換熱器設計傳熱學基礎

1、鄭州大學化工設備研究所： 王培萍電 話： 13523527226 0371-63887306Email: wppyhh@zzu.edu.cn網 址： www.henanpv.cn,河南省壓力容器技術協(xié)作網,換熱器設計傳熱學基礎,1.5 化工生產中的傳熱過程及常見換熱器,1.2 傳導傳熱,1.3 對流傳熱,1.6 間壁式熱交換的計算,1.7 傳熱過程的強化,1. 1 傳

2、熱基本理論的應用,1.4 熱輻射,河南省壓力容器技術協(xié)作網,3,1.1生產生活中的傳熱學應用,自然界與生產過程到處存在溫差 ? 傳熱很普遍,a 夏天人在同樣溫度（如：25度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？,b 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？,(1) 日常生活中的例子：,河南省壓力容器技術協(xié)作網,4,（2)生產技術領域大量存在傳熱問題,a 航空航天：衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣

3、層冷卻；超高音速飛行器冷卻；,b 微電子： 電子芯片冷卻c 生物醫(yī)學：腫瘤高溫熱療；生物芯片；組織與器官的冷凍保存d 軍 事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存e 制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調/熱泵；高溫水源熱泵f 新能源：太陽能；燃料電池,河南省壓力容器技術協(xié)作網,5,(3) 工程實踐中大量存在傳熱問題,例如：熱源和冷源設備的選擇、配套和合理有效利用；供熱通風空調及燃氣產品的開發(fā)、設計和實驗研究；各種供熱設備管道的

4、保溫材料及建筑圍護結構材料的研制及其熱物理性質的測試、熱損失的分析計算；各類換熱器的設計、選擇和性能評價；建筑物的熱工計算和環(huán)境保護等。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,6,1.2熱傳導（導熱）,1.2.1定義和特征定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現象。物質的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生,河南省壓力容器技術協(xié)作網,7,1.2.2導熱的特點必須有溫差

5、物體直接接觸依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量不發(fā)生宏觀的相對位移,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.2熱傳導（導熱）,8,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.2熱傳導（導熱）,9,1.2.3導熱機理氣體：氣體分子不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果。導電固體：自由電子運動。非導電固體：晶格結構的振動。液體：很復雜。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.2熱傳導（導熱）,10,?：熱流量，單位時間傳遞的熱量[W],q：熱流密度，單

6、位時間通過單位面積傳遞的熱量,平壁的厚度[m]；,A：垂直于導熱方向的截面積[m2],：平壁兩側壁溫之差,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.2 傳導傳熱,1.2.1.熱傳導基本方程——傅里葉定律（Fourier）,11,當溫度t沿x方向增加時，dt/dx>0，q<0，說明熱量沿x減小的方向傳遞；反之，dt/dx<0，q<0，說明熱量沿x增加的方向傳遞。,為溫度梯度，負號表示熱流密度的方向與溫

7、度梯度的方向相反。即熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.2 傳導傳熱,12,熱導率（導熱系數）,—— 具有單位溫度差（1K）的單位厚度的物體(1m)，在它的單位面積上(1m2)、每單位時間(1s)的導熱量(J)。單位：w/(m.K),熱導率表征物質導熱能力的一個參數，為物質性質之一。熱導率越大，物質的導熱能力越強。熱導率的大小與物質的組成、結構、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強）等因素有關

8、。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,13,不同物質的導熱性能不同：,0?C時：,當λ<0.2 W/(m℃)時，這種材料稱為保溫材料。高效能的保溫材料多為蜂窩狀多孔結構。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.2.2 熱傳導之導熱系數,14,同一種物質的導熱系數也會因其狀態(tài)參數的不同而改變，因而導熱系數是物質溫度和壓力的函數。,工程中，一般把導熱系數僅僅視為溫度的函數，而且在一定溫度范圍還可以用一種線性關系來描述,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1

9、.2.2 熱傳導之導熱系數,15,關于氣體的導熱系數：,與液體和固體相比，氣體的導熱系數最小，對導熱不利，但卻有利于保溫和絕熱。工業(yè)上所使用的保溫材料（如玻璃棉等）就是因為其空隙中有大量靜止的空氣，所以其導熱系數很小，適用于保溫隔熱。 氣體的導熱系數隨著溫度的升高而增大；這與溫度升高后氣體分子的熱運動加劇，碰撞機會增多有關。而在相當大的壓強范圍內，氣體的導熱系數隨壓強的變化很小，可以忽略不計，只有當壓強很高（大于200M

