第四章傳熱(Heattransfer)1第四章傳熱(Heattransfer)第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對流傳熱第四節(jié)傳熱過程計算第五節(jié)對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式第六節(jié)輻射傳熱第七節(jié)換熱器2第一節(jié)概述（Introduction）4.1.0傳熱的基本定義4.1.1傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用4.1.2傳熱的三種基本方式4.1.3冷熱流體接觸方式4.1.4傳熱速率和熱通量4.1.5穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱4.1.5載熱體及其選擇3第一節(jié)概述（Introduction）4.1.0

傳熱的基本定義

系統(tǒng)內(nèi)由于溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的過程稱之為熱量傳遞過程，簡稱傳熱。4.1.1傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用對物料進(jìn)行加熱、冷卻、汽化或冷凝

減少熱損失，對高溫及低溫設(shè)備或管道保溫或隔熱

工業(yè)廢熱的回收與利用

強化傳熱過程削弱傳熱過程44.1.2傳熱的三種基本方式

工業(yè)生產(chǎn)中導(dǎo)熱存在于：固體內(nèi)部、接觸良好的固體之間、換熱器壁面、流體的層流內(nèi)層。一、熱傳導(dǎo)(Conduction)物體內(nèi)質(zhì)點不發(fā)生宏觀的相對位移，由微觀粒子的熱運動所引起的熱量傳遞過程。金屬—自由電子的運動氣體—分子無規(guī)則熱運動非金屬、液體—分子、原子振動第一節(jié)概述-----導(dǎo)熱5

工業(yè)生產(chǎn)中，對流傳熱發(fā)生在固體壁面與流體之間，同時伴有熱傳導(dǎo)。二、對流(Convection)流體質(zhì)點間發(fā)生宏觀相對位移而引起的熱量傳遞?！霭匆鹳|(zhì)點運動的原因分為：自然對流和強制對流。第一節(jié)概述自然對流：溫度差產(chǎn)生密度差，使流體運動。強制對流：依靠外力（泵、風(fēng)機、攪拌等）使流體運動。-------對流傳熱6物體因熱的原因發(fā)出輻射能，以電磁波的形式傳遞熱量的過程。只有溫度較高時才成為主要傳熱方式不需任何介質(zhì)，且伴隨電磁能與熱能的能量形式的轉(zhuǎn)換三、熱輻射(Radiation)第一節(jié)概述

實際生產(chǎn)中的傳熱過程很少是以一種方式進(jìn)行，而是兩種或三種基本方式的聯(lián)合，如間壁式換熱就是熱對流和熱傳導(dǎo)的串聯(lián)過程。74.1.3傳熱中冷、熱流體的接觸方式一、直接混合式---常用于熱氣體的水冷或熱水的空冷。

第一節(jié)概述8二、蓄熱式常用于氣體余熱的利用第一節(jié)概述----冷、熱流體交替通過蓄熱室傳遞熱量91—內(nèi)管2—外管三、間壁式第一節(jié)概述---冷、熱流體用間壁隔開，其型式很多。10第一節(jié)概述(間壁式）傳熱步驟：（1）熱流體將熱量傳遞至固體壁面左側(cè)（對流傳熱）（2）熱量自壁面左側(cè)傳遞至壁面右側(cè)（導(dǎo)熱）（3）熱量自壁面右側(cè)傳遞至冷流體（對流傳熱）熱流體冷流體對流傳熱對流傳熱Q導(dǎo)熱T1T2t1t2（4）總傳熱面積：固體間壁（1）（2）（3）11熱通量q（熱流密度）：單位傳熱面的傳熱速率，W/m2傳熱速率Q：單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量，J/s或W。

對于定態(tài)傳熱，通過換熱器各傳熱面的傳熱速率為定值，而熱通量與所選擇的面積有關(guān)，選內(nèi)側(cè)、外側(cè)和平均面積時q值不同。4.1.4傳熱速率和熱通量第一節(jié)概述12第一節(jié)概述傳熱速率（Q）通式：R：整個傳熱面的熱阻，R’：單位傳熱面積的熱阻K：比例系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/m2·K134.1.5穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱第一節(jié)概述穩(wěn)定傳熱：在傳熱體系中各點的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時間而變．

特點：傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數(shù)。不穩(wěn)定傳熱：若傳熱體系中各點的溫度，既隨位置的變化，又隨時間變化。

