化工流体流动与传热 对流传热概述优秀课件
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化工基础第四章 传热ppt课件
1.固体热导率 金属材料 10～102 W/(m•K) 建筑材料 10-1～10 W/(m•K) 绝热材料 10-2～10-1 W/(m•K)
在一定温度范围内：
0(1a)t
对大多数金属材料a < 0 ，t 对大多数非金属材料a > 0 ， t
2.液体热导率 0.09～0.6 W/(m·K)
t/n ── 温度梯度，℃/m或K/m； ── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。
负号表示传热方向与温度梯度方向相反
二、热导率
dtQ //dnA tq /n
在数值上等于单位温度梯度下的热通量
表征材料导热性能的物性参数
= f(结构, 组成, 密度, 温度, 压力）
金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
稳定传热：在传热体系中各点的温度只随换热器 的位置的变化而变，不随时间而变．特点：通过传热 表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。
稳态传热 Q ,q ,t fx ,y ,z t 0
不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随 位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热 通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇 操作多为不稳定传热。
冷流体t1 T2
（二）传热速率与热流密度
传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的 整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。 热流密度q （热通量） ：单位时间内通过单位传热 面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。
q Q A
（三）稳态与非稳态传热
非稳态传热 Q ,q ,t fx ,y ,z ,
b11A t1b2t2A 2tb333At1R t4i 总 总推 热动 阻力
各层的温差
化工原理传热精品-PPT
化工原理传热精品
主要内容
4、1 概述 4、2 热传导 4、3 对流传热概述 4、4 对流传热系数关联式 4、5 传热过程计算 4、6 辐射传热 4、7 换热器
2
基本要求
了解热传导基本原理,掌握傅立叶定律及平壁、圆筒 壁得热传导计算;
了解对流传热得基本原理、牛顿冷却定律及影响对流 传热得因素;掌握对流传热系数得物理意义和经验关联 式得用法、使用条件及注意事项;
Sm 2rmL
Sm
S2 S1 ln S2 / S1
圆筒壁得 对数平均
半径
rm
r2 r1 ln r2
r1
注:当 r2/r1<2时,可用算术平均值代替对数平均值。 44
2、多层圆筒壁得热传导
假设层与层之 间接触良好,即互 相接触得两表面温 度相同。
图4-12 多层圆筒壁热传导
45
2、 多层圆筒壁得热传导
微分导 热速率
dQ dS t
n
Q与温度 梯度方向
相反
导热系 数
温度梯 度
傅立叶定律表明导热速率与 温度梯度及传热面积成正比,而 热流方向却与温度梯度相反。
Δn ət/ən Q
32
3、 导热系数
dQ dS t
q t
n n
① 在数值上等于单位温度梯度下得热通量,故物质得
越大,导热性能越好。
② 是物质得固有性质,是分子微观运动得宏观表现。
加热剂
适用温度,℃
冷却剂 适用温度,℃
热水 饱和蒸汽 矿物油 联苯混合物 熔盐 烟道气加热剂
40～100 100～180 180～250 255～380(蒸汽) 142～530 ～1000
水 空气 盐水
0～80 >30 0～－15
主要内容
4、1 概述 4、2 热传导 4、3 对流传热概述 4、4 对流传热系数关联式 4、5 传热过程计算 4、6 辐射传热 4、7 换热器
2
基本要求
了解热传导基本原理,掌握傅立叶定律及平壁、圆筒 壁得热传导计算;
了解对流传热得基本原理、牛顿冷却定律及影响对流 传热得因素;掌握对流传热系数得物理意义和经验关联 式得用法、使用条件及注意事项;
Sm 2rmL
Sm
S2 S1 ln S2 / S1
圆筒壁得 对数平均
半径
rm
r2 r1 ln r2
r1
注:当 r2/r1<2时,可用算术平均值代替对数平均值。 44
2、多层圆筒壁得热传导
假设层与层之 间接触良好,即互 相接触得两表面温 度相同。
图4-12 多层圆筒壁热传导
45
2、 多层圆筒壁得热传导
微分导 热速率
dQ dS t
n
Q与温度 梯度方向
相反
导热系 数
温度梯 度
傅立叶定律表明导热速率与 温度梯度及传热面积成正比,而 热流方向却与温度梯度相反。
Δn ət/ən Q
32
3、 导热系数
dQ dS t
