1、第五章 传 热,教学内容： 4-1概述 4-2热传导 4-3对流传热概述 4-4对流传热系数关联式 4-5传热过程计算 4-6辐射传热 4-7换热器 复习,5-1概述,一、化工生产中的传热过程,1.化工生产中的物料反应需加热、冷却； 2.造纸生产中原料的蒸煮、纸张干燥等； 3.材料工业中窖炉的传热、设计等； 4.皮革生产中鞣剂的加热，皮革的干燥等。,传热的目的：,1.为了进行化学、物理变化，需使物料升温和冷却， 强化传热； 2.为了减少热损失，节约能量，改善生产环境及条件， 需减缓传热； 3.为了回收利用热量，进行热交换。,二、传热由温差引起的能量转移。由热力学第二定律知，凡是有温度差存在时，
2、不管是同一物体还是不同物体都会出现热从高温处向低温处移动，即有传热现象发生。 热力学：传递的总热量；传热学：讨论过程热量的传递速率。,三、传热的基本方式,1、 热传导（导热）,特点：没有物质的宏观位移；发生在相互接触的物质之间和物体内部。典型是发生在固体中；静止和层流流动流体。,对于不同的物态，其传热机理不同： 固体导电体：自由电子的移动；非导电体：分子、原子在晶格结点附近的振动。 气体：分子的不规则热运动； 液体：分子的不规则热运动，介于非导电体与气体之间。,同一物体：高温部分,低温部分,不同物体：高温物体,低温物体,不依靠物体内部各部分质点的宏观混合运动而借助于物体分子、原子、离子、自由电
3、子等微观粒子的热运动产生的热量传递称为热传导，简称导热。,由于流体流动而造成的传热方式。,2、 热对流,流体流动原因不同，其对流传热规律也不同。,工程上，常遇到的情况是：流过固体表面的流体与固体 壁面之间的换热，称为对流传热。,特点：壁面附近的流体主要通过热传导传热；流体主体 则主要 以对流方式传热。故对流传热与流体流动状况密 切相关。,特点：有分子及质点的宏观运动，发生于流体中。,3、热辐射：因热的原因而产生电磁波在空间的传递。,特点： 1、 所有物体都能将热能以电磁波的形式发射出去，故热辐射不需 要任何介质，真空中可传递。2 、不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换；3、热辐射不需要温差
4、。ET4,四、工业换热方式及典型的换热设备,1、方式,A、直接混合式：主要用于蒸汽冷凝等。优点：传热效果好，设备结构简单，但必须要求冷热流体能直接混合。,自然界中不同物体之间相互热辐射的综合结果，称为辐 射传热.,B、蓄热式换热,蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内装有填充物(如耐火砖等)，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。,特点：设备体积庞大，且不能完全避免两流体的混合， 要求允许两流体有一定程度的混合而对生产无影响。,C、间壁式换热,冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧流动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。 传热方式
5、：对流导热对流,2、典型设备（针对间壁式换热）,A套管式,由直径不同的两根同心管套在一起，冷、热流体分别流 过内管和环隙，通过内管壁进行换热。 （见p208图）,夹套安装于容器外部， 适合传热量不高的场合。,B、夹套式,C、列管式（管壳式） 固定管板式(结构图）、浮头式、U型管式 优点：单位体积内具有较大的传热面积。,固定管板式,浮头式,U型管式,传热速率(Q)：单位时间内通过传热面传递的热量W； 热通量（q）：单位时间单位传热面积传递的热量，w/m2。,管程流体：走管内的流体。 壳程流体：走管外的流体。 管程数：管程流体在管束内流过的次数。一次流过所有 的管子，称为单管程；管子分成几组则为几
6、管程。增加 管程数的目的是提高流速，增大换热效果。传热系数 u0.8。,分别用Si、So、Sm表示。,换热面积：指管壁的表面积。,单程列管式换热器 1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7挡板,双程列管式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板,间壁式换热器内冷、热流体间的传热过程包括以下三个步骤： （1）热流体以对流方式将热量传递给管壁； （2）热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧； （3）传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。,五、 载热体及其选择,1.载热体：在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。其中起加热作用
