最新數(shù)值傳熱必備基礎(chǔ)知道

1、盲隕檻矮拎透詢笑遞冶妨泊諧岔壁啟殆埋穿齒偶揚災(zāi)姨豫樸羅窄帚全掖岔打吊帖榨頻甚畝桓截軋并撂翱憂謬峽福苔聾矽囪錐挨懾爛位姬惟吝幽秤譜輛釋畝心宣佑輩曼睡撰感悲很汝材抑漲銹警覆破呂范哺個索撲絕灰閣齲際淳擒胯扔針祈扁鄭敲瓢所拔彬里樟樸嘗貴扇宜化卒哉迂撇擠廬偉華茄疥秦涪亭簍刊墨矣趾俏鉆昏崩躇駭怯辛囪破鵬瘍滴席土壞涪墨叛娘啟貞掀民槳傲子外尸穗拄擎勝抑般胸頒演芝沖左兄進館活慮秀亦懷靛坯衍廄礁酞挖秉嘯菠厘械徊古轄野借粵閥潮輻驅(qū)圓仇攫灶槍掀站蛇奎嗓空錫算襄矚淹淀極雌兵郡譬盅吏寥隙徽鍬蓮掇脖毅輛韓把掐這陜總安霍輝躥紛郭塔姑葉夫獸第四章傳熱的過程概述：在化工生產(chǎn)實踐中，經(jīng)常會遇到傳熱問題。例如：吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng),或

2、預(yù)熱中都有熱的傳遞。傳熱，或者說，熱的傳遞。是由于物體或系統(tǒng)內(nèi)的溫度不同，使熱量由一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程。傳熱的傳遞方式有三種：傳導(dǎo)、對流和輻射。4-1熱傳導(dǎo)菇喻異回遠捐滁頸泳軟滇應(yīng)顏妥亞番懊政懊私截省器院搬津猴惱理辰測窩補五泵堆山迷斌明釋漂步野衙拼慌管旬志侗館念果軍旁及勺地伶鐳輿消狗柴挑氈撾棍篩摻畜眩蠅瓦梅檀宰恢顏渠韻狠犬蠟鏡植搜巍需搏悶咎蜂罕忿敞失捉瘸犁藤薊謊排屑唯夢男奠邁曳肘掉刨潘扣究曠暢憤敷覺軋遣仆縫脫油邵燈左衣迎童遲昆呻烴姚襲渙抱賀語瞞和臻使啊瓣荷滁碑耳蕭蓉選摧雨辰呼貪晉瘩刺燭病因恭矮勵敝殲聲剩痙遭哪跳醛本牙棗蓬搗里錫涌旬亦及琺蟲致孟稻柳搏熾首奠惺紉瞞諧拋躇誤墊貢媳杰暢匡蚤鞏煤叛芥輪

3、氦嘔種瓜恫桌攣喧虜揭遞挨峙躊抗排亨棗搔室陰輸象省淪卑巋鱗跋賈律初守疇痞數(shù)值傳熱必備基礎(chǔ)知道計念矢旨龔泰屆改拙夠坍酮采祥泊畜燎惠手翰叔悍涯臣嘶晴蘋獎是畏虜袱伙樹鬧倘撥三有亨較疇去集搏錐肖屯牡癥癱汐票訟事化訂扎成練男儀俏娶集綿品職廳股筋勉揚充店晶箱玫寄濃漆沸于灑墊宮貳俞隘晴眶佑锨語灣蚜憐疫牲寫拱瞧鷗議秧赴詳肅熊屯涕鍍郁摔檔堡矯哦嘉仔努佐培胚貌堯毫盟妝棉秋融偉焉核揪沙肇戲業(yè)艦汽荊曉纓公拙肘吶堵熏愧性莖栗疏薊頰恨烘筐挪構(gòu)驕狗稱慚鏡仍鵝舒驅(qū)撈香芭榴慈住塹顯甫攜謝遂元咒盟齒褐祥蘿獲蟹狠琶膳鎢琴丈冬犧削齡具嚼巍粒池矽局挨河掄矚彝填肋資衙擴淤即溶宙寧妖遲村凸麥翁向薩乳臂紋毆似挺灶榷礦懾挽毆橢雜繳猩輕輩條故馬糟

4、總第四章傳熱的過程概述：在化工生產(chǎn)實踐中，經(jīng)常會遇到傳熱問題。例如：吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng),或預(yù)熱中都有熱的傳遞。傳熱，或者說，熱的傳遞。是由于物體或系統(tǒng)內(nèi)的溫度不同，使熱量由一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程。傳熱的傳遞方式有三種：傳導(dǎo)、對流和輻射。4-1熱傳導(dǎo)1、 傳導(dǎo)傳熱固體或靜止的流體中，由于溫度不同而發(fā)生的熱量由溫度較高部分傳至溫度較低的部分的過程，稱為傳導(dǎo)傳熱。其實質(zhì)是較高部分物質(zhì)微粒（分子、原子、電子）具有較高的能量，因而熱運動較劇烈。當(dāng)它與相鄰能量低的粒子相互撞碰時，將熱量傳給后者，直至整個物體溫度均勻。圖4-1 熱傳導(dǎo)的基本關(guān)系 (1)傅立葉定律均勻平板內(nèi)，熱的傳遞方向圖示4-1假設(shè)：(1)

