第五章传热
传热学 第五章 对流传热
思路：
定性地分析对流传热的影响因素
深入讨论对流传热过程的数学描述 导出边界层问题的简化方程
给出相应的求解方法
3
2. 对流传热的特点 (1) 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 (2) 流固之间存在温差 (3) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动 (4) 由于流体的粘性，受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面处会 形成速度梯度很大的边界层
自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差所产生的 浮升力所推动的流动
5
(2) 流动状态
层流：（Laminar flow ）流体微团沿主流方向做有规则的 分层运动，整个流场呈一簇互相平行的流线
湍流：（Turbulent flow ）流体质点做复杂无规则的运动，
流体各部分之间发生剧烈的混合。
(3) 流体有无相变
15
2. 动量守恒方程
牛顿第二运动定律: 作用在微元体上各外力的总和等于控制体中流体动量的变化率
F = ma
作用力：体积力（重力、离心力、电磁力） 表面力：切应力、z应力
16
应力形式的运动微分方程：
（1）
牛顿流体的本构关系：
1）达朗伯原理——两相邻正交截面上的剪切力互等 2）斯托克斯三假设
a) 流体各向同性，任一质点在的各个方向上物理性质都相同 b) 应力分量与变形速度成正比 c) 变形速度为零：切应力为零，法向应力为流体静压强 P
Note: 第三类边界条件中的h为已知量
12
§5-2 对流传热问题的数学描述
为便于分析，以二维对流传热问题为研究对象： 假设：a) 流体为连续性介质 b) 流体为不可压缩的牛顿流体
c) 所有物性参数（?、cp、?、? ）为常量 d) 粘性耗散热忽略不计 控制变量：速度 u、v；压力 p；温度 t 控制方程：连续性方程、动量方程、能量方程
《食品工程原理》第五章 传热
传热
Heat Transfer
第一节 传热概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热交换 第五节 辐射传热
.
第一节 传热概述
5-1 传热的基本概念
1.传热基本方式
（1）热传导（conduction）
当物体内部或两直接接触的物体间有温度差时， 温度较高处的分子与相邻分子碰撞，并将能量的 一部分传给后者。
G P r 6 r .1 2 6 0 0 6 .4 7 .0 1 4 60 3
查表5-3 a = 0.53, m = 1/4
Nu=a(Pr·Gr)m
N u aL 0. 5(3 4 .1 460 )3 1/ 424.3 λ
αN λ u 24 0.3 .0 7 3.04 W 512/K (m ) L 0.1
δ1
δ2
.
本次习题
p.195
2. 5.
.
5-4 通过圆筒壁的稳态导热
5.4A 通过单层圆筒壁的稳态导热
Φλ2πrLdT
dr
Φ 2π
r2
Lr1
drλT2
r
T1
dT
Φ
2πLλ
lnr2 (T1
T2
)
r1
令
rmΦ rl2n2δ π rr12r1 m/rLλ T1T δln2rr12r2rδrm1
令 Am 2π rm L
.
M 3 Θ 1 L 1 a L T b M T 1 T 1 c M 3 Θ L 1 d M 3 L e L 2 T 2 Θ 1 f L L T 2 g
按因次一致性原则
对质量M 1 = c + d + e 对长度L 0 = a + b – c + d – 3e + 2f + g
循环流化床锅炉原理-第五章-传热
Deg
Tc1 =1+F L
L和Deg为稀相区的高度和截面直径
c=1.1 ，F=1.4，L/Deg>50时c1 =1
3.辐射换热系数计算公式
1 h rad＝ －1 (Ta－Tb ) eb ＋ew－1－ 1
第一节 密相区传热
循环流化床下部密相区与受热面间的传热机理 影响传热的各种因素
循环流化床下部 密相区与受热面 间的传热机理
(一)三个控制传热过程的因素
h=hgc +hpc +hrad
1．气体对流传热系数 2．辐射传热系数
hgc
hrad
3
. 颗粒对流传热系数 hpc
循环流化床下部 密相区与受热面 间的传热机理
循环流化床锅炉-传热
传热系统
密相区传热
稀相区传热 传热机理模型 传质
传热系数的准确性，对于循环流化床锅炉的设计、制造和运 行可靠性、安全性均起着举足轻重的作用。在锅炉设计中， 传热系数决定着受热面的布置、数量及结构，如果传热系数 选取不当，就难以达到稳定燃烧和最佳经济效益，甚至出现 受热面损坏的现象。与传统流化床一样，在循环流化床中存 在各种不同的传热过程： 1)颗粒与气流之间的传热(床内颗粒与床内气流)； 2)颗粒与颗粒之间的传热； 3)整个气固多相流与受热表面(包括壁面与悬吊在床内的 表面)之间的传热， 4)气固多相流与入床气流之间的传热。
