1、第五章 传热,5.1 概述,在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。,5.1 概述,5.1.1 传热过程的分类 5.1.1.1 根据冷热两种流体的接触方式 （1）直接接触式传热（混合式传热）,（2）间壁式（间接接触式）传热,套管换热器中的换热,5.1.1.1 根据冷热两种流体的接触方式, 热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）； 热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）； 热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。,（3）蓄热式传热,5.1.1.
2、2 根据传热的基本原理,（1）热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或传递的与之接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。（2）对流传热 流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。,流体被冷却时,流体被加热时,（3）热辐射 因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。,5.1.1.2 传热基本概念,（1）传热速率 单位时间内通过传热面传递的热量Q（W）； （2）热通量 单位时间、单位传热面积上传递的热量q（W/m2）； （3）非定态、定态传热过程t =f（x，y，z，）温度不仅与空间位置还与时间有关，为非定
3、态传热；t =f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热。,5. 2 热传导（导热Conduction）,5.2.1 傅立叶定律（Flouriers law） （1）温度场（Temperature field）物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为温度场。t = f（x，y，z，） （5-2）温度相同的点所组成的面称为等温面。温度不同的等温面不可能相交，为什么？,（2）温度梯度 两等温面的温度差t与其间的垂直距离n之比在n趋于零时的极限，即,5.2.1 傅立叶定律（Flouriers law）,（3）傅立叶定律傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流
4、大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，,传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即,（5-3）,5.2.2 热导率,物理意义：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量， 越大，导热性能越好。 （1）固体的热导率纯金属：t, ;非金属： 或 t, 。=0（1+t） 式中、 0固体分别在温度t、273K时的热导率，W/(m K);温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属 材料为正值，1/K。,5.2.2 热导率,（2）液体的热导率t, ；一般纯液体（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导率大。 （3）气体的热导
5、率气体的很小，对导热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率无明显影响。一般情况下气体 = f ( t )， t, 。,5.2.2 热导率,固体、液体、气体的热导率的大致范围： 金属固体非金属固体液体气体 金属固体：101 102 W/(m K)； 建筑材料： 10-1 10 W/(m K)； 绝缘材料： 10-2 10-1 W/(m K)； 液体： 10-1 W/(m K)； 气体： 10-2 10-1 W/(m K)；,5.2.3 平壁的稳定热传导,（1）单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁，厚度为b ，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为t1 及t2 ，且t1 t2