q t
n n
① 在数值上等于单位温度梯度下得热通量,故物质得
越大,导热性能越好。
② 是物质得固有性质,是分子微观运动得宏观表现。
加热剂
适用温度,℃
冷却剂 适用温度,℃
热水 饱和蒸汽 矿物油 联苯混合物 熔盐 烟道气加热剂
40～100 100～180 180～250 255～380(蒸汽) 142～530 ～1000
水 空气 盐水
0～80 >30 0～－15
化工原理课件(十一五)第三章对流传热
2
用幂函数逼近原函数 Nu C Rea Prk Gr g
3. 实验安排与结果整理 —以强制对流为例
Nu C Rea Pr k
（1）k的求法：用不同的流体，固定Re 测Nu， 得Nu~Pr
8
因为 lg Nu k lg Pr lgC Rea 作图k （2）a和c的确定 固定流体， 在不同的Re下 测Nu， 得一组(Re, Nu/Prk) 因为
—对流传热系数，W/㎡·K；
tw—壁温；t—流体温度
说明 t—流体(沿传热方向)平均温度
应针对一微无段 dQ dA tw t
3
只是推论，认为 Q(tw-t)
Q
Atw
t
tw t
1/ A
推动力 阻力
对流传热——复杂的物理过程。
影响因素 形式简单 —实验测定
4
3.3.2 的实验研究方法
6 105 f 1 Re1.8
其它条件和注意=Re>10000时
3．层流
(1)自然对流的影响可以忽略时 (Gr<25000)
12
Nu
1.86
Re
Pr
d l
1/
3
w
0.14
l / d 60
适用条件 Re 2300 6700 Pr 0.6 Re Pr d 10 Gr<25000
l
特征量取法=湍流时
(2)自然对流不能忽略时 f 0.8(1 0.015Gr1/3 ) Gr>25000
4．弯管
先按直管计算， 再校正
5．非圆形管
' 1 1.77 d
R
当量直径de， 按圆管计算。 u实际流通截面积
专用公式
13
例题2 空气以4m/s的流速通过一75.5×3.75的钢管，管长20米， 空气入口温度32℃，出口温度为68℃，（1）试计算空气与管壁间 的对流传热系数。（2）如空气流量增加一倍，忽略温度变化对 物性的影响，变为多少。（3）若管径减小一半，则 变为多少
用幂函数逼近原函数 Nu C Rea Prk Gr g
3. 实验安排与结果整理 —以强制对流为例
Nu C Rea Pr k
（1）k的求法：用不同的流体，固定Re 测Nu， 得Nu~Pr
8
因为 lg Nu k lg Pr lgC Rea 作图k （2）a和c的确定 固定流体， 在不同的Re下 测Nu， 得一组(Re, Nu/Prk) 因为
—对流传热系数，W/㎡·K；
tw—壁温；t—流体温度
说明 t—流体(沿传热方向)平均温度
应针对一微无段 dQ dA tw t
3
只是推论，认为 Q(tw-t)
Q
Atw
t
tw t
1/ A
推动力 阻力
对流传热——复杂的物理过程。
影响因素 形式简单 —实验测定
4
3.3.2 的实验研究方法
6 105 f 1 Re1.8
其它条件和注意=Re>10000时
3．层流
(1)自然对流的影响可以忽略时 (Gr<25000)
12
Nu
1.86
Re
Pr
d l
1/
3
w
0.14
l / d 60
适用条件 Re 2300 6700 Pr 0.6 Re Pr d 10 Gr<25000
l
特征量取法=湍流时
(2)自然对流不能忽略时 f 0.8(1 0.015Gr1/3 ) Gr>25000
4．弯管
先按直管计算， 再校正
5．非圆形管
' 1 1.77 d
R
当量直径de， 按圆管计算。 u实际流通截面积
专用公式
13
例题2 空气以4m/s的流速通过一75.5×3.75的钢管，管长20米， 空气入口温度32℃，出口温度为68℃，（1）试计算空气与管壁间 的对流传热系数。（2）如空气流量增加一倍，忽略温度变化对 物性的影响，变为多少。（3）若管径减小一半，则 变为多少
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
化工原理第四章传热42PPT课件
⑤流体传热时的相变化 相变会引起与壁面接触处流体的运动形式改变，如加剧搅
动。一般来讲，相变有利于传热。这就是用蒸汽加热的原因之 一。
空气自 气体强 水自然 水强制 水蒸汽 有机蒸 水沸腾 然对流 制对流 对流 对流 冷凝 汽冷凝
5~25 20~100 20~ 1000~ 5000~ 500~ 2500~
d. 普兰特（Prandtl）准数
Pr c p
反映流体物性对对流传热的影响。
气体：小于1接近1 ，液体：大于1 。
e.定性温度 取什么温度查取所需物性： ,,cp,
1、因给热热阻主要集中在层流内层，所以定性温度取平
均膜温
tm
tm
tw t 2
2、广泛使用：t m =流体主体的平均温度
例如：管流：
1000 15000 15000 2000 25000
⑥壁面的形状、排列方式和尺寸 流体流过固体表面的状况对流体的流动有影响，同时影响
热边界的形成和发展。当管长增加时，传热边界层中温度分 布将逐渐变得更为平坦，当通过很长的管长时，温度梯度会 消失，此时传热也就停止了。所以管子的尺寸和形状对α有较 大的影响。管子排列时：错列的a高于直列
