化工原理傳熱

1、1第五章 傳 熱 通過本章學習，掌握傳熱的基本原理和規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和計算傳熱過程的有關(guān)問題。學習目的與要求25.1 傳熱過程概述第五章 傳 熱3傳熱熱量從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)移動的過程稱為熱量傳遞，簡稱傳熱。 一是強化傳熱過程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。二是削弱傳熱過程，如對設(shè)備或管道的保溫，以減少熱損失?；どa(chǎn)中對傳熱過程的要求概述45.1 傳熱過程概述5.1.1熱傳導及導熱系數(shù)第五章 傳 熱5一、熱傳導(導熱)熱傳導(導熱) 不依靠物體內(nèi)部各部分質(zhì)點的宏觀混合運動而借助于物體分子、原子、離子、自由電子等微觀粒子的熱運動產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導，簡稱導熱。 6dQtdSn 描

2、述熱傳導現(xiàn)象的物理定律為傅立葉定律（Fouriers Law），其表達式為傅立葉定律（Fouriers Law）溫度梯度導熱系數(shù)微分導熱通量熱通量與溫度梯度方向相反一、熱傳導(導熱)7二、導熱系數(shù)導熱系數(shù)dQ dStn 導熱系數(shù)表征了物質(zhì)熱傳導能力的大小，是物質(zhì)的基本物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的形態(tài)、組成、密度、溫度等有關(guān)。 8導熱系數(shù)W/(m.oC)0.0060.03.0154200.0030.06氣體液體非導電固體金屬絕熱材料二、導熱系數(shù)91.固體的導熱系數(shù)純金屬的導熱系數(shù)與電導率的關(guān)系可用魏德曼（Wiedeman）-弗蘭茲（Franz）方程描述 eLT良好的電導體必然是

3、良好的導熱體，反之亦然。 二、導熱系數(shù)10對大多數(shù)均質(zhì)固體，導熱系數(shù)與溫度近似呈線性關(guān)系 01t對大多數(shù)金屬材料，為負值；而對大多數(shù)非金屬材料，為正值；對理想氣體，=1/T ，1/K。 二、導熱系數(shù)112.液體的導熱系數(shù)除水和甘油外，大多數(shù)非金屬液體的導熱系數(shù)亦隨溫度的升高而降低。 金屬液體的導熱系數(shù)比一般的液體要高 純液體的導熱系數(shù)比其溶液的要大 二、導熱系數(shù)123.氣體的導熱系數(shù)氣體導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在相當大的壓力范圍內(nèi)，氣體的導熱系數(shù)隨壓力的變化很小，可以忽略不計。 二、導熱系數(shù)135.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)第五章 傳 熱5.1.2 對流14 對流是由流體內(nèi)

4、部各部分質(zhì)點發(fā)生宏觀運動和混合而引起的熱量傳遞過程 對流對流傳熱 在化工生產(chǎn)中特指流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程。 對流15對流傳熱速率可由牛頓冷卻定律描述 dQtdS溫度差對流傳熱系數(shù)微分對流傳熱通量對流165.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)5.1.2 對流第五章 傳 熱5.1.3 熱輻射17熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。 熱輻射1.可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質(zhì)。 2.不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。 3.任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，但僅當物體的溫度較高、物體間的溫度差較大時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。

5、 185.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)5.1.2 對流5.1.3 熱輻射第五章 傳 熱5.1.4 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器19一、直接接觸式換熱和混合式換熱器 二、蓄熱式換熱和蓄熱器三、間壁式換熱和間壁式換熱器冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器20圖5-1 套管式換熱器1-內(nèi)管 2-外管冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器動畫2221圖5-2 單程管殼式換熱器1-外殼,2-管束,3、4-接管,5-封頭,6-管板,7-擋板,8-泄水池 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器動畫2122間壁式換熱器內(nèi)冷、熱流體間的傳熱過程包括以下三個步驟：（1）熱流體以對流方式將熱量傳遞給管壁

6、；（2）熱量以熱傳導方式由管壁的一側(cè)傳遞至另一側(cè)；（3）傳遞至另一側(cè)的熱量又以對流方式傳遞給冷流體。冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器235.1 傳熱過程概述5.1.1 熱傳導及導熱系數(shù)5.1.2 對流5.1.3 熱輻射5.1.4 冷熱流體（接觸）熱交換方式及換熱器第五章 傳 熱5.1.5 載熱體及其選擇24載熱體及其選擇 在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的稱為加熱介質(zhì)（或加熱劑）；起冷卻（冷凝）作用的稱為冷卻介質(zhì)（或冷卻劑）。載熱體25選擇載熱體原則（1）載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制；（2）載熱體的飽和蒸氣壓較低，加