6、，若t1、t2不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度x 方向的一维定态热传导过程（见图5-5）。此时傅立叶定律可写成,积分上式,5.2.3 平壁的稳定热传导,传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：,（5-4）,b或A 或，R 。上式为常数，所以平壁内的温度分布为一直线；若导热系数与温度有关，则温度分布又是怎样的？,5.2.3 平壁的稳定热传导,（2）多层平壁稳定热传导,应用合比定律，得,推广到n层平壁,（5-6）,5.2.3 平壁的稳定热传导,从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和。,此式说明，在多层壁导热过程
7、中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。,（5-6）,5.2.3 平壁的稳定热传导,将上式写成热通量的形式为,（5-6）,5.2.3 圆筒壁的稳定热传导,（1）单层圆筒壁稳定热传导有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，且管长l足够大，圆筒壁内的导热属于沿径向的一维定态热传导，傅立叶定律可写成,积分,5.2.3 圆筒壁的稳定热传导,5.2.3 圆筒壁的稳定热传导,式中 b = r2- r1，为圆筒壁的厚度。平均面积 Am= 2lrm，而,称为对数平均半径。当r2/ r1 2时，可以改用算术平均值，即取rm= （r2+ r1）/2。 热
8、阻为：,5.2.3 圆筒壁的稳定热传导,（2）多层圆筒壁稳定热传导,推广到n层圆筒壁,5. 2 热传导（导热Conduction）,例13-1如图所示用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚度b、直径120mm的圆形平板，置于冷、热两表面之间。热侧表面用电热器维持表面温度 t1=200。冷侧表面用水夹套冷却，使表面温度维持在t280。电加热器的功率为40.0W。由于安装不当，待测材料的两边各有一层0.1mm的静止气层，气体导热系数g=0.030W/(m), 使测得的材料导热系数与真实值不同。不计热损失，求测量的相对误差，即（ - ）/ ,5. 2 热传导（导热Conduction）
9、,例13-2有一蒸汽管外径为25mm，管外包以两层保温材料，每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的导热系数之比为2/1=5，此时的热损失为Q。今将内、外两层材料互换位置，且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变，其热损失为Q。求Q / Q ，说明何种材料放在里层为好。,5. 2 热传导（导热Conduction）,思考：分析保温瓶的保温措施有哪些？ 讨论： 对平壁一维稳定热传导在传热方向上处处传热速率Q与热通量q相等； 对圆筒壁一维稳定热传导在传热方向上其传热速率Q处处相等，但由于各处传热面积不同，故其热通量不等； 对平壁求单位面积的传热量或热损失即求热通量q；对圆筒壁求单位长度的传热量或热
10、损失，即求Q/l； 热导率小，不利于导热，但有利于保温； 多层材料间应紧密接触，若有空隙则其总的导热能力下降，因为其间隙充满气体，气体的热导率小于固体；, 采用多层保温措施时，热导率小的材料置于内层有利于保温；,5. 2 热传导（导热Conduction）, 热损失与保温层厚度有图所示的关系，为什么会有两种不同的情况？ 当保温层厚度大于临界厚度的情况下，是否厚度增加就有利？,5. 3 间壁两侧流体的热量传递,5.3.1 间壁两侧流体热交换,用于加热或冷却物料的流体称为载热体，其中起加热作用的叫加热剂，起冷却作用的叫冷却剂。规定：冷流体温度用t表示，热流体温度用T表示，下标1，2分别代表进口与出
11、口参数，ms1，ms2分别表示热流体、冷流体的质量流量。,5.3.1 间壁两侧流体热交换,传热过程在流动的流体中也存在传热边界层，同样包括湍流主体、过渡区、层流底层；在湍流主体中热量传递主要靠对流传热，导热的作用很小可以忽略不计；在层流体底层中由于流体层间没有质点的交换，主要靠热传导传递热量，传热阻力大、温度变化大；在过渡区不仅有热传导也有对流传热，两者的作用相当，均不能忽略。,流动的流体传热的阻力主要集中在层流底层，所以要强化传热，主要的措施是破坏层流底层，降低层流底层的厚度。间壁的导热过程可以用导热速率方程描述，那么给出对流给热速率方程是弄清楚间壁两侧流体传热的关键。,5.3.2 对流给热
12、,（1）对流给热分类,（2）对流给热速率方程（牛顿冷却定律）假设：在热流体中将流体中全部的传热阻力（包括湍流主体中的对流传热阻力、过渡区中的导热和对流传热阻力、层流底层中的导热阻力）集中在一定厚度t的流体层中，并且该层只有导热没有对流，这样流体中复杂的对流传热过程就转化为一定厚度的流体中的导热问题，就可以用导热速率方程来描述流体中的对流给热过程。,5.3.2 对流给热,令,对流给热系数，Wm-2-1,冷流体侧：,但以上方程无法直接应用于换热器，为什么？,因为换热器中流体在管长的不同位置温度不同，两侧流体的温度差也不相同；所以必须在流体流动方向上取微元段dl进行分析；在微元段dl中，传热间壁的内