s 为颗粒的导热率；dp为颗粒平均直 区颗粒密度； p和 g 径；cp和cg分别为颗粒和气体的定压比热容； 分别为颗粒和气体的密度；ut为截面平均流化速度； g0 为稀相区和密相区交界处的气体换热公式。
食品工程原理-冯骉-第五章传热
保温层厚度增加时，r0增加，R1↑，但R2↓（传热面积
机理： 自然对流——流体密度不同引起流动。
强制对流——由外力推动流体流动。
传热定律： Q=SaDt
或：
Q Dt 1
Sa
热对流的推动力：温度差Dt 热对流的热阻： R=1/Sa
三、热辐射
两个温度不同、互不接触的物体，依靠本身向外发射辐射能和
吸收外界投射到本身上的辐射能来实现热量的传递的过程。
特点：（1）不依靠任何介质；（2）任何温度下的物体均
发射辐射能，但能量大小不同。
黑体热辐射定律： 热辐射的推动力： 热辐射的阻力：
Q=s0(T14-T24)
（T14-T24）
1/s0
四、实际的传热过程
实际的传热问题往往是上述三种传热方式的组合。 以间壁式热交换器为例，参与热交换的冷热流体被一固体 壁隔开。这时，热冷流体之间的热量传递过程是： （1）热流体与所接触的固体壁面之间进行对流传热； （2）高温的固体表面向低温的固体表面的热传导； （3）固体壁面与其接触的冷流体之间的对流传热。
2
解出
t 1072 7.41104 1.49107 x
（二）多层平壁的稳定热传导
b1 b2 b3
设（1）各层均为均匀材料， l为常数；
（2）各层接触良好； （3）各层面积相同； （4）稳态传热。
由（4）Q1=Q2=Q3=Q 且 t1>t2>t3>t4
t t1
即
l1 S
b1
t1
t2
l2 S
b2
[例5-3]有一燃烧炉，炉壁由三层材料组成，最内层是耐火砖， 中间保温砖，最外层为建筑砖，已知：耐火砖b1=150mm，
l1=1.06W/(m.K)；保温砖b2=300mm，l 2=0.15W/(m.K)； 建筑砖b3=240mm，l3=0.69W/(m.K)。今测得炉膛内壁温度
第五章 传热—— 辐射传热
基本概念 热射线也服从反射和折射定律。 当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时，一部分被 物体吸收(QA),一部分被反射 (QR), 一部分透过物体(QD)。 根据能量守恒定律：
Q QR
QA QR QD Q
Q A QR QD 1 Q Q Q
QA QD
A R D 1
C0 1 S1 1 1 S 1 2 2
4
5
物体2恰好包住 物体1，S1≈S2
界于3、4两种情 况之间
S1
S1
1
1
高温设备的热损失 对流损失热量：
热损失为对流和辐射传热量之和
QC C Sw tw t
辐射损失热量(牛顿冷却定律的形式)： QR R Sw tw t
长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力 减退、提前衰老、心率失常、视力下降、听力下降、血压异常、 皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能力下降、 妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。 随着人们生活水平的日益提高，电视、电脑、微波炉、电热毯、 电冰箱等家用电器还有手机等越来越普及，电磁波辐射对人体的 伤害越来越严重。但由于电磁波是看不见，摸不着，感觉不到， 且其伤害是缓慢、隐性的，所以尚未引起人们的广泛注意。家用 电器尽量勿摆放于卧室，也不宜集中摆放或同时使用。 看电视勿持续超过3小时，并与屏幕保持3米以上的距离；关机 后立即远离电视机，并开窗通风换气，以洗面奶或香皂等洗脸。 用手机通话时间不宜超过3分钟，通话次数不宜多。尽量在接 通1一2秒钟之后再移至面部通话，这样可减少手机电磁波对人体 的辐射危害。 具有防电磁波辐射危害的食物有：绿茶、海带、海藻、裙菜、 Va、Vc、Vb1、卵磷脂、猪血、牛奶、甲鱼、蟹等动物性优质蛋 白等。
第五章 传热
液体被加热时，(/w)0.14=1.05，液体被冷却时，(/w)0.14=0.95
16
2. 圆直管强制滞流
Nu=1.86(RePrdi/l)1/3(/w)0.14 定性温度、定性尺寸和 (/w)0.14的处理同上 3. 圆直管过渡流
先按湍流计算，然后乘以校正因数
j=1-6×105/Re1.8<1
流体垂直流过单管时表面传热系数的变化
19
Nu=CRenPr0.4
Re 50~80 80~5000 ≥5000 C 0.93 0.715 0.226 n 0.4 0.46 0.6
2. 流体垂直流过管束 Nu=CeRenPr0.4 C、e、n的值由下表确定：
20