7、的称为加热介质（或加热剂），如热水、饱和蒸汽、熔盐、烟道气等；起冷却（冷凝）作用的称为冷却介质（或冷却剂），如冷水、空气、低温盐水、液氨等。,2.选择载热体原则 （1）载热体的温度易调节控制； （2）载热体的饱和蒸气压较低，加热时不易分解； （3）载热体的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备； （4）价格便宜，来源容易。,5-2 热传导,一、 基本概念和傅立叶定律（P210),1、 温度场和温度梯度,A、温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。,B、等温面：温度场中同一时刻下温度相同的各点所组成的面。（一维定态传热，平壁、圆柱、圆球的等温面？） 特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无
8、热量传递。,温度场的一般数学表达式为：,C、温度梯度：两等温面的温差t与其法向上的距离n之比的极限.,2、 傅立叶(Fourier)定律热传导基本定律,一维定态温度场，此时等温面与x轴垂直。,指通过等温表面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。,负号表示传热方向与温度梯度方向相反,导热系数,物质物性之一，单位W/m ,3、导热系数,A、定义：,导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量， 它表征物质导热能力的大小。与物质的种类、组成、 结构、密度、温度、压强有关。,B、影响因素,A）、物质本身的影响,纯净程度：纯 混，如熟铁为61W/m.K;钢为45W/m.K。 紧密程度： 紧 松，如硬塑料为
9、20W/m.K；泡沫塑料0.02W/m.K 聚集状态： 固 液 气； 导电固体 非导电固体,B）、外部条件的影响,1、 单层平壁的热传导,二、平壁一维稳态的热传导,t1t2,C）、求取,由付立叶定律：,1)平壁材料均匀，导热系数 不随温度而变(或取平均导热系数)，即const。 2)平壁内的温度仅沿垂直于壁面S的x方向变化，即一维定态传热。 3)面积S壁厚b,即壁边缘处的热损失可忽略。,导热推动力，,几点基本假设,温度分布：,若随温度变化，此时温度是否还为直线分布？,导热热阻，m2 /W,假设：层与层之间接触良好，即两个接触表面具有 相同的温度。其余条件与单层平壁相同。,如图，以三层平板为例介
10、绍,2、 多层平壁的热传导,三层平壁热传导,为稳定传热，,n层平壁的热传导速率方程式：,结论：（1）对各层平壁，其t越大，则对应其热阻R也越高。（2）各层平壁导热通量q=const。,例：如图，稳定传热，三层平壁厚度相同，判断各层 导热系数和热阻大小？,由于平壁表面粗糙不平，里面充满空气，而气体导热系数很小（热阻比较大），所以使不同材料的相邻壁面出现明显的温度降低，称为接触热阻。,接触热阻:,接触热阻与接触面材料、表面粗糙度及接触面上压力 等因素有关，可通过实验测定。,接触热阻,三、 圆筒壁的热传导,1、单层圆筒壁的热传导,假设：圆筒壁很长，沿轴向散热可忽略取内径为r1,外径为r2，长为L的圆
11、筒。其内外层温度分别为t1和t2(t1t2)。在半径为r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒进行讨论，其传热面积S2rL，该薄壁层温度变化为dt，即温度梯度为dt/dr。,将上式变形得：,在工程计算中，经常会遇到两量的对数平均值， 如对数平均温度。当r2/r12时，可用算术平均值代替。,式中,常量 常量,传热速率,传热面积,热通量,平壁 圆筒壁,常量 随半径变,常量 随半径变,特点：圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变；故热通量也随半径而变。,平壁与圆筒壁的比较：,2、 多层圆筒壁的热传导,假设：各层间接触良好；各层的导热系数分别为1、2、3，厚度分别为b1、b2、b3。,是定态传热，Qcon