7、熱時不易分解；（3）載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備；（4）價格便宜，來源容易。載熱體及其選擇26第五章 傳 熱5.2 熱傳導5.2.1 平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導27一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導假設(shè)：1.導熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平均值；2.一維穩(wěn)態(tài)3.忽略熱損失。 圖5-3 單層平壁熱傳導28對平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導 dtQSdx 積分并整理得12()SQttb微分式 積分式 一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導2912tttQbRS12ttQtqbSR熱傳導推動力熱傳導速率熱傳導熱阻導熱熱阻一、單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導30二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導圖5-4 三層平壁熱傳導假設(shè)：1.導熱系數(shù)不隨溫度變

8、化，或可取平均值；2.一維穩(wěn)態(tài)3.忽略熱損失4.沒有接觸熱阻 31通過各層平壁截面的傳熱速率必相等 1234QQQQQ233412123123ttttttQSSSbbb233412123123ttttttQbbbSSS或二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導32三層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導速率方程 14312123ttQbbbSSS對n層平壁，其傳熱速率方程可表示為11niittQbS二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導33接觸熱阻 因兩個接觸表面粗糙不平而產(chǎn)生的附加熱阻。 接觸熱阻包括通過實際接觸面的導熱熱阻和通過空穴的導熱熱阻（高溫時還有輻射傳熱）。 接觸熱阻與接觸面材料、表面粗糙度及接觸面上壓力等因素有關(guān)，可通過實

9、驗測定。 二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導34圖圖5-5 5-5 接觸熱阻的影響接觸熱阻的影響接觸熱阻二、多層平壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導35練 習 題 目思考題1. 熱量傳遞的三種基本方式是什么？分別用什么定律可以描述？2.在熱傳導問題中，術(shù)語“一維”是什么意思？何謂穩(wěn)態(tài)熱傳導？3.試寫出有接觸熱阻存在時多層平壁熱傳導的計算公式。36第五章 傳 熱5.2 熱傳導5.2.1 平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導5.2.2 圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導37一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導常量常量傳熱速率傳熱面積熱通量平壁圓筒壁常量隨半徑變常量隨半徑變38圖5-6 單層圓筒壁的熱傳導一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導39通過該薄圓筒壁的傳

10、熱速率可以表示為 (2)dtdtQSrLdrdr 12212ln()ttQLr r積分并整理得微分式 積分式 一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導40可寫成與單層平壁熱傳導速率方程相類似的形式 1221mttQSrr212122ln()mmrrSLr Lr r其中圓筒壁的對數(shù)平均面積一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導4121212211222lnln2mLrLrSSSLrSLrS2121lnmrrrrr或圓筒壁的對數(shù)平均半徑一、單層圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導42二、多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導 假設(shè)層與層之間接觸良好，即互相接觸的兩表面溫度相同。 圖5-7 多層圓筒壁的熱傳導43熱傳導速率可表示為 1414332

11、432421112233112233111lnlnln222mmmttttQrrrrrrrrrLrLrlrSSS 對n層圓筒壁，其熱傳導速率方程可表示為11nniiimittQbS或11111ln2nniiiittQrLr 二、多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導44第五章 傳 熱5.3 換熱器的傳熱計算5.3.1 熱平衡方程45 假設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可以忽略不計，則在單位時間內(nèi)換熱器中熱流體放出的熱量必等于冷流體吸收的熱量。,m hhm ccdQqdIqdI 對于整個換熱器，其熱量衡算式為,12,21()()Tm hhhm cccQqIIqII熱平衡方程46 若換熱器中兩流體均無相變，且流體的定壓比

12、熱容不隨溫度變化或可取流體平均溫度下的值， ,1212()()mmhphcpcTQcTTcttqq若換熱器中流體有相變，例如飽和蒸氣冷凝 ,21()mmhcpcTQcttqrq熱平衡方程47若換熱器中流體有相變，例如飽和蒸氣冷凝，且冷凝液在低于飽和溫度下離開換熱器,221()()mmhphscpcTQrcTTcttqq熱平衡方程48第五章 傳 熱5.3 換熱器的傳熱計算5.3.1 熱平衡方程5.3.2 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)49一、總傳熱速率微分方程 冷、熱流體通過間壁換熱的傳熱機理為對流-傳導-對流的串聯(lián)過程，對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率必然相等，即 ()()()iwiwwm

13、owodQTTdSTtdStt dSb11wwwwiimooTTTtttdQbdSdSdS或50根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原理，可得()()()1111wwwwiimoiimoooTTTtttTtdQbbdSdSdSdSdSdS上式兩邊均除以 OdS1oooiiomdQTtdbddSdd一、總傳熱速率微分方程51令 11oooiimoKdbddd則()oodQK Tt dS同理可得 ()iidQK Tt dS()mmdQKTt dS總傳熱速率微分方程總傳熱速率微分方程總傳熱速率微分方程一、總傳熱速率微分方程5211iiiimooKbdddd1miioommKdbddd11oooiimoKdbddd基于管

