系系数小，对导导热不利，但但有利于保温温、绝热常压下气体混混合物的导热热系数的估算算式：式中：yi－组分i的摩尔分率Mi－组分i的分子量，kg/kmol2023/1/720平平壁壁的稳稳态热热传导导单单层平平壁的的稳态态热传传导前提条条件：：平壁内内材料料均匀匀，导导热系系数k取平均均值为为常数数；平壁内内温度度只沿沿垂直直于壁壁面的的x方向变变化，，等温温面均均为垂垂直于于x轴的平平面平壁两两侧温温度分分别为为t1、t2，且不随随时间间而变变化，，过程程为稳稳态一一维热热传导导，导导热速速率q为常量量。S>>b,故从壁壁的边边缘处处损失失的热热量可可忽略略，S为常量量。傅立叶叶定律律可简简化为为：SQbt1t22023/1/721积分限：x=0~b，t=t1~t2积分txb0t1t2〖说明〗推动力为Δt，阻力为R(R′)导热速率与与温度差、、传热面积积、导热系系数成正比比，而与平平壁厚度成成反比。k↓，R↑↑；q＝常数时，Δt∝Rk＝常数：t=f(x)为直线；k=k0(1+βt)：t=f(x)为曲线热阻概念的的应用：计算界面温温度或物体体内温度分分布从温度分布布判断各部部分热阻的的大小2023/1/722单层平壁热热传导计算算举例例某平平壁厚度为为0.37m，内表面温度度t1为1650℃，外表表面温度t2为300℃℃，平壁材材料导热系系数k=0.815+0.00076t(t的单位为℃℃，k的单位为W/(m··℃))。若将将导热系数数分别按常常量和变量量处理时，，试求平壁壁的温度分分布关系式式和导热热热通量。解：(1)导热系数按按常量处理理结论：导热热系数按常常量处理时时，温度分分布为直线线txtt1t2bx02023/1/723(2)导导热系数数按变量量处理结论：导导热系数数按变量量处理时时，温度度分布为为曲线txtt1t2bx02023/1/7245.3.4.2多层层平壁的的稳态热热传导以三层平平壁为例例。前提条件件：层间接触触良好，，即相互互接触的的两表面面温度相相同，且且t1>t2>t3>t4各层平壁面积积均为S，厚度分别为b1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各层导热系数数为常数，分分别为k1、k2、k3传热为稳态一一维热传导：：q1=q2=q3=q据此，由傅立立叶定律，得得：2023/1/7252023/1/726〖说明〗〗多层平平壁热热传导导的总总推动动力为为各层层温度度差之之和，，即总总温度度差；；总热热阻为为各层层热阻阻之和和。q计>q测：(t1-tn+1)一定，，q↓，，∑R↑。。说明实实际情情况层层间接接触不不良，，存在在附加加的热热阻t1>tn+1，q>0，，热量损损失t1<tn+1，q<0，，冷量损损失q=常数时时，Δt1:ΔΔt2:ΔΔt3=R1:R2:R32023/1/727多层平平壁热热传导导计算算举例例例4-1某某冷冷库的的墙壁壁由三三层材材料构构成，，内层层为软软木，，厚15mm，，导热系系数0.043W/(m··℃)，中层为为石棉棉板，，厚40mm,导热系系数0.10W/(m·℃℃)，，外层为为混凝凝土，，厚200mm,导热系系数1.3W/(m·℃℃)，，测得内内墙表表面为为-18℃℃，外外墙表表面温温度为为24℃，，计算算每平平方米米墙面面的冷冷损失失量；；若将将内、、中层层材料料互换换而厚厚度不不变，，冷损损失量量将如如何变变化。。解:t1＝-18℃℃,t4=24℃,k1=0.043W/(m··℃),k2=0.10W/(m··℃),k3=1.3W/(m··℃℃)t1＝-18℃℃,t4=24℃℃,k1′=0.10W/(m··℃℃),k2′=0.043W/(m··℃℃),k3=1.3W/(m··℃℃)互换换材材料料后后，，由由于于导导热热热热阻阻的的增增大大，，使使得得冷冷量量损损失失减减少少。。