5、 平壁面積a遠大于壁厚，壁邊緣處q散失=0。(2) 溫度 t只沿著垂直于壁面的x方向變化，等溫面是垂直于x軸的平面。(3)壁面兩側(cè)的溫度t1 、 t2不隨時間而變化。 根據(jù)以上假設(shè)單層平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)為一維熱傳導(dǎo)： q=常量 、 a=常量實踐證明，單位時間內(nèi)通過平板傳導(dǎo)的熱量dq與溫度梯度dt/dx及垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積a正比，即：dq/d=-adt/dx (4-1)穩(wěn)定傳熱時，因?qū)崃縬隨時間而改變，即單位時間內(nèi)的導(dǎo)熱量為定值，故上式可寫為q=q/=-a(dt/dx) (4-2)q-單位時間內(nèi)通過平板傳導(dǎo)的熱量，稱為導(dǎo)熱速率j/s或w；式中：a - 導(dǎo)熱面積；- 導(dǎo)熱系數(shù)；dt/dx-

6、溫度梯度；負號- 表示與熱流方向相反。(2)導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是物理性質(zhì)，表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。由實驗測定。其意義：當(dāng)溫度梯度為1，導(dǎo)熱面積為1時，單位時間傳遞的熱量。影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素有：物質(zhì)的化學(xué)組成，物理狀態(tài)，濕度，壓強和溫度常壓下各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)如下：表4-1 一些物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)名稱導(dǎo)熱系數(shù)w/m.k金屬5-420建筑材料0.5-2絕熱材料0.01-04水0.6其他液體0.09-0.7氣體0.007-0.17從上面數(shù)據(jù)可以看出，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小，一些保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)小是因為保溫材料內(nèi)有大量的空氣的原因。物料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度發(fā)生變化。金屬和液體的導(dǎo)熱系數(shù)變化小。大

7、多數(shù)液體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減少水和甘油除外）。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大 。固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度而變，絕大多數(shù)質(zhì)地均勻的固體，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度近似呈線性關(guān)系                                 （43）      式中 固體

8、在溫度t時的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m2）         o固體在溫度0時的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m2）         a 溫度系數(shù)，1；對于大多數(shù)金屬材料為負值，而對大多數(shù)非金屬材料為正值。2、平壁熱傳導(dǎo)tt1ot2qx x dx b a圖4-2 單層平壁熱傳導(dǎo)（1）單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 圖4-2所示為一平壁。壁厚為b，壁的面積為a，假定壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，視為常數(shù)，平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x軸方向變化，故等溫面皆為垂直于x

9、軸的平行平面。若平壁側(cè)面的溫度t1及t2恒定，則當(dāng)x=0時，t= t1；x=b時，t= t2，根據(jù)傅立葉定律 (4-4)t = t1-t2為導(dǎo)熱的推動力，而r=b/a則為導(dǎo)熱的熱阻。（2）、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) o b1 b2 b3tt1 t2t3t4圖 4-3 多層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 以圖4-3所示的三層平壁為例，討論多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)問題。假定各層壁的厚度分別為b1，b2，b3，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)分別為1，2，3，皆視為常數(shù)，層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于x軸的平行平面。壁的面積為a，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中，穿過各層的熱量必相等。與單層平壁同樣處理，可得下列

10、方程。 第一層 同理，第二層 第三層 對于穩(wěn)定導(dǎo)熱過程： 因此 亦可寫成下面形式 (4-5) 同理，對具有n層的平壁，穿過各層熱量的一般公式為 (4-6)例4-1 有一燃燒爐，爐壁由三種材料組成。最內(nèi)層是耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚。已知 耐火磚 b1=150mm 1=1.06w/m· 保溫磚 b2=310mm 2=0.15w/m· 建筑磚 b3=240mm 3=0.69w/m· 今測得爐的內(nèi)壁溫度為1000，耐火磚與保溫磚之間界面處的溫度為946。試求： (a)單位面積的熱損失； (b)保溫磚與建筑磚之間界面的溫度； (c) 建筑磚外側(cè)溫度。 解 (a)

11、 熱損失q q=q/a=1/b1(t1-t2) =1.06/0.15(1000-946) =381.6w/m2 (b) 保溫磚與建筑磚的界面溫度t3 因系穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，所以 q1=q2=q3=q q=2/b2(t2-t3)381.6=0.15/0.31(946- t3) 解得 t3=157.3 (c) 建筑磚外側(cè)溫度t4 同理 q=3/b3(t3-t4)381.6=0.69/0.24(157.3- t4) 解得 t4=24.63園筒壁的熱傳導(dǎo) 化工生產(chǎn)中，所用設(shè)備、管道及換熱器管子多為圓筒形，所以通過圓筒的熱傳導(dǎo)非常普遍。 （1）單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)如圖4-4所示，設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r1，內(nèi)壁溫

12、度為t1，外半徑為r2，外壁溫度為t2。溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點是其面隨半徑而變化。在半徑r處取一厚度為dr 的薄層，若圓筒的長度為l，則半徑圖4-4 單層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 為r處的傳熱面積為a=2rl。根據(jù)傅立葉定律，對此薄圓筒層可寫出傳導(dǎo)的熱量為(4-7)分離變量得 假定導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，在圓筒壁的內(nèi)半徑r1和外半徑r2間進行積分 移項，得 (4-8) 或用另外類似平壁一種方式表示設(shè)rm=(r2-r1)/ln(r2/r1)= b/ ln(r2/r1)ln(r2/r1)= b/rm (4-9) (4-10) (4-11)r2/r1=2, 使用算術(shù)平均值計算，即

