第三章 傳熱過程(第二講)

1、1 一、對流傳熱機理一、對流傳熱機理 對流傳熱是在流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)對流傳熱是在流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn) 象。它是依靠象。它是依靠流體質(zhì)點的移動流體質(zhì)點的移動進行熱量傳遞的，故與進行熱量傳遞的，故與 流體的流動狀況有密切的關(guān)系。無論是什么流動類型，流體的流動狀況有密切的關(guān)系。無論是什么流動類型， 其靠近壁面處為滯流流動，這層流體稱為滯流底層。其靠近壁面處為滯流流動，這層流體稱為滯流底層。 對流傳熱主要與滯流底層有關(guān)對流傳熱主要與滯流底層有關(guān)。 工業(yè)上，間壁式換熱器兩側(cè)流體與固體壁面之間工業(yè)上，間壁式換熱器兩側(cè)流體與固體壁面之間 的熱交換即為對流傳熱。的熱交換即為對流傳熱。流體

2、將熱量傳給固體壁面或流體將熱量傳給固體壁面或 者由壁面將熱量傳給流體的過程者由壁面將熱量傳給流體的過程。 第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱 2 如圖為熱流體與壁面對流傳熱如圖為熱流體與壁面對流傳熱 及壁面與冷流體的對流傳熱。工業(yè)及壁面與冷流體的對流傳熱。工業(yè) 上將對流傳熱的熱阻予以虛擬，折上將對流傳熱的熱阻予以虛擬，折 合為相當(dāng)厚度為合為相當(dāng)厚度為t的滯流底層熱阻，的滯流底層熱阻， 流體與壁面之間的溫度變化可認為流體與壁面之間的溫度變化可認為 全部發(fā)生在厚度為全部發(fā)生在厚度為t的一個膜層內(nèi)的一個膜層內(nèi)， 通常將這一存在溫度梯度的區(qū)域稱通常將這一存在溫度梯度的區(qū)域稱 為為傳熱邊界層傳熱邊界層。傳熱

3、邊界層以外，傳熱邊界層以外， 溫度是一致的、沒有熱阻溫度是一致的、沒有熱阻. 3 式中式中流體的熱導(dǎo)率，流體的熱導(dǎo)率， 11 KmW t傳熱邊界層厚度，傳熱邊界層厚度，m； t對流傳熱溫度差，對流傳熱溫度差， 或或 由于傳熱邊界層厚度難以確定，工程上定義：由于傳熱邊界層厚度難以確定，工程上定義： 該式稱為對流傳熱速率方程，也稱牛頓（該式稱為對流傳熱速率方程，也稱牛頓（Newton）冷卻定律）冷卻定律 或給熱方程，或給熱方程，a a為對流傳熱系數(shù)為對流傳熱系數(shù)，單位為，單位為 12 KmW 將對流傳熱歸結(jié)為傳熱邊界層的熱傳導(dǎo)，用熱傳導(dǎo)基本方將對流傳熱歸結(jié)為傳熱邊界層的熱傳導(dǎo)，用熱傳導(dǎo)基本方 程來

4、描述對流傳熱過程程來描述對流傳熱過程 t tA Q d dt AQ w TTt ttt w t a A t tAQ a a 1 4 二、對流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取二、對流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取 影響影響a a的因素很多，主要有以下幾個方面：的因素很多，主要有以下幾個方面： 1. 流體的流動型態(tài)流體的流動型態(tài) 流體流動型態(tài)對流動邊界層有較大影響，對流邊界層有流體流動型態(tài)對流動邊界層有較大影響，對流邊界層有 影響也較大，層流整個區(qū)域可視為熱邊界層，影響也較大，層流整個區(qū)域可視為熱邊界層，湍流程度越湍流程度越 大，熱邊界層越薄，當(dāng)溫度差一定時，對流傳熱系數(shù)增大大，熱邊界層越薄，當(dāng)溫度差一定時

