化工原理課件-熱量傳遞的基本理論

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院熱量傳遞的基本理論一、熱量傳遞的基本方式二、熱傳導三、對流傳熱四、熱輻射蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院一、熱量傳遞的基本方式1．熱傳導2．對流傳熱3．熱輻射蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院定義：由于物質(zhì)的分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導，簡稱導熱。熱傳導的條件：系統(tǒng)內(nèi)存在溫度差。當物體的內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度的差異時，物體中溫度較高的部分的分子因振動而與相鄰分子碰撞，并將能量的一部分傳給后著，熱能就從物體的較高部分傳給溫度教低的部分或從一個溫度較高的物體傳遞給直接接觸的溫度較低的物體。特點：物體的分子或質(zhì)點不發(fā)生宏觀的相對位移。1．熱傳導蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院機理：1、金屬固體導熱起主要作用的是自由電子的擴散運動2、不良導體的固體和大部分的液體中，導熱是通過振動能從一個分子傳遞到另一個分子；3、氣體中，導熱則是由于分子的不規(guī)則運動而引起的。結(jié)論：金屬導熱性好

固體中導熱是熱傳遞的主要方式液體中并不顯著蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院定義：對流傳熱是指流體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，又稱為熱對流。

原因：強制對流傳熱和自然對流傳熱

強制對流：用機械能（如攪拌流體〕使流體發(fā)生對流運動。自然對流：流體質(zhì)點的相對運動是因流體內(nèi)部各處溫度不同而引起的局部密度差異所致。機理：由于流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移和混合，而將熱能由一處傳遞到另一處。對流傳熱的同時，伴隨著流體質(zhì)點間的熱傳導，兩者合并處理，一般也稱為對流傳熱（又稱為給熱）2．對流傳熱蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院定義：因熱的原因發(fā)出輻射能并在周圍空間傳播而引起的傳熱，稱為熱輻射。它是一種以電磁波傳播能量的現(xiàn)象。3．熱輻射蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院特點：（1）熱輻射可以不需要任何媒介，即可以在真空中傳播（2）熱輻射不僅有能量傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)移任何溫度在絕對零度以上的物體都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。即在放熱處，物體將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中傳遞，當遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院實際上，這三種傳熱方式很少單獨存在，而經(jīng)常是兩種或三種傳熱方式的組合。如生產(chǎn)中普遍使用的間壁式換熱器中的傳熱，主要是以對流傳熱和熱傳導相結(jié)合的方式進行（后面詳細介紹）熱量傳遞的快慢可用兩個指標來表示：①傳熱速率Q（又稱熱流量）指單位時間內(nèi)通過傳熱面積的熱量，單位為W；（KJ/S）②熱通量q指單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積的熱量，單位為W/m2。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院二、熱傳導（一）傅立葉定律（二）熱導率（三）傅立葉定律的應用熱傳導在固體、液體和氣體中都可發(fā)生，但嚴格說，只有固體中的傳熱才是純粹的熱傳導，而流體即使處于靜止狀態(tài)，其中也會有因溫差而引起的自然對流。所以，在流體中對流傳熱和熱傳導是同時發(fā)生的。因此，這里只討論固體內(nèi)的熱傳導問題。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院式中：Q——導熱速率，W

——溫度梯度，℃/mA——導熱面積，m2λ——熱導率W/（m℃）付立葉定律：在平壁內(nèi)單位時間熱傳導的方式傳遞的熱量與垂直于熱流方向的傳熱面積成正比，與溫度梯度成正比。負號表示導熱方向與溫度梯度方向相反。（一）傅立葉(Fourier)定律在系統(tǒng)內(nèi)，凡在同一時刻、溫度相同的點所組成的面，稱為等溫面。兩等溫面間的溫度差△t與其間的垂直距離△n之比，在△n趨于零時的極限稱為溫度梯度。溫度梯度是向量，方向垂直于等溫面，正方向是指向溫度升高的方向，即由低溫指向高溫。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（二）熱導率（導熱系數(shù)）熱導率在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，它是表征物質(zhì)導熱能力的一個物性參數(shù)，愈大，導熱性能愈好。要強化傳熱，選用大的材料；要削弱傳熱，選用小的材料。熱導率的數(shù)值與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度和壓力等有關(guān)。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院各種物質(zhì)的熱導率通常由實驗測定。熱導率數(shù)值的變化范圍很大。一般來說，金屬的熱導率最大，非金屬的次之，液體的較小，而氣體的最小。λ金屬固體>λ非金屬固體>