列序 1 2 3 4
直列 n 0.6 0.65 0.65 0.65
2
Pr
c p l
三、流体无相变对流表面传热系数的关联式
（一）流体在管内强制对流时的对流传热系数 1．流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 Nu=0.023Re0.8Prn 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径 流体被加热时，n=0.4 流体被冷却时，n=0.3 对高粘度流体（粘度大于水粘度的2倍），用： Nu=0.027Re0.8Pr1/3(/w)0.14 定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定性尺寸：管内径
E Et
Et：透过的能量
E：被反射的能量
33
由能量衡算：
Ea E Et E
Ea E
E E
Et E
1
a t 1
几种物体的定义：
黑体
镜体
a=1 =0 t=0 →例:黑煤a=0.97
a=0 =1 t=0 →例:磨光的铜镜面=0.97 t=0 a+=1
《传热学》资料第五章传热过程与传热器
《传热学》资料第五章传热过程与传热器一、名词解释1．传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程.2．复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程.3．污垢系数:单位面积的污垢热阻.4．肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比.5．顺流:两种流体平行流动且方向相同6．逆流: 两种流体平行流动且方向相反7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比.8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径.二、填空题1．与的综合过程称为复合传热。
(对流传热，辐射传热)2．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为20 W／(m2．K)，对流传热系数为40 W／(m2．K)，其复合传热系数为。
(60W／(m2．K))3．肋化系数是指与之比。
(加肋后的总换热面积,未加肋时的换热面积)4．一传热过程的热流密度q＝1．8kW／m2，冷、热流体间的温差为30℃，则传热系数为，单位面积的总传热热阻为。
(60W／(m2．K)，0．017(m2.K)／W)5．一传热过程的温压为20℃，热流量为lkW，则其热阻为。
(0．02K／W)6．已知一厚为30mm的平壁，热流体侧的传热系数为100 W／(m2．K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2．K)，平壁材料的导热系数为0．2W／(m·K)，则该平壁传热过程的传热系数为。
(6．1W／(m2．K))7．在一维稳态传热过程中，每个传热环节的热阻分别是0．01K／W、0．35K／W和0．009lK ／W，在热阻为的传热环节上采取强化传热措施效果最好。
(0．35K／W)8．某一厚20mm的平壁传热过程的传热系数为45W／(m2．K)，热流体侧的传热系数为70W／(m2K)，冷流体侧的传热系数为200W／(m2．K)，则该平壁的导热系数为。
第五章-传热学
t w = f ( x, y , z , τ )
如果t 常数，则称为等壁温边界条件 如果 w=常数，则称为等壁温边界条件。 等壁温边界条件。
12
第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律 第二类边界条件给出边界上的热流密度分布规律： 给出边界上的热流密度分布规律：
qw = f ( x, y , z , τ )
8
单位时间内微元体热力学能的增加为 单位时间内微元体热力学能的增加为
dU Φλ + Φh = 于是根据微元体的能量守恒 dτ ( ut ) ( vt ) 2t 2t 可得 λ 2 + 2 dxdy ρ c p x + y dxdy x y t = ρcp dxdy τ t t t u v 2t 2t +v +t + ρcp + u = λ 2 + 2 x y x y x y τ
4
按照牛顿冷却公式
t q x = hx ( tw tf ) x= λ y w,x
hx =
qx
( tw tf ) x
λ
t y w, x
如果热流密度、 表面传热系数、 如果热流密度 、 表面传热系数 、 温度梯度及温差 都取整个壁面的平均值， 都取整个壁面的平均值，则有 λ t h= tw tf y w 上面两式建立了对流换热表面传热系数与温度场 之间的关系。 而流体的温度场又和速度场密切相关， 之间的关系 。 而流体的温度场又和速度场密切相关 ， 所以对流换热的数学模型应该包括描写速度场和温度 场的微分方程。 场的微分方程。 5