在在使使用用多多层层材材料料保保温温时时要要注注意意热热阻阻的的分分配配。2023/1/728圆圆筒筒壁壁的的稳稳态态热热传传导导化工生产产中常见见的为圆圆筒壁(圆管)的热传传导，其其特点是是温度随半半径变化化，传热面积积也随半半径变化化，均非常量。5.3.5.1单层层圆筒壁壁的稳态态热传导导Qdrrr1r2t1t2L前提条件件：圆筒内、、外半径径分别为为r1和r2，长度为L，内外壁温温度t1>t2，，在圆筒壁壁半径r处沿半径径方向取取微元厚厚度dr的圆筒壁壁，其传传热面积积：S=2ππrL圆筒很长长，沿轴轴向散失失热量可可以忽略略，温度度仅沿半半径方向向变化，，为一维维稳态热热传导。。圆筒壁材材质均匀匀，导热热系数k为常数2023/1/729单层圆筒壁导热速率计算式2023/1/730〖说明明〗当圆筒筒壁两两侧温温度不不变时时，传传热速速率q为常量量，但但由于于S与r有关，，故热热通量量q/S不再是是常量量，而而q/L保持常常量；；在任一一半径径r处，温温度表表示为为:表明温温度沿沿r方向为为对数数曲线线分布布；表明导导热速速率与与推动动力△△t成正比比，而而与导导热热热阻R成反比比。误差不不超过过4％％，工工程上上允许许。2023/1/731单层圆圆筒壁壁导热热计算算举例例例4-2在在外外径为为133mm的蒸汽汽管道道外包包扎一一层石石棉保保温材材料，，导热热系数数为0.2W/(m··℃)，蒸汽管管外壁壁温度度为160℃，，要求求保温温层外外侧温温度40℃℃，若若每米米管长长热损损失控控制在在240W/m下，求求保温温层厚厚度。。解：单单层圆圆筒壁壁热传传导速速率方方程故保温温层厚厚度b=r2-r1＝0.125-0.0665＝0.058m2023/1/732多多层圆筒壁壁稳态热传传导以三层为例例。前提条件：：各层间接触触良好各层导热系系数k1、k2、k3均为常数一维稳态热热传导据多层平壁壁热传导计计算公式：：2023/1/7332023/1/734〖说明〗多层圆筒壁热热传导的总推推动力为各层层温度差之和和，总热阻为为各层热阻之之和。总的导热速率率与总推动力力成正比，而而和总阻力成成反比。对各各层，同样有有温差与热阻阻成正比。不论圆筒壁由由多少层组成成，通过各层层导热速率Q和Q/L为常量，但q不为常量；其中每一层的的温度分布为为曲线，但各各层分布曲线线不同；2023/1/7355.4对对流流传传热热对对流流传传热热机机理理对流流传传热热，，指指流流体体与与固固体体壁壁面面直直接接接接触触时时的的传传热热，是是流流体体的的对对流流与与导导热热两两者者共共同同作作用用的的结结果果。。其其传热热速速率率与与流流动动状状况况有有密密切切关关系系。考察察湍湍流流流流体体：：流体体流流过过固固体体壁壁面面时时，，由由于于流流体体的的粘粘性性作作用用，，使使靠近近固固体体壁壁面面附附近近存存在在一一薄薄滞滞流流底底层层。在在此此薄薄层层内内，，沿沿壁壁面面的的法法线线方方向向没没有有热热对对流流，，该该方方向向上上热热的的传传递递仅仅为为热热传传导导。。由由于于流流体体的的导导热热系系数数较较低低，，使使滞滞流流底底层层中中的的导导热热热热阻阻很很大大，，因因此此该该层层中中温温度度差差较较大大，，即即温度度梯梯度度较较大大。在湍流流主主体体中，，由由于于流流体体质质点点的的剧剧烈烈混混合合并并充充满满漩漩涡涡，，因因此此湍湍流流主主体体中中温温度度差差及及温温度度梯梯度度极极小小，，各处处的的温温度度基基本本相相同同。在湍湍流流主主体体与与滞滞流流底底层层的的过渡渡层层中中，热热传传导导和和热热对对流流均均起起作作用用，，在在该该层层内内温度度发发生生了了缓缓慢慢的的变变化化。