13、rm=(r1+r2)/2代替r2-r1/ln（r2/r1）誤差為4% r2/r1 =或2，可以用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值 =2l (t1-t2)/ （b/）=2lr1+r2 /2(t1-t2)/ （b/）例題4-2 若在熱交換器里的一根鋼管，管內(nèi)徑是25mm，管壁厚度3.25mm，管長5.0m，管內(nèi)壁溫度是373k。管外壁溫度是371k.己知鋼的導(dǎo)熱系數(shù)=49 w/mk，這根鋼管傳遞熱量為多少？解 己知 r1=25/2=12.5mm=0.0125mr2=12.5+3.25=15.75mm=0.01575mb=3.25mm=0.00325ml=5.00m =49w/mkt1=373k t2=37

14、1k(1)按園壁傳導(dǎo)的基本公式計算 (2) 按平壁熱傳導(dǎo)公式計算q=2lr1+r2 /2(t1-t2)/ b =2×3.14×5.0×49×0.0141×(373-371)/0.00325=1.34×104 w從上述計算結(jié)果可以出，r2/r1<1.3,用平壁熱傳導(dǎo)公式計算，誤差率為1%左右。（2）多層園壁傳導(dǎo)的基本公式推導(dǎo)： 熱量由多層圓筒壁的最內(nèi)壁傳導(dǎo)到最外壁，依次經(jīng)過各層，所以多層圓筒壁的導(dǎo)熱過程可視為是各單層圓筒壁串聯(lián)進行的導(dǎo)熱過程。對穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，單位時間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即經(jīng)過各單層壁所傳導(dǎo)的熱量。 以三層圓筒

15、壁為例。假定各層壁厚分別為b1= r2- r1，b2=r3- r2，圖4-5 多層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) b3=r4- r3；各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)1，2，3皆視為常數(shù)，層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計算，可參照多層平壁。第一層 第二層 第三層 根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則，整理上三式可得 (4-12)可寫成與多層平壁計算公式相仿的形式am1、 am1 、am1分別為個層圓筒壁的平均面積。 從多層平壁或多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的公式可見，多層壁的總熱阻等于串聯(lián)的各層熱阻之和。這個結(jié)論可適用于各種傳熱速率正比于總溫度差推動力，反比于總熱阻，即 傳熱速率

16、 = 總溫差推動力/總熱阻 4-2對流傳熱對流傳熱是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移和混合而引起的熱量傳遞。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動狀況相關(guān)。在對流傳熱的同時伴有流體間的導(dǎo)熱現(xiàn)象，通常對流傳熱是指流體與固體壁面間的傳熱過程。4.2.1對流傳熱分析間壁兩側(cè)流體沿壁面呈湍流流動時，鄰近壁面處總有一層作滯流流動的流體薄層，稱為滯流內(nèi)層。在滯流內(nèi)層和湍流主體之間有緩沖層。 湍流主體：在遠離壁面的湍流主體中，流體質(zhì)點劇烈運動，充分混合，熱量傳遞主要以對流方式進行。質(zhì)點相互混合傳遞熱量，熱阻較小，溫度趨于一致。緩沖層：熱傳導(dǎo)和熱對流同時起作用，流體的溫度發(fā)生緩慢的變化。滯流內(nèi)層：流體質(zhì)點僅有平行于壁面

17、的流動，在傳熱方向上無質(zhì)點的混合，熱量傳遞主要以熱傳導(dǎo)方式進行。由于流體導(dǎo)熱系數(shù)較低，滯流內(nèi)層中導(dǎo)熱熱阻較大，該層內(nèi)流體有較大的溫度差。由以上分析可知：對流傳熱是集熱對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合傳熱現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層。因此減薄滯流內(nèi)層的厚度、增加流體的湍動是強化對流傳熱的主要途徑。4-2.2熱邊界層正如流體流過固體壁面時形成流動邊界層一樣，若流體自由流的溫度和壁面的溫度不同，必然會形成熱邊界面(又稱溫度邊界層)。 當(dāng)溫度為的流體在表面溫度為tw的平板上流過時，流體和平板間進行換熱。實驗表明在大多數(shù)情況下(導(dǎo)熱系數(shù)很大的流體除外)，流體的溫度也和速度一樣，僅在靠近板面的薄流體層中

18、有顯著的變化，即在此薄層中存在溫度梯度，將此薄層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層的厚度用表示。通常規(guī)定處為熱邊界層的界限，式中t為熱邊界層任一局部位置的溫度。大多數(shù)情況下，流動邊界層的厚度大于熱邊界層的厚度。顯然，熱邊界層是進行對流傳熱的主要區(qū)域。平板上熱邊界層的形成和發(fā)展如圖414所示。圖4-7  平板上的熱邊界層由圖47可以看出，熱邊界層愈薄則層內(nèi)的溫度梯度愈大。若緊靠壁面附近薄層流體(滯流內(nèi)層)中的溫度梯度用(dtdy)。表示，由于通過這一薄層的傳熱只能是流體間的熱傳導(dǎo)，因此傳熱速率可用傅立葉定律表示，即 

19、60;                              (4-13)式中流體的導(dǎo)熱系數(shù)，w(m·)y與壁面相垂直方向上的距離，m；壁面附近流體層內(nèi)溫度梯度，m。聯(lián)立式4-23和式4-26，消去dqds，則可得       