10、Pa）或很低（小于2.7kPa）時，才應考慮壓強的影響，此時導熱系數隨壓強的升高而增大。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,16,常壓下氣體混合物的導熱系數可用下式估算：,?m——氣體混合物的導熱系數，W/m?℃；?i——氣體混合物中i組分的導熱系數，W/m?℃；yi——氣體混合物中i組分的摩爾分數；Mi——氣體混合物中i組分的摩爾質量，kg/kmol。,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,關于氣體的導熱系數：,17,關于液體的導熱系數,液體可分

11、為金屬液體（液態(tài)金屬）和非金屬液體。液態(tài)金屬的導熱系數比一般液體的高，其中熔融的純納具有較高的導熱系數，大多數金屬液體的導熱系數隨溫度的升高而降低。在非金屬液體中，水的導熱系數最大。除水和甘油外，大多數非金屬液體的導熱系數亦隨溫度的升高而降低。通常純液體的導熱系數較其溶液的要大。液體的導熱系數基本上與壓強無關。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,18,液體混合物的導熱系數在實驗數據缺乏的情況下，可按下法估算：有機化合物水溶液的導熱系數估算式為

12、 有機化合物的互溶混合液的導熱系數估算式為 上兩式中x和λ分別為混合液中i組分的質量分率及與混合液相同溫度下i組分的導熱系數。,,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,關于液體的導熱系數,19,關于固體的導熱系數,導熱性能與導電性能密切相關，一般而言，良

13、好的導電體必然是良好的導熱體，反之亦然。在所有固體中，金屬的導熱性能最好。大多數金屬的導熱系數隨著溫度的升高而降低，隨著純度的增加而增大，也即合金比純金屬的導熱系數要低。 非金屬固體的導熱系數與其組成、結構的緊密程度及溫度有關。大多數非金屬固體的導熱系數隨密度增加而增大；在密度一定的前提下，其導熱系數與溫度呈線性關系，隨溫度升高而增大。 在導熱過程中導熱體內的溫度沿傳熱方向發(fā)生變化，其導熱系數也在變化，但在工程計

14、算中，為簡便起見通常使用平均導熱系數。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,20,表1-1 物質導熱系數的數量級,河南省壓力容器技術協(xié)作網,21,1） 傳熱速率Q（熱流量）： 指單位時間內通過傳熱面的熱量。整個換熱器的傳熱速率表征了換熱器的生產能力，單位為W；2 ）熱通量q ： 指單位時間內通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。在一定的傳熱速率下，q越大，所需的傳熱面積越小。因此，熱通量是反映傳熱強度的指標，又稱為熱流強度，單位為W/m2。,,1.

15、2.3導熱的幾個基本概念,河南省壓力容器技術協(xié)作網,22,對于間歇過程：傳熱系統(tǒng)中各點的溫度不僅隨位置變化且隨時間變化，稱為不穩(wěn)定傳熱（又稱非定態(tài)傳熱）。,3）穩(wěn)定傳熱（又稱定態(tài)傳熱） ：對于連續(xù)過程傳熱系統(tǒng)中不積累熱量，即輸入系統(tǒng)的熱量等于輸出系統(tǒng)的熱量。,穩(wěn)定傳熱的特點：傳熱速率Q為常數，并且系統(tǒng)中各點的溫度僅隨位置變化而與時間無關。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.2.3導熱的幾個基本概念,23,1.3傅立葉定律的應用1.3.

16、1平壁導熱,1)單層平壁導熱 如圖所示，若平壁的面積A與厚度δ相比很大，則從邊緣處的散熱可以忽略，壁內溫度只沿垂直于壁面的x方向發(fā)生變化，即所有等溫面是垂直于x軸的平面，且壁面的溫度不隨時間變化，則為一維穩(wěn)定導熱。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,X,24,由傅立葉定律導過平壁的熱流量：,,,,熱流密度：,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.1平壁導熱,25,例1：有三塊分別由純銅（熱導率λ1=398W/(m·K)）、黃銅

17、（熱導率λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（熱導率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側表面的溫差都維持為tw1 – tw2 = 50℃不變，試求通過每塊平板的導熱熱流密度。解：,這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題，對于純銅板，,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.1平壁導熱,26,對于黃銅板,對于碳鋼板,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.1平壁導熱,27,2)通過多層平壁的導熱,多層平壁：由幾