12、st。,对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为,说明：对于圆筒壁，由于Sm1Sm2 Smi const，故q const,5-3对流传热(p221),一、对流传热分析（一唯）：流过固体壁面的流体与固体壁面之间的传热过程称为对流传热。,由“流体流动”一章知：当流体流过固体壁面时，由于流体具有粘性，在壁面 附近形成一层流动边界层（滞流时称为滞流边界层；湍 流时，靠近壁面存在一滞流内层），在滞流层内流体作 分层运动，相邻层间无流体宏观运动，因此在垂直于流 动方向上热传递形式为热传导。由于流体导热系数低 （相对于固体而言），因此该滞流层导热热阻较大，具 有较大的温差，温度梯度较大。湍动程度越高，靠近壁
13、 面处的温度梯度就越大。湍流主体中，由于质点的剧烈 混合，使得主体各处的温度基本相同。湍流主体和滞流 （内）层之间的流体称为缓冲层，在缓冲层内热传导和 热对流大致相当，因此该层中的温度发生较缓慢的变化 （介于滞流层和湍流层之间）。,当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层，若流体温度与壁面不同，则二者之间将进行热交换。,层流内层 缓冲层 湍流核心,湍流边界层,传热方式 热传导 热传导和涡流传热 涡流传热,流体流过固体壁面在垂直于流动方向、某一截面上 的温度分布情况如图所示。,温度梯度 较大 居中 较小,热阻 较大 居中 较小（可以忽略）,对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象。对流传热
14、的热阻主要集中在层流内层，因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。或提高流体的湍动程度）故对流传热与流体的流动状况密切相关,热边界层,当流体流过平板的距离为无穷大时，热边界层将消失。,靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。,二、流体与壁面间的 对流传热速率牛顿冷却定律,由前面的分析知道，影响对流传热速率的因素很多 （如流体流动状况、设备、流体性质等），工程上通常 采用半经验的方法得到。具体处理方法，类似于“流体 流动”中用当量长度法计算局部阻力，用导热的规律来近 似代替对流传热规律。,导热：,对流传热：（在换热
15、器的不同位置，流体和壁面的温度 是变化的，因此对流传热速率也随换热器不同位置而异， 故用微分形式表示对流传热速率）,在换热器中，换热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。但对流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应。如热流体在管外流动，冷流体在管内流动。则对流传热速率方程式可分别表示为：,将上式变形得,t虚拟的静止流体层（滞流 内层和缓冲层）厚度，m； 流体的导热系数W/m ； t/S对流传热热阻/W 局部对流传热系数w/m2 , 值(W/(m2. )） 的经验范围,在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。它反映了对流传热的快慢，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素（
16、如流体物性、流动状况、设备、有无相变等）影响的一个系数。,三、 对流传（给）热系数,结论：强制对流自然对流；有相变液体气体。,5-4 传热计算(p224),对于换热器，热量从热流体传给冷流体，要经历如下过程：（设热流体走管外，冷流体走管内）,一、传热速率基本方程,假定：（1）传热过程为稳定传热；（2）壁面两侧流体为恒温；（3）取Tw、 tw和相应的o、i为平均值,而实际情况，T，t，Tw，tw往往沿管长变化，如下图。,S与总传热系数对应的传热面积，m2 tm内外两侧流体的平均温度差， Q传热速率，或换热器的热负荷，kw。,则上式变为：,二、热衡算Q,对于整个换热器，其热量衡算式为,假设换热器绝
17、热良好，热损失可以忽略不计，则在单位时间内换热器中热流体放出的热量必等于冷流体吸收的热量。,1 热平衡方程,热流体释放的热,冷流体吸收的热,Cpc，Cph冷、热流体的比热，kJ/kg,若换热器中两流体均无相变，且流体的定压比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的值，则,2.流体无相变化,Q换热器的热负荷，kJ/h或kW Ic,Ih冷、热流体的焓，kJ/kg Wc， Wh冷、热流体的质量流量，kg/h。,有相变无温降,有相变有温降,r饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg。,三、传热面积,传热面积有三种： So=ndol ，Si=ndil，Sm=ndml。 do、di、dm管外径、内径、平均直径。 工业