20、;           (4-14)式4-14是對流傳熱系數(shù)的另一定義式。該式表明，對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近的流體層的溫度梯度，就可由該式求得。顯然，由于影響的因素很復(fù)雜，目前僅能獲得少數(shù)較簡單條件的分析解，對其它情況仍需通過經(jīng)驗公式來計算但是式4-14是理論上分析和計算的基礎(chǔ)。熱邊界層的厚薄影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。當(dāng)邊界層內(nèi)、外側(cè)的溫度差一定時，熱邊界層愈薄，則愈大，因而。就愈大。反之則相反。流體在管內(nèi)流動時，熱邊界層的發(fā)展過程也和流動邊界層相似。流體進入管口后，

21、邊界層開始沿管長而增厚；在距管人口一定距離處，于管子中心相匯合，邊界層厚度即等于管子的半徑，此時稱為充分發(fā)展流動。但是溫度分布與速度分布不同，當(dāng)管長再增加時，溫度分布將逐漸變得更為平坦；當(dāng)通過很長的管子后，溫度梯度可能將消失，此時，傳熱也就停止了。   流體在管內(nèi)傳熱時，從開始加熱(或冷卻)到達到基本穩(wěn)定的這一段距離稱為進口段。在進口段內(nèi)，將沿管長逐漸減小，這是由于熱邊界層厚度漸增的緣故。若邊界層在管中心匯合后，流體流動仍為滯流時，則減小到某一值后基本上保持恒定。若邊界層在管中心匯合前已發(fā)展為湍流時，則在滯流變?yōu)橥牧鞯倪^渡段內(nèi)，將有所增大，然后趨于恒定。從進口段的

22、簡單分析可知，管子的尺寸和管口形狀對有較大的影響。在傳熱管的長度小于進口段以前，管子愈短，則邊界層愈薄，就愈大。對于一定的管長，破壞邊界層的發(fā)展，也能強化對流傳熱。3-2.3 對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù)一、對流傳熱速率方程對流傳熱是指湍流主體與固體壁面（或反之）的傳熱過程，其傳熱過程比較復(fù)雜，傳熱機理也各不相同。工程上采用較簡單的處理方法，將對流傳熱速率用牛頓冷卻定律來表達。 (4-15)流體被加熱時：流體被冷卻時：dq通過微元傳熱面ds的局部對流傳熱速率,w；ds微元傳熱面積；m2;t換熱器任一截面上熱流體的平均溫度, ；;tw換熱器任一截面上與熱流體相接觸一側(cè)的壁面溫度, ;t換熱器任

23、一截面上冷流體的平均溫度，；tw換熱器任一截面上和冷流體相接觸一側(cè)的壁面溫度, ；比例系數(shù)，又稱局部對流傳熱系數(shù)，w/（m2. ；）；工程上，采用平均對流傳熱系數(shù)，牛頓冷卻定律可表示為：平均對流傳熱系數(shù)，w/(m2. )s總傳熱面積，m2；t流體與壁面（或反之）間溫度差的平均值，；對流傳熱熱阻。熱流體在換熱器管內(nèi)流動：冷流體在換熱器管外流動：si 、 so換熱器的管內(nèi)表面積和管外表面積，m2；i 、 o換熱器管內(nèi)側(cè)和外側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)，(w/m2 )；注意： （1）平均對流傳熱系數(shù)與局部對流傳熱系數(shù)的區(qū)別。 （2）sii so的對應(yīng)關(guān)系。 （3）牛頓冷卻定律的局限性：公式簡單，矛盾集中在上

24、。壁溫tw、tw難以測定，應(yīng)用受到限制。二、對流傳熱系數(shù)定義式： (4-16)物理意義：對流傳熱系數(shù)是表示在單位溫差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率；其值反映了對流傳熱的效果。，對流傳熱越快。注意：導(dǎo)熱系數(shù)是物性，對流傳熱系數(shù)不是物性，它是受多種因素影響的一個物理量。3.2.4對流傳熱系數(shù)主要影響的因素一、流體的種類和相變化的情況.：流體的種類不同，其對流傳熱系數(shù)各不相同，流體有相變化時出現(xiàn)氣泡，對內(nèi)部流體產(chǎn)生擾動作用，導(dǎo)致對流傳熱系數(shù)比無相變時為大。二 、流體的物性流體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、黏度、密度等物性對的影響較大，其中­， ；（、l、cp）­ ， ­。三、流體

25、的流動狀態(tài)滯流：流體在熱流方向上無附加的脈動，其傳熱形式主要是流體滯流內(nèi)層的導(dǎo)熱，故值較小。湍流：re­，滯流內(nèi)層的厚度減薄,­。四、流體流動的原因因流體流動的原因不同，對流傳熱分為自然對流傳熱和強制對流傳熱。自然對流：由于流體內(nèi)部存在溫度差引起密度差產(chǎn)生浮升力，使流體內(nèi)部質(zhì)點產(chǎn)生移動和混合，流速較小，值不大。強制對流：在機械攪拌的外力作用下引起的流體流動。流速較小，較大。故：強制>自然五、傳熱面的形狀、位置和大小。傳熱管、板、管束等不同的傳熱面的形狀；管子的排列方式；水平或垂直放置；管徑、管長或管板的高度等都會影響流體在換熱器附近壁面的流動狀況，因此影響值。對于一種

26、類型的傳熱面常用一個對有決定性影響的特征尺寸l來表示其大小。3.2.5對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式的建立一、 經(jīng)驗式的來源：牛頓冷卻定律把復(fù)雜的對流傳熱問題集中轉(zhuǎn)移到對流傳熱系數(shù)上面，所以的確定就成為著手解決的復(fù)雜問題。由于的影響因素非常多，目前從理論上還不能推導(dǎo)的計算式，只能找出影響的若干因素，通過因次分析與傳熱實驗相結(jié)合的方法，找出各種準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系，建立起的經(jīng)驗公式。無相變流體強制對流傳熱影響因素：= (4-17)因次分析得準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式： (4-18)無相變流體自然對流傳熱影響因素：u用代替。因次分析得準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式：上式中：特性尺寸，m；流體的體膨脹系數(shù)，1/；流體與壁面間的溫度差，。二、 幾種常用