18、層不同材料組成,例：房屋的墻壁 — 白灰內層、水泥沙漿層、紅磚（青磚）主體層等組成,假設各層之間接觸良好，可以近似地認為接合面上各處的溫度相等,河南省壓力容器技術協(xié)作網,2.3.1平壁導熱,28,由和分比關系,推廣到n層壁的情況:,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.1平壁導熱,29,該式為多層平面壁的熱流量式，可以看出，過程的總推動力為各層推動力之和，總阻力為各層熱阻之和，即對多層壁面的定態(tài)熱傳導，傳熱推動力和傳熱阻力具有加和性。,河南

19、省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.1平壁導熱,30,在推導多層壁導熱的公式時，假定了兩層壁面之間是保持了良好的接觸，要求層間保持同一溫度。而在工程實際中這個假定并不存在。因為任何固體表面之間的接觸都不可能是緊密的。,在這種情況下，兩壁面之間只有接觸的地方才直接導熱，在不接觸處存在空隙。,實際上熱量是通過充滿空隙的流體的導熱、對流和輻射的方式傳遞的，因而存在傳熱阻力，稱為接觸熱阻。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.1平壁導熱,31,接觸熱阻

20、是普遍存在的，而目前對其研究又不充分，往往采用一些實際測定的經驗數據。 通常，對于導熱系數較小的多層壁導熱問題接觸熱阻多不予考慮；但是對于金屬材料之間的接觸熱阻就是不容忽視的問題。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.1平壁導熱,32,例2：由三層材料組成的加熱爐爐墻。第一層為耐火磚。第二層為硅藻土絕熱層，第三層為紅磚，各層的厚度及導熱系數分別為?1＝240mm ，?1=1.04W/(m?℃)， ?2＝50mm, ?2=0.15W

21、/(m?℃)，?3＝115mm, ?3=0.63W/(m?℃)。爐墻內側耐火磚的表面溫度為1000℃。爐墻外側紅磚的表面溫度為60℃。試計算硅藻土層的平均溫度及通過爐墻的導熱熱流密度。解：,已知 ?1＝0.24m, ?1=1.04W/(m?℃) ?2＝0.05m, ?2=0.15W/(m?℃) ?3＝0.115m, ?3=0.63W/(m?℃) t1=1000℃ t2=60℃,河南省壓力容器技術協(xié)作網,3

22、3,硅藻土層的平均溫度為,河南省壓力容器技術協(xié)作網,34,例3：硫酸生產中SO2氣體是在沸騰爐中焙燒硫鐵礦而得到的，若沸騰爐的爐壁是由23cm厚的耐火磚（實際各區(qū)段的磚規(guī)格略有差異）、23cm厚的保溫磚（粘土輕磚）、5cm厚的石棉板及10cm厚的鋼殼組成。操作穩(wěn)定后，測得爐內壁面溫度t1為900℃，外壁面溫度t5為80℃。試求每平方米爐壁面由熱傳導所散失的熱量，并求爐壁各層材料間交界面的溫度為多少？由于沸騰爐直徑大，可以將爐壁看作平面壁

23、，已知： 耐火磚， 保溫磚， 石棉磚, 鋼殼,,,,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,35,解：由題意根據多層平壁熱流量公式，得：,求耐火磚與保溫磚的交界面溫度t2,=806.8℃,=317.5℃,=81.1℃,求保溫磚與石棉板的交界面溫度t3,求石棉板與鋼殼的交界面溫度t4,計算結果表明，各分層熱阻越大則溫度降越大，沸騰爐壁主要溫度降在保溫磚和石棉板層。,河南省壓力容器技術協(xié)作

24、網,36,例4： A型分子篩制備中使用的間歇釜式反應器，反應釜的釜壁為5mm厚的不銹鋼板（ ）,釜夾套中通入0.12MPa飽和水蒸氣（t1＝105℃）進行加熱，釜垢層內壁面溫度t3為90℃，試計算釜壁的面積熱流量，并與無污垢層（設內壁面溫度不變）作比較。,粘附內壁的污垢層厚lmm（ ）,= 7579W·m-2,= 48000 W·m-2,解：,無污垢層時：,計算結果

25、表明，反應釜內壁面有無污垢層，面積熱流量相差數倍，在有的場合會相差數十倍，差別很大，說明污垢層雖薄，但因其熱導率很小，對傳熱影響很大，熱阻主要集中在污垢層中，故生產中要設法避免垢層的形成或間隔一段時間要清除污垢層。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,37,1.3.2圓筒壁導熱1)單層圓筒壁導熱,化工生產中的導熱問題大多是圓筒壁中的導熱問題。例如，管式換熱器、蒸汽及液氨導管壁面中的傳熱過程等均屬于此類。它與平壁導熱的不同之