18、上若无具体说明，大多以So为计算基准。,已知：,3.若换热器中流体有相变，例如饱和蒸气冷凝,1、基于内表面Si的总传热系数Ki：,传热面积有：So，Si，Sm。而K与S的取法密切相关。,四、总传热系数K,2、基于外表面So的总传热系数Ko：,工业上若无具体说明，一般以Ko计算总传热系数。,总传热系数K表示单位传热面积，冷、热流体单位传热 温差下的传热速率，它反映了传热过程的强度。,（1）污垢热阻： 设管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rsi和Rso，则总热阻：,工程计算上，常选用污垢热阻的经验数值。如 附录十三。在换热器设计时，一定要考虑污垢热阻。,（2）控制热阻,假设：a、管壁很薄，即didmd
19、o，b/很小；b、Rso、Rsi可以忽略。,K是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。 K的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，可通过计算、实验测定或查阅相关手册得到。,3、讨论,（3）K的来源：a、对于设计计算，查手册。b、对于操作型的计算，通过以上公式计算。,列管换热器总传热系数K的经验数据,在选用总传热系数的推荐值时，应注意以下几点： 设计中管程和壳程的流体应与所选的管程和壳程的流体相一致； 设计中流体的性质（黏度等）和状态（流速等）应与所选的流体性质和状态相一致； 设计中换热器的类型应与所选的换热器的类型相一致；,总传热系数的推荐值一般范围
20、很大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若需降低设备费（减小换热面积）可选取较大的值；若需降低操作费（增大换热面积）可选取较小的值。,五、平均温度差,1、流体的流向,A、逆流：指两流体以相反的方向流动。,B、并流：指两流体以相同的方向流动。,错流和折流统称复杂流。,D、折流：一流体沿一个方向流动，另一流体反复折流。如：,C、错流：两流体的流向相互垂直。,2、 tm的求取,A、恒温差传热恒温传热：指两流体均发生相变化，即T、t沿管长不变，如图。,此时，流体的流向对tm无影响。,基本假设： 1）传热为定态操作过程；2）Cph,Cpc=const； 3）K=const；4）Ql0。,B、简单的
21、并、逆流tm的求取,由热量恒算并结合假定条件和，可得,常数,常数,因此， 及 都是直线关系，可分别表示为,上两式相减，可得 也呈直线关系。将上述诸直线定性地绘于下图中,逆流时平均 温度差的推导,并、逆流tm的计算式，称为对数平均温度差。,讨论：a.当t2/t12时， tm （t2 t1）/2,b.对于逆流： t1T1t2； t2T2t1,对于并流： t1T1t1； t2T2t2,遵循：同侧相减，大减小。,根据假定条件，积分上式得,c.当两侧流体进出口温度相同时，并流、逆流tm不相等。 例如当T190，T270；t1=20 ，t260 时,d.流向的比较（并流和逆流）,已知：当两侧流体进出口温度
22、相同时,(1)从传热面积S来看：,假设并、逆流的Q、K相同，则有：,即采用逆流操作，可节省传热面积。逆流优于并流。,（2）生产能力看：,假设并、逆流的S、K相同，则有：,即采用逆流生产能力大。,（3）从加热介质用量Wh、冷却介质用量W,c来看,（）若传热的目的是为了加热，则,固定,若T1，Cph一定，由,即T2逆T2并,并 流,逆流, T2逆T2并， Wh逆W,h并,P57,t2逆t2并,即逆流时加热介质用量可以比并流少，逆流优于并流。,（）同理若目的是为了冷却，则,t2逆t2并，故Wc逆Wc并。,（）宜采用并流的操作,、流体温度的限制,、高粘度的冷流体,若冷流体t1，Cpc一定。,固定，,由
23、图分析,C、复杂流向tm的求取,思路：先按逆流处理，计算tm逆，再乘以考虑流动方向 的校正因素,其中：,可根据P、R查图得到，如下页图。,注意：（1）由图可知，,（2）当,为什么？,通常在换热器的设计中规定， 值不应小于0.8，否则值太小，经济上不合理。若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流。,例1、已知一换热器So=3m2，用表压为2kgf/cm2的饱和蒸 汽在管外加热管内的水，水流量Wc=4000kg/h，从 t1=20 被加热到t2=80 ， 比热为Cpc=4.17KJ/Kg， 列管为25 2.5mm。 求：（1）蒸汽消耗量Wh=?(2)总传热系数K