况进行换热）。
②流体的对流状态：强制对流自然对流时a为大。 a
t
③流体的物理性质
如导热系数、热容、膨胀系数、密度和粘度等，其中导
热系数、热容、密度、膨胀系数增大对传热有利；而粘度大，
则滞流层厚，对流传热系数变小。
④传热的温度 温度对流体的物理性质有显著的影响。因此，壁面和流
体的温度以及两者的温度差对给热系数有间接但是明显的影 响。如粘度随温度的升高而降低，在其他条件不变的情况下， 热边界层减薄，有利于传热 。因此在使用物理参数时，要考 虑温度。
动。一般来讲，相变有利于传热。这就是用蒸汽加热的原因之 一。
空气自 气体强 水自然 水强制 水蒸汽 有机蒸 水沸腾 然对流 制对流 对流 对流 冷凝 汽冷凝
5~25 20~100 20~ 1000~ 5000~ 500~ 2500~
d. 普兰特（Prandtl）准数
Pr c p
反映流体物性对对流传热的影响。
气体：小于1接近1 ，液体：大于1 。
e.定性温度 取什么温度查取所需物性： ,,cp,
1、因给热热阻主要集中在层流内层，所以定性温度取平
均膜温
tm
tm
tw t 2
2、广泛使用：t m =流体主体的平均温度
例如：管流：
1000 15000 15000 2000 25000
⑥壁面的形状、排列方式和尺寸 流体流过固体表面的状况对流体的流动有影响，同时影响
热边界的形成和发展。当管长增加时，传热边界层中温度分 布将逐渐变得更为平坦，当通过很长的管长时，温度梯度会 消失，此时传热也就停止了。所以管子的尺寸和形状对α有较 大的影响。管子排列时：错列的a高于直列
况进行换热）。
②流体的对流状态：强制对流自然对流时a为大。 a
t
③流体的物理性质
如导热系数、热容、膨胀系数、密度和粘度等，其中导
热系数、热容、密度、膨胀系数增大对传热有利；而粘度大，
则滞流层厚，对流传热系数变小。
④传热的温度 温度对流体的物理性质有显著的影响。因此，壁面和流
体的温度以及两者的温度差对给热系数有间接但是明显的影 响。如粘度随温度的升高而降低，在其他条件不变的情况下， 热边界层减薄，有利于传热 。因此在使用物理参数时，要考 虑温度。
化工原理 传热 完整ppt课件
─热导率或导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。
精选
18
3、热导率
QAddxtAQdt
dx
(1) 为单位温度梯度下的热通量大小(物理意义)
物质的越大，导热性能越好
(2) 是分子微观运动的宏观表现
= f(结构,组成,密度,温度,压力）
(3) 各种物质的导热系数
金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
传热
精选
1
第一节 概述
一、传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却 换热/能量回用 保温
强化传热过程 削弱传热过程
精选
2
能量回收：节能减排、资源回用！ 同时，是化工厂提高经济效益的一个重要措施！
余热资源被认为是继煤、石油、天然气和水力之后的又一常规能源。
例如：钢铁行业烟气余热回收对比
余热没有回收
热交换器进行余热回收
流 体
间壁
流体与壁面之间的热量传递以对流方式为主，并伴有
流体分子热运动引起的热传导，通常把这一传热过程
称为对流传热。
精选
12
精选
13
6、传热速率方程式
传热过程的推动力是两流体的温度差，因沿传热 管长度不同位置的温度差不同，通常在传热计算 时使用平均温度差，以 t m 表示。经验指出，在稳 态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体 的温度差 t m 成正比。即得传热速率方程式为：
QKAtm1/tKmA总总 传热 热阻 推动力
式中 K ── 总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； Q ── 传热速率，W或J/s；
A ── 总传热面积，m2；
tm ── 两流体的平均精选温差，℃或K。
14
精选
18
3、热导率
QAddxtAQdt
dx
(1) 为单位温度梯度下的热通量大小(物理意义)
物质的越大，导热性能越好
(2) 是分子微观运动的宏观表现
= f(结构,组成,密度,温度,压力）
(3) 各种物质的导热系数
金属固体 > 非金属固体 > 液体 > 气体
传热
精选
1
第一节 概述
一、传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却 换热/能量回用 保温
强化传热过程 削弱传热过程
精选
2
能量回收：节能减排、资源回用！ 同时，是化工厂提高经济效益的一个重要措施！
余热资源被认为是继煤、石油、天然气和水力之后的又一常规能源。
例如：钢铁行业烟气余热回收对比
余热没有回收
热交换器进行余热回收
流 体
间壁
流体与壁面之间的热量传递以对流方式为主，并伴有
流体分子热运动引起的热传导，通常把这一传热过程
称为对流传热。
精选
12
精选
13
