1、鄭州大學(xué)化工設(shè)備研究所：鄭州大學(xué)化工設(shè)備研究所： 王培萍王培萍電電 話：話：0371-63887306Email: 網(wǎng)網(wǎng) 址：址： 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)換熱器設(shè)計(jì)傳熱學(xué)基礎(chǔ)換熱器設(shè)計(jì)傳熱學(xué)基礎(chǔ) 1.5 1.5 化工生產(chǎn)中的傳熱過程及常見換熱器化工生產(chǎn)中的傳熱過程及常見換熱器 1.2 1.2 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱1.3 1.3 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 1.6 1.6 間壁式熱交換的計(jì)算間壁式熱交換的計(jì)算 1.7 1.7 傳熱過程的強(qiáng)化傳熱過程的強(qiáng)化 1. 1 1. 1 傳熱基本理論的應(yīng)用傳熱基本理論的應(yīng)用 1.4 1.4 熱輻射熱輻射 河南省壓力容器技

2、術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)31.1生產(chǎn)生活中的傳熱學(xué)應(yīng)用 自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差 傳熱很普遍傳熱很普遍 a a 夏天人在同樣溫度（如：夏天人在同樣溫度（如：2525度）的空氣和度）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？水中的感覺不一樣。為什么？b b 北方北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以寒冷地區(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？利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？(1) (1) 日常生活中的例子：日常生活中的例子： 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)4（2)2)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳

3、熱問題a 航空航天：衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器航空航天：衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻；重返大氣層冷卻；超高音速飛行器冷卻；b 微電子：微電子： 電子芯片冷卻電子芯片冷卻c 生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；生物芯片；組織與器官的冷凍保存器官的冷凍保存d 軍軍 事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存e 制制 冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/熱泵；高溫水熱泵；高溫水源熱泵源熱泵f 新能源：太陽能；燃料電池新能源：太陽能；燃料電池 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)

4、5(3) (3) 工程實(shí)踐中工程實(shí)踐中大量存在傳熱問題大量存在傳熱問題 例如：熱源和冷源設(shè)備的選擇、配套和合例如：熱源和冷源設(shè)備的選擇、配套和合理有效利用；供熱通風(fēng)空調(diào)及燃?xì)猱a(chǎn)品的開理有效利用；供熱通風(fēng)空調(diào)及燃?xì)猱a(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究；各種供熱設(shè)備管道的發(fā)、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究；各種供熱設(shè)備管道的保溫材料及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的研制及其熱保溫材料及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的研制及其熱物理性質(zhì)的測試、熱損失的分析計(jì)算；各類物理性質(zhì)的測試、熱損失的分析計(jì)算；各類換熱器的設(shè)計(jì)、選擇和性能評(píng)價(jià)；建筑物的換熱器的設(shè)計(jì)、選擇和性能評(píng)價(jià)；建筑物的熱工計(jì)算和環(huán)境保護(hù)等。熱工計(jì)算和環(huán)境保護(hù)等。 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省

5、壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)61.21.2熱熱傳導(dǎo)（導(dǎo)傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱）1.2.11.2.1定定義和特征義和特征定義：指定義：指溫度不同的物體各部分溫度不同的物體各部分或或溫度不同的兩物體溫度不同的兩物體間間直接接觸直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象。物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生物質(zhì)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(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)71.2.21.2.2導(dǎo)導(dǎo)熱的特點(diǎn)熱的特點(diǎn) 必須有必須有溫差溫差 物體物體直接接觸直接接觸 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子

6、依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量 不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1.21.2熱熱傳導(dǎo)（導(dǎo)傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱）8 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1.21.2熱熱傳導(dǎo)（導(dǎo)傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱）91.2.31.2.3導(dǎo)導(dǎo)熱機(jī)理熱機(jī)理 氣體：氣體：氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。果。 導(dǎo)電固體：導(dǎo)電固體：自由電子運(yùn)動(dòng)。自由電子運(yùn)動(dòng)。 非導(dǎo)電固體：非導(dǎo)電固體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。 液體：液體：很復(fù)雜。很復(fù)雜。 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)

7、協(xié)作網(wǎng)1.21.2熱熱傳導(dǎo)（導(dǎo)傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱）10W tA2mW tAq ：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量WWq q：熱流密度，單位時(shí)間通過單位面熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量積傳遞的熱量:平壁的厚度mm；A A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積mm2 2 21wwttt：平壁兩側(cè)壁溫之差：平壁兩側(cè)壁溫之差 C:C)(mW熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.2 1.2 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱 1.2.1.1.2.1.熱傳導(dǎo)基本方程熱傳導(dǎo)基本方程傅里葉定律傅里葉定律（Fourier）11dxdtq2m/W

8、當(dāng)溫度當(dāng)溫度t t沿沿x x方向增加時(shí)方向增加時(shí)，dt/dx0dt/dx0，q0q0，說明，說明熱量沿?zé)崃垦豿 x減小的方向傳遞；反之，減小的方向傳遞；反之，dt/dx0dt/dx0，q0q0，說明熱量沿說明熱量沿x x增加的方向傳遞。增加的方向傳遞。 dxdt 為為溫度梯度，溫度梯度，負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)表示表示熱流密度熱流密度的方向與的方向與溫度梯度溫度梯度的方向相反。即熱量傳遞的方向與溫度的方向相反。即熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。升高的方向相反。河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.2 1.2 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱 12熱熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)） tAW tA 具有單位溫

9、度差（具有單位溫度差（1K）的單位厚度的物體）的單位厚度的物體(1m)，在它的單位面積上，在它的單位面積上(1m2)、每單位時(shí)間、每單位時(shí)間(1s)的導(dǎo)熱量的導(dǎo)熱量(J)。單位：。單位：w/(m.K)熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個(gè)參數(shù)，為物質(zhì)性質(zhì)之一。表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個(gè)參數(shù)，為物質(zhì)性質(zhì)之一。熱導(dǎo)率越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)熱導(dǎo)率越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。熱導(dǎo)率的大小與物。熱導(dǎo)率的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強(qiáng)）等因素有質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)（溫度、濕度、壓強(qiáng)）等因素有關(guān)。關(guān)。 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)13不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同：不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同