5、，對流傳熱系數(shù)增大。 一般換熱流體都是在湍流形式下進行換熱（或攪拌情況進一般換熱流體都是在湍流形式下進行換熱（或攪拌情況進 行換熱）。行換熱）。 3. 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì) 如導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、膨脹系數(shù)、密度和粘度等，其中導(dǎo)熱如導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、膨脹系數(shù)、密度和粘度等，其中導(dǎo)熱 系數(shù)、熱容、密度、膨脹系數(shù)增大對傳熱有利；而粘度大，系數(shù)、熱容、密度、膨脹系數(shù)增大對傳熱有利；而粘度大， 則滯流層厚，對流傳熱系數(shù)變小。則滯流層厚，對流傳熱系數(shù)變小。 2. 流體的對流狀態(tài)：強制對流自然對流時流體的對流狀態(tài)：強制對流自然對流時a a為大。為大。 tA Q a t a 5 4. 傳熱的溫度傳熱的溫度

6、溫度對流體的物理性質(zhì)有顯著的影響溫度對流體的物理性質(zhì)有顯著的影響。因此，壁面和流體。因此，壁面和流體 的溫度以及兩者的溫度差對給熱系數(shù)有間接但是明顯的影響。的溫度以及兩者的溫度差對給熱系數(shù)有間接但是明顯的影響。 如如粘度隨溫度的升高而降低粘度隨溫度的升高而降低，在其他條件不變的情況下，熱，在其他條件不變的情況下，熱 邊界層減薄，有利于傳熱邊界層減薄，有利于傳熱 。因此在使用物理參數(shù)時，要考。因此在使用物理參數(shù)時，要考 慮溫度。慮溫度。 5. 流體傳熱時的相變化流體傳熱時的相變化 相變會引起與壁面接觸處流體的相變會引起與壁面接觸處流體的運動形式改變運動形式改變，如加劇攪動。，如加劇攪動。 一般來

7、講，一般來講，相變有利于傳熱相變有利于傳熱。這就是用蒸汽加熱的原因之一。這就是用蒸汽加熱的原因之一。 6 6. 壁面的形狀、排列方式和尺寸壁面的形狀、排列方式和尺寸 流體流過固體表面的狀況對流體流過固體表面的狀況對流體的流動有影響，同時影響流體的流動有影響，同時影響 熱邊界的形成和發(fā)展熱邊界的形成和發(fā)展。當(dāng)管長增加時，傳熱邊界層中溫度分。當(dāng)管長增加時，傳熱邊界層中溫度分 布將逐漸變得更為平坦，當(dāng)通過很長的管長時，溫度梯度會布將逐漸變得更為平坦，當(dāng)通過很長的管長時，溫度梯度會 消失，此時傳熱也就停止了。所以管子的尺寸和形狀對消失，此時傳熱也就停止了。所以管子的尺寸和形狀對有較有較 大的影響。管子

8、排列時：大的影響。管子排列時：錯列的錯列的a a高于直列高于直列 x2 x2 x2 x1 x1 x1 a、直列、直列 b、正三角錯列、正三角錯列 c、正方形錯列、正方形錯列 7 工程上采用因次分析的方法，將影響工程上采用因次分析的方法，將影響a a諸多因素組合諸多因素組合 成若干個無因次的特征數(shù)群，確定這些特征數(shù)在不同情況成若干個無因次的特征數(shù)群，確定這些特征數(shù)在不同情況 下的相互聯(lián)系，從而得到經(jīng)驗性的關(guān)聯(lián)公式。下的相互聯(lián)系，從而得到經(jīng)驗性的關(guān)聯(lián)公式。 （一）流體無相變過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取（一）流體無相變過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求取 描述對流傳熱過程的特征數(shù)關(guān)系為：描述對流傳熱過程的特征數(shù)關(guān)系為：