13、侧传热面积为dA1 ，外侧面传热面积为dA2；如图，管内为冷流体，管外为热流体，微元管段上热流体的对流给热温差为T-TW，冷流体的对流给热温差为tW - t，在间壁上导热的温差为TW - tW 。,5.3.2 对流给热,热流体传给管壁的热流量：,间壁热传导的导热量：,5.3.2 对流给热,热流体传给管壁的热流量：,间壁热传导的导热量：,管壁传给冷流体的热流量：,5.3.3 总传热速率方程,间壁两侧流体的传热在稳定情况下，热流体对流给热、间壁导热、冷流体的对流给热速率相等，即：,5.3.3 总传热速率方程,工程计算中，按某一定性温度 确定物性参数计算将看作常数求得K也是常数求出T-t的平均值沿全
14、部传热面积分得,总传热速率方程 （传热基本方程）,Q 换热器单位时间内的传热量，W；A 换热器的传热面积，m2；K 换热器的总传热系数，Wm-2-1 或Wm-2K-1 ； tm 冷热流体温度差的平均值，或K。,5.3.4 传热量Q的计算（不考虑热损失及化学变化）,（1）热量衡算式 热流体：无相变时 ，Q = ms1cp1( T1-T2 ) 有相变时， Q = ms1r1+cp1( T1-T2 ) 冷流体：无相变时 ，Q = ms2cp2( t2-t1 )有相变时， Q = ms2r2+cp2(t2-t1 ) 根据不同的情况计算传热量，如 冷、热两流体均无相变时： Q = ms1cp1( T1-
15、T2 ) = ms2cp2( t2-t1 ) 热流体饱和蒸汽冷凝：Q = ms1r1 = ms2cp2( t2-t1 ) 冷流体饱和液体沸腾： Q = ms2r2 = ms1cp1( T1-T2 ) 以上三中传热量计算式的条件： Q损 = 0； ms1 、ms2为常数； cp1、cp2为常数。,5.3.4 传热量Q的计算（不考虑热损失及化学变化）,（2）校核计算A已知，核算换热器是否合用,5.3.5 总传热系数,（1）K的计算,当传热面为平壁时，dA1= dAm= dA2= dA,当传热面为圆筒壁时，dA1 dAm dA2 dAdA = dA1即以外表面积为基准时，,5.3.5 总传热系数,对
16、圆管,5.3.5 总传热系数,当dA = dA2即以内表面积为基准时，,要用以上式子求K，则须先求 ，= ？,5.3.5 总传热系数,（2）污垢热阻流体在间壁两侧流动久而久之会在间壁表面形成污垢，其产生的热阻也应计入总热阻：,外表面积为基准,常见流体污垢的大致范围见表5-5。,5.3.5 总传热系数,（3）K的大致范围在进行换热器的计算时，要估计冷、热流体间的总传热系数。总传热系数K值数值范围见表5-5。 K变化范围很大，应对不同类型流体间传热时的K值，有一数量级的概念。 （4）提高K值途径的讨论,显然，减小分母中的任一项，都可使K值增大。但因各项所占比重不同，要设法减小对K值影响较大的项。,
17、5.3.5 总传热系数, 换热器结垢严重时，必须设法减小污垢的热组，如减慢污垢生成的速率或及时清除污垢，就成为主要考虑的方面。 当污垢热组和管壁热组很小可以忽略不计时,提高就成为应主要考虑的方面。 a、若1、2相差不大，须设法同时提高1、2 。 b、若12，K2， K几乎完全取决于2 。 因此要提高K值关键在于提高较小的一个值。,5.3.5 总传热系数,注： 传热间壁为圆筒壁时，dA1dA2dAm，存在基准问题，由于换热器系列中均为外表面积A1，故没有特别说明情况下，均以外表面积为基准；但不论采用哪种基准计算得到的传热量Q相同； 下标1代表管外，2代表管内（ ms1 cp1代表热流体 ，ms2
18、 cp2代表冷流体），K与1、2、d1、d2、Rs1、Rs2等参数有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关； 在应用总传热速率方程时，若K以外表面积为基准，则A=A1；若K以内表面积为基准，则A=A2；,5.3.6 传热面积的计算,5.3.7 平均温度差tm 的计算,5.3.7.1 恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）若间壁两侧流体均为相变对流传热，即饱和蒸汽冷凝和饱和液体沸腾，如蒸发单元操作，热流体在换热器中处处的温度均为T ，冷流体在换热器中处处温度均为t ，故：,5.3.7 平均温度差tm 的计算,5.3.7.2 变温差传热在实际中常见的是变温差传热，两流体在换热器中不同位置
19、传热温度差t不同；间壁两侧流体的流动形式各种各样，但最基本的有两种形式：逆流、并流,图5-13 两侧流体均无相变时的温度变化,图5-13 一侧流体相变时的温度变化,5.3.7 平均温度差tm 的计算,5.3.7 平均温度差tm 的计算,（1）以逆流为例导出计算平均温度差tm 的通式 取一微元传热面dA 经dA的传热速率为 dQ = K（T- t）dA= Kt dA 对dA进行热量衡算（冷、热流体均无相变化） dQ = - ms1cp1dT= - ms2cp2dt 对整个换热器进行热量衡算设Q损=0，cp1、cp2分别取平均温度下的平均值，可以认为是常数，冷、热流体均无相变化， Q = ms1c