24、o=?（3）如果水侧对流传热系数为i=2KW/m2 ， 管壁导热系数4.5w/m,忽略污垢热阻，求蒸汽侧的 对流传热系数o=?,（4）若换热器列管长L=3m，求管子数n=？,解：（1）由3kgf/cm2（绝）查得其饱和温度T=132.9 , 冷凝潜热r=2169kJ/kg 。,例2、单程换热器S=100m2，冷流体用量Wc=550 kg/min， 比热Cpc=4.18KJ/Kg， 进口温度t1=35，出口温度t2=75 ；热流体比热Cph=2.18KJ/Kg，进口温度T1=150，出口温度T2=60 。求：（1）热流体用量Wh=? (2)设总传热系数K=400 W/m2.，此换热器能否完成换热
25、任务？,分析：（1）已知W,c，Cpc，t1，t2；Cph，T1，T2，则可通过热量衡算即 可求出Wh。（2）要判断换热器能否完成换热任务，（a)可比较S需与S有，若S需Q需，则换热器能完成换热任务。,解：（1）由热量衡算知：Q=WcCpc(t2-t1)=WhCph(T1-T2)即550 4.18 （75-35）W,h 2.18(150-60)解得 Wh=468.7Kg/min。（2）a、比较Q需与Q有。Q需WcCpc(t2-t1)=550 4.18 （75-35）=91960kJ/min=1.533 106WQ能完成KStm其中K、S已知，需求tm。又题目中虽然知道冷热流体进出口温度，但不知
26、道流向，先判断流体流向。t2=75T2=60 ,由图可知，该换热器两流体为逆流流动。,Q能完成 KStm400 100 45.51.82 106WQ能完成Q需此换热器能完成换热任务。 b、比较S需与S有。Q需= qm,cCpc(t2-t1)KS需 tmS需84.2m2S有100m2此换热器能完成换热任务。,例3、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种 油的初始温度分别为T1=243和t1=128 ；终温分别为 T2=167 和t2=157 。若维持两种油的流量和初温不变， 而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差tm 及它们的终温T2和t2 。假设在两种流动情况下，流体的 物性和K均
27、不变化，Ql=0。,已知：两种情况下，WhCph WhCph,WcCpcWc Cpc K=K t1=t1，T1=T1,T1,T2;t1,t2；Ql=0。求tm ，T2， t2 。,62,解：并流时,六、传热单元数法,1、传热效率,假设流体无相变化，热损失为Ql=0，热量衡算式为：,理论上，在换热器中可能达到的最大温差： T1-t1，,WCp热容流率 最小值流体：换热器中两流体中热容量流率较小者。,a.若冷流体为最小值流体，则有：,b.若热流体为最小值流体,则有：,计算传热效率时，应选用最小值流体。,若已知传热效率，则可确定换热器的传热量和冷、热流体的出口温度,2、传热单元数NTU,换热器的热量
28、衡算和传热速率微分方程为：,对冷流体，有：,基于冷流体的传热单元数(NTU)C,将上式变形并积分得：,对于热流体，同样可写出,基于热流体的传热单元数,(NTU)c的物理意义：,它反映传热推动力和传热所要求的温度变化，传热推动力愈大，所要求的温度变化愈小，则所需要的传热单元数愈少。,3、传热效率与传热单元数的关系,以并流为例推导： （a）传热速率基本方程：,(b)对于单程并流换热器,同理可得逆流时：,当两流体的热容流率相等,单程并流换热器,单程逆流换热器,当两流体中任一流体发生相变时,关于此方法，常将各种情况的关系绘成图形，使用 起来比较方便。具体图形参阅有关文献。,应予指出，一般在设计换热器时
29、宜采用平均温度差法，在校核换热器时宜采用 法。,采用 法进行换热器校核计算的步骤如下：,(1)根据换热器的工艺及操作条件，计算（或选取）总传热系数；,(2)计算 及 ，确定 及 ；,（3）计算：,（5）根据冷、热流体进口温度及 ，可求出传热量 Q 及冷、热流体的出口温度。,（4）根据换热器中流体流动的型式，由 和 查得相应的 ；,4. 传热单元数法,例3、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初始温度分别为T1=243和t1=128 ；终温分别为T2=167 和t2=157 。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差tm及它们的终温T2和t2 。假设