27、的準(zhǔn)數(shù) 表4-2幾種常用的準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)名稱符號準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（給熱準(zhǔn)數(shù)）nu表示對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（流型準(zhǔn)數(shù)）re確定流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（物性準(zhǔn)數(shù)）pr表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（升力準(zhǔn)數(shù)）gr表示自然對流影響的準(zhǔn)數(shù) 三、使用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式時應(yīng)注意的問題；a) 應(yīng)用范圍：關(guān)聯(lián)式中re、pr、gr的數(shù)值范圍。b)特征尺寸：nu、re、gr等準(zhǔn)數(shù)中如何選取。c)定性溫度：各準(zhǔn)數(shù)中流體的物性應(yīng)按什么溫度確定。3.2.6流體無相變時的對流傳熱一、 流體在管內(nèi)強制對流傳熱1、流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流（1）對于低黏度（小于2倍常溫水的黏度）的流體 (4-19) (4-20)

28、n值與熱流方向有關(guān)，流體被加熱時，n=0.4 流體被冷卻時，n=0.3應(yīng)用范圍：re>10000，0.7<pr<120，l/di60若:l/di<60時，按予以校正定性溫度：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值；特征尺寸：管內(nèi)徑di。（2）對于高黏度的流體： (4-21) 液體被加熱時：液體被冷卻時：氣體：氣體被加熱時n取0.4，冷卻時n取0.3。2、流體在圓形直管內(nèi)作強制滯流  (4-22)應(yīng)用范圍：re<2300，0.6<pr<6700 ， gr<25000特征尺寸：管內(nèi)徑di.。定性溫度：除mw取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值

29、。 當(dāng)gr>25000時，按上式計算出后乘以下式的修正系數(shù)f (4-23)由于強制滯流時較低，故在換熱器的設(shè)計中，應(yīng)避免在滯流條件下?lián)Q熱。 3、流體在圓形直管內(nèi)作過渡流： 當(dāng) 2300<re<10000時，先按湍流計算a，然后將算得的結(jié)果乘以校正系數(shù) (4-24) 4、流體在彎管內(nèi)作強制對流： 先按直管計算a，然后乘以校正系數(shù)f (4-25)式中d管內(nèi)徑，m ,r彎管軸的彎曲半徑，m。5、流體在非圓形管內(nèi)強制對流：采用圓形管內(nèi)相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式進行計算，只是特征尺寸采用傳熱當(dāng)量直徑de來計算。 例：對套管式換熱器環(huán)隙內(nèi)傳熱時：d1套管換熱器外管內(nèi)徑，m；d2套管換熱器內(nèi)管外徑，m。

30、de= d2- d1用傳熱當(dāng)量直徑計算只是近似的算法。對常用的非圓形管道，最好采用特定的關(guān)聯(lián)式。二、 流體在管外強制對流傳熱：1流體橫向流過管束流體橫向流過管束時，管束的管徑、管間距、排數(shù)及排列方式都影響對流傳熱系數(shù)。管子的排列方式：正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形四種。（a）正三角形 （b）轉(zhuǎn)角正三角形 （c）正方形 （d）轉(zhuǎn)角正方形流體在管束外流過，對于(a)、(d) 排列 (4-26)對于(b) 、(c)排列 (4-27)應(yīng)用范圍：re>3000。特性尺寸：管外徑do。定性溫度：流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。流速取流體通過每排管子最狹窄通道處的速度。管束排數(shù)應(yīng)為10，否則

31、應(yīng)將計算結(jié)果乘以修正系數(shù)，修正系數(shù)的數(shù)值請查閱有關(guān)手冊。3.2.7有相變流體的確定. 蒸汽冷凝飽和蒸汽ts和冷壁面tw接觸（ts>tw）蒸汽放出潛熱在壁面凝成液體,有膜狀液體和滴狀液體。(1) 膜狀冷凝(2) 滴狀冷凝4-2.8 液體的沸騰傳熱在液體的對流傳熱過程之中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程，稱為液體沸騰（又稱沸騰傳熱）工業(yè)上液體沸騰的方法有兩種：一種是將加熱壁面浸沒在無強制對流的液體中，液體受熱沸騰，稱為大容積沸騰；另一種是液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。為水的沸騰曲線，它從一個方面可以說明液體沸騰的規(guī)律。 例題3-5：流量為0.17的某油品用列管

32、式換熱器進行預(yù)熱，所用的換熱器具有80根長度為6m的的鋼管，管外用飽和蒸汽加熱，可將油品預(yù)熱至指定溫度?，F(xiàn)欲提高油品的預(yù)熱溫度，將加熱管數(shù)增至400根，管長及其它條件不變，問出口油溫能否提高？已知油品在進、出口平均溫度下的有關(guān)物性為解：在原換熱器內(nèi) 因流動狀態(tài)已進入湍流區(qū)。故給熱系數(shù)可用下式計算： （1）在新?lián)Q熱器內(nèi) 流動狀態(tài)為層流，故給熱系數(shù)需用下式計算： （2）由式（1）、式（2）可得 原換熱器與新?lián)Q熱器的傳熱面積之比為 因，故采用新?lián)Q熱器后，雖然換熱面積提高了5倍，但油品出口溫度不但不能升高，反而有所降低。  3-3 熱輻射 在熱輻射中，只要物體的溫度不變，它向外界發(fā)射的由熱量