2023/1/736在热流流体的的湍流流主体体中，，由于于流体体质点点充分分混合合，温温度基基本一一致，，即图图中T；在过渡渡层中中，温温度由由T缓慢下下降至至Tw；在滞流流底层层中，，由于于热阻阻较大大，温温度由由Tw急剧下下降至至Ts，再往右右，通通过管管壁，，因其其材料料为金金属，，热阻阻较小小，因因此，，管壁壁两侧侧的温温度Ts和ts相差很很小。。此后后，在在冷流流体中中，又又顺序序通过过滞流流底层层、过过渡层层而到到达湍湍流主主体，，温度度由ts经tw下降至至t。在计算算传热热量时时，一一般用用易于于测量量的平平均温温度Tb和tb代替截截面上上最高高、最最低温温度T和t。TtTwtwTsts图示即即为温温度在在湍流流流体体中的的分布布情况况。由以上上分析析可知知，对流传传热的的热阻阻主要要集中中在滞滞流底底层中中，因因此，，减薄薄滞流流底层层的厚厚度是是强化化对流流传热热的重重要途途径。Tbtb2023/1/7375.4.2热边界界层及对流流传热系数数流流体流过平平板时的热热边界层与流动边界界层相似，，若流体自自由流的温温度和壁面面温度不同同，就会形形成热边界界层，也称称温度边界界层。当温度为t0的流体在表表面温度为为tw的平板上流流过时，流流体和板间间将进行换换热。实验验表明，大大多数情况况下(导热热系数很大大的流体除除外)，流流体的温度度也和速度度一样，仅仅在靠近板板面的滞流流层中有显显著的变化化，即在此此薄层中存存在温度梯梯度，将此此薄流体层层定义为热热边界层。。热边界层层以外的区区域，流体体温度基本本相同，温温度梯度可可视为零。。显然，热热边界层是是进行对流流传热的主主要区域。。如图示，曲曲线1表示示流体呈滞滞流时在平平板上的流流动边界层层的发展过过程。u0,t0∞t0ttsδtδ1x02曲线2表示示流体呈滞滞流，且在在离平板起起点x0处开始传热热时热边界界层的发展展过程。大多数情况况下，流动动边界层的的厚度δ大于热边界界层厚度δt。通常规定ts-t=0.99(ts-t0)处为热边边界层的的界限(t为某处热热边界层层上的温温度)。。2023/1/7385.4.2.2流体体流过圆圆管时的的热边界界层流体以速度u0和温度t0进入管内，因因受壁面温度度的影响，热热边界层的厚厚度由进口的的零值逐渐增增加，经过一一定距离后，，在管中心汇汇合。流体由由管进口至汇汇合点的轴向向距离称为传传热进口段。。超过汇合点点后，温度分分布趋于平坦坦，此时热边边界层的厚度度等于管子的的半径。2023/1/7395.4.2.3对流传传热系数据前分析，对对流传热是一一复杂的过程程，包括流体体中的热传导导、热对流及及壁面的热传传导过程，因因而影响对流流传热速率的的因素很多。。由于过程复复杂，进行纯纯理论计算是是相当困难的的，故目前工工程上采用半半经验方法处处理，将许多多复杂影响因因素归纳到比比例系数h内。对对流传热速率率方程将湍流主体区区和滞流底层层的温度梯度度曲线延长，，其交点与壁壁面距离为δ′，此膜层称为虚虚拟膜或有效效膜。湍流主体区过渡区滞流底层虚拟膜δ′说明这是一集集中了全部传传热温差以导导热方式传热热的膜层，其其温度梯度为为牛顿冷却定律律式中：dq—局部对流传热热速率，W；dS—微分传传热面面积；；m2；△t—换热器器任一一截面面上流流体的的传热热温度度差，，℃；；h——局部对对流传传热系系数，，W/(m2·℃)。2023/1/740〖说说明明〗〗1.h取平平均均值值在换换热热器器中中，，局局部部对对流流传传热热系系数数h随管管长长而而变变化化，，但但在在工工程程计计算算中中，，常常使使用用平平均均对对流流传传热热系系数数，，一一般般也也用用h表示示，，此此时时牛牛顿顿冷冷却却定定律律可可表表示示为为：：q=hSΔΔt式中中：：q—对流流传传热热速速率率，，W；S—总传传热热面面积积；；m2；△t—流体体与与壁壁面面(或或反反之之)间间温温度度差差平平均均值值，，℃℃；；h—平均对流流传热系系数，W/(m2·℃)。