λ液體>λ氣體蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院在所有的固體中，金屬是最好的導熱體。大多數(shù)純金屬的熱導率隨溫度的升高而降低。金屬的熱導率大多隨其純度的增高而增大，所以合金的熱導率一般比純金屬的要低。非金屬固體的熱導率與其組成、結(jié)構(gòu)的致密程度以及溫度有關(guān)，一般熱導率隨密度的增大或溫度的升高而增大。對于大多數(shù)均質(zhì)固體材料，在一定的溫度范圍內(nèi)，其熱導率與溫度呈線形關(guān)系。1．固體的熱導率蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院在非金屬液體中，水的熱導率最大，除水和甘油外，絕大多數(shù)非金屬液體的熱導率也隨溫度的升高而降低。一般來說，純液體(水）熱導率比其溶液的要大液體的熱導率基本上與壓力無關(guān)。2．液體的熱導率蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院氣體的熱導率很小，不利于導熱，但可用來保溫或隔熱。氣體在保溫中用處很大，固體保溫材料（如玻璃棉等）的熱導率之所以小(0.035)，是因為其結(jié)構(gòu)呈纖維狀和多孔狀孔隙中含有大量空氣的緣故。氣體的熱導率隨溫度的升高而增大，而在相當大的壓力范圍內(nèi)，壓力對熱導率的影響一般不考慮，只有當壓力很高（大于200MPa）或很低（小于2.7kPa）時，才應考慮壓力的影響，此時熱導率隨壓力升高而增大。3．氣體的熱導率蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院想一想：熱導率（導熱系數(shù)）大小在生活中的應用？蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院化工保溫材料玻璃棉導熱率0.03489

0.06978W/m.K蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院保溫材料外層還要有保護層：鍍鋅鐵皮等蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院聚苯乙烯泡沫板導熱率0.04185W/m.K

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院離心玻璃棉是將處于熔融狀態(tài)的玻璃用離心噴吹法工藝進行纖維化噴涂熱固性樹脂制成的絲狀材料，再經(jīng)過熱固化深加工處理，可制成具有多種用途的系列產(chǎn)品。它具有阻燃、無毒、耐腐蝕、容重小、導熱系數(shù)低、化學穩(wěn)定性強、吸濕率低、憎水性好等諸多優(yōu)點，是目前公認的性能最優(yōu)越的保溫、隔熱、吸音材料，具有十分廣泛的用途。用該材料制成的板、氈、管已大量用于建筑、化工、電子、電力、冶金、能源、交通等領(lǐng)域的保溫隔熱、吸聲降噪，效果十分顯著。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院集體作業(yè)：查化工保溫材料資料：名稱、應用、保溫原理蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院1．平壁的穩(wěn)定熱傳導（1）單層平壁的穩(wěn)定熱傳導Qt1t2b（三）傅立葉定律的應用蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院例2-1厚度為300mm的磚壁，一側(cè)溫度為600℃，另一側(cè)溫度為150℃。已知磚壁的熱導率可取為1.0W/（m·℃）,試求：(1)通過每平方米磚壁的導熱量；(2)平壁內(nèi)距離高溫側(cè)100mm處的溫度。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院解:（1）由式（2-4b）可得（2）設平壁內(nèi)距高溫處100mm處的溫度為t，則由式（2-4b）可得

℃蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院假定各層之間接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同，即無接觸熱阻，各層熱導率可視作常數(shù)。因為是平壁，各層壁面面積相同設為A在穩(wěn)定傳熱時，通過上述串聯(lián)平壁的導熱速率都是相等的。b1b2b3Qtt1t2t3t4x（2）多層平壁的熱傳導蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院根據(jù)等比定律可推廣至n層平壁對于多層壁面的導熱，可看成是多個熱阻串聯(lián)導熱，溫度差與其熱阻成正比。當總溫差一定時，傳熱速率的大小取決于總熱阻的大小。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院例2-2有一爐壁由內(nèi)向外依次為耐火磚、保溫磚和建筑磚三種材料組成。耐火磚：W/(m·℃)，保溫磚：W/(m·℃)，；建筑磚：