14、內(nèi)表面積的局部總傳熱系數(shù) 基于平均表面積的局部總傳熱系數(shù) 基于管外表面積的局部總傳熱系數(shù) 一、總傳熱速率微分方程53顯然有 oiioiodSKdKdSdommmooKdSdKdSd管內(nèi)徑管外徑平均管徑 工程上大多以外表面積為基準，故后面討論中，除非特別說明，都是基于外表面積的總傳熱系數(shù)。 一、總傳熱速率微分方程54二、總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)K表示單位傳熱面積，冷、熱流體單位傳熱溫差下的傳熱速率，它反映了傳熱過程的強度。 K是評價換熱器性能的一個重要參數(shù)，也是對換熱器進行傳熱計算的依據(jù)。 K的數(shù)值取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等，可通過計算、實驗測定或查閱相關(guān)手冊得到。 55

15、1.總傳熱系數(shù)的計算設(shè)計中應(yīng)考慮污垢熱阻的影響 011oooosisoiiimddbdRRKddd管壁外表面污垢熱阻管壁內(nèi)表面污垢熱阻總傳熱系數(shù)計算式二、總傳熱系數(shù)56提高總傳熱系數(shù)途徑的分析 總熱阻=管內(nèi)熱阻+管內(nèi)垢阻+壁阻+管外垢阻+管外熱阻011oooosisoiiimddbdRRKddd壁阻總熱阻管內(nèi)熱阻管內(nèi)垢阻管外垢阻管外熱阻二、總傳熱系數(shù)57若傳熱面為平壁或薄管壁 111sisoiobRRKoioK當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時 111ioK若管壁外側(cè)對流傳熱控制二、總傳熱系數(shù)58oiiK若管壁內(nèi)側(cè)對流傳熱控制o,i 若管壁內(nèi)、外側(cè)對流傳熱控制相當若管壁兩側(cè)對流傳熱熱阻很小，而污垢

16、熱阻很大污垢熱阻控制二、總傳熱系數(shù)59欲提高 值，強化傳熱，最有效的辦法是減小控制熱阻。 K二、總傳熱系數(shù) 值總是接近且永遠小于 中的小者。當兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時， 近似等于 中小者。 Ko,i Ko,i 602.總傳熱系數(shù)的測定 對于已有的換熱器，可以通過測定有關(guān)數(shù)據(jù)，如設(shè)備的尺寸、流體的流量和溫度等，然后由傳熱基本方程式計算值。顯然，這樣得到的總傳熱系數(shù)值最為可靠。二、總傳熱系數(shù)613.總傳熱系數(shù)的推薦值 附錄二十中列出了管殼式換熱器的推薦值，可供設(shè)計時參考。 在實際設(shè)計計算中，總傳熱系數(shù)通常采用推薦值。這些推薦值是從實踐中積累或通過實驗測定獲得的。二、總傳熱系數(shù)62 在選用總傳熱系

17、數(shù)的推薦值時，應(yīng)注意以下幾點：設(shè)計中管程和殼程的流體應(yīng)與所選的管程和殼程的流體相一致；設(shè)計中流體的性質(zhì)（黏度等）和狀態(tài)（流速等）應(yīng)與所選的流體性質(zhì)和狀態(tài)相一致；設(shè)計中換熱器的類型應(yīng)與所選的換熱器的類型相一致；二、總傳熱系數(shù)63總傳熱系數(shù)的推薦值一般范圍很大，設(shè)計時可根據(jù)實際情況選取中間的某一數(shù)值。若需降低設(shè)備費（減小換熱面積）可選取較大的值；若需降低操作費（增大換熱面積）可選取較小的值。二、總傳熱系數(shù)64練 習 題 目思考題1.什么叫熱阻？試說明在多層平壁和多層筒壁熱傳導中應(yīng)用熱阻的優(yōu)點。2.換熱器中總的傳熱熱阻包括哪幾部分 ？在強化傳熱中，如何有效地減小熱阻？65第五章 傳 熱5.3 換熱器

18、的傳熱計算5.3.1 熱平衡方程5.3.2 總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)5.3.3 傳熱計算方法66一、平均溫度差法()oodQK Tt dS對總傳熱速率微分方程積分，可得TmQKS t總傳熱速率積分方程傳熱過程冷、熱流體的平均溫度差 67 推導平均溫度差的表達式時，對傳熱過程作以下簡化假定：傳熱為穩(wěn)態(tài)操作過程；兩流體的定壓比熱容均為常量；總傳熱系數(shù)為常量；忽略熱損失。 一、平均溫度差法681.恒溫傳熱時的平均溫度差 換熱器中間壁兩側(cè)的流體均存在相變時，兩流體溫度可以分別保持不變，這種傳熱稱為恒溫傳熱。 T( - )QKS tKS T t 冷流體溫度 熱流體溫度 一、平均溫度差法692.變溫

19、傳熱時的平均溫度差（1）逆流和并流時的平均溫度差逆流并流一、平均溫度差法70由熱量恒算并結(jié)合假定條件和，可得 ,m hphdQqcdT 常數(shù),m cpcdQqcdt常數(shù)一、平均溫度差法71因此， 及 都是直線關(guān)系，可分別表示為 QTQtTmQktm Qk 上兩式相減，可得 也呈直線關(guān)系。將上述諸直線定性地繪于圖5-9中 Qt一、平均溫度差法72圖5-9 逆流時平均溫度差的推導一、平均溫度差法7321()TttdtdQQ21()TttdtK tdSQ根據(jù)假定條件，積分上式得2121lnTmttQKSKS ttt總傳熱速率方程式一、平均溫度差法742121lnmttttt對數(shù)平均溫度差逆流和并流時