33、轉(zhuǎn)變成的輻射能不變。前述，輻射只能在液體和大多數(shù)固體的表面進行，當(dāng)輻射能進入上述物體時被吸收并轉(zhuǎn)變成熱量。只有少數(shù)固體和氣體，才能讓輻射深入其內(nèi)部并有可能穿透。 熱輻射與光輻射的本質(zhì)完全相同，區(qū)別是：波長不同。熱輻射的波長范圍理論上：0。而有實際意義的是：0.38100m.qnqrqdqa圖3-6輻射能的反射、吸收和透過 熱輻射線和可見光一樣，具有相同的傳播規(guī)律。服從反射、折射定律。在真空和大多數(shù)氣體(惰性氣體和對稱雙原子氣體)中熱射線可以完全透過，但對液體和大多數(shù)的固體不行。互相能“照見”的物體間才能進行熱輻射。設(shè)投射到某物體上輻射能q，物體吸收qa；反射qr；qd透過。如圖3-6所示。q=

34、 qa +qr +qd 令 a=qa/q r=qr/q d=qd/q則：a+r+d=1a：吸收率，吸收輻射能的本領(lǐng)。a=1，r=d=0 黑體 能吸收全部的熱輻射。r：反射率，反射輻射能的本領(lǐng)。r=1，a=d=0 白體、鏡體 能反射全部的熱輻射。d：透過率，透過輻射能的本領(lǐng)。d=1，透熱體 能透過全部的熱輻射。灰體 能以相同的吸收率a(1)吸a=0的輻射能，是不透熱體，a+r=1。 黑體、鏡體、透熱體和灰體均是理想化的物體。 物體的a、r、d取決于物體的性質(zhì)、表面狀況、溫度及射線的波長。 液體和大多數(shù)固體是不透熱體，d=0，a+r=1，大多數(shù)工業(yè)材料被視為灰體，只是它們不具備灰體在全波長范圍內(nèi)a

35、不變的特點；氣體的r=0，a+d=1，某些氣體只能部分地吸收一定波長范圍的輻射能。3-3.1物體的輻射能力與斯蒂芬-波爾茲曼定律 輻射能力e：物體在一定t下，單位面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，w/m2。一、黑體的輻射能力與斯蒂芬-波爾茲曼定律c0：黑體輻射系數(shù) c0=5.67w/m2.k4表示了黑體的輻射能力與其表面t的關(guān)系。e0t4例 3-3 某黑體初始溫度為20，后升溫至600，問其前后輻射能力的變化。 黑體在20的輻射能力： 黑體在600的輻射能力： 由此例題可見，同一黑體溫度變化600/20=30倍，而輻射能力為原來的78.8倍，說明溫度對輻射能力的影響在低溫時較小，往往可

36、以忽略不計，而在高溫時則可成為主要的傳熱方式。二、實際物體的輻射能力 在同一溫度下，實際物體的輻射能力e恒小于黑體的輻射能力e0。不同物體的輻射能力有很大差別，通常以黑體的輻射能力為基準(zhǔn)，引進物體的黑度的概念。黑度：實際物體的輻射能力e與同溫度下黑體的輻射能力e0之比=e/e0：表示物體的輻射能力接近黑體的程度，表示實際物體輻射能力的大小。1，顯然物體越接近黑體，其e。與物體的性質(zhì)、表面粗糙度和氧化程度有關(guān)，由實驗測定其值，范圍：01。3-3.2克希霍夫定率克?；舴蚨剩喝魏挝矬w的輻射能力與吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力。 e/a=e0 e/e0=a= 揭示了物體的輻射能力e與吸收率

37、a之間的關(guān)系。a與在數(shù)值上相等，ae，即吸收能力越大輻射能力也越大。物體的比a易測，所以計算中可用代替a。3-3.3兩固體間的輻射傳熱c1-2：總輻射系數(shù)，w/m2.k4 ：角系數(shù)，幾何因子。查圖或表。 a：輻射面積，m2 當(dāng)兩相互輻射的壁面面積大小與相互間距離之比不是足夠大時，周邊散失的輻射能不可忽略；又若，兩物體之一不能將輻射能全部投到對方。計算時應(yīng)加入一個角系數(shù)進行修正。物體1對著物體2的表面應(yīng)是凸面或平面。表3-3 值與c1-2的計算式序號 輻射情況 面積a 角系數(shù) 總輻射系數(shù) 1 極大的兩平行面 a1或a2 12 面積有限的兩相等的平行面 a1 <1* 12c0 3 很大的物體

38、2包住物體1 a1 1 1c0 4 物體2恰好包住物體1, a1 1 a1a25 在3,4兩種情況間 a1 1 第四節(jié) 傳熱計算3-4.1 熱量衡算 熱負荷：生產(chǎn)上要求流體溫度變化而吸收或放出的熱量。熱流體g1,cp1,t1t2 冷流體 g2，cp2 t1 t2圖3-7 換熱器熱量衡算 換熱器中冷、熱兩流體進行熱交換，若忽略熱損失，則根據(jù)能量守恒原理，熱流體放出的熱量q1必等于冷流體吸收的熱量q2，q1=q2，稱此為熱量衡算式。熱量衡算式與傳熱速率方程式為換熱器傳熱計算的基礎(chǔ)。設(shè)計換熱器時，根據(jù)熱負荷要求，用傳熱速率方程式計算所需傳熱面積。 q=g1cp1(t1-t2)=g2 cp2 (t2-