6、传热速率方程式
传热过程的推动力是两流体的温度差，因沿传热 管长度不同位置的温度差不同，通常在传热计算 时使用平均温度差，以 t m 表示。经验指出，在稳 态传热过程中，传热速率Q与传热面积A和两流体 的温度差 t m 成正比。即得传热速率方程式为：
QKAtm1/tKmA总总 传热 热阻 推动力
式中 K ── 总传热系数，W/(m2·℃)或W/(m2·K)； Q ── 传热速率，W或J/s；
A ── 总传热面积，m2；
tm ── 两流体的平均精选温差，℃或K。
14
《化工原理教学》传热-对流课件
《化工原理教学》传热对流课件
为了帮助学生更好地理解对流传热的概念和原理，本课件介绍了化工原理教 学中重要的一部分——传热-对流。
对流基础知识
1 对流定义
对流是物质在流体中的传递过程，常常伴随着随流体运动的热量传递。
2 对流规律
对流是由于温度场引起的流体流动现象，遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理。
3 对流换热原理
对流换热是通过流体流动引起的热量传递方式，常见于化工工程和热交换器中。
对流换热的传热机理
1
对流传热的影响因素
2
流体速度、温度梯度、表面特性等因
素会影响对流传热过程的效率。
3
对流传热机制
对流传热通过流体流动和温度差驱动， 实现了物体间的热量交换。
对流传热的计算公式
根据牛顿冷却定律和对流换热系数， 可以计算对流传热的热量传递率。
对流传热的应用
工程中的对流传热应用
对流传热在化工工程、能源行业和热处理等 领域中有着广泛而重要的应用。
实际案例分析
通过对实际案例的分析，探讨对流传热在工 业过程中的是许多工程和技术领 域中必不可少的关键过程。
学习对流传热的意义
掌握对流传热的原理和应用， 对于化工专业的学生和从业人 员至关重要。
未来的发展和应用前景
对流传热的研究和应用将在能 源、环保等领域发挥重要作用。
为了帮助学生更好地理解对流传热的概念和原理，本课件介绍了化工原理教 学中重要的一部分——传热-对流。
对流基础知识
1 对流定义
对流是物质在流体中的传递过程，常常伴随着随流体运动的热量传递。
2 对流规律
对流是由于温度场引起的流体流动现象，遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理。
3 对流换热原理
对流换热是通过流体流动引起的热量传递方式，常见于化工工程和热交换器中。
对流换热的传热机理
1
对流传热的影响因素
2
流体速度、温度梯度、表面特性等因
素会影响对流传热过程的效率。
3
对流传热机制
对流传热通过流体流动和温度差驱动， 实现了物体间的热量交换。
对流传热的计算公式
根据牛顿冷却定律和对流换热系数， 可以计算对流传热的热量传递率。
对流传热的应用
工程中的对流传热应用
对流传热在化工工程、能源行业和热处理等 领域中有着广泛而重要的应用。
实际案例分析
通过对实际案例的分析，探讨对流传热在工 业过程中的是许多工程和技术领 域中必不可少的关键过程。
学习对流传热的意义
掌握对流传热的原理和应用， 对于化工专业的学生和从业人 员至关重要。
未来的发展和应用前景
对流传热的研究和应用将在能 源、环保等领域发挥重要作用。
化工原理第四章传热-PPT课件
L
根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为
dt dt Q A 2 rL dr dr
边界条件 得：
r 2 r 1
r r 时 ， t t 1 1
t2 t 1
r r 时 ， t t 2 2
d r r l d t Q 2
2 l ( t t2) 2 l ( t t2) 1 1 Q r 1 r 2 2 l n l n r r 1 1
热对流(convection);
热辐射(radiation)。
1、热传导 气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果
固体 导电体：自由电子在晶格间的运动
非导电体：通过晶格结构的振动实现
液体 机理复杂
特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移
2、热对流
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热 对流。热对流仅发生在流体中。
的x轴方向变化，故等温面皆为垂 直于x轴的平行平面。
平壁侧面的温度t1及t2恒定。Fra biblioteko b
x
取dx的薄层，作热量衡算：
傅立叶定律： 边界条件为：
dt Q A dx
x 0 时 ， t t 1
得：
x b 时， t t 2
b
0
Q d x
t2
t1
A d t
t1 t2 Q A (t1 t2) 不随t而变 b b 式中 Q ── 热流量或传热速率，W或J/s； A
4.2 热传导
一、 傅立叶定律
1 温度场和温度梯度 温度场(temperature field)：某一瞬间空间中各点的温度
分布，称为温度场.
物体的温度分布是空间坐标和时间的函数，即
传热操作技术—对流传热(化工原理课件)
气泡的生 成条件2