20、p1（T1- T2）= ms2cp2（t2- t1）,5.3.7 平均温度差tm 的计算, 导出计算tm 的通式,5.3.7 平均温度差tm 的计算,令,对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流体变温的情况均使用，是计算tm的通式,t1热流体进口侧的传热温差，； t2热流体出口侧的传热温差，。,传热基本方程式,5.3.7 平均温度差tm 的计算,（2）讨论 tm由逆流推导得出，但同样适用于并流逆流：t1 = T1- t2， t2= T2 - t1,并流： t1 = T1- t1， t2= T2 t2, 若max(t1 , t2)/min (t1 , t2) 2，,5.3.7 平均温度差tm 的计算
21、,例 在一列管式换热器中用机油和原油换热。原油在管外流动，进口温度为120，出口温度上升到160 ；机油在管内流动，进口温度为245 ，出口温度下降到175 。（1）试分别计算并流和逆流时的平均温度差。（2）若已知机油质量流量ms1=0.5kg/s，其比热cp1=3kJ/kgK，并流和逆流时的K均等于100W/m2K，求单位时间内传过相同热量分别所需要的传热面积。,5.3.7 平均温度差tm 的计算, 逆流与并流比较 a、当T1、T2及t1、t2均已确定时， tm逆tm并，若Q相同，则A逆A并，所以工业换热器一般是采用逆流；,b、并流 t2 总是 (t2 - t1)并，冷却剂用量ms2逆(T1
22、-T2)并，加热剂用量ms1逆 ms1并；,结论：逆流比并流优越，故应尽可能采用逆流操作。但对热敏性物料的加热并流操作可避免出口温度t2过高而影响产品质量。此外，传热的好坏，除tm的大小外，还应考虑影响K的多种因素及换热器结构方面的问题。,5.3.7 平均温度差tm 的计算,对只有一侧流体变温的情况，则无逆流和并流之分饱和蒸汽（热流体）冷凝，冷流体无相变,5.3.7 平均温度差tm 的计算,热流体无相变，饱和液体（冷流体）沸腾,5.3.7 平均温度差tm 的计算,5.3.7.3 复杂流动tm的计算基本概念：管程：流体在换热器管内流动壳程：管束与换热器壳体之间的空隙流体通过换热器时只流过一个管程
23、，称为单管程；若依次流过多个管程，称为多管程；单壳程、多壳程的概念与之类似，多壳程换热器相当于多台换热器串联。,5.3.7 平均温度差tm 的计算,5.3.7 平均温度差tm 的计算,（1）简单折流（单壳程多管程的流动，壳程无折流挡板）换热器中的管子总数不变，总传热面积不变，在封头中设置隔板改造成多管程；每一管程中的管数减小；如下表将单管程改为双管程一些参数的变化情况：,5.3.7 平均温度差tm 的计算,简单折流：1-2折流、1-4折流、1-6折流、 1-3折流都称为简单折流（一边流体反复作折流，另一边流体只沿一个平行方向流动，使两边流体间有并流与逆流交替出现）。对于有折流的情况，平均温度差
24、的计算较复杂，如1-2折流时的温度差的计算式：,思考：若图5-18中热流体为饱和蒸汽冷凝，则（T1= T2= T）,5.3.7 平均温度差tm 的计算,（2）错流（壳程装有圆缺形档板的流动） 两流体流动方向互相垂直。若1，K，为提高1，使 K，可设法使u1，同时迫使流体按规定的路径多次横向流过管束，增大湍动程度（在较低的Re，Re100即可达到湍流）。 （3）复杂折流（多管程、多壳程）实际上，工业换热器并不一定都是逆流或并流，许多情况下采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动的tm按下式计算,式中,5.3.7 平均温度差tm 的计算,讨论：（1）单管程改为多管程，壳程增加折流挡板，虽然能提高传热效
25、果，但同时也增大了流动阻力；（2）对一侧有相变的情况，饱和液体沸腾P0，R；饱和蒸汽冷凝R0 ；由R、P关系图可知，=1 ，其对数平均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正；（3）一般0.8 ，否则经济上不合理、操作温度略有变动，操作不稳定；思考：提高的方法？,5.3.7 平均温度差tm 的计算,改用多壳程：单壳程：R=2.0，P=0.3时， =0.86多壳程：R=2.0，P=0.3时， =0.97 因此，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。（4）若蒸汽冷凝于壳程，由于蒸汽本身的对流给热系数很大，所以壳程安装挡板的距离比一般的换热器要大，且挡板间应有冷凝水的排放口。,5.3.8 壁温的计算,对于