10、：非金屬金屬氣體液體固體Cmw/398純銅Cmw/7 . 2大理石0C時(shí)：時(shí)：Cmw/22. 2冰Cmw/551. 0水Cmw/0183. 0蒸汽 當(dāng)當(dāng)0.2 W/(m) t t2 2 ；管材導(dǎo)熱；管材導(dǎo)熱系數(shù)為系數(shù)為。則由傅立葉定律有：。則由傅立葉定律有： 因因穩(wěn)定過程導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱速率為常穩(wěn)定過程導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱速率為常數(shù)，若導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)可視為常數(shù)數(shù)，若導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)可視為常數(shù)或可取平均值，則上式中僅包含或可取平均值，則上式中僅包含溫度溫度t t和和半徑半徑r r兩個(gè)變量。兩個(gè)變量。 (2)dtQrLdr 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1.3.21.3.2圓圓筒壁導(dǎo)熱筒壁

11、導(dǎo)熱1) 1)單單層圓筒壁導(dǎo)熱層圓筒壁導(dǎo)熱39將上式分離變量，并根據(jù)將上式分離變量，并根據(jù)r=rr=r1 1，t=tt=t1 1；r=rr=r2 2，t=tt=t2 2的的邊界條件積分。即：邊界條件積分。即：積分得：積分得： 即為圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻。即為圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻。 上上式為單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程式，該式也式為單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程式，該式也可以改寫成類似單層平壁的導(dǎo)熱速率計(jì)算式的形式?？梢愿膶懗深愃茊螌悠奖诘膶?dǎo)熱速率計(jì)算式的形式。 22112rtrtdrQLdtr 121222112()ln()ln2LtttttQrr rRrL 21ln()2r rRL 河河南南省省壓壓力力容容器器

12、技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1) 1)單層圓筒壁導(dǎo)熱單層圓筒壁導(dǎo)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(duì)數(shù)平均半徑；又根據(jù)圓筒壁的導(dǎo)熱面積計(jì)算式，可令 ，稱為圓筒壁的平均導(dǎo)熱面積。12122122112()2()lnlnLttLttrrQrrrr 21rr2121ln()mrrrrr 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1) 1)單層圓筒壁導(dǎo)熱單層圓筒壁導(dǎo)熱mmALr241故上式可改寫為：故上式可改寫為：跟傳熱平均溫度差計(jì)算相類似地，當(dāng)跟傳熱平均溫度差計(jì)算相類似地，當(dāng)r r2 2/ /r r1 1 2 2時(shí)，上式中的對(duì)數(shù)平均半徑也可用算術(shù)平時(shí)，上式中的對(duì)數(shù)平均半

13、徑也可用算術(shù)平均值代替。均值代替。 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1) 1)單層圓筒壁導(dǎo)熱單層圓筒壁導(dǎo)熱)(21ttAQm422)2)多多層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算1111312111223311112()1lnnnnniimmmnmniminniiiitttttQRAAAAAL ttQrr也 可 寫 為 ： 在工程上，多層圓筒壁的導(dǎo)熱情況比較常見。例如，在工程上，多層圓筒壁的導(dǎo)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，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(yīng)器或其他容器內(nèi)襯以減少熱量（或冷量）損失；在

14、反應(yīng)器或其他容器內(nèi)襯以工程塑料或其他材料，以減小腐蝕；在換熱器內(nèi)換熱以工程塑料或其他材料，以減小腐蝕；在換熱器內(nèi)換熱管的內(nèi)、外表面形成污垢等等。與多層平壁相似，對(duì)于管的內(nèi)、外表面形成污垢等等。與多層平壁相似，對(duì)于多層圓筒壁，其導(dǎo)熱速率方程可以表示為：多層圓筒壁，其導(dǎo)熱速率方程可以表示為：河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)43例例5 5： 某管道外徑為某管道外徑為2r2r，外壁溫度為，外壁溫度為t t1 1，如外包兩層厚，如外包兩層厚度均為度均為r r（即（即 2 2 3 3r r）、導(dǎo)熱系數(shù)分別為）、導(dǎo)熱系數(shù)分別為 2 2和和 3 3（ 2 2 / / 3 3=2=2）的保溫材料

15、，外層外表面溫度為）的保溫材料，外層外表面溫度為t t2 2。如將兩層。如將兩層保溫材料的位置對(duì)調(diào)，其他條件不變，保溫情況變化保溫材料的位置對(duì)調(diào)，其他條件不變，保溫情況變化如何？由此能得出什么結(jié)論？如何？由此能得出什么結(jié)論？解：解： 設(shè)兩層保溫層直徑分別為設(shè)兩層保溫層直徑分別為d d2 2、d d3 3和和d d4 4，則，則d d3 3/d/d2 2=2=2，d d4 4/d/d3 3=3/2=3/2。導(dǎo)熱系數(shù)大的在里面：。導(dǎo)熱系數(shù)大的在里面： ;11969. 023ln212ln221ln21ln2133334323221ttddddttqL河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)

16、2)多層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算44導(dǎo)熱系數(shù)大的在外面：導(dǎo)熱系數(shù)大的在外面： 1426. 023ln2212ln2133321tttqL兩種情況散熱量之比為：兩種情況散熱量之比為： 84. 019. 111969. 01426. 01LLLqqqq或結(jié)論：導(dǎo)熱系數(shù)大的材料在外面，導(dǎo)熱系數(shù)小的結(jié)論：導(dǎo)熱系數(shù)大的材料在外面，導(dǎo)熱系數(shù)小的材料放在里層對(duì)保溫更有利。材料放在里層對(duì)保溫更有利。 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)2)多層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算451.3熱對(duì)流與對(duì)流換熱 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)461.3.1 定義與特征定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各定義：流體中