26、處在于： 溫度隨半徑而變；此時傅立葉定律應改寫為圓筒壁的導熱面積隨半徑而變，S＝2πrL。,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,38,如圖所示，設圓筒壁的內、外半徑分別為r1和r2長度為L；內、外表面溫度分別為t1和t2，且t1 > t2 ；管材導熱系數為λ。則由傅立葉定律有： 因穩(wěn)定過程導熱體的導熱速率為常數，若導熱體的導熱系數可視為常數或可取平均值，則上式中僅包含溫度t和半徑r兩個

27、變量。,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.2圓筒壁導熱1)單層圓筒壁導熱,39,將上式分離變量，并根據r=r1，t=t1；r=r2，t=t2的邊界條件積分。即：積分得： 即為圓筒壁的導熱熱阻。 上式為單層圓筒壁的導熱速率方程

28、式，該式也可以改寫成類似單層平壁的導熱速率計算式的形式。,,,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1)單層圓筒壁導熱,40,上式中 ，為圓筒壁的厚度，m。 若令上式中的 ，稱為圓筒壁的對數平均半徑；又根據圓筒壁的導熱面積計算式，可令 ，稱為圓筒壁的平均導熱面積。,,,,,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1)單層圓筒壁導熱,41,故上式可改寫為：跟傳熱平均

29、溫度差計算相類似地，當r2/r1?2時，上式中的對數平均半徑也可用算術平均值代替。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1)單層圓筒壁導熱,42,2)多層圓筒壁導熱計算,,在工程上，多層圓筒壁的導熱情況比較常見。例如，在高溫或低溫管道的外部包上一層乃至多層保溫材料，以減少熱量（或冷量）損失；在反應器或其他容器內襯以工程塑料或其他材料，以減小腐蝕；在換熱器內換熱管的內、外表面形成污垢等等。與多層平壁相似，對于多層圓筒壁，其導熱速率方程可以表示為：,

30、河南省壓力容器技術協(xié)作網,43,例5： 某管道外徑為2r，外壁溫度為t1，如外包兩層厚度均為r（即?2＝?3＝r）、導熱系數分別為?2和?3（ ?2 / ?3=2）的保溫材料，外層外表面溫度為t2。如將兩層保溫材料的位置對調，其他條件不變，保溫情況變化如何？由此能得出什么結論？解：,設兩層保溫層直徑分別為d2、d3和d4，則d3/d2=2，d4/d3=3/2。導熱系數大的在里面：,河南省壓力容器技

31、術協(xié)作網,2)多層圓筒壁導熱計算,44,導熱系數大的在外面：,兩種情況散熱量之比為：,結論：導熱系數大的材料在外面，導熱系數小的材料放在里層對保溫更有利。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,2)多層圓筒壁導熱計算,45,1.3熱對流與對流換熱,河南省壓力容器技術協(xié)作網,46,1.3.1 定義與特征定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對的宏觀運動而把熱量由一處傳遞到另一處的現象。,流體中有溫差 — 熱對流必然同時伴隨

32、著熱傳導，自然界不存在單一的熱對流,對流換熱：流體與溫度不同的固體壁間接觸時的熱量交換過程,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3熱對流與對流換熱,47,對流換熱的特點對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導熱；不是基本傳熱方式導熱與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3熱對流與對流換熱,48,河南省壓力容器技術協(xié)作網,49,1.3.2牛頓冷卻公式（1701）

33、,h — 表面?zhèn)鳠嵯禂?— 固體壁表面溫度,— 流體溫度,河南省壓力容器技術協(xié)作網,50,表面?zhèn)鳠嵯禂担▽α鲹Q熱系數）,—— 當流體與壁面溫度相差1度時、每單位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量。h是表征對流換熱過程強弱的物理量。,影響h因素：流動原因、流動狀態(tài)、流體物性（λμρ、cp)有無相變、壁面形狀大小等,河南省壓力容器技術協(xié)作網,51,1.3.3對流傳熱機理,對流傳熱是流體流動過程中發(fā)生的熱量傳遞. 工業(yè)過程的流動多為湍流狀