特點：傳熱速率、熱通量均為變量?；み^程中連續(xù)生產(chǎn)主要為穩(wěn)定傳熱。144.1.6載熱體及其選擇第一節(jié)概述1.載熱體-----提供或取走熱量的流體（1）加熱介質(zhì)（加熱劑）熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽、煙道氣等（2）冷卻介質(zhì)（冷卻劑）

水、空氣、鹽水、氨蒸汽等2.選用原則溫度易調(diào)，不易分解，無毒無害，便宜，易得15第一節(jié)概述

表4－1常用加熱劑及其適用溫度范圍

表4－2常用冷卻劑及其適用溫度范圍16第二節(jié)熱傳導(dǎo)（Conduction）4.2.1傅里葉定律4.2.2導(dǎo)熱系數(shù)4.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)4.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)17

1.溫度場：任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布情況4.2.1傅里葉定律一、溫度場(TemperatureField)和溫度梯度定態(tài)溫度場：定態(tài)一維溫度場：t1

t2

t1>t2等溫面Q等溫面：同一時刻溫度場中溫度相同各點所組成的面。溫度不同的等溫面彼此不相交；沿等溫面無熱量傳遞；沿與等溫面相交的任何方向有熱量傳遞。18

2.溫度梯度(TemperatureGradient)定態(tài)一維溫度場：垂直于等溫面(法線方向），以溫度增加的方向為正。

溫度沿等溫面垂直方向的變化率，為矢量。4.2.1傅里葉定律19二、傅立葉定律(Fourier’slaw)A—導(dǎo)熱面積，m2λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃Q—導(dǎo)熱速率，W實踐證明：導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比?！啊碧柋硎緦?dǎo)熱方向總是和溫度梯度方向相反。4.2.1傅里葉定律20

物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，λ越大,導(dǎo)熱性能越好4.2.2導(dǎo)熱系數(shù)

定義式——單位溫度梯度下的熱通量

λ與組成、結(jié)構(gòu)、溫度等有關(guān)，用實驗測定。

表4－3物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級21（3）氣體（2）液體液體中，水最大。

T↑，水和甘油↑，其它略↓導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，適于保溫隔熱。，（1）固體：a‘─溫度系數(shù)，對大多數(shù)金屬，a'<0

對大多數(shù)非金屬，a'>0----------導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式4.2.2導(dǎo)熱系數(shù)224.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層平壁（Flat-walled）的定態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：①材料均勻，λ為常數(shù)；②面積與厚度相比無限大，忽略端熱損失；②溫度僅沿x方向變化，且不隨時間變化——一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。t1t2δtxdxQ傳熱面為平面234.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)24二、多層平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)4.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：① 面積相對于厚度無限大；② 各層材料均勻；③ 溫度僅沿x變化，不隨時間變化——維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)；各層接觸面兩側(cè)溫度相同。t1t2

b1tx

b2

b3t2t4t3254.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)264.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)n層平面壁：274.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)【例】

一燃燒平壁爐，爐壁由三種材料構(gòu)成，由內(nèi)至外：耐火磚，厚度150mm，導(dǎo)熱系數(shù)1.05W/m.℃

保溫磚，厚度290mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.15W/m.℃

普通磚，厚度228mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.81W/m.℃t1=1016℃,t4=34℃。求單位面積的熱損失及接觸面溫度。解：各層間溫度如圖所示284.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)294.2.3平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)2.

總阻力為各層熱阻之和。即對多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，傳熱推動力和傳熱阻力具有加和性；3.多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫度降與該層的熱阻呈正比。可以看出：1.過程的總推動力為各層推動力之和；304.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)一、單層圓筒壁(Cylinder)的熱傳導(dǎo)分離變量，積分得：溫度分布為曲線L傳熱面積A沿?zé)崃總鬟f方向而變化，即傳熱面積A隨圓筒的半徑而變化。傳熱面為曲面314.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)寫成類似平壁導(dǎo)熱速率方程形式：——對數(shù)平均半徑(LogarithmicMeanRadius)當(dāng)時，用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值（4%），令：b=r2-r132二、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)4.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)334.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)類似于多層平面壁，對三層圓筒壁：*bi