26、稳定传热过程,5.4 对流给热与对流给热系数,5.4.1 对流给热系数的影响因素 （1）引起流动的原因：自然对流和强制对流自然对流：流体内温度不同，导致密度差异，热流体上升，冷流体下降，由于流体温度不同而使流体流动的传热过程，称为自然对流给热。强制对流：由外力作用（输送机械）使流体流动而传热，称为强制对流给热。强制对流 自然对流 （2）流体流动形态流体传热热阻主要集中在层流底层中。对层流而言，整个流体均处于层流状态；而湍流流体中只有层流底层处于层流状态；所以湍流情况下传热效果大于层流状态，且湍动程度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。 湍流 层流,5.4.1 对流给热系数的影响因素,（3）流
27、体的性质影响对流给热过程的性质主要有：比热、导热系数、粘度、密度等。如粘度大，流动阻力大，湍动程度差，传热效果差；导热系数大，层流底层中热阻小。一般比热大、导热系数大、密度大、粘度小对传热有利。 （4）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等流通截面及形状（圆管、套管环隙、翅片管、单管、管束、板、弯管）管子排列方式（三角形、正方形）位置（水平、垂直）大小（短管、长管）相变（无相变、沸腾、冷凝）,5.4.1 对流给热系数的影响因素,补充：自然对流环流流速,流动的推动力为密度不同引起的静压差，则,5.4.1 对流给热系数的影响因素,自然对流的强弱与加热面的位置密切相关。水平加热面的上部有利
28、于产生较大的自然对流(如图a所示)，故房间采暖用的加热器应尽量放在下部；水平冷却面的下部有利于产生较大的自然对流(如图b所示)，故剧场的冷气装置应放在剧场上部。,5.4.2 因次分析在对流给热中的应用,（1）获得给热系数的方法分析法：对描写某一类给热问题的偏微分方程及其定解条件进行数学求解，获得特定问题的温度场，从而获得给热系数和传热速率的分析解。数值法：数值求解法是将给热的偏微分方程离散化，用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。实验法：通过实验来获得不同情况下的给热计算式（常为关联式或经验式）。为减少实验工作量，提高实验结果的通用性，应当在量纲分析的指导下进行；即对某一类给热问题
29、，将影响给热系数的因素用量纲分析归纳成几个无量纲的特征数，以减少变量数目，再用实验确定这些特征数之间的具体关系。,5.4.2 因次分析在对流给热中的应用,（2）因次分析在对流给热中的应用根据前面的分析可知，影响对流给热系数的因素有（无相变）：（1）流体物性：、cp（2）流动状态：u（3）传热面特征尺寸：l（4）自然对流：Tg （视为一个变量，相当单位质量流体由于温度不同所产生的浮力）所以对流给热系数是以上七个变量的函数：,令,5.4.2 因次分析在对流给热中的应用,对SI制基本量纲有七个，在此关系有涉及到四个量纲，包括长度L、质量M、时间T 、温度；所以关联式中各变量的因次分别为：,5.4.2
30、 因次分析在对流给热中的应用,把以上因次代入关联式,根据因次一致性原则：,解得：,5.4.2 因次分析在对流给热中的应用,雷诺准数，惯性力与粘性力的比值，表征流体流动型态对对流给热的影响；强制对流时影响显著，自然对流时影响微小；,5.4.2 因次分析在对流给热中的应用,普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；液体Pr1，气体Pr1接近1；,根据以上定义可以得到最终的关联式：,讨论：根据不同的对流给热过程，由实验确定系数K及指数f、e、g值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等； 强制对流时，Gr一般可忽略，即Nu= f (Re,Pr)自然对流时， Re一般可忽略，即Nu= f (Pr,
31、 Gr) 由实验条件所限，得到Nu= f (Re,Pr, Gr)关联式应注意应用范围；,5.4.2 因次分析在对流给热中的应用,由于流体在传热过程中存在传热边界层，所以冷流体从t上升到tW，热流体从TW降为T；故对冷、热流体的物性应分别取(t +tW)/2、(T+ TW)/2查取或计算；当壁温的计算需要确定对流给热系数（未知需试差），工程上为计算方便一般取流体主体的平均温度来查取或计算；这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。有些情况下，定性温度不一定取进出口的平均温度，如取膜温（进出口平均温度与壁温的平均值）；所以要注意关联式对定性温度的说明和要求；定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，