W/(m·℃)，。測得內(nèi)壁溫度為850℃，外壁溫度為80℃。求單位面積的熱損失和各層接觸面上的溫度。解：由式（2-6）可得蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院tt1t2t3t4x蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院表2-1各層溫度降和熱阻可見，在多層平壁穩(wěn)定熱傳導過程中,各層平壁的溫度差與其熱阻成正比，哪層熱阻大，哪層的溫度差一定大。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院2．圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導圓筒壁的導熱與平壁導熱的不同之處在于圓筒壁的傳熱面積和熱通量不再是定值，而是隨半徑而變化。（1）單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導有一內(nèi)半徑為r1、外半徑為r2，長度為L的圓筒，內(nèi)壁溫度t1，外壁溫度t2，且t1>t2，熱導率為λ。在半徑為r處沿半徑方向取厚度為dr的薄壁圓筒，蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院drr2Qt2t1rr1或蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院

b——圓筒壁的厚度，

Am：對數(shù)平均面積，m2。rm——對數(shù)平均半徑，m；當≤2時，以算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值導致的誤差<4%，在工程計算中，這一誤差可以接受。所以當兩個變量的比值≤2時，經(jīng)常用算術(shù)平均值來代替對數(shù)平均值，使計算簡便。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（2）多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導通過平壁的熱傳導，各處的Q和q均相等；

而在圓筒壁的熱傳導中，圓筒的內(nèi)外表

面積不同，即各層圓筒的傳熱面積不相同，

所以各層Q相等，但q卻不等。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院例2-3φ50×5mm的不銹鋼管，熱導率λ1=16W/m·℃，外包為30mm的石棉層，熱導率λ2=0.2W/m·℃?，F(xiàn)用熱電偶測得管內(nèi)壁溫度為350℃，保溫層外壁溫度為100℃，試求每米管長的熱損失及兩材料界面處的溫度。解：每米管長的熱損失為蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院補充:有一蒸汽管外徑為25mm，管外包以兩層保溫材料，每層厚均為25mm。外層與內(nèi)層保溫材料的熱導率之比為λ2/λ1=5,此時熱損失為Q.今將內(nèi)外兩層材料互換位置，且設管外壁與外層保溫層外表面的溫度均不變，則熱損失為Q′，求Q′/Q，說明何種材料放在里層為好。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院對第一種情況：

解:對第二種情況：

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院=1.64λ較小的材料放內(nèi)層熱損失較小。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（一）對流傳熱分析（二）對流傳熱基本方程和對流傳熱系數(shù)（三）對流傳熱系數(shù)的影響因素及其數(shù)值范圍（四）量綱分析法在對流傳熱中的應用（五）流體無相變時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式（六）流體有相變時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式（七）提高對流傳熱系數(shù)的途徑三、對流傳熱蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院在間壁式換熱器內(nèi)，熱量通過固體壁面的傳遞是以導熱的方式進行的，而熱量從熱流體到固體壁面一側(cè)，以及從固體壁面另一側(cè)到冷流體的傳遞則是通過對流方式進行的。

(一)對流傳熱分析蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院TTW滯流內(nèi)層：流體呈滯流流動，沿壁面法向沒有質(zhì)點的移動和混合，即沒有對流傳熱，傳熱方式僅是熱傳導。因為液體導熱系數(shù)小，因此熱阻較大，溫度梯度大。緩沖層：流體流動介于滯流和湍流之間，熱傳導和對流傳熱同時起作用，熱阻較小、溫度變化緩慢。湍流主體：流體質(zhì)點的劇烈混合并充滿旋渦，熱量傳遞主要依靠對流傳熱，熱傳導所起作用很小，這部分熱阻很小，傳熱速度極快，流體的溫度差極小。

由上分析可知，在對流傳熱時，熱阻主要集中在層流底層，因此，減薄層流底層的厚度是強化對流傳熱的重要途徑。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（二）對流傳熱基本方程和對流傳熱系數(shù)根據(jù)傳遞過程速率的普遍關(guān)系，壁面與流體間的對流傳熱速率，也應該等于推動力和阻力之比α——對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

——對流傳熱熱阻，℃/W。對流傳熱基本方程又稱牛頓冷卻定律蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院α的物理意義：流體與壁面間的平均溫度差為1℃，面積為1m2的對流傳熱速率α表示在單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率。對流傳熱系數(shù)越大，傳熱越劇烈。了解和提高α，成為對流傳熱的重點。對流傳熱系數(shù)蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院注意：對流傳熱系數(shù)一定要與傳熱面積及溫度差相對應例如，若熱流體在換熱器的管內(nèi)流動，冷流體在換熱器的管間流動，則它們的對流傳熱速率方程分別為：（2-16）

（2-16a）Ai

、Ao——分別為換熱器的管內(nèi)表面積和管外表面積，m2

；αi、αo——分別為換熱器管內(nèi)側(cè)和管外側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（三）對流傳熱系數(shù)的影響因素及其數(shù)值范圍