9、 cba GrKNuPrRe 各特征數(shù)的含義如下表所示各特征數(shù)的含義如下表所示 8 al Nu 表示對流傳熱系數(shù)的特征數(shù)表示對流傳熱系數(shù)的特征數(shù) 應(yīng)用準數(shù)關(guān)聯(lián)式時，必須確定：應(yīng)用準數(shù)關(guān)聯(lián)式時，必須確定： 1) 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 2) 特性尺寸特性尺寸 對流體運動或者傳熱發(fā)生主導(dǎo)影響的尺寸。管內(nèi)對流對流體運動或者傳熱發(fā)生主導(dǎo)影響的尺寸。管內(nèi)對流 傳熱取管內(nèi)徑；管外強制對流傳熱取管外徑；對非圓管取當(dāng)量直徑。傳熱取管內(nèi)徑；管外強制對流傳熱取管外徑；對非圓管取當(dāng)量直徑。 3）定性溫度）定性溫度 大多數(shù)取流體進出口溫度的算術(shù)平均值。溫度確定后，大多數(shù)取流體進出口溫度的算術(shù)平均值。溫度確定后， 查表確定物

10、性，有時應(yīng)用線性插值公式。查表確定物性，有時應(yīng)用線性插值公式。 9 當(dāng)流體被加熱時，當(dāng)流體被加熱時，m0.4；當(dāng)流體被冷卻時，；當(dāng)流體被冷卻時，m0.3。 長徑比長徑比 Ld50，適用于低粘度流體（小于，適用于低粘度流體（小于 2mPa.s），且過程中無相變化。），且過程中無相變化。 適用范圍：適用范圍： 對于流體在對于流體在圓管內(nèi)強制湍流圓管內(nèi)強制湍流對流傳熱對流傳熱 對對低粘度流體低粘度流體，a a的關(guān)聯(lián)式為的關(guān)聯(lián)式為 m d NuPrRe023. 0 8 . 0 a m p c dv d m d a 8 . 0 023. 0PrRe023. 0 8 . 0 ， 4 10Re ，120Pr

11、7 . 0 10 例例3-5 在一單程換熱器中用在一單程換熱器中用120的蒸汽將常壓空氣從的蒸汽將常壓空氣從20 加熱到加熱到80，管束為，管束為38mm3mm，蒸汽走殼程，空氣走管，蒸汽走殼程，空氣走管 程，其流速為程，其流速為14ms-1。求管壁對空氣的表面對流傳熱系數(shù)。求管壁對空氣的表面對流傳熱系數(shù)。 解解: 空氣的定性溫度為空氣的定性溫度為 t定 定=(20+80)/2=50 查查50下空氣的物性數(shù)據(jù)下空氣的物性數(shù)據(jù) Cp=1017 Jkg-1K-1 =1.9610-5 Pas=1093 kgm-3 =2.8310-2 Wm-1K-1 d=0.032 mv=14 ms-1 得得 249

12、83Re du 704. 0Pr p c 計算結(jié)果表明計算結(jié)果表明:空氣在管內(nèi)流動空氣在管內(nèi)流動Re10000, 120Pr0.7, 必然符合必然符合 下式的條件下式的條件 124 . 08 . 0 1 .58PrRe023. 0 KmW d a 11 液體通過固體壁面被加熱的液體通過固體壁面被加熱的 對流傳熱過程中，若伴有液對流傳熱過程中，若伴有液 相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部 產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程稱為產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程稱為 液體沸騰液體沸騰，又稱，又稱沸騰傳熱沸騰傳熱。 液體沸騰的情況因固體壁面液體沸騰的情況因固體壁面 溫度溫度tw與液體飽和溫度與液體飽和溫度ts之之