2.牛顿冷却却定律的的具体表表达方式式与实际际换热情情况有关关换热器的的传热面面积有不不同的表表示方法法，流体体的流动动位置不不同，牛牛顿冷却却定律有有不同的的写法。。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、壳程程：dq=ho(ts-tb)dSo可见，对流传传热系数是和和传热面积及及温度差相对对应的2023/1/7415.4.2.3.2对流传传热系数定义式一：：据牛顿冷却却定律得即：在单位温度度差下，对对流传热系系数在数值值上等于由由对流传热热参数的热热通量。但该式并未未揭示出影影响对流传传热系数或或对流传热热速率的因因素，所以以无法通过过此式计算算对流传热热系数h。定义式二：：据前述，在在壁面附近近的滞流底底层中，传传热方式只只有热传导导，故传热热速率方程程可以用傅傅立叶定律律表示，即即：说明：对于于一定的流流体和温度度差，只要要知道壁面面附近流体体层的温度度梯度，就就能求得h。可见，此式式是在理论论上分析和和计算h的基础。2023/1/742〖说明〗热边界层的的厚薄，影影响层内的的温度分布布，因而影影响温度梯梯度。当热边界层层内、外侧侧温度差一一定时：而热边界层层的厚薄，，受流动边边界层的剧剧烈影响。。〖结论〗减薄热边界界层的厚度度，有利于于对流传热热过程的进进行。2023/1/743对对流传热热过程的量纲纲分析5.4.4.1对流流传热系数的的影响因素对流传热是流流体在外界条条件作用下，，在一定几何何形状、尺寸寸的设备中流流动时与固体体壁面之间的的传热过程，，因此影响h的主要因素是是：1.流体的种种类和相变化化情况h气体<h液体h有相变>h无相变2.流体的物物性对h影响较大的流流体物性有导导热系数k、粘度μ、比热Cp、密度ρ及对自然对流流影响较大的的体积膨胀系系数β。具体地：k↑、μ↓、、Cp↑、、ρ↑、ββ↑→→h↑2023/1/7443.流体的温温度流体温度对对对流传热的影影响表现在流流体温度与壁壁面温度之差差Δt，流体物性随温温度变化程度度及附加自然然对流等方面面的综合影响响。故计算中中要修正温度度对物性的影影响。在传热热计算过程中中，当温度发发生变化时用用以确定物性性所规定的温温度称为定性性温度。4.流体的流流动状态流体呈湍流流时，随着Re的增加，滞流流底层的厚度度减薄，阻力力降低，h增大。流体呈呈滞流时，流流体在热流方方向上基本没没有混杂作用用，故h较湍流时小。。即：h滞流<h湍流5.流体流动动的原因自然对流：由由于流体内部部存在温度差差，因而各部部分的流体密密度不同，引引起流体质点点的相对位移移。强制对流：由由于外来的作作用，迫使流流体流动。h自然对流<h强制对流2023/1/7455.4.4.2对流流传热过程的的l量纲分析6.传热面的的形状、位置置和大小传热壁面的几几何因素对流流体沿壁面的的流动状态、、速度分布和和温度分布都都有较大影响响，从而影响响对流传热。。如流体流过过平板与管内内的流动就不不同，在自然然对流时垂直直热表面侧的的流体就比水水平热表面下下面的流体自自然对流条件件要好。因此此必须考虑传传热面的特定定几何条件对对传热的影响响，一般采用用对对流传热热有决定性影影响的特征尺尺寸作为计算算依据，称为为定性尺寸。。由于影响对流流传热系数的的因素众多而而复杂，因此此不可能用一一个通式来描描述，为此首首先进行理论论分析，将众众多的影响因因素组合成若若干无量纲数数群(准数)，然后用实实验的方法确确定这些准数数间关系，从从而建立相应应的关联式。。本节采用白金金汉法处理对对流传热问题题，适用于变变量较多的情情况。