32、它是代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管定性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径； Nu= f (Re,Pr, Gr)适用于无相变的对流给热。,5.4.2 因次分析在对流给热中的应用,总之，对流传热是流体主体中的对流和层流底层中的热传导的复合现象。任何影响流体流动的因素（引起流动的原因、流动型态和有无相变化等）必然对对流传热系数有影响。下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即： 强制对流时的给热系数； 自然对流时的对流给热系数； 蒸汽冷凝时的对流给热系数； 液体沸腾时对流给热系数；,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,强制
33、对流情况下，Gr对的影响较小，一般可以忽略，所以,其中C、m、n由实验测定。 5.4.3.1 流体在管内作强制对流的 （1）流体在圆形直管内作强制湍流时的 低粘度（粘度2倍常温水的粘度）的液体和气体,或,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,上式的应用范围及条件： a、Re104，流动是充分湍流； b、Pr=0.6160，一般流体皆可满足； c、50，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的。若l/d 50，则 =f1， f1 =（ l/d ,Re）。 e、Nu、Re中的特征尺寸l 取d内。 f、流体物性参数按定性温度tm=(t1 +t2)/2取。,液体 Pr1， 被加热：t，u,
34、b, ，n=0.4;被冷却：t，u, b, ，n=0.3; 气体Pr1， 被加热：t，u, b, ，n=0.4;被冷却：t，u, b, ，n=0.3; 对于气体， t， Pr基本不变，对空气或其他对称双原子气体， Pr 0.72， Nu=0.02 Re0.8,5.4.3 强制对流时的对流给热系数, 高粘度的液体：若流体平均温度与壁温相差较大或高粘度流体，应对粘度进行校正：,上式的应用范围及条件： a、Re104； b、Pr=0.6160； c、特征尺寸l 取d内； d、流体物性参数按定性温度tm=(t1 +t2)/2取； e、 用tWm=(tW1 +tW2)/2 求W；f、不适用于液态金属。一
35、般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但在工程计算中，也可取以下近似值：,液体被加热,液体被冷却,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,（2）流体在圆形直管内作强制层流时的 Gr25000，自然对流的影响可以忽略,此式适用范围及条件：Re10（不适用于管长很长的情况），特征尺寸取d内；定性温度取tm=(t1 +t2)/2，用tWm=(tW1 +tW2)/2 求W。,当Gr25000时，自然对流对强制层流的影响不能忽略，应乘以校正系数：,注意：层流时很小，从而K也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热。,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,（3）圆形直管内强制过渡状况时的当Re
36、=200010000的过渡状态时，因湍动不充分，层流底层较厚，热阻大，比湍流时小，作为粗略估计，可用Re104的公式算出Re104值，然后乘以校正系数f2,（4）圆形弯管内作强制对流时的流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流给热系数加大。,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,（5）非圆形直管内作强制对流时的 用上述关联式，但式中的d要用代替de, 采用专用的关联式 如对套管环隙，用水而和空气等进行实验，得到关联式为：,这种方法简便，但计算结果不够准确。,适用条件： Re=12000220000，d2/d1=1.6517，特征尺寸为de，定性温度取tm=(t1 +t2)/2。也
37、可计算其他流体在环隙中作强制湍流时的。,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,5.4.3.2 流体在管外作强制对流时的 （1）流体垂直流过单根管的 （2）流体横向流过管束的,C1、C2和n的值见表5-11。 上式的适用范围及约束条件： a、Re=50007000和x1/d =1.25，x2/d =1.25； b、特征尺寸取管外径； c、定性温度tm=(t1+t2)/2; d、流速取各排最窄通道处的流速。 由于各列的不同，可按下式求出整个管束的平均：,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,（3）流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的 a、查图5-30； b、当Re=2000106时,适用条件