13、 間的差值而變化，如圖為水間的差值而變化，如圖為水 的沸騰曲線：的沸騰曲線： （二）流體有相變過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（二）流體有相變過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 化工生產(chǎn)中多見的相變給熱是化工生產(chǎn)中多見的相變給熱是液體受熱沸騰液體受熱沸騰和和飽和水蒸飽和水蒸 氣的冷凝氣的冷凝。 1. 液體的沸騰液體的沸騰 a a a 12 當(dāng)溫差較小時，加熱面上的液體僅產(chǎn)生當(dāng)溫差較小時，加熱面上的液體僅產(chǎn)生自然對流自然對流在液體在液體 表面蒸發(fā)，如圖中表面蒸發(fā)，如圖中AB段曲線；當(dāng)段曲線；當(dāng)t逐漸增高時，由于氣泡逐漸增高時，由于氣泡 的產(chǎn)生、脫離和上升對液體劇烈擾動，此段情況稱為的產(chǎn)生、脫離和上升對液體劇烈擾動，此段情況稱

14、為泡狀泡狀 沸騰沸騰； 工業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)生產(chǎn)中, 總是設(shè)法維持在泡狀沸騰下操作總是設(shè)法維持在泡狀沸騰下操作。 繼續(xù)增大繼續(xù)增大t時，產(chǎn)生的氣泡大大增多且產(chǎn)生的速度大時，產(chǎn)生的氣泡大大增多且產(chǎn)生的速度大 于脫離加熱表面的速度，形成一層不穩(wěn)定的水蒸氣膜，氣于脫離加熱表面的速度，形成一層不穩(wěn)定的水蒸氣膜，氣 膜的附加熱阻使膜的附加熱阻使q和和a a均急劇下降，傳熱面幾乎全部被氣膜均急劇下降，傳熱面幾乎全部被氣膜 覆蓋稱為覆蓋稱為膜狀沸騰膜狀沸騰。 13 飽和水蒸氣與溫度較低的固體壁面接觸時，水蒸氣放飽和水蒸氣與溫度較低的固體壁面接觸時，水蒸氣放 出熱量并在壁面上冷凝成液體出熱量并在壁面上冷凝成液體。表

15、面張力的作用而形成許。表面張力的作用而形成許 多液滴沿壁面落下，此種冷凝稱為多液滴沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝滴狀冷凝。若水蒸氣很。若水蒸氣很 好地潤濕壁面，冷凝液在壁面形成一層完整的液膜，稱為好地潤濕壁面，冷凝液在壁面形成一層完整的液膜，稱為 膜狀冷凝膜狀冷凝。 2. 水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝 滴狀冷凝的給熱系數(shù)比膜狀冷凝的給熱系數(shù)可高出數(shù)倍滴狀冷凝的給熱系數(shù)比膜狀冷凝的給熱系數(shù)可高出數(shù)倍 乃至數(shù)十倍。乃至數(shù)十倍。但是目前難以實現(xiàn)持久性滴狀冷凝，工業(yè)中但是目前難以實現(xiàn)持久性滴狀冷凝，工業(yè)中 遇到的大多是膜狀冷凝。遇到的大多是膜狀冷凝。 14 常見流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大致范圍常見流體的表面?zhèn)鳠嵯?/p>

16、數(shù)大致范圍 a aa a 15 1熱負荷及熱量衡算熱負荷及熱量衡算 生產(chǎn)工藝對換熱器換熱能力的要求，即單位時間內(nèi)需要對生產(chǎn)工藝對換熱器換熱能力的要求，即單位時間內(nèi)需要對 物料加入或取出的熱量稱為換熱器的工藝熱負荷物料加入或取出的熱量稱為換熱器的工藝熱負荷QL。 通過熱負荷的計算，可以確定換熱器所應(yīng)具有的通過熱負荷的計算，可以確定換熱器所應(yīng)具有的傳熱速率傳熱速率， 再依據(jù)此傳熱速率可計算換熱器所需的再依據(jù)此傳熱速率可計算換熱器所需的傳熱面積傳熱面積等。等。 （1）熱負荷）熱負荷 第四節(jié)第四節(jié) 間壁式熱交換器的計算間壁式熱交換器的計算 熱負荷的計算根據(jù)工藝特點有兩種情況：熱負荷的計算根據(jù)工藝特點有