34、態(tài)，湍流流動時，流體主體中質點充分擾動與混合，所以在與流體流動方向垂直的截面上，流體主體區(qū)的溫度差很小。,由于壁面的約束和流體內部的摩擦作用，在緊靠壁面處總存在滯流底層，故主要熱阻及溫度差都集中在滯流底層。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,52,由于固體壁面對流體分子的吸附作用，使得壁面上的流體是處于不流動或不滑移的狀態(tài)。,在流體的黏性力作用下會使流體的速度在垂直于壁面的方向上發(fā)生改變。流體速度從壁面上的零速度值逐步變化

35、到來流的速度值。,同時，通過固體壁面的熱流也會在流體分子的作用下向流體擴散(熱傳導)，并不斷地被流體的流動而帶到下游（熱對流），因而也導致緊靠壁面處的流體溫度逐步從壁面溫度變化到來流溫度。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,對流傳熱特點,53,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，工程上將湍流主體和過渡區(qū)的熱阻予以虛擬，折合為相當厚度為δt的滯流底層熱阻，流體與壁面之間的溫度變化可認為全部發(fā)生在厚度為δt的一

36、個膜層內，通常將這一存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層。傳熱邊界層以外，溫度是一致的、沒有熱阻.,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.3對流傳熱機理,54,式中λ——流體的熱導率，,δt——傳熱邊界層厚度，m；,ΔT——對流傳熱溫度差，,或,實際上對流傳熱過程為：,該式稱為牛頓（Newton）冷卻定律或給熱方程， h為表面?zhèn)鳠嵯禂?，或稱為對流傳熱系數，亦稱給熱系數，單位為,可將湍流狀態(tài)復雜的對流傳熱歸結為通過傳熱邊界層

37、的熱傳導，用熱傳導基本方程來描述對流傳熱過程,河南省壓力容器技術協(xié)作網,55,例6： 一室內暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw = 50℃，和溫度為20℃的室內空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔 = 4 W/(m2·K)。試問該暖氣片相當于多大功率的電暖氣?解：,暖氣片和室內空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱，,Q= Ah(tw – tf) = 3m2×4 W/(m2·K)

38、15;(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相當于功率為0.36kW的電暖氣。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,56,1.3.4對流換熱過程的分類,對流換熱：導熱 + 熱對流；壁面+流動,對流換熱的分類：,1）流動起因：,自然對流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產生的流動（Free convection）強制對流：由外力（如：泵、風機、水壓頭）作用所產生的流動（Forced convection）,河南省壓

39、力容器技術協(xié)作網,57,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.4對流換熱過程的分類,58,2）換熱表面的幾何因素：,內部流動對流換熱：管內或槽內外部流動對流換熱：外掠平板、圓管、管束,3）流動狀態(tài)：,層流：整個流場呈一簇互相平行的流線湍流：流體質點做復雜無規(guī)則的運動,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.4對流換熱過程的分類,59,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1

40、.3.4對流換熱過程的分類,60,河南省壓力容器技術協(xié)作網,61,4）流體有無相變：,單相換熱：換熱過程中介質無相的變化相變換熱：凝結、沸騰、升華、凝固、融化等,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.4對流換熱過程的分類,62,對流換熱分類表,河南省壓力容器技術協(xié)作網,63,1.3.5對流傳熱系數的影響因素及其求取,影響h的因素很多，主要有以下幾個方面：,影響h的主要因素可

41、用下式表示：,①流體的種類和性質； 液體、氣體、蒸氣，其密度、比熱容、粘度等不同。,②流體的流動形態(tài)： 滯流、過渡流或湍流時h各不相同。,④傳熱壁面的形狀、排列方式和尺寸,③流體的對流狀態(tài)： 強制對流較自然對流時h為大。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,64,由于影響h的因素很多，要建立一個通式來求各種對流傳熱情況下的h是不可能的。工程上采用量綱分析的方法，將影響h諸多因素歸納為較少的幾個量綱合一的特征數群，確定這些特

42、征數在不同情況下的相互聯系，從而得到經驗性的關聯公式。,描述對流傳熱過程的特征數關系為：,各特征數的含義如下表2-1所示,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.5對流傳熱系數的影響因素及其求取,65,河 南 省 壓 力 容 器 技 術 協(xié) 作 網,對流傳熱過程中的準則數,體積膨脹系數,表示浮升力和粘滯力比值的大小的參數，作用類似于雷諾數對強制對流的影響,66,稱為雷諾數，表征了給定流場的慣性力與其黏性力的對比關系，也就