38、： 、换热器管间装有割去25%（面积）的圆缺形折流挡板； 、Re=2000106 ； 、定性温度tm=(t1+t2)/2; 、tWm=(tW1 +tW2)/2 求W； 、特征尺寸de（根据管束排列方式而定）; 、管外的流速根据流体流过的最大截面积S计算。,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,（4）流体在列管换热器管间无折流挡板的用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管间当量直径。 （5）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数,5.4.3 强制对流时的对流给热系数,5.4.3.3 提高对流给热系数的途径 （1）从层流转变为湍流时，Re，应力求使流体在换热器中达到湍流流动； （2）圆形直管
39、时，,（4）在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高， ，但能耗。,5.4.4 流体作自然对流时的对流给热系数,自然对流时的大小和流体的物性、传热面的大小、形状、位置及传热面与流体间的温度差都有关系，情况复杂，仅限于讨论大空间（指边界层不受干扰）的自然对流。给热的特征数普遍关联式为：Nu=f (Gr,Pr)，在一定范围内可用幂函数表示,适用范围及条件： 大容积（大空间）的自然对流； 定性温度取膜温 t膜=(tw+tm)/2; 特征尺寸l：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高； t = tw-t。,或,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流给热系数,（1）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻如果加热介质是饱
40、和蒸汽，当饱和蒸汽和低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽将放出潜热并冷凝成液体，冷凝对流传热过程的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内。这是蒸汽冷凝对流传热过程的一个主要特点。设法减小液膜厚度就是强化冷凝对流传热的有效措施。如果加热介质是过热蒸汽，且tw ts时，则壁面上不会发生冷凝现象，蒸汽和壁面间进行的是一般对流传热，此时热阻将集中于壁面附近的蒸汽层流底层中。蒸汽的导热系数比冷凝液的导热系数小得多，故饱和蒸汽冷凝对流传热系数远大于过热蒸汽的对流传热系数。因此，工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质，其原因有两个：一是饱和蒸汽有恒定的温度，二是它有较大的对流传热系数。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流给热系数,（
41、2）膜状冷凝和滴状冷凝膜状冷凝：冷凝液能够润湿壁面并形成一层完整的液膜向下流动。此种冷凝壁面上始终覆盖着一层液膜，蒸汽冷凝时放出的潜热只能以导热的形式通过液膜后才能传给壁面。因此膜状冷凝的热阻较大。滴状冷凝：若蒸汽中混有油脂类物质，或者壁面被油脂沾污时，冷凝液不能全部润湿壁面，而是结成滴状小液珠从壁面落下，重又露出新的冷凝面，这种冷凝称为滴状冷凝。实验结果表明，滴状冷凝的比膜状冷凝的大几倍甚至几十倍。但是滴状冷凝在工业上没有现实意义，难以实现，在工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流给热系数,（3）蒸汽冷凝时的 理论推导,特征尺寸H取管长或板高，冷凝潜热r按饱和温
42、度取，其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。 推导上式的条件：冷凝液膜为层流；蒸汽u=0，对液膜无摩擦阻力；冷凝潜热以热传导方式通过液膜；冷凝液物性为常数。,平均,b、单根水平管外,a、垂直管外或垂直板侧,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流给热系数, 实验结果 a、垂直管外或垂直板侧,使用范围及条件：特征尺寸H取管长或板高；冷凝液膜为层流，Re1800；冷凝潜热r按饱和温度ts取；其余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。,判断时Re怎么求？,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流给热系数,M = ms/b单位长度润湿周边上冷凝液的质量流量也称冷凝负荷。,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流给热系