20、計算平均溫度差的通式。一、平均溫度差法75討論：（1）在工程計算中，當 時，可用算術(shù)平均溫度差（ ）代替對數(shù)平均溫度差，其誤差不超過4%。21/2tt 12()/2mttt （2）在冷、熱流體的初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫差較并流的為大。 一、平均溫度差法76逆流： 采用逆流操作，若換熱介質(zhì)流量一定，則可以節(jié)省傳熱面積，減少設(shè)備費；若傳熱面積一定，則可減少換熱介質(zhì)的流量，降低操作費，因而工業(yè)上多采用逆流操作。并流： 若對流體的溫度有所限制，如冷流體被加熱時不得超過某一溫度，或熱流體被冷卻時不得低于某一溫度，則宜采用并流操作。 一、平均溫度差法77（2）錯流和折流時的平均溫度差單管程，多

21、管程單殼程，多殼程一、平均溫度差法78圖5-10 錯流和折流示意圖一、平均溫度差法79mtmtt溫差校正系數(shù) ( ,)tf R P安德伍德（Underwood）和鮑曼（Bowman）圖算法 一、平均溫度差法 先按逆流計算對數(shù)平均溫度差，然后再乘以考慮流動方向的校正因素。即8012221111TTRttttPTt熱流體的溫降冷流體的溫升冷流體的溫升兩流體的最初溫度差具體步驟如下：根據(jù)冷、熱流體的進、出口溫度，算出純逆流條件下的對數(shù)平均溫度差tm。按下式計算因數(shù) R 和 P：一、平均溫度差法81根據(jù) R 和 P 的值，從算圖中查出溫度差校正系數(shù)； 將純逆流條件下的對數(shù)平均溫度差乘以溫度差校正系數(shù)，

22、即得所求的。 mtmtt一、平均溫度差法一邊恒溫時1t82 值恒小于1，這是由于各種復雜流動中同時存在逆流和并流的緣故。 t()()()ttt并流錯、折流逆流 通常在換熱器的設(shè)計中規(guī)定， 值不應(yīng)小于0.8，否則值太小，經(jīng)濟上不合理。若低于此值，則應(yīng)考慮增加殼方程數(shù)，將多臺換熱器串聯(lián)使用，使傳熱過程接近于逆流。 t一、平均溫度差法83二、傳熱單元數(shù)法1. 傳熱效率maxTQQ實際的傳熱量最大可能的傳熱量換熱器的傳熱效率定義為84定義最大可能傳熱量 maxmin11()()mpQq cTt式中 WCp 稱為流體的熱容量流率，下標 min表示兩流體中熱容量流率較小者，并稱此流體為最小值流體。換熱器中

23、可能達到的最大溫差 較小者具有較大溫差 二、傳熱單元數(shù)法85,2121,1111()()m cpcm cpcqcttttqcTtTt 若冷流體為最小值流體，則傳熱效率為 ,1212,1111()()m hphm hphqcTTTTqcTtTt若熱流體為最小值流體，則傳熱效率為二、傳熱單元數(shù)法86 若已知傳熱效率，則可確定換熱器的傳熱量和冷、熱流體的出口溫度 maxmin11()()TmpQQq cTt2111()ttTt2111()TTTt二、傳熱單元數(shù)法87 （2）傳熱單元數(shù) NTU由換熱器熱平衡方程及總傳熱速率微分方程 ,()m hphm cpcdQqc dTqc dtK Tt dS 對于

24、冷流體 ,m cpcdtKdSTtqc二、傳熱單元數(shù)法8821,0()tScm cpctdtKdSNTUTtqc對于熱流體，同樣可寫出12()ThTdTNTUTt積分上式得基于冷流體的傳熱單元數(shù)基于熱流體的傳熱單元數(shù)二、傳熱單元數(shù)法89 傳熱單元數(shù)是溫度的量綱為一函數(shù)，它反映傳熱推動力和傳熱所要求的溫度變化，傳熱推動力愈大，所要求的溫度變化愈小，則所需要的傳熱單元數(shù)愈少。二、傳熱單元數(shù)法903.傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系 現(xiàn)以單程并流換熱器為例做推導。假定冷流體為最小值流體，minmaxRCCC熱容量流率比令min,m cpcCqcmax,m hphCqc二、傳熱單元數(shù)法91min1 exp