17、（氣體或液體）溫度不同的各部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把部分之間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)熱量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象。象。流體中有溫差流體中有溫差 熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱熱對(duì)流必然同時(shí)伴隨著熱傳導(dǎo)，傳導(dǎo)，對(duì)流換熱：流體與溫度不同的固體壁間接觸時(shí)對(duì)流換熱：流體與溫度不同的固體壁間接觸時(shí)的熱量交換過程的熱量交換過程 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1.3熱對(duì)流與對(duì)流換熱47對(duì)流換熱的特點(diǎn)對(duì)流換熱的特點(diǎn) 對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)

18、雜熱傳遞過程導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也必須有溫差動(dòng)；也必須有溫差 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1.3熱對(duì)流與對(duì)流換熱48 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)491.3.2牛頓冷卻公式（1701）W )(tthAwuttwA2mW )( fwtthAq 熱流量熱流量WW，單位時(shí)間傳遞的熱量，單位時(shí)間傳遞的熱量q q2mW 熱流密度熱流密度C)(mW2 h h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)A A2m 與流體接觸的壁面面積與流體接觸的壁面面積wtC 固體壁表面溫度固體壁表面溫度tC

19、 流體溫度流體溫度 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)50表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)流換熱系數(shù)）)( ttAhwC)(mW2 當(dāng)流體與壁面溫度相差當(dāng)流體與壁面溫度相差1 1度時(shí)、每單位壁面度時(shí)、每單位壁面面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的面積上、單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。熱量。h h是表征對(duì)流換熱過程強(qiáng)弱的物是表征對(duì)流換熱過程強(qiáng)弱的物理量。理量。影響影響h h因素：因素：流動(dòng)原因、流動(dòng)狀態(tài)、流體物性流動(dòng)原因、流動(dòng)狀態(tài)、流體物性（、c cp p) )有無相變、壁面形狀大小等有無相變、壁面形狀大小等 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)511.3.3對(duì)流傳熱機(jī)理 對(duì)流傳熱是流體流動(dòng)過程中發(fā)生

20、的熱量傳遞對(duì)流傳熱是流體流動(dòng)過程中發(fā)生的熱量傳遞. 工業(yè)工業(yè)過程的流動(dòng)多為湍流狀態(tài)，湍流流動(dòng)時(shí)，流體主體中過程的流動(dòng)多為湍流狀態(tài)，湍流流動(dòng)時(shí)，流體主體中質(zhì)點(diǎn)充分?jǐn)_動(dòng)與混合，所以在與流體流動(dòng)方向垂直的質(zhì)點(diǎn)充分?jǐn)_動(dòng)與混合，所以在與流體流動(dòng)方向垂直的截面上，截面上，流體主體區(qū)的溫度差很小。流體主體區(qū)的溫度差很小。 由于壁面的約束和流體內(nèi)部的摩擦作用，在緊靠由于壁面的約束和流體內(nèi)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。在滯流底層。河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)52 由于固體壁面對(duì)流體分子的吸附作用由于

21、固體壁面對(duì)流體分子的吸附作用，使得壁，使得壁面上的流體是處于不流動(dòng)或不滑移的狀態(tài)。面上的流體是處于不流動(dòng)或不滑移的狀態(tài)。 在流體的黏性力作用下會(huì)使流體的速度在垂直在流體的黏性力作用下會(huì)使流體的速度在垂直于壁面的方向上發(fā)生改變。于壁面的方向上發(fā)生改變。流體速度從壁面上的零流體速度從壁面上的零速度值逐步變化到來流的速度值逐步變化到來流的速度值速度值。 同時(shí)，通過固體壁面的熱流也會(huì)在流體分子的作同時(shí)，通過固體壁面的熱流也會(huì)在流體分子的作用下向流體擴(kuò)散用下向流體擴(kuò)散(熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo))，并不斷地被流體的流動(dòng)而，并不斷地被流體的流動(dòng)而帶到下游（熱對(duì)流），因而也導(dǎo)致緊靠壁面處的流帶到下游（熱對(duì)流），因而也導(dǎo)致

22、緊靠壁面處的流體溫度逐步從壁面溫度變化到來流溫度。體溫度逐步從壁面溫度變化到來流溫度。河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)對(duì)流傳熱特點(diǎn) 53 如圖為熱流體與壁面對(duì)流傳熱如圖為熱流體與壁面對(duì)流傳熱及壁面與冷流體的對(duì)流傳熱，工程及壁面與冷流體的對(duì)流傳熱，工程上將湍流主體和過渡區(qū)的熱阻予以上將湍流主體和過渡區(qū)的熱阻予以虛擬，折合為相當(dāng)厚度為虛擬，折合為相當(dāng)厚度為t的滯流的滯流底層熱阻，底層熱阻，流體與壁面之間的溫度流體與壁面之間的溫度變化可認(rèn)為全部發(fā)生在厚度為變化可認(rèn)為全部發(fā)生在厚度為t的的一個(gè)膜層內(nèi)一個(gè)膜層內(nèi)，通常將這一存在溫度，通常將這一存在溫度梯度的區(qū)域稱為梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層

23、傳熱邊界層。傳熱傳熱邊界層以外，溫度是一致的、沒有邊界層以外，溫度是一致的、沒有熱阻熱阻.河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.3對(duì)流傳熱機(jī)理 54/()ttA式中式中流體的熱導(dǎo)率，流體的熱導(dǎo)率， 11KmWt傳熱邊界層厚度，傳熱邊界層厚度，m； T對(duì)流傳熱溫度差，對(duì)流傳熱溫度差， ,wTTTK或或 ,wtt 實(shí)際上對(duì)流傳熱過程實(shí)際上對(duì)流傳熱過程為為： 1/()thA 該式稱為牛頓（該式稱為牛頓（NewtonNewton）冷卻定律或給熱方程，）冷卻定律或給熱方程， h h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，或稱為對(duì)流傳熱系數(shù)，亦稱給熱系為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，或稱為對(duì)流傳熱系數(shù)，亦稱給熱系數(shù)，單位為數(shù)，