2023/1/746流流体无无相变变时的的强制制对流流传热热过程程步骤：：1.列列出影影响该该过程程的物物理量量据理论论分析析及实实验研研究，，知影影响h的因素素有：：定性性尺寸寸l，流体的的密度度ρ，粘度μ，比热Cp，，导热系系数k，流速u，可将其其表示示为：：h＝f(l,ρρ，，μ，，Cp，k，u)2.确确定准准数数数目π定理：：任何何一个个量纲纲一致致的物物理方方程都都可表表示成成一个个隐函函数的的形式式，即即：f(ππ1,ππ2,ππ3，·····，，πi)=0其中：：i=j-mi—无量纲纲准数数的数数目j－变量数数m－基本量量纲数数(长长度L、质量M、时间θ、温度T)∴i=7-4=3有三个个准数数2023/1/7473.确定定各准数数的形式式(1)列列出各物物理量的的量纲(2)选选择m(即4)个个共同物物理量选择时遵遵循的原原则：不能包括括待求的的物理量量－－如如不能选选h不能同时时选用量量纲相同同的物理理量－－－如不能能选d,l选择的共共同物理理量中应应包括该该过程中中所有的的基本量量纲－－－如不能能选l,u,ρ,μμ，因为不包包括量纲纲T据此，选选择l,k,ρ,μμ,u为3个无无量纲准准数的共共同物理理量LukCpμρlh2023/1/748(3)量量纲分析析将共同物物理量与与余下的的物理量量分别组组成无量量纲数群群，即流体无相变时强制对流传热时的准数关联式2023/1/749自自然对对流传热热过程通过实验验进一步步确定出出具体的的准数关关联式自然对流流中，引引起流动动的原因因是单位位体积流流体的升升力，大大小为ρgβΔΔt，其它因素素与强制制对流相相同，故故一般函函数表达达式为：：h＝f(l,ρρ，μμ，Cp，k，，ρgβΔt)方法同前前，可得得：4.确定定具体的的准数关关联式通过实验验进一步步确定出出具体的的准数关关联式2023/1/750各准数的的名称、、符合、、意义如如下：准数式符号名称意义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2023/1/7515.4.4.2.3应用准准数关联式式应注意的的问题对应各种不不同情况下下的对流传传热的具体体函数关系系是由实验验确定的，，在整理实实验结果及及使用方程程式中应注注意以下问问题：1.应用范范围关联式中Re、Pr、Gr等准数的数数值范围等等。2.定性温温度各准数中决决定物性参参数的温度度，有3种种表示方法法：取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2为定性温度度取壁面平均均温度t=(tw+Tw)/2为定性温度度取流体和壁壁面的平均均温度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2为定性温度度壁温多为未未知数，需需用试差法法，故工程程上多用第第一种方法法3.特征尺尺寸无量纲准数数Nu、Re等中所包含含的传热面面尺寸称为为特征尺寸寸l。通常选取对对流体流动动和传热发发生主要影影响的尺寸寸作为特征征尺寸。2023/1/7525.4.5流体体无相变时时的对流传传热系数流流体在管内内作强制对对流1.流体在在圆管内作作强制湍流流(1)低粘粘度流体(μ<2×10-3Pa·s的气体及大大部分液体体)2023/1/753(2)高高粘粘度度流流体体2023/1/7542.流体在圆圆形直管内强强制滞流2023/1/7553流体在圆圆形直管内呈呈过渡流当流体在管内内呈过渡状态态流动时，即即2300<Re<10000，其传热情况比比较复杂。通通常先按湍流流时的公式计计算，然后再再将计算结果果乘以一小于于1的修正系系数φ，即：4流体在圆圆形弯管内强强制对流流体流过弯管管时，将受到到离心力的作作用，致使湍湍动程度加大大。