1．引起流動的原因

2．流體的特性

3．流體的種類及相變情況

4．流體的流動狀態(tài)

5．傳熱面的形狀、位置和大小強制對流傳熱時的對流傳熱系數(shù)比自然對流傳熱的大影響α較大的物性有熱導率λ、比熱容cp、粘度μ和密度ρ流體的狀態(tài)不同，如液體、氣體和蒸汽，它們的對流傳熱系數(shù)各不相同。流體有無相變化，對傳熱有不同的影響，通常若流體發(fā)生相變，其對流傳熱系數(shù)比無相變時要大得多。這主要是由于相變化過程有大量潛熱的釋放(或吸收)。流體呈層流時，主要依靠熱阻大的導熱方式傳熱。湍流時質(zhì)點充分混合且層流底層變薄，α比層流時大得多，且隨流體的Re值增大而α增大。傳熱壁面的形狀、傳熱壁面的方位、布置、及傳熱面的尺寸都對對流傳熱系數(shù)有直接的影響。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院從中可以看出，氣體的α值最小，載熱體發(fā)生相變時的α值最大，且比氣體的α值大得多。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（四）量綱分析法在對流傳熱中的應用1．無相變時α的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式量綱分析法，將這些影響因素組合成若干個特征數(shù)，然后通過實驗得到不同情況下α的關(guān)聯(lián)式。傳熱面的特征尺寸可以是管外徑或內(nèi)徑或平板高度流體的比熱容流體的體積膨脹系數(shù)蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院2．特征數(shù)關(guān)聯(lián)式的使用系數(shù)A和指數(shù)m、n、h需經(jīng)實驗確定。這些值測得后，即可計算出對流傳熱系數(shù)。由于特征數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗公式，在使用時應注意以下幾個方面。②定性溫度③應用范圍①特征尺寸可以是管內(nèi)徑或外徑，或平板高度等，公式中應說明。各準數(shù)中流體的物性應按什么溫度查定。Re、Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院1．管內(nèi)強制對流（五）流體無相變時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式2、管外強制對流3、自然對流（1）圓形直管內(nèi)的強制湍流（2）圓形直管內(nèi)的強制層流（3）圓形直管內(nèi)的過渡狀態(tài)（4）彎管中的強制對流（5）非圓形直管內(nèi)的強制對流蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院在傳熱中，層流、湍流的值區(qū)間為層流

Re＜2300湍流

Re＞10000過渡區(qū)

Re2300～100001．管內(nèi)強制對流（1）圓形直管內(nèi)的強制湍流(自然對流的影響可以忽略不計)a、低粘度（粘度小于2倍常溫下水的粘度1×10-3）的流體n值視熱流方向而定。當流體被加熱時，n＝0.4；流體被冷卻時，n＝0.3。應用范圍：Re>10000，0.7＜Pr＜120

＞60。特征尺寸：取為管內(nèi)徑。定性溫度：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院例2-4如圖2-25所示，有一列管式換熱器，由38根φ25×2.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動，由20℃被加熱到80℃，苯的流量為8Kg/s。試求：①管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；②若苯的流量提高一倍，對流傳熱系數(shù)有何變化？蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院②若忽略定性溫度的變化，當苯流量增大一倍時，管內(nèi)流速為原來的2倍，因為α∝Re0.8∝u0.8，所以蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院補充5：常壓下，空氣以15m/s的流速在長為4m，φ60×3.5mm的鋼管中流動，溫度由150℃升到250℃。試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院解：此題為空氣在圓形直管內(nèi)作強制對流定性溫度t=（150+250）/2=200℃查200℃時空氣的物性數(shù)據(jù)（附錄）如下Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03928W/m℃μ=26.0×10-6N.s/m2

ρ=0.746kg/m3蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院Pr=0.68（可直接查表）特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.5>60

空氣被加熱,

n=0.4Nu=0.023Re0.8Pr0.4

=0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4

=60.4α=44.8W/(m2℃)蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院

b．高粘度（大于2倍常溫水的粘度）流體蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院c．短管當＜60時，將由式（2-19a）算得的α乘上校正系數(shù)f進行校正。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（2）圓形直管內(nèi)的強制層流流體在管內(nèi)作強制層流時，應考慮自然對流和熱流方向?qū)Ζ恋挠绊憽．敼軓捷^小，流體與壁面間的溫差不大時，即Gr＜25000自然對流的影響較小可以忽略應用范圍：特征尺寸：取為管內(nèi)徑。定性溫度：除μw取壁溫外其它均取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。流體在換熱器內(nèi)作強制對流時，為提高傳熱系數(shù)，流體多呈湍流流動，較少出現(xiàn)層流狀態(tài)。