為層的厚度Ami為各層平均面積344.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)n層圓筒壁通式：354.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)【例】在φ60mm×3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.07W/（m·K）；外層為20mm的石棉層，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.15W/（m·K）。測得管內(nèi)壁溫度500oC，最外層溫度80oC，管壁導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/（m·K）。求每米長的管道上的熱損失和兩層保溫層面的溫度。解（1）求每米管長的熱損失Q/Lr1=53/2=26.5(mm),r2=60/2=30(mm)r3=30+40=70(mm),r4=70+20=90(mm)t1=500oC，t4=80oCλ1=45W/(m·K),λ2=0.07W/(m·K)λ3=0.15W/(m·K）36

4.2.4圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)解得：t3=131oC

（2）求兩保溫層界面的溫度t337第三節(jié)對流傳熱(Convection)4.3.1對流傳熱分析

4.3.2對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)384.3.1對流傳熱分析當(dāng)流體沿壁面呈湍流流動時，臨近壁面處總有一層層流內(nèi)層（底層）存在，在此薄層內(nèi)流體成層流流動。在層流內(nèi)層和湍流主體之間為緩沖層（過渡流)。對流傳熱當(dāng)流體流過固體壁面，因流體溫度與壁面溫度不同時發(fā)生的傳熱過程。394.3.1對流傳熱分析■湍流主體:流體質(zhì)點湍動劇烈，傳熱熱阻很小，溫差極小，各處溫度基本相同?！鰧恿鞯讓?在傳熱方向上因無質(zhì)點位移，傳熱方式主要為熱傳導(dǎo)，傳熱溫度差大，熱阻大。■過渡流層:傳熱方式既有熱傳導(dǎo)又有對流，有一定的溫度差及熱阻。404.3.2對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)δ414.3.2對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)一、對流傳熱速率方程——牛頓公式

有效滯流膜理論:

將所有的傳熱阻力都集中在厚度為（δ=δb+δf

)

的一層層流膜中，其中的傳熱方式為導(dǎo)熱，依據(jù)傅里葉定律，有：——牛頓公式42定義：二、對流傳熱系數(shù)α單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率

不是物性，而是受多種因素影響的一個參數(shù)[W/m2.℃]常用對流傳熱的α值范圍可查表4.3.2對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)43第四節(jié)傳熱過程計算4.4.1熱量衡算4.4.2總傳熱速率微分方程4.4.3總傳熱系數(shù)4.4.4傳熱平均溫差4.4.5傳熱計算應(yīng)用舉例444.4.1熱量衡算換熱器的熱負(fù)荷Q：換熱器在單位時間內(nèi)冷、熱流體所交換的熱量稱為換熱器的熱負(fù)荷。

J/s或W。1.區(qū)別：■傳熱速率:換熱器單位時間能夠傳遞的熱量，是換熱器的生產(chǎn)能力，主要由換熱器自身的性能決定?！鰺嶝?fù)荷:生產(chǎn)上要求換熱器單位時間傳遞的熱量，是由生產(chǎn)任務(wù)決定的。熱負(fù)荷與傳熱速率的關(guān)系：

2.聯(lián)系為確保換熱器能完成傳熱任務(wù)，換熱器的傳熱速率須大于至少等于其熱負(fù)荷。454.4.1熱量衡算1.若兩流體無相變，且cp

為常數(shù)，則：2.若熱流體有相變，如飽和蒸汽冷凝，則：低于Ts下離開冷凝液在Ts（飽和溫度）下離開T-熱t(yī)-冷

h-熱c-冷

1-進(jìn)2-出式中：r為飽和蒸汽冷凝潛熱；Ｔs為冷凝液的飽和溫度

熱流體放出的熱量被冷流體所吸收，冷流體獲得的熱量等于熱流體放出的熱量---熱量衡算。464.4.2總傳熱速率微分方程

通過間壁換熱器任一微元面積dA，流體間進(jìn)行傳熱的總傳熱速率方程，可仿照對流傳熱速率方程寫出，即：一、間壁式換熱器總傳熱速率微分方程474.4.2總傳熱速率微分方程