24、單位為12KmW 可可將湍流狀態(tài)復(fù)雜的對(duì)流傳熱歸結(jié)為通過傳熱邊界將湍流狀態(tài)復(fù)雜的對(duì)流傳熱歸結(jié)為通過傳熱邊界層的熱傳導(dǎo)，用熱傳導(dǎo)基本方程來描述對(duì)流傳熱過程層的熱傳導(dǎo)，用熱傳導(dǎo)基本方程來描述對(duì)流傳熱過程河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)55例例6 6： 一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為3m3m2 2，表面溫度為，表面溫度為t tw w = 50 = 50，和溫度為，和溫度為2020的室內(nèi)空氣之間自然對(duì)流的室內(nèi)空氣之間自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h = h = 4 W/(m4 W/(m2 2K)K)。試問該暖氣。試問該暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣片相

25、當(dāng)于多大功率的電暖氣? ?解：解： 暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對(duì)流換熱，暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對(duì)流換熱， Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相當(dāng)于功率為即相當(dāng)于功率為0.36kW0.36kW的電暖氣。的電暖氣。 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)561.3.4對(duì)流換熱過程的分類對(duì)流換熱：導(dǎo)熱對(duì)流換熱：導(dǎo)熱 + 熱對(duì)流；壁面熱對(duì)流；壁面+流動(dòng)流動(dòng)對(duì)流換熱的分類：對(duì)流換熱的分類：1）流動(dòng)起因：）流動(dòng)起因：自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)

26、生的流動(dòng)差異所產(chǎn)生的流動(dòng)（Free convectionFree convection）強(qiáng)制對(duì)流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作強(qiáng)制對(duì)流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動(dòng)用所產(chǎn)生的流動(dòng)（Forced convectionForced convection）自然強(qiáng)制hh河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)57河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.4對(duì)流換熱過程的分類582 2）換熱表面的幾何因素：）換熱表面的幾何因素：內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)內(nèi)部流動(dòng)對(duì)流換熱：管內(nèi)或槽內(nèi)外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束外部流動(dòng)對(duì)流換熱：外掠平板、圓管、管束3

27、 3）流動(dòng)狀態(tài)：）流動(dòng)狀態(tài)：層流：整個(gè)流場呈一簇互相平行的流線層流：整個(gè)流場呈一簇互相平行的流線湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)湍流：流體質(zhì)點(diǎn)做復(fù)雜無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)層流湍流hh河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.4對(duì)流換熱過程的分類59河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.4對(duì)流換熱過程的分類60河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)614 4）流體有無相變：）流體有無相變：單相換熱：換熱過程中介質(zhì)無相的變化單相換熱：換熱過程中介質(zhì)無相的變化相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等相變換熱：凝結(jié)、沸騰、升華、凝固、融化等hh相變單相河河南南省省壓壓力

28、力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.4對(duì)流換熱過程的分類62對(duì)流換熱分類表河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)631.3.5對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取 影響影響h的因素很多，主要有以下幾個(gè)方面：的因素很多，主要有以下幾個(gè)方面： 影響影響h的主要因素可用下式表示：的主要因素可用下式表示：流體的種類和性質(zhì)流體的種類和性質(zhì)； 液體、氣體、蒸氣，其密液體、氣體、蒸氣，其密度、比熱容、粘度等不同。度、比熱容、粘度等不同。 流體的流動(dòng)形態(tài)：流體的流動(dòng)形態(tài)： 滯流、過渡流或湍流時(shí)滯流、過渡流或湍流時(shí)h各不各不相同。相同。傳熱壁面的形狀、排列方式和尺寸傳熱壁面的形狀、排列方式和尺寸流體的對(duì)流

29、狀態(tài)流體的對(duì)流狀態(tài)： 強(qiáng)制對(duì)流較自然對(duì)流時(shí)強(qiáng)制對(duì)流較自然對(duì)流時(shí)h為大。為大。河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)）,(Ldutcpfh64 由于影響由于影響h的因素很多，要建立一個(gè)通式來求各種的因素很多，要建立一個(gè)通式來求各種對(duì)流傳熱情況下的對(duì)流傳熱情況下的h是不可能的。是不可能的。工程上采用量綱分工程上采用量綱分析的方法，將影響析的方法，將影響h諸多因素歸納為較少的幾個(gè)量綱諸多因素歸納為較少的幾個(gè)量綱合一的特征數(shù)群，確定這些特征數(shù)在不同情況下的相合一的特征數(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(yàn)性的關(guān)聯(lián)公式?；ヂ?lián)系，從而得到經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)聯(lián)公式。描述對(duì)流傳熱過程的特征

30、數(shù)關(guān)系為：描述對(duì)流傳熱過程的特征數(shù)關(guān)系為：cbaGrANuPrRe各特征數(shù)的含義如下表各特征數(shù)的含義如下表2-1所示所示河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.51.3.5對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取 65 河河 南南 省省 壓壓 力力 容容 器器 技技 術(shù)術(shù) 協(xié)協(xié) 作作 網(wǎng)網(wǎng)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)表示浮升力和粘滯力比值的表示浮升力和粘滯力比值的大小的參數(shù)，作用類似于雷大小的參數(shù)，作用類似于雷諾數(shù)對(duì)強(qiáng)制對(duì)流的影響諾數(shù)對(duì)強(qiáng)制對(duì)流的影響66LuLuRe稱為雷諾數(shù)，稱為雷諾數(shù)，表征了給定表征了給定流場的慣性