在同样Re数下，对流传传热系数较直直管中为大，，因此先按直直管计算，然然后再乘以一一大于1的校校正系数，即即：其中：h’－弯管中的对流流传热系数，，W/(m2·℃)h－直管中的对流流传热系数，，W/(m2·℃)r’－弯管轴的弯曲曲半径，m5.流体在在非圆形管中中强制对流流体在非圆形形管中呈强制制湍流、过渡渡流以及层流流时，仍可应应用上述相应应的关联式进进行计算，只只将其中管子子内径di用当量直径de代替即可。2023/1/756准数关关联式式计算算示例例例4-13列管换换热器器由254根φ25×2.5mm，长6m的钢管管组成成，用用饱和和水蒸蒸汽加加热管管内流流动的的苯，，苯的的流量量为50kg/s，进出口口温度度分别别为20℃和80℃，试试求管管内苯苯的对对流传传热系系数。。若将将苯的的流量量增加加50%，而仍仍维持持原来来的出出口温温度，，对流流传热热系数数将如如何变变化。。解：定定性温温度t=(20+80)/2=50℃，查得苯苯的物物性数数据：：ρ=860kg/m3，cP=1.80kJ/kg·℃，，μ=0.45×10-3Pa·s，k=0.14W/m·℃2023/1/7572023/1/758二、流体体在管外外强制对对流时对对流传热热准数关关联式1流体在在管束外外强制垂垂直流动动管束的排排列方式式有直列列和错列列两种，，错列中中又有正正方形和和等边三三角形两两种。直列正方形错错列等边三角角形错列列2023/1/7592流体体在列管管式换热热器管间间流动当流体流流过换热热器管间间时，由由于壳体体是圆筒筒，管束束中各列列的管数数不等，，且一般般都安装装有折流流挡板，，故流体体在换热热器壳程程流动时时，流向向和流速速的不断断变化，，使得Re>100时即可能能形成湍湍流，对对流传热热系数加加大。折折流挡板板的形式式较多，，最常用用的是圆圆缺形挡挡板。(1)换换热器内内装有圆圆缺形挡挡板(缺缺口面积积为25%的壳壳体内截截面)时时，壳壳程流体体的h关联式多诺呼法法2023/1/760凯恩法(2)无折流流挡板按管内强制对对流公式计算算，将di用管间当量直直径de代替即可。2023/1/761三、自然对流流时对流传热热系数关联式式自然对流时的的对流传热系系数仅与反映映流体自然对对流状况的Gr准数及Pr准数，其准数数关联式可表表示为：Nu＝Ｃ(Ｇr·Pr)n定性温度取膜膜温，即壁温温与流体平均均温度的算术术平均值。式中的系数C和指数n值加热表面形状特征尺寸Ｇr·PrCn水平圆管外径do104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/32023/1/762准数关联式式计算示例例例4-4一一水平蒸蒸汽管，长长20m，外径为159mm，管外壁温度度为120℃，周围围空气温度度为20℃℃，计算该该管段由于于自然对流流散失的热热量。定性温度：：t＝(120+20)/2＝70℃70℃下空气物性性：ρ＝1.03kg/m3，μ＝2.06×10-5Pa·sk＝0.0297W/m·K，β＝1/(273+70)=1/3401/K，Pr＝0.6942023/1/763流流体体有有相相变变时时的的对对流流传传热热系系数数蒸汽汽冷冷凝凝和和液液体体沸沸腾腾都都是是伴伴有有相相变变化化的的对对流流传传热热过过程程。。这这类类传传热热过过程程的的特特点点是是相相变变流流体体要要放放出出或或吸吸收收大大量量的的潜潜热热，，但但流流体体温温度度基基本本不不变变。。因因此此在在壁壁面面附附近近流流体体层层中中的的温温度度梯梯度度较较高高，，从从而而对对流流传传热热系系数数比比无无相相变变时时的的更更大大。。