25、()(1)1RRNTUCC推導可得minmin,()m cpcKSKSNTUcqc式中二、傳熱單元數(shù)法92minmin,()m hphKSKSNTUCqc,minmax,m hphRm cpcqcCCCqc若熱流體為最小值流體，則min1 exp ()(1)1RRNTUCC式中二、傳熱單元數(shù)法93對于單程逆流換熱器，可推導出傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系為 minmin1 exp ()(1)1exp ()(1)RRRNTUCCNTUC當兩流體中任一流體發(fā)生相變時 min1 exp ()NTU 二、傳熱單元數(shù)法94當兩流體的熱容流率相等 單程并流換熱器單程逆流換熱器1 exp 2()2NTU1NTU

26、NTU1RC 二、傳熱單元數(shù)法95 3. 傳熱單元數(shù)法采用 法進行換熱器校核計算的步驟如下：NTU(1)根據(jù)換熱器的工藝及操作條件，計算（或選?。┛倐鳠嵯禂?shù)；(2)計算 及 ，確定 及 ；,m hphqc,m cpcqcmax()mpq cmin()mpq c二、傳熱單元數(shù)法96（3）計算：minminmax()()()mpRmpmpq cKSNTUCq cq c及（4）根據(jù)換熱器中流體流動的型式，由和 查得相應(yīng)的 ；NTURCQ（5）根據(jù)冷、熱流體進口溫度及 ，可求出傳熱量 及冷、熱流體的出口溫度。二、傳熱單元數(shù)法97應(yīng)予指出，一般在設(shè)計換熱器時宜采用平均溫度差法，在校核換熱器時宜采用 法。

27、NTU二、傳熱單元數(shù)法98練 習 題 目思考題1.對數(shù)平均溫度差值與哪些因素有關(guān)？2.換熱器傳熱計算有哪兩種方法，它們之間的區(qū)別是什么？3.在管殼式換熱器設(shè)計中，為什么要限制溫度差校正系數(shù)大于0.8 99第五章 傳 熱5.4 對流傳熱100 對流傳熱是指運動流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程，對流傳熱與流體的流動狀況密切相關(guān)。 對流傳熱概述圖5-12 對流傳熱的溫度分布情況101無相變有相變強制對流自然對流對流傳熱蒸汽冷凝液體沸騰概述102第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1對流傳熱機理和對流傳熱系數(shù)103圖5-12 對流傳熱的溫度分布情況一、對流傳熱機理104一、對流傳熱機理 當湍流的流體

28、流經(jīng)固體壁面時，將形成湍流邊界層，若流體溫度與壁面不同，則二者之間將進行熱交換。 層流內(nèi)層緩沖層湍流核心 湍流邊界層傳熱方式熱傳導熱傳導和渦流傳熱渦流傳熱105層流內(nèi)層緩沖層湍流核心 湍流邊界層溫度梯度 較大居中較小熱阻 較大居中較小對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。 一、對流傳熱機理106二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù) 靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層107圖 5-13 平板上的熱邊界層二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù)10

29、8 若緊靠壁面處薄層流體內(nèi)的傳熱只能是熱傳導，因此傳熱速率可用傅立葉定律表示，即 ()wdtdQdSdy 緊靠壁面處薄層流體的溫度梯度二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù)109 根據(jù)牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳熱速率方程為()1 ()wwTTdQTTdSdS換熱器任一截面上與熱流體相接觸一側(cè)的壁溫 換熱器任一截面上熱流體的平均溫度二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù)110()()wwwdtdtTTdyt dy 因此有對流傳熱系數(shù)的另一定義式，它表明了對流傳熱系數(shù)與壁面溫度梯度之間的關(guān)系。 二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù)111二、熱邊界層及對流傳熱系數(shù) 當流體流過圓管進行傳熱時，管內(nèi)熱邊界層的形成和發(fā)展。 對于一

30、定的管長，破壞邊界層的發(fā)展也能強化對流傳熱。 對于同一種流體，強制對流傳熱的對流傳熱系數(shù)要大于自然對流的，有相變化的要大于無相變化的。 112第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流傳熱機理和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳熱的量綱分析113一、影響對流傳熱系數(shù)的因素1.流體的種類和相變化的情況2.流體的特性：導熱系數(shù)、黏度、比熱容、密度以及體積膨脹系數(shù) 3.流體的溫度4.流體的流動狀態(tài)5.流體流動的原因6.傳熱面的形狀、位置和大小114二、對流傳熱過程的量綱分析1.根據(jù)對問題的觀察，找出影響對流傳熱過程的因素2.通過量綱分析確定相應(yīng)的量綱為一數(shù)群（準數(shù)）3.通過實驗確定相應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式公

31、式。量綱分析步驟115 量綱分析的基本依據(jù)是定理：一個表示n個物理量間關(guān)系的量綱一致的方程式，一定可以轉(zhuǎn)換成包含n-m個獨立的量綱為一數(shù)群間的關(guān)聯(lián)式，m指n個物理量中所涉及的基本量綱的數(shù)目。量綱分析的核心在于確定n和m，并用一定技巧將各個量綱為一數(shù)群的內(nèi)涵確定下來。量綱分析基本依據(jù)二、對流傳熱過程的量綱分析1161.流體無相變時的強制對流傳熱過程（1）列出影響該過程的物理量 ( , , )pf lcu 傳熱設(shè)備的特征尺寸二、對流傳熱過程的量綱分析117（2）確定量綱為一數(shù)群的數(shù)目 上述7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱：長度、質(zhì)量、時間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123