汽化核心
汽化核心与加热面的粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均 匀性等多种因素有关。
➢ 在无相变的对流传热时，热阻主要集中在层流底层 ➢ 但在沸腾给热时，气泡的生成和脱离对该薄层液体
产生强烈的扰动,使热阻大为降低。 ➢ 所以沸腾给热的强度要高于无相变化的对流给热。
层流底层 过渡层 湍流主体
湍流主体：流体质点的剧烈混合，热量传递主要依
TW
靠对流传热，热传导所起作用很小，这部分热阻很
小，传热速度极快，流体的温度差极小。
层流底层 过渡层 湍流主体
➢ 在对流传热时，热阻主要集中在层流底层 ➢ 减薄层流底层的厚度是强化对流传热的重要途径
T
热
Tw
流
体
冷
tw
流 体
t
δ1
δ2
流体通过间壁的热交换
液体在加 热面上的
沸腾
管内 沸腾
在一定压差作用下，以一定流 速流经加热管时所发生的沸腾 现象，又称为强制对流沸腾
强制对流沸腾
管壁上所产生的气泡不能自由上浮,而是 被管内液体所挟与其一起流动,从而造成 复杂的两相流动。因此,其机理要比池内 沸腾复杂。
过冷 沸腾
管内沸腾
流体主体温度低于饱和温度， 而加热面上有气泡生成
自然对流 核状沸腾 膜状沸腾
α
C
不
稳稳
定 膜
定 区
F
临界点 状 D E
B
ห้องสมุดไป่ตู้
A
0.1
1.0
10
10
10
Δt = (tw-ts)/℃
2
3
温度差和沸腾传热系数关系
当△t继继续增加,加热表面上形成一层稳定的气膜,把液体和加热表面完全隔开。但此 时壁温较高,辐射传热的作用变得更加重要,故α再度随△t的增加而迅速增加。
化工原理 对流传热PPT
Q St
2、对流传热系数
对流传热系数a定义式： Q
St
表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。
单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。
2018/11/10
3 影响对流传热系数的因素
1.引起流动的原因 自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。 强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强 > 自 2.流体的物性
相变 > 无相变
4 对流传热系数经验关联式的建立
一、因次分析 ＝f(u，l，，，cp，，gt) 式中 l——特性尺寸； u——特征流速。 基本因次：长度L，时间T，质量M，温度 变量总数：8个
由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。
Nu C Re Pr Gr
a k
2018/11/10
1、对流传热速率表达式
据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：
对流传热推动力 系数 推动力 对流传热速率 对流传热阻力 推动力：壁面和流体间的温度差
阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。 对流传热速率方程可以表示为：
T Tw dQ 1 dS
2018/11/10
2018/11/10
二、实验安排及结果整理 以强制湍流为例：Nu＝CReaPrk 1．采用不同Pr的流体，固定Re
Nu
k
lgNu＝klgPr＋lgCRea
双对数坐标系得一直线，斜率为k 2．不同Pr的流体在不同的Re下 lgNu/Prk＝algRe＋lgC 双对数坐标系中得一直线 斜率为a，截距为C
强化措施： • u,u0.8 • d, 1/d0.2 • 流体物性的影响，选大的流体
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对于换热器的微元面积dS，其热量衡算式
可表示为 dQ W hdIhW cdIc
对于整个换热器，其热量衡算式为 Q T W h ( I h 1 I h 2 ) W c (I c 2 I c 1 )
热平衡方程
若换热器中两流体无相变化，且流体的比热 容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时
Q TW hcp h(T 1T 2)W ccp c(t2t1)
流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到
α达到基本稳定的这一段距离称为进口段。
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介 4.3.3 保温层的临界直径
4.3.3 保温层的临界直径
通常，热损失 随保温层厚度的增 加而减少。但是在 小直径圆管外包扎 性能不良的保温材 料，随保温层厚度 增加，可能反而使 热损失增大。
化工流体流动与传 热 对流传热概述
4.3 对流传热概述
流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同) 时的传热过程称为对流传热。