蒸蒸汽汽冷冷凝凝传传热热当饱饱和和蒸蒸汽汽和和低低于于饱饱和和温温度度的的壁壁面面相相接接触触时时，，将将放放出出潜潜热热，，冷冷凝凝成成液液体体而而使使另另一一侧侧的的流流体体被被加加热热。。因因此此生生产产上上常常将将蒸蒸汽汽冷冷凝凝作作为为一一种种加加热热的的方方式式，，其其优优点点是是：：(1)饱饱和和蒸蒸汽汽具具有有恒恒定定的的温温度度，，操操作作时时易易于于控控制制；；(2)蒸蒸汽汽冷冷凝凝的的对对流流传传热热系系数数较较无无相相变变时时大大得得多多。。这这是是因因为为蒸蒸汽汽在在壁壁面面上上冷冷凝凝的的同同时时，，蒸蒸汽汽将将迅迅速速流流到到壁壁面面补补充充空空位位，，汽汽相相主主体体与与壁壁面面间间温温差差极极小小，，因因此此饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝时时汽汽相相中中几几乎乎无无温温差差存存在在，，致致使使液液膜膜中中温温度度梯梯度度极极大大。。2023/1/7641.蒸汽汽冷凝方方式蒸气冷凝凝时，根根据其冷冷凝液是是否能够够润湿壁壁面分成成两种方方式：(1)膜膜状冷凝凝：若冷冷凝液能能够完全全润湿壁壁面，则则将在壁壁面上形形成一层层连续的的液膜，，并向下下流动。。壁面完完全被冷冷凝液所所覆盖，，蒸汽只只能在液液膜表面面上冷凝凝，与壁壁面不进进行直接接接触，，冷凝潜潜热只能能以导热热和对流流的方式式通过液液膜传给给壁面。。因蒸汽冷冷凝时有有相的变变化，一一般热阻阻很小，，故冷凝凝液膜就就成为冷冷凝的主主要热阻阻。若冷凝液液膜在重重力作用用下沿壁壁面向下下流动，，则所形形成的液液膜愈往往下愈厚厚，所以以壁面越越高或对对片水平平放置的的管径越越大，则则整个壁壁面的平平均对流流传热系系数也越越小。冷凝液润润湿壁面面的能力力取决于于其表面面张力和和对壁面面附着力力的关系系，当附附着力大大于表面面张力时时则会形形成膜状状冷凝。。2023/1/765(2)滴滴状冷凝凝若冷凝液液不能够够润湿壁壁面，则则由于表表面张力力的作用用，在壁壁面上形形成液滴滴，液滴滴长大到到一定程程度后而而脱落壁壁面，这这种形式式称为滴滴状冷凝凝。此时时壁面常常有大部部分裸露露的冷表表面直接接和蒸汽汽接触，，由于没没有液膜膜阻碍热热流，所所以其热热阻很小小，因而而对流传传热系数数要比膜膜状冷凝凝高出5～10倍。滴状冷凝凝虽然比比膜状冷冷凝传热热效果好好，但在在工业上上很难实实现，因因此生产产中大多多为膜状状冷凝。。2023/1/7662.膜状冷冷凝对流传传热系数冷凝液膜的的流动也可可分为滞流流和湍流两两种流型，，判断流型型也可用Re，而Re常常表示为为冷凝负荷荷M的函数，即即：Re=f(M)。冷凝负荷M：单位时间单单位长度润润湿周边上上流过的冷冷凝液量，，kg/(m·s)设液膜流通通截面积为为Am2，润湿周边长长为bm,冷凝液质量量流量为Wkg/s，则：(1)蒸汽汽在水平管管(或管束束)外冷凝凝2023/1/767(2)蒸汽汽在垂直管管外(或板板上)冷凝凝计算步骤(试差法)假设一种流流型选择公式计计算h计算热负荷荷q=hoSo(ts-tw)计算质量流流量W=q/r计算冷凝负负荷M=W/b计算Re并校核2023/1/7683.影响响冷凝传传热的因因素液膜两侧侧的温度度差：Δt↑，，q↑，，δ↑，，h↓流体的物物性：传传热冷凝凝液的密密度越大大，粘度度越小，，则液膜膜的厚度度越小，，因而冷冷凝对流流传热系系数h越大。导导热系数数大也有有利于传传热，冷冷凝潜热热大，则则在同样样的热负负荷下冷冷凝液减减少，液液膜变薄薄，h增大蒸汽的流流速和流流向：当当蒸汽流流速较大大时，蒸蒸汽与液液膜间的的摩擦作作用不能能忽略。。若蒸汽汽和液膜膜的流向向相同，，这种作作用将使使液膜减减薄并促促使其产产生一定定波动，，因而使使h增大。若若逆向流流动，这这种作用用会阻碍碍液膜流流动，使使其增厚厚导致传传热恶化化。