式中：dQ－通過微元傳熱面積dA的傳熱速率，W；

K－局部總傳熱溫度系數(shù)，W/（m.℃）；

Δt—局部傳熱溫度差，℃；

T—換熱器任一截面的熱流體的溫度，℃；

t—換熱器任一截面的冷流體的溫度，℃。上式為總傳熱速率微分方程式，也是總傳熱系數(shù)K的定義式。48

如無特別說明，手冊中的K指Ko4.4.2總傳熱速率微分方程其他形式：49

間壁式傳熱的三個步驟：（1）熱流體對流管壁（2）熱管壁傳導(dǎo)冷管壁（3）冷管壁對流冷流體4.4.3總傳熱系數(shù)（OverallHeat-transferCoefficient)二、總傳熱系數(shù)K對流對流傳導(dǎo)504.4.3總傳熱系數(shù)則得：總傳熱系數(shù)與各分傳熱系數(shù)的關(guān)系為：對于穩(wěn)定傳熱：dQ=dQ1=dQ2=dQ3514.4.3總傳熱系數(shù)對于平壁，A=Ao=Am=Ai對于圓筒壁，如以外表面Ao為基準(zhǔn)，則K記為Ko，524.4.3總傳熱系數(shù)同理，如以內(nèi)表面Ai為基準(zhǔn)，則K記為Ki，同理，如以平均表面Am為基準(zhǔn)，則K記為Km，534.4.3總傳熱系數(shù)●以內(nèi)表面Ai為基準(zhǔn)：●以平均表面Am為基準(zhǔn)：●以外表面Ao為基準(zhǔn)：

●平面壁：544.4.3總傳熱系數(shù)【例】某列管換熱器的管束由Φ25×2.5mm的鋼管（λ=45W·m-1·K-1）組成，熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管外和空氣呈逆流流動。已知管內(nèi)熱空氣側(cè)的αi為50W·m-2·K-1，管外水側(cè)的αo為1000W·m-2·K-1，試求基于管外表面的傳熱系數(shù)Ko和基于內(nèi)表面的傳熱系數(shù)Ki，并比較KoAo和KiAi。

解：按圓管公式計算，基于外表面時：代入已知數(shù)據(jù)計算得：554.4.3總傳熱系數(shù)

計算結(jié)果表明，選取不同的傳熱表面，計算所得K值不同，但KA是相同的?。?/p>

若以內(nèi)表面為參考得：對一根管取單位長度有：56

總傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍

換熱器的總傳熱系數(shù)主要與流體的物性和流動狀態(tài)有關(guān)，下表為列管式換熱器的總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值。4.4.3總傳熱系數(shù)57三、污垢熱阻總熱阻：若傳熱面為平壁或薄壁時：當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時：4.4.3總傳熱系數(shù)

換熱器在一段時間運行后，傳熱壁面往往積存一層污垢，對傳熱形成了附加（額外）熱阻，稱為污垢熱阻。因此在估算K值時，一般不能忽略污垢熱阻。58流體種類污垢熱阻m2·℃/W流體種類污垢熱阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸氣

海水0.0001有機蒸汽0.0002河水0.0006水蒸氣(不含油)0.0001井水0.00058水蒸氣廢氣(含油)0.0002蒸餾水0.0001制冷劑蒸汽(含油)0.0004鍋爐給水0.00026氣體

未處理的涼水塔用水0.00058空氣0.0003經(jīng)處理的涼水塔用水0.00026壓縮氣體0.0004多泥沙的水0.0006天然氣0.002鹽水0.0004焦?fàn)t氣0.002污垢熱阻的大致數(shù)值4.4.3總傳熱系數(shù)594.4.3總傳熱系數(shù)【例】列管換熱器由25×2.5mm的鋼管組成。熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管間與空氣呈逆流流動。已知管內(nèi)側(cè)空氣的i為50W/(m2℃)，管外水側(cè)的o為1000W/(m2℃)，鋼的為45W/(m℃)?？諝鈧?cè)污垢熱阻Rsi=0.5×10-3m2

·℃/W，水側(cè)污垢熱阻Rso=0.2×10-3m2

·℃/W。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)Ko。解：由其中do=0.025m,di=0.020m,b=(do-di)/2=0.0025mdm=(do-di)/ln(do/di)=(25-20)/ln(25/20)=22.4mm=0.0224m代入數(shù)據(jù)得：Ko=37.2W/(m2℃)

604.4.3總傳熱系數(shù)【例】在上例中，若管壁和污垢的熱阻可忽略，為了提高總傳熱系數(shù)，在其它條件不變的情況下，分別提高不同流體的對流傳熱系數(shù)，即：(1)將i提高一倍；(2)將o提高一倍。試分別計算Ko。解：(1)將i提高一倍，i＝2×50＝100W/(m2℃)