32、(,) 二、對流傳熱過程的量綱分析118通過量綱分析，可確定1lNu2Relu努賽爾特數(shù)(Nusselt number) 雷諾數(shù)(Reynolds number)表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù) 表示慣性力與黏性力之比，是表征流動狀態(tài)的準數(shù) 二、對流傳熱過程的量綱分析1193Prpc普蘭德數(shù)(Prandtl number)表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性。 (Re,Pr)Nu強制對流（無相變）傳熱時的準數(shù)關(guān)聯(lián)式 因此，有二、對流傳熱過程的量綱分析1202.自然對流傳熱過程自然對流傳熱過程（1）列出影響該過程的物理量 傳熱設(shè)備的特征尺寸( ,)pf lcgt 作用在單位

33、體積流體上的浮力ggt 二、對流傳熱過程的量綱分析121（2）確定量綱為一數(shù)群的數(shù)目 上述7個變量（物理量）涉及到4個基本量綱：長度、質(zhì)量、時間和溫度依據(jù)定理，量綱為一數(shù)群的數(shù)目等于7-4=3 123(,) 二、對流傳熱過程的量綱分析122通過量綱分析，可確定1lNu2Prpc努賽爾特數(shù)(Nusselt number) 普蘭德數(shù)(Prandtl number)二、對流傳熱過程的量綱分析123格拉斯霍夫數(shù)(Grashof number)3232lgtGr表示由溫度差引起的浮力與黏性力之比 (,Pr)NuGr自然對流（無相變）傳熱時的準數(shù)關(guān)聯(lián)式 因此，有二、對流傳熱過程的量綱分析1243.使用由實

34、驗數(shù)據(jù)整理得到的關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題（1）應(yīng)用范圍 關(guān)聯(lián)式中Re、Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍等；（2）特性尺寸 Nu、Re等準數(shù)中的應(yīng)如何確定；（3）定性溫度 各準數(shù)中的流體物性應(yīng)按什么溫度查取。二、對流傳熱過程的量綱分析125第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流傳熱機理和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳熱的量綱分析5.4.3 流體無相變時的對流傳熱系數(shù)126一、流體在管內(nèi)作強制對流1.流體在光滑圓形直管內(nèi)作強制湍流（1）低黏度流體可應(yīng)用迪特斯（Dittus）貝爾特（Boelter）關(guān)聯(lián)式0.80.023RePrnNu 0.80.023()()pniiCd ud或或當流體被加熱時，n=0.4；

35、當流體被冷卻時，n=0.3。 127特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：4Re100.7Pr120/60iL d /60iL d 若，可將由上式求得的值乘以0.71 (/ )idL進行校正。一、流體在管內(nèi)作強制對流128（2）高黏度流體可應(yīng)用西德爾（Sieder）泰特（Tate）關(guān)聯(lián)式0.81 30.027RePrNu0.81 30.140.027()() ()piiwCd ud或或壁溫下的黏度0.14()w考慮熱流方向的校正項 一、流體在管內(nèi)作強制對流129特性尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：4Re100.7P

36、r1700/60iL d 一、流體在管內(nèi)作強制對流1301 30.141.86(RePr) ()iWdNuL2.流體在光滑圓形直管內(nèi)作強制層流特性尺寸：管內(nèi)徑。 定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍：Re23000.7Pr6700RePr/100idL 一、流體在管內(nèi)作強制對流13151.81 6 10 Re Re2300 10000 當 時，對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的公式計算，然后把算得的結(jié)果乘以校正系數(shù)。3. 流體在光滑圓形直管中呈過渡流一、流體在管內(nèi)作強制對流132(1 1.77)idR 4. 流體在彎管內(nèi)作強制對流 流體在彎管內(nèi)流動時，由于受離心力的作用，

37、增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大 管子的彎曲半徑一、流體在管內(nèi)作強制對流13322221212224()4eddddddd 5. 流體在非圓形管內(nèi)作強制對流 流體在非圓形管內(nèi)作強制對流時，只要將管內(nèi)徑改為當量直徑，則仍可采用上述各關(guān)聯(lián)式。傳熱當量直徑定義：究竟采用哪個當量直徑，由具體的關(guān)聯(lián)式?jīng)Q定。 一、流體在管內(nèi)作強制對流134練 習 題 目思考題1.對流傳熱系數(shù)的定義是什么？說明對流傳熱的機理及求算對流傳熱系數(shù)的途徑。2.量綱分析的步驟，所應(yīng)用的基本定理是什么？3.傳熱過程所涉及到的量綱為一準數(shù)的名稱、計算式、含義是什么 ？135第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流