43、是反映了這兩種力的相對大小。,利用雷諾數可以判別一個給定流場的穩(wěn)定性，隨著慣性力的增大和黏性力的相對減小，雷諾數就會增大，而大到一定程度流場就會失去穩(wěn)定，而使流動從層流變?yōu)槲闪鳌?河南省壓力容器技術協(xié)作網,對流傳熱過程中的準則數的物理意義,67,河南省壓力容器技術協(xié)作網,對流傳熱過程中的準則數的物理意義,68,努謝爾特（Nusselt）準則，它反映了給定流場的換熱能力與其導熱能力的對比關系。這

44、是一個在對流換熱計算中必須要加以確定的準則。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,對流傳熱過程中的準則數的物理意義,69,1.3.6對流傳熱系數關聯式,對流傳熱系數的影響因素h = f ( 物性、流動狀態(tài)、溫度、邊界狀況),1)流體的種類和相變化的情況,表 2-3 h值的范圍,河南省壓力容器技術協(xié)作網,70,2)流體的物性導熱系數 ? 大，h 大；粘度 ? 大，h 小；比熱和密度 ?Cp 大，h

45、 大；體積膨脹系數 ? 大，h 大。3) 流體的溫度 流體物性、附加自然對流4)流體的流動狀態(tài) 滯流小、湍流大,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.6對流傳熱系數關聯式,71,5)流體流動的原因自然對流小、強制對流大6)傳熱面的形狀、位置和大小形狀：管、板、環(huán)隙、翅片等位置：水平、垂直、管束的排列方式大?。汗軓健⒐荛L、板高、進口效應,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.

46、6對流傳熱系數關聯式,72,1.3.7應用準數關聯式應注意的問題a 定性溫度 b 特征尺寸c 特征流速d 應用條件,河南省壓力容器技術協(xié)作網,73,1.3.7.1特征尺寸、特征流速和定性溫度的確定,特征參數是流場的代表性的數值，分別表征了流場的幾何特征、流動特征和換熱特征。,特征尺寸，它反映了流場的幾何特征，對于不同的流場特征尺寸的選擇是不同的。流體平行流過平板：流動方向上的長度尺寸；管內流體流動：垂

47、直于流動方向的管內直徑；流體繞流圓柱體流動：流動方向上的圓柱體外直徑。非圓管：取當量直徑＝4?流動截面積/傳熱周邊長,河南省壓力容器技術協(xié)作網,74,特征流速，它反映了流體流場的流動特征。流體流過平板：來流速度；流體管內流動：管子截面上的平均流速；流體繞流圓柱體流動：來流速度。,定性溫度，無量綱準則中的物性量是溫度的函數，確定物性量數值的溫度稱為定性溫度。外部流動：來流流體溫度和固體壁面溫度的算術平均值

48、，稱為膜溫度；內部流動：管內流體進出口溫度的平均值（算術平均值或對數平均值）.,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.7.1特征尺寸、特征流速和定性溫度的確定,75,1.3.8對流傳熱膜系數 （無相變）,1.3.8.1低粘度流體在管內強制湍流傳熱：Dittus-Blelter,當液體被加熱：n=0.4液體被冷卻：n=0.3氣體被加熱或冷卻：n=0.4,河南省壓力容器技術協(xié)作網,76,上式的適

49、用范圍,1）Re＞104，流體呈湍流狀態(tài)。2）若Re=2300～104屬于過渡區(qū)，上式計算的傳熱系數h作修正,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.8.1低粘度流體在管內強制湍流傳熱：,77,上式的適用范圍,4）要求管長與管徑之比，l/d>60。如果l/d＜60，由于入口處的影響使α增加較多，可將α×【1+（d/l)0.7】進行修正。5）用于粘度小于2倍水的粘度的流體。6）定性溫度：液體進出口溫

50、度的算術平均值;7) 特征尺寸: 管內徑。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.8.1 低粘度流體在管內強制湍流傳熱：,78,例6 在一單程換熱器中用120℃的蒸汽將常壓空氣從20℃加熱到80℃,管束為φ38mm×3mm,蒸汽走殼程,空氣走管程,其流速為14m·s-1.求管壁對空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?,解: 空氣的定性溫度為t定=(20+80)/2=50℃,查50℃下空氣的物性數據,Cp=10

51、17J·kg-1·K-1,μ=1.96×10-5Pa·s,ρ=1093kg·m-3,λ=2.83×10-2W·m-1·K-1,d=0.032m,u=14m·s-1,得,計算結果表明:空氣在管內流動Re>10000, 160>Pr>0.6, 必然符合下式的條件,河南省壓力容器技術協(xié)作網,79,b、高粘度流體