Ko=74W/(m2℃)

(2)將o提高一倍，o＝2×1000＝2000W/(m2℃)，Ko=39W/(m2℃)討論：i50100，Ko=74o10002000，Ko=39原Ko=37.2W/(m2℃)計算表明：提高大給熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)基本不變；提高小給熱系數(shù)1倍，總傳熱系數(shù)提高近1倍。61（1）K值永遠(yuǎn)接近且小于α小（熱阻大）側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)值。所以，提高K值的途徑是提高小α。四、關(guān)于提高K值的討論（2）兩α接近時，須同時提高兩側(cè)對流傳熱系數(shù)值。（3）污垢熱阻有時會成為傳熱的主要阻力：加強水質(zhì)處理、加阻垢劑、定期除垢（機械、化學(xué)）。4.4.3總傳熱系數(shù)624.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差前提：①K為常量；②用一平均溫差Δtm代替溫差（T-t），視為常量?！倐鳠崴俾史匠藺——換熱器的總傳熱面積Δtm——兩流體在整個換熱器內(nèi)的平均溫差K——總傳熱系數(shù)一、總傳熱速率方程634.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差二、傳熱平均溫度差△tm的計算

按照參與熱交換的兩種流體在沿著換熱器壁面流動時各點溫度變化的情況，可將傳熱分為：恒溫差傳熱；變溫差傳熱。

641、恒溫傳熱時的平均溫度差4.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差

兩種流體進(jìn)行熱交換時，在沿傳熱壁面的不同位置上，在任何時間兩種流體的溫度皆不變化，這種傳熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中，飽和蒸汽和沸騰液體間的傳熱。

式中：T—熱流體的溫度℃，t—冷流體的溫度℃。652、變溫傳熱時的平均溫度差4.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差

在傳熱過程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱壁面，在不同位置時溫度不同。生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體流動方向大致可分為下列四種情況：

并流:兩種流體在傳熱面的兩側(cè)以相同的方向流動。逆流:兩種流體在傳熱面的兩側(cè)以相反的方向流動。并流12逆流12傳熱面664.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差

錯流：換熱的兩種流體在傳熱面兩側(cè)彼此呈垂直方向流動。

折流：簡單折流：一側(cè)流體只沿一個方向流動，而另一側(cè)的流體作折流，使兩側(cè)流體間有并流與逆流的交替存在。復(fù)雜折流：參與熱交換的雙方流體均作折流。674.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差3.逆流和并流時的平均溫度差傳熱為穩(wěn)定操作過程。兩流體的比熱為常量?？倐鳠嵯禂?shù)K為常量。換熱器的熱損失可忽略。以逆流為例：熱量衡算微分方程為

dQ=-WhcphdT=Wccpcdt

根據(jù)假定有：假設(shè)：684.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差Q~T和Q~t為直線關(guān)系，即T=mQ+kt=m?Q+k?Δt=T-t=(m-m?)Q+(k-k?)溫度T1傳熱面AT2t1Δt1t2Δt20694.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差從上式可以看出：Δt~Q關(guān)系呈直線，其斜率為：將總傳熱速率微分方程代入上式，則有由于K為常量，積分上式有704.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差（1）當(dāng)Δt2/Δt1≤2時，可用(Δt2+Δt1)/2代替對數(shù)平均溫度差。（2）應(yīng)用上式求Δtm時，一般取Δt2＞Δt1。（3）上式對并流也適用。

——對數(shù)平均溫差(LogarithmicAverageTemperatureDifference)714.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差逆流：T進(jìn)T出t出t進(jìn)△t1△t2并流：△t1△t2T進(jìn)T出t進(jìn)t出A724.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差【例】套管換熱器用20℃的冷卻水將某溶液從100℃冷卻至60℃，溶液流量1500kg/h，溶液比熱3.5kJ/(kg·℃)，已測得水出口溫度為40℃，分別計算并流與逆流時的對數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。解：逆流和并流的平均溫差分別是：逆流并流73

結(jié)論：其他條件一定時，逆流Δtm比并流大，可節(jié)省傳熱面積。若有一方恒溫，不必考慮流動方向4.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差傳熱負(fù)荷為：逆流操作和并流操作時換熱器的面積分別是：744.錯流和折流時的平均溫差—Underwood-Bowman圖算法4.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差先按純逆流情況求得對數(shù)平均溫度差，然后再乘以校正系數(shù)，即式中R=(T1-T2)/(t2-t1)=熱流體的溫降/冷流體的溫升