17、兩種情況： 流體在傳熱中只有相變的場合流體在傳熱中只有相變的場合 rW L Q 式中式中 W流體的質(zhì)量流量，流體的質(zhì)量流量，kgs-1； r流體的相變熱流體的相變熱kJkg-1 16 流體在傳熱中僅有溫度變化流體在傳熱中僅有溫度變化不發(fā)生相變不發(fā)生相變的場合的場合 QL=Wcp(t2-t1) 式中式中cp流體的比定壓熱容，流體的比定壓熱容，kJkg-1K-1； t1，t2流體傳熱前后的溫度，流體傳熱前后的溫度，K； 若換熱器中兩種流體若換熱器中兩種流體無相變化無相變化，且流體的，且流體的定壓比熱不隨溫度變定壓比熱不隨溫度變 化化或可取平均溫度下的定壓比熱時：或可取平均溫度下的定壓比熱時： （2

18、）熱量衡算）熱量衡算 12,21, QttcWTTcW cpchphL 17 式中式中QL換熱器的熱負荷，換熱器的熱負荷，kJs-1； , , p hp c cc 分別指熱、冷流體的比定壓熱容，分別指熱、冷流體的比定壓熱容，kJkg-1K-1； 1221 , ,T T t t 分別指熱流體的進、出口溫度和冷流體的進、出口分別指熱流體的進、出口溫度和冷流體的進、出口 溫度，溫度，K。 若換熱器中的熱流體有相變，如若換熱器中的熱流體有相變，如飽和水蒸氣冷凝同飽和水蒸氣冷凝同 溫度冷凝液溫度冷凝液時：時： 12, QttcWrW cpchL 18 2傳熱總方程傳熱總方程 如圖，如圖，傳熱過程是傳熱過

19、程是熱流體給熱流體給 熱熱間壁導(dǎo)熱間壁導(dǎo)熱冷流體給熱冷流體給熱 的串聯(lián)過程。的串聯(lián)過程。 換熱器內(nèi)進行的大都是換熱器內(nèi)進行的大都是定態(tài)定態(tài) 傳熱過程傳熱過程： 2211 11 A w A b ww A w tttTTT Q aa 2211 11 AA b A tT Q aa 或 19 間壁式換熱器的傳熱總方程間壁式換熱器的傳熱總方程，適用于傳熱面為等溫面，適用于傳熱面為等溫面 的間壁式熱交換過程。的間壁式熱交換過程。 說明定態(tài)傳熱總過程的推動力和阻力亦具加和性說明定態(tài)傳熱總過程的推動力和阻力亦具加和性 總阻力 總推動力 R t R t Q i i 3. 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K 2211 11 1

20、AA b A t KA t tKAQ aa 20 當(dāng)換熱器的間壁為單層平面壁時，因當(dāng)換熱器的間壁為單層平面壁時，因A1=A2=A， 則傳熱系數(shù)為：則傳熱系數(shù)為： 若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時，若若換熱器的傳熱面為單層圓筒壁面時，若 A1A2A，即傳熱系數(shù)與傳熱面積對應(yīng)時：，即傳熱系數(shù)與傳熱面積對應(yīng)時： 2211 11 1 AA b A m KA aa 21 11 1 aa b K 21 K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小主是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小主 要取決于要取決于流體的物性流體的物性、傳熱過程的操作條件傳熱過程的操作條件及及換熱器換熱器 的類型的類型等。等。 化工中常

21、見傳熱過程的化工中常見傳熱過程的K值范圍值范圍 22 例例3-6 某有機物生產(chǎn)中使用的攪拌式全混流反應(yīng)釜，內(nèi)徑某有機物生產(chǎn)中使用的攪拌式全混流反應(yīng)釜，內(nèi)徑 為為1.0m，釜壁銅板厚，釜壁銅板厚8mm（=50Wm-1K-1）若釜內(nèi)壁面結(jié)有垢）若釜內(nèi)壁面結(jié)有垢 層厚層厚2mm（Rh1=0.002 W-1m2K）夾套中用）夾套中用115的飽和水蒸氣的飽和水蒸氣 進行加熱（進行加熱（a a19000 Wm-2K-1），釜內(nèi)有機物溫度為），釜內(nèi)有機物溫度為80（a a2 250 Wm-2K-1）。試求該條件下的面積熱流量和各熱阻的百）。試求該條件下的面積熱流量和各熱阻的百 分率。分率。 解解：因反應(yīng)釜內(nèi)