但当当这种作作用超过过重力作作用时液液膜会被被蒸汽带带动而脱脱离壁面面，反而而使h急剧增大大。2023/1/769不凝性气体的的影响：蒸汽汽冷凝时不凝凝性气体将在在液膜表面形形成一层气体体膜，由于其其导热系数很很小，使热阻阻增大，h大为降低。当当蒸汽中不凝凝性气体含量量为1%时，可使冷凝凝时h降低60%左右。因此在在冷凝器的设设计和操作中中，都必须考考虑不凝气的的排除。冷凝壁面的影影响：冷凝凝液膜为膜状状冷凝的主要要热阻，设法法减薄其厚度度是强化传热热的关键，最最直接的方法法是从冷凝壁壁的高度和布布置方式上着着手。对水平平放置的列管管式冷凝器，，应减少垂直直方向上管排排的数目，或或采用斜转排排列方式，使使冷凝液尽量量沿管子的切切向流过。在在垂直壁面上上，开若干纵纵向凹槽，使使冷凝液沿凹凹槽流下，以以减薄壁面上上液膜的厚度度等方法均可可使冷疑时对对流传热系数数提高。2023/1/7705.4.8.2液体沸沸腾传热液体与高温壁壁面接触时被被加热，并产产生大量气泡泡变为蒸汽的的过程称为液液体沸腾。这这种传热方式式由于在加热热面上不断经经历着汽泡的的形成、长大大和脱离的过过程，造成对对壁面处流体体的强烈扰动动，因而对流流传热系数要要比无相变时时大。化工中中常用的蒸发发器、再沸器器、蒸汽锅炉炉等，都是通通过液体沸腾腾而产生蒸汽汽。液体在加热表表面上沸腾时时，按其沸腾腾所处的空间间可分为大容容器沸腾和管管内沸腾。大大容器沸腾是是指加热面被被沉浸在无宏宏观流动的液液体表面下所所产生的沸腾腾，这种情况况下汽泡脱离离表面后能自自由浮升，液液体的运动只只是由自然对对流和气泡扰扰动引起。当当液体以一定定流速在加热热管内流动时时的沸腾称为为管内沸腾，，此时产生的的汽泡不能自自由浮升，被被迫与液体一一起流动，也也称为强制对对流沸腾。2023/1/7711大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾曲曲线线↑hΔt=tw-tsA自然对流BB泡状沸腾CDEF膜状状沸沸腾腾(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段段当△△t<5℃℃时时，，h随随△△t缓缓慢慢增增大大，，此此时时紧紧贴贴加加热热面面液液体体的的过过热热度度很很低低，，不不足足以以产产生生汽汽泡泡，，传传热热依依靠靠自自然然对对流流进进行行，，液液体体中中无无汽汽泡泡产产生生，，只只在在液液体体表表面面上上发发生生蒸蒸发发，，此此段段h、、q都都较较低低，，该该段段称称为为自自然然对对流流阶阶段段。。(3)CD段段随汽汽泡泡增增多多，，加加热热面面被被蒸蒸汽汽膜膜覆覆盖盖区区域域增增加加，，直直接接与与液液体体相相接接触触的的加加热热面面不不断断减减少少，，h开开始始不不断断下下降降，，直直到到整整个个加加热热面面被被蒸蒸汽汽膜膜覆覆盖盖为为止止。。因因蒸蒸汽汽的的导导热热性性差差，，所所以以气气膜膜的的附附加加热热阻阻使使h、、q急急剧剧下下降降。。气气膜膜开开始始形形成成是是不不稳稳定定的的，，可可能能形形成成大大气气泡泡脱脱离离表表面面。。CD段段称称为为不不稳稳定定膜膜状状沸沸腾腾阶阶段段。。(4)DEF段段△t的的进进一一步步增增大大，，加加热热面面上上形形成成一一层层稳稳定定的的汽汽膜膜，，将将液液体体和和加加热热面面完完全全隔隔开开。。继继续续加加大大△△t会会使使壁壁温温愈愈来来愈愈高高，，辐辐射射传传热热的的作作用用不不断断增增强强，，故故h随随△△t增增大大而而增增大大。。该该阶阶段段的的沸沸腾腾称称为为稳稳定定的的膜膜状状沸沸腾腾阶阶段段。。显显然然各各个个阶阶段段具具有有不不同同的的传传热热机机理理，，在在BC段由由于于h大且