31、力與其黏性力流場的慣性力與其黏性力的對(duì)比關(guān)系的對(duì)比關(guān)系，也就是反映，也就是反映了這兩種力的相對(duì)大小。了這兩種力的相對(duì)大小。 利用雷諾數(shù)可以判別一個(gè)給定流場的穩(wěn)定性，利用雷諾數(shù)可以判別一個(gè)給定流場的穩(wěn)定性，隨著慣性力的增大和黏性力的相對(duì)減小，雷諾數(shù)就隨著慣性力的增大和黏性力的相對(duì)減小，雷諾數(shù)就會(huì)增大，而大到一定程度流場就會(huì)失去穩(wěn)定，而使會(huì)增大，而大到一定程度流場就會(huì)失去穩(wěn)定，而使流動(dòng)從層流變?yōu)槲闪?。流?dòng)從層流變?yōu)槲闪?。河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)的物理意義的物理意義67紊流區(qū)過渡區(qū)），（層流區(qū) 10Re 10 2300Re 2300

32、Re44dum河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)的物理意義的物理意義68hLNu 努謝爾特（努謝爾特（NusseltNusselt）準(zhǔn)則，它）準(zhǔn)則，它反映了給定流場的反映了給定流場的換熱能力與其導(dǎo)熱能力的對(duì)比關(guān)系。換熱能力與其導(dǎo)熱能力的對(duì)比關(guān)系。這是一個(gè)在對(duì)這是一個(gè)在對(duì)流換熱計(jì)算中必須要加以確定的準(zhǔn)則。流換熱計(jì)算中必須要加以確定的準(zhǔn)則。 河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)對(duì)流傳熱過程中的準(zhǔn)則數(shù)的物理意義的物理意義691.3.6對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素對(duì)流傳熱系數(shù)的影響

33、因素h h = = f f ( ( 物性、流動(dòng)狀態(tài)、溫度、邊界狀況物性、流動(dòng)狀態(tài)、溫度、邊界狀況) )1)1)流體的種類和相變化的情況流體的種類和相變化的情況換熱方換熱方式式空氣自空氣自然對(duì)流然對(duì)流 氣體強(qiáng)氣體強(qiáng)制對(duì)流制對(duì)流 水自然水自然對(duì)流對(duì)流 水強(qiáng)制水強(qiáng)制對(duì)流對(duì)流 水蒸氣水蒸氣冷凝冷凝 有機(jī)蒸有機(jī)蒸氣冷凝氣冷凝 水沸水沸騰騰 w/(mw/(m2 2o oC)C)5 526 26 2020100 100 20201000 1000 1000100015000 15000 5000500015000 15000 5005002000 2000 2502500 025000 25000 表表 2

34、-3 2-3 h h值的范圍值的范圍河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)702)2)流體的物性流體的物性導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 大，大，h h 大；大；粘度粘度 大，大，h h ??；小；比熱和密度比熱和密度 Cp Cp 大，大，h h 大；大；體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù) 大，大，h h 大。大。3) 3) 流體的溫度流體的溫度 流體物性、附加自然對(duì)流流體物性、附加自然對(duì)流4)4)流體的流動(dòng)狀態(tài)流體的流動(dòng)狀態(tài) 滯流小、湍流大滯流小、湍流大河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.6對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式715)5)流體流動(dòng)的原因流體流動(dòng)的原因自然對(duì)流小、強(qiáng)制對(duì)流大

35、自然對(duì)流小、強(qiáng)制對(duì)流大6)6)傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小形狀：管、板、環(huán)隙、翅片等形狀：管、板、環(huán)隙、翅片等位置：水平、垂直、管束的排列方式位置：水平、垂直、管束的排列方式大?。汗軓?、管長、板高、進(jìn)口效應(yīng)大小：管徑、管長、板高、進(jìn)口效應(yīng)河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.6對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式721.3.71.3.7應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題a a 定性溫度定性溫度 b b 特征尺寸特征尺寸c c 特征流速特征流速d d 應(yīng)用條件應(yīng)用條件河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)731.3.7.1特征尺寸

36、、特征流速和定性溫度的確定特征尺寸、特征流速和定性溫度的確定 特征參數(shù)是流場的代表性的數(shù)值，分別表征了流場特征參數(shù)是流場的代表性的數(shù)值，分別表征了流場的的幾何特征、流動(dòng)特征和換熱特征幾何特征、流動(dòng)特征和換熱特征。 特征尺寸特征尺寸，它反映了流場的幾何特征，對(duì)于不同的流，它反映了流場的幾何特征，對(duì)于不同的流場特征尺寸的選擇是不同的。場特征尺寸的選擇是不同的。流體平行流體平行流過平板：流過平板：流動(dòng)方向上的流動(dòng)方向上的長度尺寸長度尺寸；管內(nèi)管內(nèi)流體流動(dòng)流體流動(dòng)：垂直于流動(dòng)方向的管內(nèi)直徑垂直于流動(dòng)方向的管內(nèi)直徑；流體流體繞流圓柱體流動(dòng)：繞流圓柱體流動(dòng)：流動(dòng)方向上的流動(dòng)方向上的圓柱體外直徑圓柱體外直徑

37、。非圓管：取當(dāng)量直徑非圓管：取當(dāng)量直徑4 4 流動(dòng)截面積流動(dòng)截面積/ /傳熱周邊長傳熱周邊長河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)74特征流速特征流速，它反映了流體流場的流動(dòng)特征。，它反映了流體流場的流動(dòng)特征。流體流過流體流過平板平板：來流速度來流速度；流體流體管內(nèi)流動(dòng)管內(nèi)流動(dòng)：管子：管子截面截面上的上的平均流速平均流速；流體流體繞流圓柱體繞流圓柱體流動(dòng)：流動(dòng)：來流速度來流速度。定性溫度定性溫度，無量綱準(zhǔn)則中的物性量是溫度的函數(shù)，無量綱準(zhǔn)則中的物性量是溫度的函數(shù)，確定物性量數(shù)值的溫度稱為定性溫度。確定物性量數(shù)值的溫度稱為定性溫度。外部流動(dòng)：來流外部流動(dòng)：來流流體溫度和固體壁面溫度的算