當Gr>25000，忽略自然對流影響會造成很大誤差，此時將該式乘以校正系數(shù)f。

f=0.8(1+0.015Gr1/3)蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（3）圓形直管內(nèi)的過渡狀態(tài)當Re=2300～10000時，α可先按湍流時的公式計算，然后把算得的結(jié)果乘以校正系數(shù)。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院補充6：一套管換熱器，套管為φ89×3.5mm鋼管，內(nèi)管為φ25×2.5mm鋼管。環(huán)隙中為p=100kPa的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中流過，進口溫度為15℃，出口為35℃。冷卻水流速為0.4m/s，試求管壁對水的對流傳熱系數(shù)。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院解：此題為水在圓形直管內(nèi)流動定性溫度t=（15+35）/2=25℃查25℃時水的物性數(shù)據(jù)（見附錄）如下Cp=4.179×103J/kg.℃λ=0.608W/m.℃μ=90.27×10-5N.s/m2ρ=997kg/m3

(在2300～10000之間,過渡流區(qū))蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院水被加熱，n=0.4校正系數(shù)f蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（4）彎管中的強制對流由于彎管處受離心力的作用，擾動加劇，使α增大。α先按直管計算，然后乘以校正系數(shù)f。彎管的曲率半徑蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（5）非圓形直管內(nèi)的強制對流當量直徑可用流體力學當量直徑，但有些關(guān)聯(lián)式規(guī)定采用傳熱當量直徑。傳熱當量直徑定義為：當流體在非圓形管內(nèi)作強制對流時，對流傳熱系數(shù)的計算仍可采用圓形管內(nèi)相應的公式，只要將式中特征尺寸換成當量直徑就行。d改為de的方法比較簡便，但準確性較差，最好采用直接由非圓形管道內(nèi)實驗數(shù)據(jù)得出的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院例Di殼體內(nèi)經(jīng)蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院圓直管內(nèi)處于高度湍流，無相變流體①已知qv,d時α，令d=d’使qv’=2qv,則α’=

α。流量（流速）增大，α增大練一練：蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院②已知qv1,d1時α1，令qv2=qv1使d1=1/2d2,則α2=

α1。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院2．管外強制對流（1）流體橫向流過管束流體橫向流過管束時，由于管與管之間的影響，傳熱情況比較復雜。管束的幾何條件，如管徑、管間距、管子排數(shù)以及排列方式等都對α有影響。管子的排列方式通常有直列和錯列兩種，錯列又分為正三角形錯列和正方形錯列，蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院流體橫向流過直列管束時流體橫向流過錯列管束時蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（2）流體在帶折流擋板的列管換熱器管間流動當裝有圓缺形折流擋板（缺口面積是殼體內(nèi)截面積的25%）時，殼程的α可用下式計算蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院當量直徑de根據(jù)管子的排列方式的不同，分別采用不同的公式計算。管子為正方形排列時管子為正三角形排列時蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院如果列管換熱器的管間沒有折流擋板，流體在管外將平行于管束流動，此時的α可用管內(nèi)強制對流時的公式計算，但需將管內(nèi)徑d改為管間當量直徑。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院3．自然對流自然對流不是外力引起的，流速不是獨立變量。α只與反映自然對流的Gr和反映物性的Pr有關(guān)，與Re無關(guān).特征數(shù)一般關(guān)聯(lián)式為

在大容積自然對流時，Nu對GrPr在雙對數(shù)坐標上標繪，所得曲線可近似看作三段直線，每一段都可表示為：

Nu＝C（GrPr）n

指傳熱面放置在大空間內(nèi),既不存在強制流動,且四周沒有其他阻礙自然對流的物體存在.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院或

上式中:①特征尺寸：對于水平管取管外徑do；對于垂直管或垂直板取管長或板高。②定性溫度：取膜溫（即壁面溫度與流體平均溫度的算術(shù)平均值（t+tw）/2，tw為壁溫，t為流體平均溫度）。③Gr

中的。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院小結(jié)：三、對流傳熱（一）對流傳熱分析（二）對流傳熱基本方程和對流傳熱系數(shù)（三）對流傳熱系數(shù)的影響因素及其數(shù)值范圍（四）量綱分析法在對流傳熱中的應用蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（五）流體無相變時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1．管內(nèi)強制對流