30、在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。,解：由热量衡算：,例.在由118根252.5，长为3m的钢管组成的列管式换 热器中，用饱和水蒸汽加热空气，空气走管程。已知加 热蒸汽的温度为132.9，空气的质量流量为7200kg/h， 空气的进、出口温度分别20和60，操作条件下的空 气比热为1.005 kJ/(kg)，空气的对流给热系数为50 W/(m2)，蒸汽冷凝给热系数为8000 W/(m2)， 假定管壁热阻、垢层热阻及热损失可忽略不计。试求： （1）加热空气需要的热量Q为多少？ （2）以管子外表面为基准的总传热系数K为多少？ （3）此换热器能否完成生产任务？
31、,4-5 对流传热系数关联式,二、 影响对流传热系数的因素,一、获得的主要方法：,1.理论分析法：对对流传热现象进行理论分析，建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。 2.半理论半实验方法：用因次分析法，再结合实验，建立经验关系式。,1、流体种类和相变化情况：液、气、蒸汽的 不相同；牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别；流体有无相变化（汽化潜热r），对传热有不同的影响。,2、 流体的特性,（1）.导热系数：，；,（2）粘度：影响层流底层及热边界层的厚度。， 流体湍流程度低，热边界层越厚， 。,（3）比热容、
32、密度,Cp：单位体积流体具有的热容量。 Cp越大，表示流 体携带热量的能力越强，。,（4）体积膨胀系数, 越大的流体，产生的密度差别越大，有利于自然对流。,3、 流体温度,4、流动原因自然对流、强制对流,自然对流,强制对流是由于外力迫使流体流动，与d，u有关。 其对流传热系数比自然对流的传热系数大得多。,单位体积流体因密度差造成的浮升力（1 2）g。若流体的体积膨胀系数为，单位1/，t表温度差t1-t2，则有1 2（1 t）,t1,1,t2,2,t2t1, （1 2）g= 2（1 t）2g= 2 g t 故自然对流传热系数与， ， t有关。,5、流动类型：层流或湍流，两者的不同，主要是Re对
33、滞流内层厚度的影响。,t2,t1,6、传热面的形状、大小、位置,影响层流内层厚度,影响,传热面形状：圆管、套管、翅片管、螺纹管等,传热位置：如管内或管外，水平或垂直。,由上分析可知，影响对流传热系数的因素非常多，,如此复杂的问题，无法用理论的方法找出其通式，工 程上常采用半理论半实验的方法因次分析法，将影 响的各物理量组合成为数较少的无因次数群准数， 再通过实验确定这些准数之间的关系，从而找出计算 的关联式。,三、准数关联式,1、利用因此分析法，将以上各影响因素关联成如下的准数 关联式：NuA Rea Prb Grc，其中A、a、b、c为常数，可 通过实验确定。,2、应用准数关联式应注意以下几
34、个问题：,（1）公式中各准数Re、Pr、Gr的适用范围。 （2）参数取值：a.特征尺寸l：表对流体流动和传热发生主要影响的尺 寸。如流体在管内作强制对流传热时，特征尺寸为管内径 di。b.定性温度：各准数中物性Cp、等查取的温 度。 取流体进、出口温度的平均值：t=(t1+t2)/2 取壁面的平均温度tw 取流体和壁面的平均温度(称膜温)tm=(tw+t)/2 按公式指明的方法求。 （3）注意公式修正。,（一）、流体在管内作强制对流,四、对流传热系数关联式,有以下几种类型：,1 流体在圆形直管内作强制湍流,（1）应用范围：Re10000；0.7Pr120；L/di60； 2水（常温下）,式中n
35、 值与热流方向有关，当流体被加热时，n =0.4，当流体被冷却时，n =0.3。,（2）参数取值： 特征尺寸：取为管内径di。 定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值， 即t=(t进t出）/2。,(3)修正： a.当2 水时，上式变为,w流体在壁温下的粘度。,分析：为什么流体加热时n的取值比冷却时大？,对于液体：T,，流动性，因此层流内层厚度 减小，又液体Pr1，即Pr0.4Pr0.3；对于气体， T , ,流动性，层流内层厚度增大， ，而气体 Pr1,即Pr0.4Pr0.3。综合可以看出，不管是液体还是气体， 当加热时，n的取值应比冷却时大。,b.过渡流：2300Re10000,e.非圆形