P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷流體的溫升/兩流體的最初溫差

根據(jù)冷、熱流體進(jìn)、出口的溫度，依上式求出R和P值后，校正系數(shù)εΔt值可根據(jù)R和P兩參數(shù)從相應(yīng)的圖中查得。（P232）75單殼程4.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差76雙殼程4.4.4總傳熱速率方程與傳熱平均溫差774.4.5傳熱計算應(yīng)用舉例設(shè)計型：操作型：根據(jù)工藝要求的傳熱量，確定傳熱面積。判斷某一換熱器能否滿足生產(chǎn)要求，或預(yù)測某些參數(shù)變化后，換熱器傳熱能力的變化。計算依據(jù)78【例】有一套管換熱器，熱流體走內(nèi)管，進(jìn)、出口溫度分別為120℃和70℃；冷流體走環(huán)隙，進(jìn)、出口溫度分別為20℃和60℃，逆流操作?，F(xiàn)把換熱管加長，使傳熱面積增大一倍，若兩流體的流量及進(jìn)口溫度保持不變，求熱、冷流體的出口溫度各為多少？設(shè)在前、后工況下，流體的物性數(shù)據(jù)和換熱器的K值均沒有變化。解：1.在原工況下：4.4.5傳熱計算應(yīng)用舉例792.在新工況下聯(lián)立（a）和（b）求解，T2′=51℃，t2′=75.2℃4.4.5傳熱計算應(yīng)用舉例80第五節(jié)對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式4.5.1影響對流傳熱系數(shù)的主要因素4.5.2對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式的建立4.5.3流體無相變時的對流傳熱814.5.1影響對流傳熱系數(shù)的主要因素由于對流傳熱的多樣性，有必要將問題分類加以研究。對流傳熱系數(shù)無相變有相變強制對流自然對流管內(nèi)管外圓形直管彎管非圓形直管管束外的垂直流動管間流動蒸氣冷凝液體沸騰4.5.1影響對流傳熱系數(shù)的主要因素

α824.5對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式1.流體的種類(氣、液、蒸氣)和相變化(有、無)情況3.流體的流動類型(層、湍流)4.對流的種類(自然、強制)5.傳熱面的形狀、布置和大小2.流體的物性()834.5.2對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式的建立一、無相變時強制對流的影響因素通過因次分析，得準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式：二、無相變自然對流的影響因素準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式：式中：βg⊿t表示流體由于溫差⊿t而產(chǎn)生的浮升力，

β稱為流體的體積膨脹系數(shù)，因次為1/℃。l－傳熱設(shè)備的特征尺寸84準(zhǔn)數(shù)的符號和意義4.5.2對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式的建立854.5.2對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式的建立在學(xué)習(xí)為數(shù)繁多的關(guān)聯(lián)式時，應(yīng)注意以下三個方面的問題。

定性溫度：t定取流體進(jìn)，出口溫度的算術(shù)平均值作為定性溫度；高粘度流體用壁溫作粘度定性溫度；冷凝傳熱取冷凝液主體溫度和壁溫的算術(shù)平均值作為定性溫度。特征尺寸：傳熱面的幾何因素有時是很復(fù)雜的，一般選取對傳熱起決定作用的幾何因素作為特征尺寸，管內(nèi)流動取管內(nèi)徑作為特征尺寸；非圓形管取當(dāng)量直徑作為特征尺寸。應(yīng)用范圍：只能在實驗的范圍內(nèi)應(yīng)用。Nu、Re864.5.3流體無相變時的對流傳熱1.流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流（1）低粘度液體（小于2倍常溫水的粘度）一、流體在管內(nèi)強制對流傳熱n——流體被加熱時取0.4，被冷卻時取0.3應(yīng)用范圍：

特征尺寸L：di（取管內(nèi)徑）

定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值87（2）高粘度液體液體被加熱≈1.05，被冷卻≈0.95定性溫度：μw取壁溫時粘度，其余各物性取液體平均溫度作定性溫度。校正熱流方向的影響4.5.3流體無相變時的對流傳熱應(yīng)用范圍：Re＞10000；0.7＜Pr＜16700；特征尺寸L：取管內(nèi)徑di。882.流體在圓形直管中作強制過渡流4.5.3流體無相變時的對流傳熱應(yīng)用范圍：Re=2300~10000按湍流傳熱的公式計算α值，然后乘以修正系數(shù)f