（1）圓形直管內(nèi)的強制湍流

a、低粘度

b．高粘度

c．短管（2）圓形直管內(nèi)的強制層流（3）圓形直管內(nèi)的過渡狀態(tài)（4）彎管中的強制對流（5）非圓形直管內(nèi)的強制對流2、管外強制對流（1）流體橫向流過管束（2）流體在帶折流擋板的列管換熱器管間流動3、自然對流蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（六）流體有相變時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1．蒸汽冷凝（1）冷凝方式膜狀冷凝滴狀冷凝若冷凝液能潤濕壁面，并在壁面形成一層完整的液膜，稱為膜狀冷凝若冷凝液不能很好地潤濕壁面，則冷凝液在壁面上形成許多小液滴，稱為滴狀冷凝在膜狀冷凝中，壁面被液膜所覆蓋，再進行的冷凝只能在液膜表面上進行，即蒸汽冷凝放出的潛熱必須通過液膜后才能傳給壁面。由于蒸氣冷凝時有相的變化，一般熱阻很小，因此這層冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。α較小

在滴狀冷凝中，壁面大部分的面積直接暴露于蒸氣中由于在這些部位沒有液膜阻礙熱流，故其

很大，是膜狀冷凝的10倍左右。但滴狀冷凝難以控制，工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝所以冷凝計算總是按膜狀冷凝處理，而且從工程上按膜狀冷凝計算安全系數(shù)較大。

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（2）膜狀冷凝的

A．蒸汽在垂直管（或垂直板）外的冷凝

冷凝液膜內(nèi)流型不同，

的計算方法不同?？捎肦e值判斷流型。de——當量直徑，m；S——冷凝液的流通截面積，m2；b——冷凝液的潤濕周邊，m；ms——冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s；M——冷凝負荷，即單位長度潤濕周邊上冷凝液的質(zhì)量流量，kg/（s.m）

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院①當液膜為層流（Re＜2100）時②當液膜為湍流（Re＞2100）時，B．蒸汽在水平管外的冷凝

潛熱:單位質(zhì)量物質(zhì)在等溫等壓下從一個相變化到另一個相吸收或放出的熱量.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院補充7：常壓蒸汽在單根圓管外冷凝,管外徑為100mm，管長為1500mm，壁溫維持在98℃,單位長度潤濕周邊上冷凝液的質(zhì)量流量為1.41×10-2kg/（s.m）。求管子垂直放置時整個圓管的平均給熱系數(shù)。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院解：在膜溫度（100+98）/2=99℃時，冷凝液有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：λ=0.6819W/m.℃ρ=965.1kg/m3

μ=28.56×10-5N.s/m2t

s=100℃r=2258kJ/kg先假定液膜為層流蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院=1.06*104W/m2·℃驗算液膜是否為層流=197﹤2000故假定正確蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院當蒸汽冷凝時，不凝氣體會在液膜表面形成氣膜。這相當于額外附加了一層熱阻，并且由于氣體的λ小，使蒸汽冷凝的α大大下降安裝氣體排放口(在換熱器蒸汽冷凝側(cè))

（3）影響冷凝傳熱的因素蒸汽冷凝時，往往在壁面形成液膜，液膜的厚度及其流動狀態(tài)是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵。凡有利于減薄液膜厚度的因素都可以提高冷凝傳熱系數(shù)。為減小冷凝液膜的厚度，通常采用立式設備。①蒸汽中不凝氣體的影響②蒸汽的流速和流向③蒸汽過熱程度的影響若蒸汽和液膜同向流動，則摩擦力將使液膜加速，厚度變薄，使α增大若兩者逆向流動，則α減小。蒸汽進口設在換熱器的上部

但是當兩者間的摩擦力超過液膜重力時，蒸汽會將液膜吹離壁面，使部分壁面暴露在蒸汽中,此時，隨著蒸汽速度的增加反使α急劇增大.若蒸汽過熱程度不高，則傳熱系數(shù)值與飽和蒸汽的相差不大；但如果過熱程度較高，將有相當部分壁面用于過熱蒸汽的冷卻，在蒸汽內(nèi)部存在溫度梯度和熱阻，從而大大降低傳熱系數(shù)。工業(yè)上一般不采用過熱蒸汽作為加熱的熱源。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院2．液體沸騰（1）沸騰現(xiàn)象池內(nèi)沸騰管內(nèi)沸騰一種是將加熱壁面浸入液體，液體被加熱而引起的無強制對流的沸騰現(xiàn)象，稱為池內(nèi)沸騰