根据流体在传热过程中的状态：
流体无相变的 ①强制对流传热
对流传热
②自然对流传热
流体有相变的 对流传热
①蒸气冷凝 ②液体沸腾
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数
dQ1 T/ T dw STTwdS
微分对流 传热通量
局部对流 传热系数
温度差
1. 对流传热速率方程
换热器的传热面积有不同的表示方法，可 以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体 在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流 动，则对流传热速率方程式可分别表示为
dQiTTwdSi
dQotwtdSo
4.3 对流传热概述
传热方式
层流内层 热传导
湍流边界层
缓冲层
热传导和涡流传热
湍流核心 涡流传热
1. 对流传热分析
湍流边界层
层流内层 缓冲层 湍流Βιβλιοθήκη 心温度梯度 较大 居中 较小
热阻 较大 居中 较小
1. 对流传热分析
对流传热是集热对流和热传导于一体的综 合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层， 因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的 主要途径。
do>2λ/α下，增加保温层的厚度才使热损失减少。
4.3.3 保温层的临界直径
dc
图4-15 保温层的临界直径
第 4 章 传热
4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 传热过程计算
4.4.1 热量衡算
热平衡方程
假设换热器的热损失可忽略，则单位时间 内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介
1. 对流传热分析
对流传热
1. 对流传热分析
对流传热是 借流体质点的移 动和混合而完成 的，因此对流传 热与流体流动状 况密切相关。
图4-13 对流传热的温度分布情况
1. 对流传热分析
当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作 用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界层， 边界层内存在速度梯度。
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数
1. 对流传热速率方程 2. 对流传热系数
2. 对流传热系数
牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即
Q St
对流传热系数在数值上等于单位温度差下、 单位传热面积的对流传热速率，其单位为 W/(m2·℃)。它反映了对流传热的快慢，α愈大表 示对流传热愈快。表4-5列出了几种对流传热情况 下α的数值范围。
近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。
热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而 影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定
时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而α就
愈大。反之，则相反。
2. 热边界层
流体在管内流动时，热边界层的发展过程也 和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开 始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管 子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径， 此时称为充分发展流动。
4.3.3 保温层的临界直径
热损失可表示为
Q总 总 推 阻 动 力 力 R t1 1 tR f22π1 Llnt1rro i tf2πr1 oL
式中R1为保温层的热传导热阻，R2为保温层外 壁与空气的对流传热热阻。
当保温层厚度增加(即ri不变，ro增大)时，热 阻R1虽然增大，但是热阻R2反而下降，因此有 可能使总热阻(R1+R2)下降，导致热损失增大。
2. 热边界层
热边界层
靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义 为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的 温度基本上相同，即温度梯度可视为零。
2. 热边界层
o
图 4-14 平板上的热边界层
2. 热边界层
若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传 导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即