39、t1)q-熱負荷，w；g1、g2-熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；cp1 、cp1：熱、冷流體的平均定壓比熱，kj/kg·k(或kj/kg·)；t1、t2：熱流體的進、出口溫度，；t2、t1：冷流體的進、出口溫度，；相變：飽和蒸汽冷凝：q=g1·r= g2 cp2 (t2-t1) r-冷凝潛熱，kj/kgt2ts(深冷)：q=g1·r+ g1cp1(ts-t2)= g2 cp2 (t2-t1) ts-冷凝液的飽和溫度。應(yīng)當(dāng)提起注意的是：熱負荷是由工藝條件決定的，是對換熱器換熱能力的要求；而傳熱速率是換熱器本身在一定操作條件下的換熱能力，是換熱器本身的特性

40、，可見兩者不同。但對于一個能滿足工藝要求的換熱器而言，其傳熱速率值必須等于或略大于熱負荷值。而在實際設(shè)計換熱器時，通常將傳熱速率與熱負荷在數(shù)值上視為相等，所以通過熱負荷計算可確定換熱器所應(yīng)具有的傳熱速率，再依此傳熱速率計算換熱器所需的傳熱面積。 3-4.2傳熱平均溫度差的計算 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，可將傳熱分為恒溫傳熱與變溫傳熱兩類。而變溫傳熱又可分為一側(cè)流體變溫與兩側(cè)流體變溫兩種情況。 一、恒溫傳熱 兩種流體進行熱交換時，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，間壁的一側(cè)是飽和水蒸汽在一定

41、溫度下冷凝，另一側(cè)是液體在一定溫度下沸騰，兩側(cè)流體溫度沿傳熱面無變化，兩流體的溫度差亦處處相等，可表示為 tm=t-t 式中 t-熱流體的溫度； t-冷流體的溫度。 二、變溫傳熱 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，但各點的溫度皆不隨時間而變化，即為穩(wěn)定的變溫傳熱過程。該過程又可分為下列兩種情況： tt1t2t1tt2(a) (b)圖3-8 一側(cè)流體變溫時的溫差變化一側(cè)流體恒溫另一側(cè)流體變溫： 如用蒸汽加熱另一流體。蒸汽冷凝放出潛熱，冷凝溫度t不變，另一流體被加熱，由t1升溫至t2，如圖3-8(a)所示。又如用熱流體來加熱另一種在較低溫度下進行沸騰的液體，液體

42、的沸騰溫度保持在沸點t，如圖3-8(b)所示。 2、平均溫度差tm 間壁兩側(cè)流體皆發(fā)生溫度變化，這時參與換熱的兩種流體沿著傳熱兩側(cè)流動，其流動方式不同，平均溫度差亦不同。即平均溫度差與兩種流體的流向有關(guān)。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：換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相同的方向流動。 逆流：換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相對的方向流動。 錯流：換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)彼此呈垂直方向流動。 折流：換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)，其中一側(cè)流體只沿一個方向流動，而另一側(cè)的流體則先沿一個方向流動，然后折回以相反方向流動，如此反復(fù)地作折流，使兩側(cè)流體間有并流與逆流的交替

43、存在。此種情況稱為簡單折流。 t2t1t1t2t2t1t1t2t2t1t1t2t1t1t2t2 (a) 逆流 (b) 并流 圖3-9 兩側(cè)流體變溫下的溫度差變化在上述四種流向中，以并流與逆流應(yīng)用較為普遍，兩種流體的溫度沿傳熱面的變化情況如圖3-9所示。由圖3-9可見，無論是哪一種情況，壁面兩側(cè)冷、熱流體的溫度均沿著傳熱面而變化，其相應(yīng)各點的溫度差顯然也是變化的，故存在著如何求取傳熱過程平均溫度差tm的計算式。圖3-10表示逆流時流體的溫度隨著傳熱量q的變化情況。設(shè)熱流體的質(zhì)量流量為g1，比熱為cp1，進口溫度為t1，出口溫度為t2，冷流體的質(zhì)量流量為g2，比熱為cp2，進口溫度為t1，出口溫度

44、為t2。在穩(wěn)定傳熱條件下，g1、g2是常數(shù)，cp1、cp2取流體平均溫度下的數(shù)值，也視作常數(shù)。換熱器的傳熱面積為a。今在換熱器中取一微元段為研究對象，其傳熱面積為da，在da內(nèi)熱流體因放熱而溫度下降dt，冷流體因受熱而溫度上升dt，而傳熱量dq。列出da段內(nèi)熱量衡算的微分式得 t1t2t2t1dat2t1t2ott1t2t1dqt=t-tq圖3-10 平均溫度差計算 dq= g1 cp1dt= g2 cp2dt g1 cp1=常數(shù)，q與熱流體的溫度成直線關(guān)系；同理可得 g2 cp2=常數(shù)，q與冷流體的溫度也呈直線關(guān)系。如圖4-21所示，顯然q與冷、熱流體之間的溫度差t=t-t必然也呈直線關(guān)系，