22、徑：因反應(yīng)釜內(nèi)徑1.0 m與外徑與外徑1.16 m相差不大，可近相差不大，可近 似地當(dāng)作平面壁來處理似地當(dāng)作平面壁來處理.取傳熱面積為取傳熱面積為 2 1.0Am 時：時： 求得求得 4 1 101 . 1 1 a 4 1 1 106 . 1 b 3 1 102 h R 3 2 104 1 a W-1m2K W-1m2K W-1m2K W-1m2K 23 得得 K=159 Wm-2K-1 傳熱總阻力為：傳熱總阻力為： 3 1 1 1 1027. 6 21 1 1 aah b RRW-1K 反應(yīng)釜的面積熱流為反應(yīng)釜的面積熱流為 58. 5tKqkWm-2 計算結(jié)果表明，計算結(jié)果表明，主要熱阻在垢

23、層和有機物這一側(cè)，主要熱阻在垢層和有機物這一側(cè)， 其中垢層熱阻占總熱阻的其中垢層熱阻占總熱阻的31.9%，有機物熱阻占，有機物熱阻占 63.8%；而蒸汽冷凝及金屬釜壁的熱阻只占總熱阻的；而蒸汽冷凝及金屬釜壁的熱阻只占總熱阻的 1.75%和和2.55%。 RA K 1 24 4傳熱過程的平均溫度差傳熱過程的平均溫度差 冷、熱流體溫度差沿換熱器壁面的分布情況，決定了整個冷、熱流體溫度差沿換熱器壁面的分布情況，決定了整個 換熱過程的溫度差。換熱過程的溫度差。 （1）定態(tài)恒溫傳熱）定態(tài)恒溫傳熱 定態(tài)恒溫傳熱是指換熱器間壁兩側(cè)冷、熱兩流體溫度在定態(tài)恒溫傳熱是指換熱器間壁兩側(cè)冷、熱兩流體溫度在壁壁 面的任

24、何位置、任何時間都不變化面的任何位置、任何時間都不變化，即兩流體的溫度差沿換熱，即兩流體的溫度差沿換熱 面處處相等，恒定不變。面處處相等，恒定不變。 （2）定態(tài)變溫傳熱（換熱器常見情況）定態(tài)變溫傳熱（換熱器常見情況） 定態(tài)變溫傳熱時，換熱器間壁一側(cè)流體或兩側(cè)流體的溫定態(tài)變溫傳熱時，換熱器間壁一側(cè)流體或兩側(cè)流體的溫 度沿傳熱面的不同位置發(fā)生變化，度沿傳熱面的不同位置發(fā)生變化，兩流體間的溫度差兩流體間的溫度差t沿換沿換 熱器壁面位置也變化，且與兩流體相對流向有關(guān)熱器壁面位置也變化，且與兩流體相對流向有關(guān)。 25 圖分別為逆流和并流傳熱時圖分別為逆流和并流傳熱時t隨換熱器壁面位置的變化圖隨換熱器壁面位置的變化圖 工業(yè)上冷、熱流體在換熱器內(nèi)的相對流向主要有工業(yè)上冷、熱流體在換熱器內(nèi)的相對流向主要有逆流和并流逆流和并流。 26 熱熱 T1T2 t1 t2 冷冷 211 tTt 122 tTt 逆流逆流 T1T2 t2t1 熱熱 冷冷 111 tTt 222 tTt 并流并流 2 1 ln 21 t t m tt t