dQ dS(ddyt )w
若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸 气冷凝时
Q TW hrW ccpc(t2t1)
热平衡方程
当冷凝液的温度低于饱和温度时
Q T W h [ r c p h ( T s T 2 ) ] W c c p c ( t2 t 1 )
1. 对流传热速率方程
1. 对流传热速率方程
对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传 热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又 有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的， 目前工程上仍按下述的半经验方法处理。
对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力 =系数×推动力
1. 对流传热速率方程
对流传热速率可由牛顿冷却定律描述
紧靠壁面处 薄层流体的
温度梯度
2. 热边界层
根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传 热速率方程为
dQ1T(dTSw)(TTw)dS
换热器任一截 面上热流体的
平均温度
换热器任一截 面上与热流体 相接触一侧的
壁温
2. 热边界层
因此有 T Tw(d dy t)w t(d dy t)w
上式为对流传热系数的另一定义式，该式表 明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附
4.3.3 保温层的临界直径
解得一个Q为最大值时的临界半径
dQ dro
2πLt1
tf
lnro / ri
1
ro
1
ro2
1
ro
2
0
整理得 ro /
4.3.3 保温层的临界直径
习惯上以rc表示Q最大时的临界半径，故
rc /
或
dc 2/
dc为保温层的临界直径。若保温层的外径小于dc ， 则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在
可表示为 dQ W hdIhW cdIc
对于整个换热器，其热量衡算式为 Q T W h ( I h 1 I h 2 ) W c (I c 2 I c 1 )
热平衡方程
若换热器中两流体无相变化，且流体的比热 容不随温度而变或可取平均温度下的比热容时
Q TW hcp h(T 1T 2)W ccp c(t2t1)
流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到
α达到基本稳定的这一段距离称为进口段。
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介 4.3.3 保温层的临界直径
4.3.3 保温层的临界直径
通常，热损失 随保温层厚度的增 加而减少。但是在 小直径圆管外包扎 性能不良的保温材 料，随保温层厚度 增加，可能反而使 热损失增大。
化工流体流动与传 热 对流传热概述
4.3 对流传热概述
流体流过固体壁面(流体温度与壁面温度不同) 时的传热过程称为对流传热。
根据流体在传热过程中的状态：
流体无相变的 ①强制对流传热
对流传热
②自然对流传热
流体有相变的 对流传热
①蒸气冷凝 ②液体沸腾
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数
dQ1 T/ T dw STTwdS
微分对流 传热通量
局部对流 传热系数
温度差
1. 对流传热速率方程
换热器的传热面积有不同的表示方法，可 以是管内侧或管外侧表面积。例如，若热流体 在换热器的管内流动，冷流体在管间(环隙)流 动，则对流传热速率方程式可分别表示为
dQiTTwdSi
dQotwtdSo
4.3 对流传热概述
传热方式
层流内层 热传导
湍流边界层
缓冲层
热传导和涡流传热
湍流核心 涡流传热
1. 对流传热分析
湍流边界层
层流内层 缓冲层 湍流Βιβλιοθήκη 心温度梯度 较大 居中 较小
热阻 较大 居中 较小
1. 对流传热分析
对流传热是集热对流和热传导于一体的综 合现象。对流传热的热阻主要集中在层流内层， 因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的 主要途径。
do>2λ/α下，增加保温层的厚度才使热损失减少。
4.3.3 保温层的临界直径
dc
图4-15 保温层的临界直径
第 4 章 传热
4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 传热过程计算
4.4.1 热量衡算
热平衡方程
假设换热器的热损失可忽略，则单位时间 内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。
4.3 对流传热概述