dU t = ρcp dxdy τ dτ
t t t 2t 2t ρcp + u +v = λ x 2 + y 2 x y τ
化工原理第五章传热过程计算与换热器
5.4 传热效率和传热单元数
• 当传热系数K和比热cpc为常数时，积分上式可得
• 式中NTUc（Number of Transfer Unit）称为对冷流体而言的传热单 元数，Dtm为换热器的对数平均温差。
• 同理，以热流体为基准的传热单元数可表 示
• 在换热器中，传热单元数定义 为
5.4 传热效率和传热单元数
• 2．由选定的换热器型式计算传热系数K；
• 3．由规定的冷、热流体进出口温度计算参数e、CR； • 4．由计算的e、CR值确定NTU。由选定的流动排布型
式查取e—NTU算图。可能需由e—NTU关系反复计算 NTU；
• 5．计算所需的传热面积
。
5.5 换热器计算的设计型和操作型问题
• 例5-2 一列管式换热器中，苯在换热器的管内 流动，流量为1.25 kg/s，由80℃冷却至30℃； 冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温 度为20℃，出口温度不超过50℃。若已知换热 器的传热系数为470 W/（m2·℃），苯的平均 比热为1900 J/（kg·℃）。若忽略换热器的散 热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效 率—传热单元数法计算所需要的传热面积。
• 如图5-4所示，按照冷、热流 体之间的相对流动方向，流体之 间作垂直交叉的流动，称为错流 ；如一流体只沿一个方向流动， 而另一流体反复地折流，使两侧 流体间并流和逆流交替出现，这
种情况称为简单折流。
•图 P2
•55
5.3 传热过程的平均温差计算
•通常采用图算法，分三步： •① 先按逆流计算对数平均温差Dtm逆； •② 求出平均温差校正系数φ；
•查图 φ
•③ 计算平均传热温差： • 平均温差校正系数 φ <1，这是由于在列管式换热器内增设了
传热学第5章
w
•t — 热边界层厚度 •与t 不一定相等
•边界层的传热特性： •在层流边界层内垂直于壁面方向上的热量传递主要依 靠导热。湍流边界层的主要热阻为层流底层的导热热阻 。
1对流换热
•层流：温度呈抛物线分 布•湍流：温度呈幂函数分 布
•湍流边界层贴壁处的温度 梯度明显大于层流
•故：湍流换热比层流换热强！
•边界层内：平均速度梯度很大；
•
y=0处的速度梯度最大
6对流换热
•由牛顿粘性定律：
•速度梯度大，粘滞应力大
•边界层外： u 在 y 方向不变化， u/y=0
•粘滞应力为零 — 主流区
•流场可以划分为两个区： •边界层区：N-S方程
•主流区： u/y=0，=0；无粘性理想流体；
•
欧拉方程
•——边界层概念的基本思想
•强迫对流换热 •自然对流换热
7对流换热
•
(2) 流动的状态 •层流 •：主要靠分子扩散（即导热）。
•湍流 •：湍流比层流对流换热强烈
•
(3) 流体有无相变
•沸腾换热 •凝结换热
8对流换热
• (4) 流体的物理性质
• 1）热导率，W/(mK)， 愈大，对流换热愈强烈；
• 2）密度，kg/m3 • 3）比热容c，J/(kgK)。c反映单位体积流体热容
• 与 t 的关系：分别反映流体分子和流体微团的动量
•
和热量扩散的深度
•普朗特数
2对流换热
•综上所述，边界层具有以下特征：
•( • a) (b) 流场划分为边界层区和主流区。
•流动边界层：速度梯度较大，动量扩散主要区域。
•热边界层：温度梯度较大，热量扩散的主要区域
• (c) 流态：边界层分为层流边界层和湍流边界层 。湍流边界层分为层流底层、缓冲层与湍流核心。
化工原理第五章传热
第五章传热一、基本知识1. 下列关于传热与温度的讨论中正确的是。
①绝热物系温度不发生变化②恒温物体与外界（环境）无热能交换③温度变化物体的焓值一定改变④物体的焓值改变，其温度一定发生了变化2. 下列关于温度梯度的论断中错误的是。
①温度梯度决定于温度场中的温度分布②温度场中存在温度梯度就一定存在热量的传递③热量传递会引起温度梯度的变化④热量是沿温度梯度的方向传递的3. 传热的目的为。
①加热或冷却②换热，以回收利用热量③保温④萃取4. 根据冷、热两流体的接触方式的不同，换热器包括（）等类型。
①直接混合式②蓄热式③间壁式④沉降式5. 热量传递的基本方式为。
①热传导（简称导热）②对流传热③热辐射④相变传热6. 下列有关导热系数论断中正确的是——。