52、Nu=0.027Re0.8Pr0.33(μ／μw )0.14μ:液體在主體平均溫度下的粘度μw：液體在壁溫下的粘度其中（μ/μw）0.14一項是考慮熱流方向影響的校正項。在工程計算時，液體加熱(μ/μw）0.14=1.05 ，液體被冷卻時（μ/μw）0.14=0.95,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.8.2高粘度流體在管內強制湍流傳熱：,80,由于滯流內層的厚度粘度隨熱流方向的不同而不同，液體被加熱時

53、，滯流內層的溫度比主體溫度高，又粘度反比于溫度，因此滯流內層厚度減薄，致使對流傳熱系數增大。液體被冷卻時，情況相反，對于液體Pr>1 即 Pr0.4>Pr0.3.因此加熱時n=0.4。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.8.2 高粘度流體在管內強制湍流傳熱：,81,1.3.8.3流體在管外的強制對流 單根園管、管束,,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,82,1.3.8.3.1流體在

54、管束外強制垂直流動 管束的排列方式：直列 錯列?正三角形、等邊三角形流體在錯列管束外流過時 ，平均傳熱系數由下式計算：流體在直列管束外流過時 ，平均傳熱系數由下式計算：,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,正方形排列 轉角正三角形排列 正三角形排列,83,應用范圍：Re>3000，

55、 特征尺寸：管外徑do，流速取最小流通截面速度。管排數為10，不是10排時應進行校正。(二)流體在換熱器的管間流動圓環(huán)圓盤折流板,,,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.8.3.1流體在管束外強制垂直流動,84,弓形折流板圓弧型折流板有關的計算公式參見教材和有關資料。,,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.3.8.3.1流體在管束外強制垂直流動,85,若冷凝液

56、能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜，故稱為膜狀冷凝。,1.3.8.4液體有相變時的對流傳熱系數,1.3.8.4.1 蒸氣冷凝,若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作 用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝。,滴狀冷凝：,膜狀冷凝:,河南省壓力容器技術協(xié)作網,化工生產中多見的相變給熱是液體受熱沸騰和飽和水蒸氣的冷凝。,86,滴狀冷凝的給熱系數比膜狀冷凝的給熱系數可高出數倍乃至數

57、十倍，工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝，因此冷凝器的設計總是按膜狀冷凝來處理，下面介紹純凈的飽和蒸氣膜狀冷凝的傳熱系數的計算方法 。,87,式中：l―管長，m;λρμ ―分別為膜溫下凝液的導熱系數W/(m.℃),密度,kg/m3;和粘度(Pa.s)γ ―冷凝潛熱,J/kg;△ t―飽和蒸汽溫度與壁面溫度的差值。其中，冷凝潛熱按膜溫tb查取，其余物性按液膜溫度tL查取。tL=(tb+tw)/2,河南省壓力容器技術協(xié)

58、作網,1.3.8.4.1 蒸氣冷凝,1）豎直平壁：,88,河南省壓力容器技術協(xié)作網,2）傾斜平壁：,3）單根水平園管：,注意：上述公式只適用于滯流情況,89,對流傳熱系數仍可用上式計算，但特征尺寸改為n2/3do,n為水平管束垂直列上的管子數。在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的n列管子所組成，一般各列管子在垂直方向的管數不相等，若分別為n1,n2,n3,…則,,4）蒸氣在水平管束外的冷凝,河南省壓力

59、容器技術協(xié)作網,90,若膜層為滯流 Re1800時 h =0.0077(gρ２λ３／μ２)0.33Re0.4特征尺寸:l取垂直管或板的高度。定性溫度：蒸氣冷凝潛熱r取飽和溫度ts下的值，其余物性取液膜平均溫度tm=0.5(ts+tw)下的值。,5）蒸氣在垂直管內、外或垂直平板側的冷凝,河南省壓力容器技術協(xié)作網,91,6）影響冷凝傳熱的因素,液膜呈滯流時：△t↑→冷凝速率↑→ δ↑→

60、h↓,⑴液膜兩側溫差,⑵凝液物性,見公式,⑶蒸氣的流向與速度當蒸汽流動方向與液膜向下流動同方向時,使液膜拉薄,h增加,反之,減小,⑷蒸氣中不凝性氣體含量的影響,p↑→不凝性氣體含量↑→冷凝時形成“氣膜” →α↓↓,河 南 省 壓 力 容 器技 術 協(xié) 作 網,92,6）影響冷凝傳熱的因素,⑸過熱蒸氣 把前面計算式中的潛熱改為過熱蒸汽與飽和液的焓差,則可用前述飽和蒸汽的公式來計算,⑹冷凝壁面的影響如果系統(tǒng)密封良好,則凝結側熱阻很小.