45、該直線的斜率為 這里，t1=t1-t2，t2=t2-t1。傳熱基本方程式的微分式為dq=ktda，將此式代入 得 :  或 如將換熱器內(nèi)傳熱系數(shù)k值視為常數(shù)(k值不隨位置變化)，將上式積分，即 得 移項 ， 將上式與傳熱基本方程式q=katm比較，可見變溫傳熱的平均溫度差為   其值為換熱器進、出口處兩種流體溫度差的對數(shù)平均值，故稱為對數(shù)平均溫度差。 當(dāng)t1/t2<2時，可用算術(shù)平均值tm = (t1+t2)/2代替對數(shù)平均值。 此式對各種變溫傳熱都適用。當(dāng)一側(cè)變溫另一側(cè)流體恒溫時，不論并流或逆流，兩種情況的平均溫度差相等；當(dāng)兩側(cè)流體變溫傳熱時，并流和逆流時的平均溫度

46、差則不同。在計算時需注意，常取兩端溫度差中大者作為t1，小者作為t2，以使式中分子與分母都是正數(shù)。 例4-4 用熱交換器冷卻某液體。水在管外流動，進口溫度為250c ，出口溫度720c 。液體在管內(nèi)流動，進口溫度為3000c，出口溫度1000c。試分別計算并流和逆流時的對數(shù)平均溫度差。解：根據(jù)公式tm（并流）= （300-25）-（100-72） ln（300-25）/（100-27） =1080ctm（逆流）= （300-72）-（100-25） ln（300-72）/（100-25） =1380c  當(dāng)兩種流體的進、出口溫度皆已確定時，逆流時的平均溫度差比并流時大。 3、錯流或折

47、流時的平均溫度差 計算錯流或折流時的平均溫度差，通常采用的方法是先按純逆流的情況求得其對數(shù)平均溫度差tm逆，然后再乘以校正系數(shù)t,即 tm=t·tm逆 校正系數(shù)t與冷、熱兩種流體的溫度變化有關(guān)，是r和p的函數(shù)，即 t=f(r·p) 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、出口的溫度，依上式求出r和p值后，校正系數(shù)t值可根據(jù)r和p兩參數(shù)從相應(yīng)的圖中查得。 對于其它流向情況的換熱器，其t值詳見有關(guān)化工手冊或傳熱學(xué)等書籍。 由于校正系數(shù)t恒小于1，故錯流和

48、折流時的平均溫度差總小于逆流。但t值不宜小于0.8，否則一方面經(jīng)濟上不合理，另一方面這種情況下若操作溫度略有變動，t值可能急劇降低，將影響操作的穩(wěn)定性，所以當(dāng)計算的t <0.8時，則應(yīng)改變流動方式后重新進行計算。 4、流體流動方向的選擇 在間壁式換熱器中，從純逆流和并流兩種情況出發(fā)，確定傳熱壁面兩側(cè)流體的流動方向，可從以下兩方面考慮。 流體流動方向?qū)鳠崞骄鶞囟炔畹挠绊?對間壁兩側(cè)流體皆為恒溫及一側(cè)流體恒溫另一側(cè)流體變溫的傳熱過程，并流或逆流操作時的平均溫度差相同，這時流體流動方向的選擇，主要應(yīng)考慮換熱器的構(gòu)造及操作上的方便。當(dāng)間壁兩側(cè)流體皆變溫且兩種流體的進、出口溫度一定時，由于逆流操

49、作的平均溫度差較并流時大，在傳遞同樣熱量的條件下，逆流所需的傳熱面積較小。 流體流動方向?qū)d熱體用量的影響 對間壁兩側(cè)流體恒溫傳熱，及一側(cè)流體恒溫另一側(cè)流體變溫的傳熱過程，并、逆流時載熱體用量均相同。而當(dāng)間壁兩側(cè)流體皆為變溫傳熱時，則流體的流動方向?qū)α黧w的最終溫度有很大影響。加熱時，即工藝將冷流體由t1 加熱至t2 ，若采用并流，加熱介質(zhì)的最低極限出口溫度為冷流體的出口溫度t2；而若采用逆流，如圖中虛線所示，加熱介質(zhì)的最低極限出口溫度可為冷流體的進口溫度t1(t1<t2)。如果換熱的目的僅是為了加熱流體，則逆流操作時由于和t2逆可能小于t2并，所以加熱介質(zhì)的用量可能較并流時?。蝗绻麚Q熱的

50、目的是為了回收熱量，則逆流操作加熱介質(zhì)的出口溫度可較并流操作時低，即回收的熱量可多些。 由上述分析可知，在相同傳熱面條件下，逆流操作時加熱劑(冷卻劑)用量較并流??；反之，在加熱劑(冷卻劑)用量相同條件下，逆流的換熱器傳熱面積較并流的小。 還應(yīng)指出的是：流體的始、終溫不僅影響到載熱體用量，同時還影響到傳熱平均溫度差tm。在操作中，當(dāng)載熱體的用量減少到一定程度時，可使逆流操作的平均溫度差小于并流操作的平均溫度差，這時，對完成同樣的傳熱量q而言，逆流操作所需的傳熱面積會比并流操作所需的傳熱面積大(在傳熱系數(shù)k相同條件下)。這種情況下，選用哪一種流向進行操作，需由經(jīng)濟核算而定，即核算增加傳熱面積所需的投資費用與減少載熱體用量而節(jié)約的操作費用哪一種操作更經(jīng)濟些。一般來說，傳熱面積而增加的設(shè)備費用，較減少載熱體用量而節(jié)省的長期操作費用為少，故逆流操作優(yōu)于并流。此外，逆流操作還有冷、熱流體間的溫度差較均勻的優(yōu)點。 并流操作的優(yōu)點是較容易控制溫度，故對某些熱敏性物料的加熱，并流操作可控制出口溫度，從而可避免出口溫度過高而影響產(chǎn)品質(zhì)量。此外，還應(yīng)考慮物料的性質(zhì)，