38、術(shù)平流體溫度和固體壁面溫度的算術(shù)平均值均值，稱為膜溫度；，稱為膜溫度；內(nèi)部流動(dòng)：內(nèi)部流動(dòng)：管內(nèi)流體進(jìn)出口溫度的平均值（算術(shù)平管內(nèi)流體進(jìn)出口溫度的平均值（算術(shù)平均值或?qū)?shù)平均值）均值或?qū)?shù)平均值）.河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.7.1特征尺寸、特征流速和定性溫度的確定特征尺寸、特征流速和定性溫度的確定 751.3.8對(duì)流傳熱膜系數(shù)對(duì)流傳熱膜系數(shù) （無相變）（無相變）1.3.8.11.3.8.1低粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：低粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：Dittus-BlelterDittus-Blelter當(dāng)液體被加熱：當(dāng)液體被加熱：n=0.4n=0.4液體被冷卻：液體

39、被冷卻：n=0.3n=0.3氣體被加熱或冷卻：氣體被加熱或冷卻：n=0.4n=0.4npncdudhNu8 . 08 . 0023. 0PrRe023. 0或河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)76上式的適用范圍上式的適用范圍1 1）ReRe10104 4，流體呈湍流狀態(tài)。，流體呈湍流狀態(tài)。2 2）若）若Re=2300Re=230010104 4屬于過渡區(qū)，上式計(jì)算的傳熱系屬于過渡區(qū)，上式計(jì)算的傳熱系數(shù)數(shù)h h作修正作修正8 . 1500Re1061hh過渡河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.8.11.3.8.1低粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：低粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制

40、湍流傳熱：77上式的適用范圍上式的適用范圍4 4）要求管長與管徑之比，）要求管長與管徑之比，l/dl/d6060。如果。如果l/dl/d6060，由于入口處的影響使由于入口處的影響使增加較多，可將增加較多，可將【1+1+（d/l)d/l)0.70.7】進(jìn)行修正。進(jìn)行修正。5 5）用于粘度小于）用于粘度小于2 2倍水的粘度的流體。倍水的粘度的流體。6 6）定性溫度：液體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值）定性溫度：液體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值; ;7) 7) 特征尺寸特征尺寸: : 管內(nèi)徑。管內(nèi)徑。河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.8.1 1.3.8.1 低粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：低

41、粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：78例例6 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加熱加熱到到80,管束為管束為38mm3mm,蒸汽走殼程蒸汽走殼程,空氣走管程空氣走管程,其流其流速為速為14ms-1.求管壁對(duì)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)求管壁對(duì)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù).解: 空氣的定性溫度為t定=(20+80)/2=50查50下空氣的物性數(shù)據(jù)Cp=1017Jkg-1K-1=1.9610-5Pas=1093kgm-3=2.8310-2Wm-1K-1d=0.032mu=14ms-1得24983Redu70. 0Prpc計(jì)算結(jié)果表明:空氣在管內(nèi)流動(dòng)Re10000, 160P

42、r0.6, 必然符合下式的條件124 . 08 . 01 .58PrRe023. 0KmWdh河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)79b b、高粘度高粘度流流體體Nu=0.027ReNu=0.027Re0.80.8PrPr0.330.33(w w ) )0.140.14:液體在主體平均溫度下的粘度液體在主體平均溫度下的粘度w w：液體在壁溫下的粘度：液體在壁溫下的粘度其中（其中（/w w）0.140.14一項(xiàng)是考慮熱流方向影響的校一項(xiàng)是考慮熱流方向影響的校正項(xiàng)。正項(xiàng)。在工程計(jì)算時(shí)，在工程計(jì)算時(shí)，液體加熱液體加熱( (/w w）0.140.14=1.05 =1.05 ，液體被冷卻時(shí)（

43、液體被冷卻時(shí)（/w w）0.140.14=0.95=0.95河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.8.21.3.8.2高高粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：80 由于滯流內(nèi)層的厚度粘度隨熱流方向的不同由于滯流內(nèi)層的厚度粘度隨熱流方向的不同而不同，液體被加熱而不同，液體被加熱時(shí)時(shí)，滯流內(nèi)層的溫度比主體，滯流內(nèi)層的溫度比主體溫度高，又粘度反比于溫度，因此滯流內(nèi)層厚度溫度高，又粘度反比于溫度，因此滯流內(nèi)層厚度減薄，致使對(duì)流傳熱系數(shù)增大。液體被冷卻減薄，致使對(duì)流傳熱系數(shù)增大。液體被冷卻時(shí)時(shí)，情況相反，對(duì)于液體情況相反，對(duì)于液體Pr1 Pr1 即即 PrPr0.4

44、0.4PrPr0.30.3. .因此加因此加熱時(shí)熱時(shí)n=0.4n=0.4。 河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.8.2 1.3.8.2 高高粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：粘度流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱：811.3.8.31.3.8.3流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流 單根園管、管束單根園管、管束03060901201501800.20.40.60.81.01.21.41.61.8Re=1E4180900 河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)821.3.8.3.11.3.8.3.1流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng) 管束的排列方式：管束的排列方式：

45、直列直列 錯(cuò)列錯(cuò)列正三角形、等邊三角形正三角形、等邊三角形流體在流體在錯(cuò)列錯(cuò)列管束外流過時(shí)管束外流過時(shí) ，平均傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：，平均傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：流體在流體在直列直列管束外流過時(shí)管束外流過時(shí) ，平均傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：，平均傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：直 列錯(cuò) 列 ： 正 三 角 錯(cuò) 列 ： 正 方 形 ( 等 邊 三 角 形 )33. 06 . 0PrRe33. 0Nu33. 06 . 0PrRe26. 0Nu河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)正方形排列正方形排列 轉(zhuǎn)角正三角形排列轉(zhuǎn)角正三角形排列 正三角形排列正三角形排列83 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：Re3000Re3000，