38、傳熱機理和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳熱的量綱分析5.4.3 流體無相變時的對流傳熱系數(shù)136二、流體在換熱器的管間作強制對流換熱器管間流體的流動：裝有折流擋板。流體的流向和流速不斷地變化。在Re100時即可達到湍流。 137圖5-14 換熱器折流擋板二、流體在換熱器的管間作強制對流138圖5-15 管間管束排列形式二、流體在換熱器的管間作強制對流1390.551 30.36RePrNu凱恩（Kern）法應(yīng)用范圍： 。特性尺寸：傳熱當量直徑。定性溫度：除w取壁溫外，均取流體進出口溫度的算術(shù)平均值。36Re2 10 1 10二、流體在換熱器的管間作強制對流140三、自然對流(Pr)nNuc G

39、r通過實驗測得的c和n值列于表5-7中。 141第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流傳熱機理和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳熱的量綱分析5.4.3 流體無相變時的對流傳熱系數(shù)5.4.4 流體有相變時的對流傳熱系數(shù)142一、蒸汽冷凝傳熱1.蒸汽冷凝方式圖5-16蒸汽冷凝方式滴狀冷凝膜狀冷凝1432.膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)（1）層流膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時對流傳熱系數(shù)關(guān)系式推導中作了以下假設(shè)：冷凝液膜呈層流流動，傳熱方式為通過液膜的熱傳導。蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力。一、蒸汽冷凝傳熱144蒸汽冷凝成液體時所釋放的熱量僅為冷凝潛熱，蒸汽溫度和壁面溫度保持不變。冷凝液的物性可

40、按平均液膜溫度取值，且為常數(shù)。一、蒸汽冷凝傳熱145對蒸汽在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝 1 4230.943rgL t蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差 swttt 飽和蒸汽的冷凝潛熱一、蒸汽冷凝傳熱146 麥克亞當斯(McAdams)建議在工程設(shè)計時，應(yīng)將計算結(jié)果提高20%，即1 4231.13()swrgL tt一、蒸汽冷凝傳熱147（2）湍流膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù) 當液膜呈現(xiàn)湍流流動時可應(yīng)用柯克柏瑞德(Kirkbride)的經(jīng)驗公式計算，即1 320.420.0076Refg一、蒸汽冷凝傳熱148冷凝時Ref的計算：Reebfd u當量直徑 凝液的平均流速若以 表示凝液的流通面積， 表示潤濕

41、周邊長度， 表示凝液的質(zhì)量流率，則有 APmq44RemmfqAqPAP一、蒸汽冷凝傳熱149單位長度潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流率 mqP 4Ref則從層流到湍流的 臨界值一般可取為1800。 Ref一、蒸汽冷凝傳熱150（3）水平管外膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù) 對于蒸氣在單根水平管外的層流膜狀冷凝，努賽爾特曾經(jīng)獲得下述關(guān)聯(lián)式1 4230.725()oswrgd tt特征尺寸管外徑一、蒸汽冷凝傳熱151水平管束外冷凝 1 4230.725()oswrgnd tt垂直列上的管數(shù)若各列管子在垂直方向上的排數(shù)不相等4120.750.750.7512()zmznnnnnnn一、蒸汽冷凝傳熱152比較垂直管外

42、水平管外1 4231.13()swrgL tt1 4230.725()oswrgd tt2式相比140.64OLd水平垂直對于長1.5m，外徑20mm的圓管，水平放置時其層流膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)約為垂直放置時的2倍。一、蒸汽冷凝傳熱153 應(yīng)予指出，若蒸氣中含有空氣或其它不凝性氣體，則壁面可能為氣體（導熱系數(shù)很?。铀谏w而增加一層附加熱阻，使對流傳熱系數(shù)急劇下降。故在冷凝器的設(shè)計和操作中，必須考慮排除不凝氣。 一、蒸汽冷凝傳熱154二、液體沸騰傳熱所謂液體沸騰是指在液體的對流傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程。液體沸騰155液體沸騰的方式過冷沸騰飽和沸騰 二、液

43、體沸騰傳熱池內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰(流動沸騰或強制對流沸騰)1561.液體沸騰曲線圖5-17水的沸騰曲線二、液體沸騰傳熱1572.液體沸騰傳熱的影響因素（1）液體性質(zhì)的影響 通常，凡是有利于氣泡生成和脫離的因素均有助于強化沸騰傳熱。二、液體沸騰傳熱158（2）溫度差的影響 溫度差是控制沸騰傳熱過程的重要參數(shù)。一定條件下，多種液體進行泡核沸騰傳熱時的對流傳熱系數(shù)與的關(guān)系可用下式表達，即()nkt二、液體沸騰傳熱159（3）操作壓力的影響 提高沸騰操作的壓力相當于提高液體的飽和溫度，使液體的表面張力和黏度均下降，有利于氣泡的生成和脫離。 二、液體沸騰傳熱160（4）加熱壁面的影響 加熱壁面的材質(zhì)和粗糙度對