61、強化膜狀凝結傳熱的基本原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度.可用各種帶有尖鋒的表面使其上冷凝的液膜減薄,并使得凝結的液體盡快排掉.工程上可以采用低肋管或各種類型鋸齒管等等.,河 南 省 壓 力 容 器技 術 協(xié) 作 網,93,液體通過固體壁面被加熱的對流傳熱過程中，若伴有液相變?yōu)闅庀?，即在液相內部產生氣泡或氣膜的過程稱為液體沸騰，又稱沸騰傳熱。液體沸騰的情況因固體壁面溫度tw與液體飽和溫度ts之間的差值而變化，如圖為水的沸騰曲線

62、：,1.3.8.5 液體沸騰,河南省壓力容器技術協(xié)作網,94,圖4-9 水的沸騰曲線,當溫差較小時，加熱面上的液體僅產生自然對流在液體表面蒸發(fā)，如圖中AB段曲線；當Δt逐漸增高時，由于氣泡的產生、脫離和上升對液體劇烈擾動，此段情況稱為泡核沸騰，如BC段曲線；,沸騰曲線：沸騰隨加熱面溫度與液體飽和溫度差而變。,95,工業(yè)生產中, 總是設法維持在泡狀沸騰下操作。,繼續(xù)增大Δt時，產生的氣泡大大增多且產生的速度大于

63、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q和α均急劇下降，傳熱面幾乎全部被氣膜覆蓋稱為膜狀沸騰。,（Δt 25℃）膜狀沸騰,河 南 省 壓 力 容 器技 術 協(xié) 作 網,96,工業(yè)上的液體沸騰：,①將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰，稱為大容積沸騰；②液體在管內流動時受熱沸騰，稱為管內沸騰。,（Δt 25℃）膜狀沸騰,河 南 省 壓 力 容 器 技 術 協(xié) 作 網,97,表2—3 常見流體的表面?zhèn)?/p>

64、熱系數大致范圍,,河 南 省 壓 力 容 器 技 術 協(xié) 作 網,98,表面?zhèn)鳠嵯禂档臄抵捣秶?河南省壓力容器技術協(xié)作網,99,1.4熱輻射（Thermal radiation）1.4.1定義——物體通過電磁波來傳遞熱量的方式。,物體的溫度越高、輻射能力越強；若物體的種 類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同,輻射換熱：物體間靠熱輻射進行的熱量傳遞,,河南省壓力容器技術協(xié)作網,100,河南省壓力容器技術協(xié)作網,101,1.4.2輻射換

65、熱的特點,——不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質的存在，在真空中就可以傳遞能量,——無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量;總的結果是熱由高溫傳到低溫。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,102,1.4.3.斯蒂芬-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）,黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。 或稱絕對黑體。（Black body）,黑

66、體的輻射能力與吸收能力最強,Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his life's work was in vain.,河南省壓力容器技術協(xié)作網,103,黑體向外發(fā)射的輻射能：,— 絕對黑體輻射力— 黑體表面的絕對溫度（熱力學溫度）— 斯蒂芬-玻爾茲曼常數，,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.4.3.斯蒂芬-玻爾茲曼定律（Stef

67、an-Boltzmann law）,104,實際物體輻射能力：低于同溫度黑體,— 實際物體表面的發(fā)射率（黑度），0~1；與物體的種類、表面狀況和溫度有關 （Emissivity）,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.4.3.斯蒂芬-玻爾茲曼定律,105,對于兩個相距很近的黑體表面，由于一個表面發(fā)射出來的能量幾乎完全落到另一個表面上，那么它們之間的輻射換熱量為 ：,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.4.3.斯蒂芬-玻爾茲曼定律,106,實際

68、上，傳熱過程往往并非以某種傳熱方式單獨出現，而是兩種甚至是三種傳熱方式的組合。例如，熱水瓶抽真空的目的就是為了減少導熱過程的損失；瓶口加塞就是為了減少對流損失；內膽鍍銀是為減少輻射傳熱的損失。再如，化工生產中普遍使用的間壁式換熱器中的傳熱，主要是以熱對流和導熱相結合的方式進行的。,河南省壓力容器技術協(xié)作網,1.5 化工生產中的傳熱過程及常見換熱器,107,1.5 傳熱過程與熱阻,傳熱過程：熱量由熱流體通過間壁傳給冷流體的過程。,傳熱過程