：893.流體在圓形直管內(nèi)作強制層流應(yīng)用范圍：

4.5.3流體無相變時的對流傳熱特征尺寸L：取管內(nèi)徑di。定性溫度：μw取壁溫時粘度，其余各物性取液體平均溫度作定性溫度。904.流體在彎管中強制對流4.5.3流體無相變時的對流傳熱di為管內(nèi)徑，R為彎曲半徑。

直管中的對流傳熱系數(shù)915.流體在非圓形直管內(nèi)作強制對流將管內(nèi)徑di改為de，仍用上述關(guān)聯(lián)式。如套管專用公式：

應(yīng)用范圍：

4.5.3流體無相變時的對流傳熱常用流體的α可查表！特征尺寸L：取管內(nèi)徑di。定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。92【例】空氣以的流速通過一的鋼管，管長?？諝馊肟跍囟葹?，出口為。試計算空氣對管壁間的對流傳熱系數(shù)。如空氣流速增加一倍。其它條件不變，對流傳熱系數(shù)又為多少？4.5.3流體無相變時的對流傳熱解：設(shè)為湍流空氣的定性溫度

查表得：934.5.3流體無相變時的對流傳熱與假設(shè)相符?。?！10000944.5.3流體無相變時的對流傳熱當(dāng)u‘=2u時：95二、流體在管外強制對流傳熱1.流體橫向流過管束4.5.3流體無相變時的對流傳熱96適用范圍：Re＞3000特性尺寸：管外徑do，流速u按每排管子中最窄處算。定性溫度：同前錯列：直列：排數(shù)：為10，否則修正4.5.3流體無相變時的對流傳熱972．流體在換熱器管間流動4.5.3流體無相變時的對流傳熱98特征尺寸：當(dāng)量直徑de適用范圍：Re=2×103～106弓形擋板（缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面）:4.5.3流體無相變時的對流傳熱99三、自然對流c、n值查表3-6流速u根據(jù)流體流過的最大截面積A計算h——相鄰擋板間的距離D——殼體的內(nèi)徑4.5.3流體無相變時的對流傳熱1004.5.4流體有相變時的對流傳熱一、蒸汽冷凝1.膜狀冷凝與滴狀冷凝(a)、(b)膜狀冷凝(c)滴狀冷凝(a)(b)(c)101(1)蒸汽在垂直管（板）外冷凝適用范圍：Re<21002.膜狀冷凝的傳熱系數(shù)特征尺寸：垂直管或板的高度，m定性溫度：取ts下的值，其余取g假設(shè)：①冷凝液膜呈滯流流動②蒸汽靜止不動③蒸汽溫度和壁面溫度保持不變④冷凝液的物性可按平均液膜溫度取值4.5.4流體有相變時的對流傳熱102M—冷凝負(fù)荷，kg/(m·s)液膜為湍流(Re＞2100)

4.5.4流體有相變時的對流傳熱103（2）蒸汽在水平管外冷凝特征尺寸：管外徑d0若各列管子在垂直方向上的排數(shù)不等時4.5.4流體有相變時的對流傳熱104（3）影響冷凝傳熱的因素①不凝氣體含量的影響②蒸汽流速和流向的影響③蒸汽過熱的影響④冷凝面的高度和布置方式4.5.4流體有相變時的對流傳熱1054.6輻射傳熱(Radiation)4.6.1熱輻射的基本概念4.6.2物體的輻射能力4.6.4對流和輻射的聯(lián)合傳熱本節(jié)自學(xué)1064.6.1熱輻射的基本概念一、熱輻射熱輻射：因熱的原因引起的電磁輻射0.4~20μm熱射線的波長范圍：可見光0.4~0.8μm紅外線0.8~20μm107A+R+D=1