44、沸騰傳熱有重要影響。清潔而粗糙的加熱壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高。加熱壁面的布置情況，也對沸騰傳熱有明顯的影響。二、液體沸騰傳熱1613.液體沸騰傳熱系數(shù)的計算1 3Pr()LsfnLLvctQ SCrrg由于沸騰傳熱的機理相當復雜，目前還沒有適當?shù)姆治鼋饪梢悦枋稣麄€沸騰傳熱過程，故其傳熱系數(shù)的計算仍主要借助于經(jīng)驗公式，以下是工業(yè)計算中常用的羅森奧（Rohsenow）公式，即二、液體沸騰傳熱162第五章 傳 熱5.4 對流傳熱5.4.1 對流傳熱機理和對流傳熱系數(shù)5.4.2 對流傳熱的量綱分析5.4.3 流體無相變時的對流傳熱系數(shù)5.4.4 流體有相變時的對流傳熱系數(shù)5.4.5 非牛頓型流體的傳熱（選讀）

45、163練 習 題 目思考題1.試說明流體有相變化時的對流傳熱系數(shù)大于無相變時的對流傳熱系數(shù)的理由。2為什么滴狀冷凝的對流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)高？3對于膜狀冷凝，雷諾數(shù)是如何定義的？4. 液體沸騰曲線的意義。164第五章 傳 熱5.5 輻射傳熱5.5.1 基本概念和定律165輻射輻射能熱輻射熱射線物體以電磁波方式傳遞能量的過程 物體以電磁波方式傳遞的能量 因熱的原因引起的電磁波輻射 波長0.40.8m的可見光線和波長0.820 m的紅外光線 概述166圖5-18 輻射能的吸收、反射和透過概述透過反射吸收167根據(jù)能量守恒定律，可得 ARDQQQQ1ARDQQQQQQ 1 ARD概述16

46、8AQAQRQRQDQDQ吸收率反射率透過率量綱為一 量綱為一 量綱為一 概述169一、黑體、鏡體、透熱體和灰體能透過全部輻射能的物體稱為透熱體。 黑體鏡體透熱體能全部吸收輻射能的物體稱為黑體或絕對黑體。能全部反射輻射能的物體稱為鏡體或絕對白體。能夠以相等的吸收率吸收所有波長輻射能的物體稱為灰體。 灰體170黑體鏡體 灰體一般單原子氣體和對稱的雙原子氣體（如He、O2、N2和H2等）均可視為透熱體 透熱體理想物體 一、黑體、鏡體、透熱體和灰體171二、物體的輻射能力E輻射能力 物體在一定溫度下，單位表面積，單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的輻射能，稱為該物體在該溫度下的輻射能力。E單位為 W/m2單

47、色輻射能力E單位為 W/m3 在相同條件下，物體發(fā)射特定波長的能力，稱為單色輻射能力。 172dEEd0bbEE d黑體輻射能力和單色輻射能力之間滿足 黑體輻射能力黑體單色輻射能力二、物體的輻射能力E173三、普朗克定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律及克?；舴蚨?.普朗克（planck）定律 普朗克定律揭示了黑體的單色輻射能力隨波長變化的規(guī)律，其表達式為251/1bCTCEe16213.743 10W mC221.4387 10 m KC174圖5-19黑體的單色輻射能力隨溫度及波長的分布規(guī)律三、普朗克定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律及克?；舴蚨?75圖5-19黑體的單色輻射能力隨溫度及波長的分布規(guī)律三、普

48、朗克定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律及克希霍夫定律1762.斯蒂芬（Stefan）玻爾茲曼（Boltzman）定律 斯蒂芬玻爾茲曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正比這一定量關(guān)系：4400()100bTETC8205.67 10 W/(mK)黑體的輻射常數(shù) 三、普朗克定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律及克希霍夫定律1773.克?；舴颍╧irchhoff）定律 任何物體（灰體）的輻射能力與吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，即僅和物體的絕對溫度有關(guān)。 440()()100100TTEACC0CAC為灰體的輻射系數(shù) 三、普朗克定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律及克?；舴蚨?78 克?；舴蚨山沂玖宋矬w的

49、輻射能力與吸收率之間的關(guān)系。對于實際物體，因A100）下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。 若兩流體溫差較大，宜使對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，因壁面溫度與大的流體接近，以減小管壁與殼壁的溫差，減小溫差應(yīng)力。 一、換熱器設(shè)計的基本原則2052.流體流速的選擇 增大流速加大對流傳熱系數(shù)減少污垢的形成流動阻力加大總傳熱系數(shù)增大 動力消耗增多 一般需通過多方面權(quán)衡選擇適宜的流速。表5-11至表5-13列出了常用的流速范圍，可供設(shè)計時參考。 一、換熱器設(shè)計的基本原則2063.冷卻介質(zhì)（或加熱介質(zhì)）終溫的選擇 一般來說，設(shè)計時冷卻水的進出口溫度差可取510。缺水地區(qū)可選用較大溫差，水源豐富地區(qū)可選用較小的溫差。 一、換熱器設(shè)計的基本原則2074.管子的規(guī)格和管間距管子規(guī)格 25 2.5mm19 2mm管徑 1.5m2m3m