46、特征尺寸：管外徑特征尺寸：管外徑d do o，流速取最小流通截面速度。流速取最小流通截面速度。管排數(shù)為管排數(shù)為1010，不是，不是1010排時(shí)應(yīng)進(jìn)行校正。排時(shí)應(yīng)進(jìn)行校正。( (二二) )流體在換熱器的管間流動(dòng)流體在換熱器的管間流動(dòng)圓環(huán)圓盤折流板圓環(huán)圓盤折流板河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.8.3.11.3.8.3.1流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)84弓形折流板弓形折流板圓弧型折流板圓弧型折流板有關(guān)的計(jì)算公式參見教材和有關(guān)資料。有關(guān)的計(jì)算公式參見教材和有關(guān)資料。河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.8.3.11.3.8.3.1流體在管束

47、外強(qiáng)制垂直流動(dòng)流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)85 若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜，故稱為膜狀冷凝。層完整的液膜，故稱為膜狀冷凝。1.3.8.41.3.8.4液體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)液體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1.3.8.4.1 1.3.8.4.1 蒸氣冷凝蒸氣冷凝 若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作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，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。此種冷凝稱為滴狀冷凝。滴狀冷凝：滴狀冷凝：膜狀冷凝膜狀冷凝: :河河南南省省壓壓力力容容器

48、器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng) 化工生產(chǎn)中多見的相變給熱是液體受熱沸騰和飽化工生產(chǎn)中多見的相變給熱是液體受熱沸騰和飽和水蒸氣的冷凝。和水蒸氣的冷凝。86 滴狀冷凝的給熱系數(shù)比膜狀冷凝的給熱系數(shù)可高出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，工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝，因此數(shù)倍乃至數(shù)十倍，工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝，因此冷凝器的設(shè)計(jì)總是按膜狀冷凝來處理，下面介紹純凈的冷凝器的設(shè)計(jì)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(shù)的計(jì)算方法飽和蒸氣膜狀冷凝的傳熱系數(shù)的計(jì)算方法 。874/132)(943. 0tLgrh式中：式中：ll管長，管長，m;m; 分別為膜溫下凝液的導(dǎo)

49、熱系數(shù)分別為膜溫下凝液的導(dǎo)熱系數(shù)W/(m.),W/(m.),密密度度,kg/m,kg/m3 3; ;和粘度和粘度( (Pa.sPa.s) ) 冷凝潛熱冷凝潛熱,J/kg;,J/kg; t t飽和蒸汽溫度與壁面溫度的差值。飽和蒸汽溫度與壁面溫度的差值。其中，冷凝潛熱按膜溫其中，冷凝潛熱按膜溫t tb b查取，其余物性按液膜溫度查取，其余物性按液膜溫度t tL L查取。查取。t tL L=(t=(tb b+t+tw w)/2)/2河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)1.3.8.4.1 1.3.8.4.1 蒸氣冷凝蒸氣冷凝1 1）豎直平壁：）豎直平壁：884/132)sin(943. 0

50、tLgrh4/132)(725. 0tdgro河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)2 2）傾斜平壁：）傾斜平壁：3 3）單根水平園管：）單根水平園管：注意：上述公式只適用于滯流情況注意：上述公式只適用于滯流情況89 對(duì)流傳熱系數(shù)仍可用上式計(jì)算，但特征尺寸對(duì)流傳熱系數(shù)仍可用上式計(jì)算，但特征尺寸改改為為n n2/32/3d do o,n,n為水平管束垂直列上的管子數(shù)。為水平管束垂直列上的管子數(shù)。在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的在列管式冷凝器中，若管束由互相平行的n n列管子所列管子所組成，一般各列管子在垂直方向的管數(shù)不相等，若分組成，一般各列管子在垂直方向的管數(shù)不相等，若分別為別為

51、n n1 1,n,n2 2,n,n3 3, ,則則4/ 34/ 324/ 3121zzmnnnnnnn4 4）蒸氣在水平管束外的冷凝蒸氣在水平管束外的冷凝河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)90若膜層為滯流若膜層為滯流 Re1800Re1800Re1800時(shí)時(shí) h h =0.0077(g=0.0077(g) )0.330.33ReRe0.40.4特征尺寸特征尺寸:l:l取垂直管或板的高度。取垂直管或板的高度。定性溫度定性溫度：蒸氣冷凝潛熱：蒸氣冷凝潛熱r r取飽和溫度取飽和溫度t ts s下的值，下的值，其余物性取液膜平均溫度其余物性取液膜平均溫度t tm m=0.5(t=0.5(

52、ts s+t+tw w) )下的值。下的值。5 5）蒸氣在垂直管內(nèi)、外或垂直平板側(cè)的冷凝蒸氣在垂直管內(nèi)、外或垂直平板側(cè)的冷凝河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)916 6）影響冷凝傳熱的因素）影響冷凝傳熱的因素液膜呈滯流時(shí)液膜呈滯流時(shí)：tt冷凝速率冷凝速率 hh 液膜兩側(cè)溫差液膜兩側(cè)溫差凝液物性凝液物性見公式見公式蒸氣的流向與速度蒸氣的流向與速度當(dāng)蒸汽流動(dòng)方向與液膜向下流動(dòng)當(dāng)蒸汽流動(dòng)方向與液膜向下流動(dòng)同方向時(shí)同方向時(shí),使液膜拉薄使液膜拉薄,h增加增加,反之反之,減小減小蒸氣中不凝性氣體含量的影響蒸氣中不凝性氣體含量的影響 p不凝性氣體含量不凝性氣體含量冷凝時(shí)形成冷凝時(shí)形成“氣膜氣膜