二、黑體、鏡體、透熱體和灰體A—吸收率R—反射率D—透射率4.6.1熱輻射的基本概念108灰體：能以相同的吸收率吸收所有波長范圍輻射能的物體。黑體（絕對黑體）：A=1鏡體（絕對白體）：R=1透熱體：D=1特點：（1）A不隨波長而變（2）不透熱體，即A+R=1三、輻射傳熱凈結(jié)果是熱量從高溫物體傳向低溫物體4.6.1熱輻射的基本概念1094.6.2物體的輻射能力一、黑體的輻射能力—斯蒂芬-波爾茨曼定律

輻射能力E：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，W/m2

。

110同一溫度下灰體的輻射能力與黑體的輻射能力之比稱為黑度ε二、灰體的輻射能力黑度和物體的性質(zhì)、溫度及表面情況（如表面粗糙度及氧化程度）有關(guān)，一般由實驗測定（表3-7）。4.6.2物體的輻射能力111三、克?；舴蚨蓪Π?而言：兩板達(dá)到熱平衡時，T1=T2——輻射能力E與吸收能力A間的關(guān)系1-灰體，2-黑體4.6.2物體的輻射能力112對任何物體，輻射能力與吸收率的比值為常數(shù)Eb；黑體的輻射能力最大；對于其它物體，吸收率愈大，輻射能力也愈大。對于任何灰體而言：——克?；舴蚨?.6.2物體的輻射能力113任意兩灰體間的輻射傳熱：例3-184.6.2物體的輻射能力1144.6.3對流和輻射的聯(lián)合傳熱設(shè)備熱損失應(yīng)等于對流傳熱和輻射傳熱之和1.由于對流傳熱而損失的熱量為：2.由于輻射傳熱而損失的熱量為：1153.設(shè)備熱損失：4.6.3對流和輻射的聯(lián)合傳熱116【例】在φ219×8mm的蒸汽管道外包扎一層厚75mm、λ為0.1W/(m·℃)的保溫材料，管內(nèi)飽和蒸汽溫度為160℃，周圍環(huán)境溫度為20℃，試估算管道外表面的溫度及單位長度管道的熱損失。假設(shè)管內(nèi)冷凝傳熱和管壁熱傳導(dǎo)熱阻均可忽略。解:管道保溫層外對流—輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)為:單位管長熱損失為:4.6.3對流和輻射的聯(lián)合傳熱1174.7換熱器(HeatExchanger)4.7.1換熱器的分類4.7.2間壁式換熱器的類型4.7.3換熱器傳熱過程的強化4.7.4列管式換熱器的設(shè)計和選用118按用途分類：按傳熱原理和換熱方式分類：間壁式換熱器混合式換熱器蓄熱式換熱器加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、再沸器、冷凝器等4.7.1換熱器的分類按換熱器結(jié)構(gòu)和傳熱面形式對間壁式換熱器分類：

管式：蛇管式、套管式、列管式、翅片管式等；板式：板式、螺旋板式、夾套式等。1191.蛇管式換熱器（1）沉浸式4.7.2間壁式換熱器的類型優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，便于制造、能承受高壓。缺點：管外液體的對流傳熱系數(shù)較小，從而總傳熱系數(shù)亦小，若增設(shè)攪拌裝置，則可提高傳熱效果。120（2）噴淋式（多用作冷卻器）4.7.2間壁式換熱器的類型該換熱器便于檢修和清洗。其缺點是占地較大，水滴濺灑到周圍環(huán)境，且噴淋不易均勻。1212.套管式換熱器4.7.2間壁式換熱器的類型

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、能耐高壓、制造方便、應(yīng)用靈便、傳熱面易于增減。缺點：單位傳熱面的金屬消耗量很大，占地較大，故一般適用于流量不大、所需傳熱面亦不大及高壓的場合。1223.列管式換熱器（1）

固定管板式特點：結(jié)構(gòu)簡單；但殼程檢修和清洗困難。4.7.2間壁式換熱器的類型123（2）浮頭式換熱器特點：可完全消除熱應(yīng)力，便于清洗和檢修，

結(jié)構(gòu)復(fù)雜4.7.2間壁式換熱器的類型124（3）U型管式換熱器特點：結(jié)構(gòu)較浮頭簡單；但管程不易清洗。4.7.2間壁式換熱器的類型1254.翅片管式換熱器4.7.2間壁式換熱器的類型126

優(yōu)點：傳熱效率高，K大結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活，安裝檢修方便

缺點：耐溫、耐壓差易滲漏，處理量小4.7.2間壁式換熱器的類型5.平板式換熱器127

優(yōu)點：