流體在管內(nèi)流動過程中受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰

隨著氣泡的上升，周圍液體隨時填補，這樣引起貼壁液體層的劇烈攪動，從而使α比無相變時的大得多。

汽泡只是在加熱面上某些凹凸不平點上形成，形成氣泡的這些點，稱為汽化核心。當形成汽化核心后，周圍的液體繼續(xù)汽化，而使氣泡體積不斷增大。當氣泡長大到某一直徑后，就會脫離壁面而上升。

發(fā)生沸騰時，液體總是處于過熱狀態(tài)，沸騰液體的溫度t1略高于飽和溫度ts，溫度差=t1－ts，稱為過熱度。過熱的原因是氣泡的生成和長大需要能量克服液體的表面張力。

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（2）沸騰曲線常壓水在大容器內(nèi)沸騰傳熱為例

△t≤5°C，由于溫度差很小，汽化只發(fā)生在液體表面，嚴格說還不是沸騰，而是表面汽化。此階段α較小，并且隨△t升高得很緩慢。5°C＜△t

≤25°C，隨著△t提高，汽化核心增多，汽泡長大速度迅速增大，對液體產(chǎn)生劇烈的擾動，

急劇上升，由汽化核心產(chǎn)生的氣泡對傳熱起主導作用，此階段稱為核狀沸騰?！鱰

＞25°，汽化核心數(shù)和汽泡長大速度大大增加，以致氣泡產(chǎn)生的速度大于其脫離壁面的速度，氣泡相連形成一層氣膜，由于氣體的λ很小，使α反而急劇下降，這個階段稱為膜狀沸騰。

在D點以后，由于加熱面tW很高，熱輻射的影響增大，使得α隨△t的增大又有所增大。工業(yè)上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，否則一旦轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v，不僅α會急劇下降，而且管壁溫度急劇升高也易導致傳熱管燒毀的嚴重事故。指加熱壁面被沉浸在無強制對流的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（3）影響沸騰傳熱的因素①液體物性液體的μ、λ、表面張力σ、ρ等對沸騰傳熱都有重要的影響。一般，α隨λ

、ρ的增大而增大，而隨μ

、σ的增大而減小。②溫差△t應盡量控制在核狀沸騰區(qū)進行操作。在核狀沸騰區(qū)，α與△t的2～3次方成正比。③操作壓力P提高操作壓力則會提高液體飽和溫度，從而使液體的μ

、σ下降，有利于氣泡的形成和脫離壁面，在相同的△t下，使α提高。④加熱壁面狀況加熱面的材料和粗糙度以及壁面的結(jié)垢或氧化等情況都會影響沸騰傳熱。一般，新的或清潔的壁面α較大，若壁面被油脂等玷污，因油脂的導熱性能較差，會使α下降。此外，粗糙加熱面可以提供更多的汽化核心，有利于沸騰傳熱。但應當注意，大的凹穴或凸起反而易被液體注滿而失去充當汽化核心的能力。

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（4）沸騰對流傳熱系數(shù)的計算對單組分純物質(zhì)的池內(nèi)沸騰，近似地可用以下經(jīng)驗式估算其沸騰傳熱系數(shù)：蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院(七)提高對流傳熱系數(shù)的途徑1．無相變時的對流傳熱

流體從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r,隨Re的增大，α顯著增大，所以應力求使流體在換熱器中達到湍流流動。管內(nèi)湍流時，α與流體流速的0.8次方成正比，而與管徑的0.2次方成反比，即增大流速和減小管徑都可提高α，但增大流速更有效。管外加折流擋板湍流時，此時α與流速的0.55次方成正比，而與當量直徑的0.45次方成反比。提高流速和減小管子的當量直徑提高管外α均較顯著①在管程，采用多程結(jié)構(gòu)，可使流速成倍增加，流動方向不斷改變，從而大大提高了α，但流速增加，流動阻力也隨之增大，所以要全面權(quán)衡，管程數(shù)不能太大。②在殼程，廣泛采用折流擋板。這樣既可提高殼程流體流速，同時也迫使流體多次垂直流過管束，增大湍動程度，從而強化了對流傳熱。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院2．有相變時的對流傳熱（提高α措施）

冷凝傳熱，（1）及時排除不凝性氣體（2）對垂直壁面，可在管壁上開一些縱向溝槽或裝金屬網(wǎng)，以減薄液膜厚度；（3）對水平布置的管束，設法減少垂直方向上管子的數(shù)目或?qū)⒐苁臑殄e列