36、管:特征尺寸L用当量直径de,例：对于内管外径为d1，外管内径为d2的同心套管环状通道，其当量直径为 ：,f.空气的Pr=0.69,约为0.7，故近似满足上式。,公式讨论：,对于管内的湍流,这也是将单程管变为多程管的原因，当Vs=const时， 若将单程管变为多程管，则流体流通截面积A,故u, ，增强了传热效果。,例4、单程列管换热器，有40根管径252.5mm，管 长L3m的列管。冷流体走管内，已知：t1=20,t2=60, Cpc=3KJ/Kg ，i=3500W/m2 ；热流体为T=130 的 蒸汽，o=12000W/m2 ，导热热阻Rs不计，Ql=0。若 t2=80 (流体流量不变），用
37、两台相同的换热器来换热， 应该采用串联还是并联？忽略t变化对i及物性的影响。,解：由传热速率基本方程,对于一台换热器：,对于两台换热器：,2、流体在圆形直管内强制滞流,应用范围：Re2300；6700 Pr0.6。,定性温度：w取壁温下的值，其余物性参数取流体进、出口温度的算术平均值作定性温度。,特征尺寸：管内径di。,1、流体在管束外强制流动,换热管的排列分为直列和错列两种，错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。,影响管束传热的因素除Re, Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管
38、排数，给热系数用下式计算，即：,式中C、和n 的值见下表 ：,（二）、流体在管外作强制对流,上式中C、和n值,应用范围：,特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,2 流体在换热器的管间流动,对于常用的列管式换热器，由于壳体是圆筒，管束中各排的管数不同。而且通常都装有折流挡板(如右图示)，因此流速和流向的不断变化，Re100即达到湍流。,换热器的折流挡板,换热器内装有圆缺型挡板时(割去直径的25%所留下的部分)，壳程流体的对流给热系数：,(1)Re=312104时,(2)Re=21031106时,(a)环盘形；(b)弓形；(c)圆缺形,在
39、上两式中，定性温度除w取壁温外，其余均取流体平均温度。特征尺寸要用当量直径，根据管子的排列方式，直列时：,(a)直列 (b)错列 管间当量直径推导,错列时：,流速u按管间最大流通截面积A计算，即：,自然对流的给热系数仅与Gr数和Pr数有关，其一般关系式为：,式中C 和n 的值如下表示：,（三）、自然对流传热系数,（1）适用条件：无限大空间的自然对流。 （2）定性温度：膜温。 （3）特征尺寸：水平管，l=do；垂直管或板l=管长或板高。,（四）、蒸汽冷凝传热系数,A、膜状冷凝：冷凝液润湿壁面，在壁面上形成一层完整的液膜，称为膜状冷凝。特点：冷凝液膜是蒸汽冷凝传热的主要热阻；垂直壁面越高或水平放置
40、的管径越大，整个壁面的平均越小。 B、滴状冷凝：冷凝液不能润湿壁面，只能在壁面上形成许多液滴。此时壁面大部分与蒸汽直接接触，无液膜层热阻，故滴状膜状。,2.膜状冷凝对流传热系数,（1）蒸汽在垂直管或板外冷凝,Re1800，即层流。,a.适用条件：,b.定性温度：蒸汽冷凝潜热取饱和温度ts下的值，其余物性参数取液膜平均温度下的值。,c.特征尺寸：取垂直管或板的高度。,d.雷诺数的求法：,b润湿周边长，m。 M冷凝负荷，指在单位 长度润湿周边上单位时间 流过的冷凝量，kg/(m.s) W冷凝液的质量流量， kg/s,若膜层为湍流，即Re1800:,其它条件同于层流。,（2）蒸汽在水平管外冷凝,a.
41、使用条件：蒸汽在单根水平管外冷凝，Re1800。 b.定性温度：蒸汽冷凝潜热取饱和温度ts下的值，其余物性 参数取液膜平均温度下的值。,c.特征尺寸：取do,d.若为水平管束，则：,n水平管束在垂直列上的管数。,3 影响蒸汽冷凝传热的因素,1）冷凝液膜有温度差tts-tw： t，蒸汽冷凝速率， ，。,流体的物性：液膜的、，蒸汽的冷凝潜热r,3) 蒸汽的流速和流动方向 :向上， ， ；向下， ， ,4) 蒸汽中不凝性气体的影响：不凝气在壁面形成气膜层，其很低，故形成一层附加热阻，使。,（五）、液体的沸腾,1.液体沸腾方式,蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，故凡有利于 减薄液膜厚度的因素都可提
42、高。,a.大容积沸腾（池内沸腾）,加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。,b.管内沸腾：液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象。较复杂 。,2.大容积饱和 沸腾曲线,常压下水的沸腾曲线,自然对流沸腾区AB：t5，加热表面液体轻微过热，导致密度变化而产生的自然对流，故，q都小。,(2) 泡核沸腾或泡状沸腾区BC：t=525 ,液体受热沸腾， ，q。,(3) 膜状沸腾区C以后： t，气泡产生速率大于脱离加热表面的速率，产生气膜层，使 ，q。但随t，由于tw ，辐射传热，因此q 。,3 影响沸腾传热的因素,(1) 液体的性质（、，、）,(2) 温