53、” 河河 南南 省省 壓壓 力力 容容 器技器技 術(shù)術(shù) 協(xié)協(xié) 作作 網(wǎng)網(wǎng)926 6）影響冷凝傳熱的因素）影響冷凝傳熱的因素過熱蒸氣過熱蒸氣 把前面計(jì)算式中的潛熱改為過把前面計(jì)算式中的潛熱改為過熱蒸汽與飽和液的焓差熱蒸汽與飽和液的焓差,則可用則可用前述飽和蒸汽的公式來計(jì)算前述飽和蒸汽的公式來計(jì)算冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響如果系統(tǒng)密封良好如果系統(tǒng)密封良好,則凝結(jié)側(cè)熱則凝結(jié)側(cè)熱阻很小阻很小.強(qiáng)化膜狀凝結(jié)傳熱的基強(qiáng)化膜狀凝結(jié)傳熱的基本原則是盡量減薄粘滯在換熱本原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度表面上的液膜的厚度.可用各種可用各種帶有尖鋒的表面使其上冷凝的帶有尖鋒的表面使其上冷凝的液膜減薄液膜

54、減薄,并使得凝結(jié)的液體盡并使得凝結(jié)的液體盡快排掉快排掉.工程上可以采用低肋管或各種工程上可以采用低肋管或各種類型鋸齒管等等類型鋸齒管等等. 河河 南南 省省 壓壓 力力 容容 器技器技 術(shù)術(shù) 協(xié)協(xié) 作作 網(wǎng)網(wǎng)93液體通過固體壁面被加熱的對(duì)流傳熱過程中，若伴液體通過固體壁面被加熱的對(duì)流傳熱過程中，若伴有液相變?yōu)闅庀啵丛谝合鄡?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程有液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程稱為稱為液體沸騰液體沸騰，又稱沸騰傳熱。液體沸騰的情況因固體，又稱沸騰傳熱。液體沸騰的情況因固體壁面溫度壁面溫度tw與液體飽和溫度與液體飽和溫度ts之間的差值而變化，之間的差值而變化，如如圖圖為水的沸騰曲

55、線：為水的沸騰曲線：1.3.8.5 液體沸騰液體沸騰河河南南省省壓壓力力容容器器技技術(shù)術(shù)協(xié)協(xié)作作網(wǎng)網(wǎng)94圖圖4-9 4-9 水的沸騰曲線水的沸騰曲線 當(dāng)溫差較小時(shí)，加熱當(dāng)溫差較小時(shí)，加熱面上的液體僅產(chǎn)生自然對(duì)面上的液體僅產(chǎn)生自然對(duì)流在液體表面蒸發(fā)，如圖流在液體表面蒸發(fā)，如圖中中AB段曲線；當(dāng)段曲線；當(dāng)t逐漸逐漸增高時(shí)，由于氣泡的產(chǎn)生、增高時(shí)，由于氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升對(duì)液體劇烈擾脫離和上升對(duì)液體劇烈擾動(dòng)，此段情況稱為動(dòng)，此段情況稱為泡核沸泡核沸騰，如騰，如BC段曲線；段曲線； 沸騰曲線：沸騰隨加沸騰曲線：沸騰隨加熱面溫度與液體飽和溫度熱面溫度與液體飽和溫度差而變。差而變。95工業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)生產(chǎn)

56、中, 總是設(shè)法維持在泡狀沸騰下操作?？偸窃O(shè)法維持在泡狀沸騰下操作。 繼續(xù)增大繼續(xù)增大t時(shí)，產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)生的氣泡大大增多且產(chǎn)生的氣泡大大增多且產(chǎn)生的速度大于脫離加熱生的速度大于脫離加熱表面的速度，形成一層表面的速度，形成一層不穩(wěn)定的水蒸氣膜，氣不穩(wěn)定的水蒸氣膜，氣膜的附加熱阻使膜的附加熱阻使q和和均均急劇下降，傳熱面幾乎急劇下降，傳熱面幾乎全部被氣膜覆蓋稱為全部被氣膜覆蓋稱為膜膜狀沸騰狀沸騰。（t t 52525）膜狀沸騰）膜狀沸騰 河河 南南 省省 壓壓 力力 容容 器技器技 術(shù)術(shù) 協(xié)協(xié) 作作 網(wǎng)網(wǎng)96工業(yè)上的液體沸騰：工業(yè)上的液體沸騰：將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰，稱將加熱壁面浸

57、沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰，稱為大容積沸騰；為大容積沸騰；液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。25C5C沸騰溫差t C熱通量熱通量q傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)（ t t 5 2525）膜狀沸騰）膜狀沸騰 河河 南南 省省 壓壓 力力 容容 器器 技技 術(shù)術(shù) 協(xié)協(xié) 作作 網(wǎng)網(wǎng)97表表23 常見流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大致范圍常見流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大致范圍 河河 南南 省省 壓壓 力力 容容 器器 技技 術(shù)術(shù) 協(xié)協(xié) 作作 網(wǎng)網(wǎng)98表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)991.4熱輻射（Thermal radi

58、ation）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、輻射能力越物體的溫度越高、輻射能力越強(qiáng)；若物體的種強(qiáng)；若物體的種 類不同、表面類不同、表面狀況不同，其輻射能力不同狀況不同，其輻射能力不同輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞傳遞 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)100 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)1011.4.2輻射換熱的特點(diǎn)不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量質(zhì)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)

59、射電無論溫度高低，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體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量;總總的結(jié)果是熱由高溫傳到的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。低溫。 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能 電磁波能電磁波能 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能1021.4.3.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黑體：能全部吸收投射到其

60、表面輻射能的物體。體。 或稱絕對(duì)黑體?；蚍Q絕對(duì)黑體。（Black bodyBlack body）黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)Ludwig Boltzmann (1844-1906) committed suicide because he thought his lifes work was in vain. 河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)河南省壓力容器技術(shù)協(xié)作網(wǎng)103黑體向外發(fā)射的輻射能：黑體向外發(fā)射的輻射能：24mW TEbb 絕對(duì)黑體輻射力絕對(duì)黑體輻射力 黑體表面的絕對(duì)溫度（熱力學(xué)溫度）黑體表面的絕對(duì)溫度（熱力學(xué)溫度） 斯蒂芬斯蒂芬- -玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，