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数 4.3.2 对流传热机理简介
1. 对流传热分析
对流传热
1. 对流传热分析
对流传热是 借流体质点的移 动和混合而完成 的，因此对流传 热与流体流动状 况密切相关。
图4-13 对流传热的温度分布情况
1. 对流传热分析
当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作 用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界层， 边界层内存在速度梯度。
4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数
1. 对流传热速率方程 2. 对流传热系数
2. 对流传热系数
牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即
Q St
对流传热系数在数值上等于单位温度差下、 单位传热面积的对流传热速率，其单位为 W/(m2·℃)。它反映了对流传热的快慢，α愈大表 示对流传热愈快。表4-5列出了几种对流传热情况 下α的数值范围。
近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。
热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而 影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定
时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而α就
愈大。反之，则相反。
2. 热边界层
流体在管内流动时，热边界层的发展过程也 和流动边界层相似。流体进入管口后，边界层开 始沿管长而增厚;在距管入口一定距离处，于管 子中心相汇合，边界层厚度即等于管子的半径， 此时称为充分发展流动。
4.3.3 保温层的临界直径
热损失可表示为
Q总 总 推 阻 动 力 力 R t1 1 tR f22π1 Llnt1rro i tf2πr1 oL
式中R1为保温层的热传导热阻，R2为保温层外 壁与空气的对流传热热阻。
当保温层厚度增加(即ri不变，ro增大)时，热 阻R1虽然增大，但是热阻R2反而下降，因此有 可能使总热阻(R1+R2)下降，导致热损失增大。
2. 热边界层
热边界层
靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义 为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的 温度基本上相同，即温度梯度可视为零。
2. 热边界层
o
图 4-14 平板上的热边界层
2. 热边界层
若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传 导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即
dQ dS(ddyt )w
若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸 气冷凝时
Q TW hrW ccpc(t2t1)
热平衡方程
当冷凝液的温度低于饱和温度时
Q T W h [ r c p h ( T s T 2 ) ] W c c p c ( t2 t 1 )
1. 对流传热速率方程
1. 对流传热速率方程
对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传 热速率的因素很多，而且不同的对流传热情况又 有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的， 目前工程上仍按下述的半经验方法处理。
对流传热速率=对流传热推动力/对流传热阻力 =系数×推动力
1. 对流传热速率方程
对流传热速率可由牛顿冷却定律描述
紧靠壁面处 薄层流体的
温度梯度
2. 热边界层
根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传 热速率方程为
dQ1T(dTSw)(TTw)dS
换热器任一截 面上热流体的
平均温度
换热器任一截 面上与热流体 相接触一侧的
壁温
2. 热边界层
因此有 T Tw(d dy t)w t(d dy t)w
上式为对流传热系数的另一定义式，该式表 明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附
4.3.3 保温层的临界直径
解得一个Q为最大值时的临界半径
dQ dro
2πLt1
tf
lnro / ri
1
ro
1
ro2
1
ro
2
0
整理得 ro /
4.3.3 保温层的临界直径
习惯上以rc表示Q最大时的临界半径，故
rc /
或
dc 2/
dc为保温层的临界直径。若保温层的外径小于dc ， 则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在