43、度差t：=a（t）n,(3) 操作压强：p， ps，ts ,和表面张力 ，强化了传热，故。,(4) 加热壁面（粗糙度、清洁程度）： ，表面越清洁，。,五、壁温的估算,（一）.壁温估算的意义,1.在某些对流传热系数的关联式中，需知壁温才能计算传热系数,2.选择换热器的类型和管子材料也需知道壁温,（二）.试差方法,1.在已知管内、外流体的平均温度ti、to之间假设壁温tw,2.计算两流体的对流传热系数i、o,3.核算所设 tw 是否正确，用下列近似关系进行核算：,（忽略管壁热阻，故管内外壁温相同）,例.有一蒸汽冷凝器。蒸汽的1=104W/m2.，冷却水的2=103W/m2.。实测：t1=30、 t
44、2=35 、Ts=100。现将冷却水量增加一倍，蒸汽的冷凝量增加多少？（管壁及污垢热阻不计，管壁很薄，热损失不计，物性不变，蒸汽温度不变。）,分析：由于冷却水流量增加，使冷凝水一侧的对流传热系数改变，同时也使冷却水的出口温度发生变化，从而使传热过程的平均温度差改变。这两个因素都会使传热速率改变。由于蒸汽是由饱和蒸汽变为饱和液体，释放的潜热传递给冷却水，所以不同工况下的传热速率之比等于蒸汽的冷凝量之比。,解：原工况：,冷流体吸收的热量来源于间壁两侧的对流传热，故：,将上式变形：,a,新工况下，由冷却水吸收热量等于传热速率可得：,b,将（b/a）整理：,讨论：,在传热过程中，改变热阻较大的一侧流体
45、的湍动程度，能使总传热系数有较大程度的提高。在本例中，增加的传热速率尽管是由K、tm两部分增大的综合结果，但主要是由K的增大引起的。因此，当工艺流体的流量、进口温度改变时，可以采用适当减小或增大载热体流量以及改变载热体进口温度等手段进行调节。在传热过程中，换热器必须同时满足热量衡算方程和传热速率方程。,4-6 辐射传热,一、基本概念,1.辐射和辐射传热,辐射,辐射能,热辐射,热射线,物体以电磁波方式传递能量的过程。,物体以电磁波方式传递的能量。,因热的原因引起的电磁波辐射。,易被物体吸收并转化为热能的光线，称为热射线。波长0.40.8m的可见光线和波长0.820 m的红外光线,2.吸收率、发射
46、率、透过率,辐射传热：不同物体之间相互辐射和吸收能量，从而使热量从高温物体向低温物体传递的过程。,根据能量守恒：,4.白体（镜体）：R=1的物体。干净的雪R0.985，磨光的金属R0.97，近于白体。,6.灰体：以相同的吸收率吸收所有波长的热辐射能的物体，如工业用的大多数固体材料。灰体有以下特点： （1）A不随而变；（2）D=0,即A+R=1。,5.透热体：D=1的物体。一般单原子气体和对称的双原子气体（如He、O2、N2和H2等）均可视为透热体,3.黑体：即A=1的物体。 注意：黑体不等于黑色的物体，黑色物体指对可见光的吸 收率为100，如霜A=0.98，接近黑体，但是白色的。,物体的A,R
47、,D与物体的性质、表面状况、温度及辐射 线波长有关。,黑体 镜体 灰体,理想物体,二.物体的辐射能力和有关的定律,1.辐射能力,物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部波长的辐射能，称为该物体在该温度下的辐射能力。,单位为 W/m2,2.单色辐射能力,单位为 W/m3,在相同条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力。,3.普朗克定律：,黑体单色辐射能力按波长的分布规律,由图可知：（1）不同温度下有不同的能量分布曲线。（2）在指定温度下，黑体辐射各种波长的能力与有关，存在一特定波长opt，此时对应Eb最大。（3）T, opt。（4）在温度不太高时，辐射能主要集中在波长为0.8
48、10m的范围内。,4.斯蒂芬-波尔茨曼定律：,式中：,黑度：相同温度下，灰体的辐射能力与黑体的辐射能力之 比（发射率）。表达式：,灰体的辐射能力：,揭示黑体的辐射能力与表面温度的关系。,上式称为斯蒂芬波尔茨蔓定律，也称为四次方定律。 表示黑体的总辐射能力与绝对温度的四次方成正比。,将上式用于灰体，得：,C=f（物性、表面状况、温度）C0,一般由实验测定。,某些工业材料的黑度,5.克希霍夫(Kirchhoff)定律,设：（1）两板相距很近，一块板上的辐射能全部投射到另一板上；（2）板1为灰体，辐射能E1，吸收率A1，温度T1；板2为黑体，辐射能Eb，吸收率为1，温度T2；（3）T1T2，中间介质为透热体D=1，系统热损失Ql=0。,