43、数,冷凝液膜为湍流，Re1800,5.4.5 蒸汽冷凝时的对流给热系数,b、单根水平管外 实验结果和理论推导公式所得结果基本相符,在其它条件相同时,一般Ldo， 垂直 水平。结论：工业冷凝器通常都是卧式的，但蒸发器都是立式的，这是蒸发器特点本身要求的。,c、水平管束外,错排的在垂直方向上的管数小于直排在垂直方向的管子数，错排 直排,5.4.6 液体沸腾时的对流给热系数,对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：大容积沸腾：传热面浸沉浸在无强制对流液体中发生的沸腾现象。管内沸腾：流体在一定压差下流过加热管发生沸腾现象，沸腾过程受液体流速的影响，且沸腾
44、产生的气泡无法脱离流体而随流体一起流动，形成复杂的气液两相流。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾复杂得多。根据沸腾温度分为：过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。饱和沸腾：液体主体温度达到或高于饱和温度。,5.4.6 液体沸腾时的对流给热系数,（1）沸腾现象,汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称为汽化核心。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的比无相变时的大得多。 沸腾无相变,5.4.6 液体沸腾时的对流给热系数,如图所示，以常压水在大容器内
45、沸腾为例，说明t对的影响：,t很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。t5C时，汽化仅发生在液体表面，严格说还不是沸腾，而是表面汽化。此阶段，较小，且随t升高得缓慢。, 25C t 5C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的汽泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。,5.4.6 液体沸腾时的对流给热系数, t 25C进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，由于气体的导热系数较小，使降低，此阶段称为不稳定膜状沸腾
46、。t 250C时，气膜稳定，由于加热面温度高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾。,工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点称为临界点（此后传热恶化），对于常压水在大容器内沸腾时临界点为tc=25C。,5.4.6 液体沸腾时的对流给热系数,（2）影响沸腾传热的因素 液体和蒸汽的性质，主要包括表面张力、cp、r、L、V等； 操作压力和温度差； 加热表面的粗糙情况和表面物理性质。,5. 5 传热过程的强化,几种传热过程对流给热系数的比较： 相变 无相变，强制 自然，湍流 层流，水平 垂直， 错排 直排，滴状 膜状，核状 膜状,5.5.1 增大传热面积传
47、热面增大，传热量增大，设备体积增大，投资费用增大，这种方法是一种简单的强化传热方法，即换一台同样型式但传热面面积大的换热器。另一种方法是增大单位体积换热器的传热面积，如在管外增加螺旋翅片，以增加传热面积。,5.5.2 增大传热推动力,逆流的推动力大于并流，可以将并流换热器改为逆流换热器。,生产实际中传热温差往往受到客观条件（如蒸汽压力、气温、水温等）与工艺条件（如热敏性物料、冰点等）的制约，不能随意变动。因此利用提高对数平均温度差（总传热推动力）来强化传热过程的方法不方便且在传热推动力中四个温度一般只有换热介质的出口温度或可以由设计者确定（经验设计、优化设计），且：,5.5.3 减小传热阻力，
48、增大传热系数,（1）减小污垢热阻的方法有： 停车除垢； 在流体中加热阻垢剂。,5.5.3 减小传热阻力，增大传热系数,（2）增大对流给热系数的方法主要有： 增大流体的流速流速增大，流体的湍动程度提高，层流底层厚度减小，对流传热阻力减小，对流给热系数增大，如圆形直管管内湍流时：单管程改为双管程，流速加倍或流量增加一倍。, 增强流体的湍动、扰动程度流体在管内的流速不变，但增加管内壁粗糙度或在管内增加麻花铁、金属卷片等添加物，增强管内流体的扰动，减小层流底层厚度，从而增大对流给热系数；在管外壁装翅片或管外即壳程安装挡板增强管外流体的扰动，增大管外流体的对流给热系数。,5.5.3 减小传热阻力，增大传热系数, 在流体中添加固体颗粒一方面，固体颗粒的扰动与搅拌作用，增加流体的对流给热系数，另一方面，固体颗粒不断撞击管壁降低了污垢层的形成和增长。 在气体中喷入液滴气体传热能力低，当液滴落于管壁上时，气相传热转变为液膜传热，而液膜传热强度高促使传热过程得到强化。 讨论：以上措施孤立起来看是可以强化传热过程的，但实际应用中应具体问题具体分析：（1）若污垢结垢严重，Rs1、Rs2很大时，强化传热首先应进行除垢；,