沸騰傳熱，（1）設法使表面粗糙化（2）在液體中加入如乙醇、丙酮等添加劑①可改變沸騰液體表面張力,提高給熱系數(shù)20%~100%.②還可提高沸騰液體臨界熱負荷.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院小結(jié)任務二熱量傳遞的基本理論一、熱量傳遞的基本方式二、熱傳導（一）傅立葉定律（二）熱導率（三）傅立葉定律的應用

1．平壁的穩(wěn)定熱傳導

2．圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導三、對流傳熱蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院三、對流傳熱（一）對流傳熱分析（二）對流傳熱基本方程和對流傳熱系數(shù)（三）對流傳熱系數(shù)的影響因素及其數(shù)值范圍（四）量綱分析法在對流傳熱中的應用（五）流體無相變時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式（六）流體有相變時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1．蒸汽冷凝（膜狀冷凝和滴狀冷凝）2．液體沸騰（池內(nèi)沸騰和管內(nèi)沸騰）（七）提高對流傳熱系數(shù)的途徑P115在對流傳熱時，熱阻主要集中在層流底層

沸騰三個區(qū)域自然沸騰核狀沸騰膜狀沸騰蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院四、熱輻射（一）熱輻射的基本概念物體以電磁波方式傳遞能量的過程稱為輻射，被傳遞的能量稱為輻射能。因熱的原因引起的電磁波輻射即是熱輻射。輻射傳熱就是不同物體間相互輻射和吸收能量的綜合過程。輻射傳熱的凈結(jié)果是高溫物體向低溫物體傳遞了能量但只有在高溫時熱輻射才成為主要傳熱方式。任何物體，只要其絕對溫度大于零度，都會不停地以電磁波的形式向外輻射能量，同時，又不斷吸收來自外界其他物體的輻射能。例如，在石油化工廠的管式裂解爐中溫度高達800℃～900℃，傳熱過程就以輻射傳熱為主。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院熱輻射和光輻射本質(zhì)一樣，只是電磁波的波長范圍不同。輻射線主要是：可見光（0.38～0.76μm）紅外線（0.76～100μm）熱輻射也服從光的反射和折射定律。在均一介質(zhì)中作直線傳播，在真空和大多數(shù)氣體中可以完全透過，熱射線不能透過工業(yè)上常見的大多數(shù)固體和液體所以只有能互相照見的物體間才能進行熱輻射。統(tǒng)稱為熱射線紅外光線的熱射線對熱輻射起決定作用蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院假設外界投射到物體表面上的總能量為Q，一部分QA被物體吸收，一部分QR被物體反射，其余部分QD透過物體。根據(jù)能量守恒定律

A－吸收率R－反射率D－透過率蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院能全部吸收輻射能，即吸收率A=1的物體，稱為絕對黑體或黑體。能全部反射輻射能，即反射率R=1的物體，稱為絕對白體或鏡體。能透過全部輻射能，即透過率D=1的物體，稱為透熱體。能以相同的吸收率吸收所有波長范圍的輻射能的物體，稱為灰體。無光澤的黑煤，其吸收率約0.97，接近于黑體磨光的金屬表面，其反射率約0.97，接近于鏡體固體和液體都是不透熱體，即D＝0（1）它的吸收率不隨輻射線的波長而變（2）它是不透熱體，即D＝0蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院需要注意的是，黑體、鏡體和透熱體等不僅僅針對可見光，而是對整個范圍的熱射線而言的。玻璃對可見光是透明的，但對其他熱射線卻幾乎是不透明的，溫室就是利用了玻璃的這種特性。雖然白色表面反射可見光的能力比其他顏色物體強，但是對于其他波長區(qū)段的熱射線而言，它同樣具有很強的吸收能力。例如雪對可見光外的熱射線則幾乎接近于黑體。物體的吸收率、反射率和透過率與物體的性質(zhì)、溫度、表面狀況和輻射能的波長等因素有關(guān)。一般，表面粗糙的物體吸收率較大。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院（二）熱輻射的基本定律1．物體的輻射能力與斯蒂芬-波爾茲曼定律物體在一定溫度下，單位時間內(nèi)、單位表面積所發(fā)射的全部輻射能（波長從0到∞），稱為該物體在該溫度下的輻射能力，以E表示。理論證明斯蒂芬-波爾茲曼定律。它揭示了黑體的輻射能力與其表面的絕對溫度的四次方成正比。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院補充8：試計算某一黑體表面溫度分別為37℃和637℃時的輻射能力.解:E20==523.6W/m2E10=蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院斯蒂芬-波耳茲曼定律表明輻射傳熱對溫度異常敏感，低溫時熱輻射往往可以忽略，而高溫時則成為主要的傳熱方式。在同一溫度下，實際物