①导热系数入是分子微观运动的一种宏观表现②导热系数入的大小是当导热温差为「C、导热距离为1m导热面积为lm2 时的导热量，故入的大小表示了该物质导热能力的大小，入愈大，导热越快③一般来说，金属的导热系数数值最大，固体非金属次之，液体较小，气体最小④大多数金属材料的导热系数随温度的升高而下降，而大多数非金属固体材料的导热系数随温度的升高而升高⑤金属液体的导热系数大于非金属液体的导热系数，非金属液体中除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而减小，一般情况下，溶液的导热系数低于纯液体的导热系数⑥气体的导数系数随温度的升高而增大，在通常压力下，导热系数与压力变化的关系很小，故工程计算中可不考虑压力的影响7. 气体的导热系数值随温度的变化趋势为。
①T升高，入增大②T升高，入减小③T升高，入可能增大或减小④T变化，入不变8. 空气、水、金属固体的导热系数分别为入l、入2、入3，其大小顺序。
①入l ＞入2＞入3 ②入l ＜入2＜入3 ③入2＞入3＞入l ④入2＜入3＜入l9. 水银、水、软木的导热系数分别为入l、入2、入3其大小顺序为。
①入l＞入2＞入3 ②入l＜入2＜入3 ③入l＞入3＞入2 ④入3＞入l＞入210. 下列比较铜、铁、熔化的铁水三种物质导热系数的大小论断中正确的是。
第五章传热
第五章传热主要内容：热量传递基础；传热过程的计算；传热设备。
重点内容：傅里叶传导定律；牛顿冷却对流传热定律；传热过程基本方程；换热器的计算；管壳式换热器的设计和选用。
难点内容：传热过程基本方程。
课时安排：20第一节概述一、传热过程由热力学第二定律可知，凡有温度差存在的地方，就必然有热量的传递。
化学工业与传热密切相关，化工生产过程中许多单元操作都需要加热和冷却。
化工生产中进行传热操作的目的——1．料液的加热和冷却，为达到反应所需的温度；2．为维持反应温度，需不断输入或输出热量；3．许多单元操作需输入或输出热量；4．化工设备的保温；5．生产过程中热能的综合利用及废热的回收。
化工生产对传热过程的要求：1．强化传热——要求传热速率高，降低设备成本；2．削弱传热——可减少热损失。
二、传热的基本方式（传热机理）传热原因——传热推动力（温度差）传热方向——在无外功输入时，由热力学第二定律，热流方向由高温处向低温处流动。
传热的三种基本方式：1．热传导——物体内部或两个直接接触物体之间的传热方式。
金属导体—自由电子运动不良导体，大部分液体—温度高的分子振动，与相邻分子碰撞，造成的动量传递。
气体—分子无规则运动热传导是静止物体内的一种传递方式，没有物质的宏观位移。
2．对流传热——是指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热仅发生在流体中，所以与流体的流动方式密切相关。
自然对流——质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮，重者沉；强制对流——质点运动是由外力作用所致。
对流传热同时伴有热传导，事实上无法将其分开——又称给热。
化工中所讨论的给热，都是指流体与固体壁面之间的传热过程——间壁式换热3．热辐射——是一种通过电磁波传递能量的过程任何物体，只要在0K 以上都能发射电磁波，而不依靠任何介质，当被另一物体接收后，又重新变为热能。
热辐射不仅是能量转移，也伴随着能量形式的转移。
三、间壁式换热1． 间壁式换热过程—由对流、导热、对流三过程串联而成（1）热流体以对流方式将热量传递到间壁一侧； （2）热量以导热方式通过间壁； （3）热量以对流方式传至冷流体。
第五章-传热学
h
' h,x
' h,y
cpuxtvytdxdy
8
单位时间内微元体热力学能的增加为
dU
d
cp
t
dxdy
于是根据微元体的能量守恒
h
dU
d
可得
2t x2
2t y2
dxdy
cpuxtvytdxdy
cp
t
dxdy
cptux tvy ttu xv y
2t x2
2t y2
2
20
cp
uxt
v t y
＝
2t x2
2t y2
1
11 1
1
2
1 1
1
2
对流换热微分方程组简化为
h t tw tf y w
u v 0 x y
简化方程组只有4个方
程，但仍含有h、u、v、 p、t 等5个未知量，方
程组不封闭。如何求解？
uuxvuy1ddpxy2u2
u t x
v t y
26
第六节 相似理论基础
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对流换 热问题的可靠方法。
相似原理回答三个问题： （1）如何安排实验？ （2）如何整理实验数据？ （3）如何推广应用实验研究结果？
一、 相似原理的主要内容
1.物理现象相似的定义 2.物理现象相似的性质 3.相似特征数之间的关系 4.物理现象相似的条件
三、解的函数形式——特征数关联式
特征数是由一些物理量组成的无量纲数，例如毕 渥数Bi和付里叶数Fo。对流换热的解也可以表示成 特征数函数的形式，称为特征数关联式。
通过对流换热微分方程的无量纲化可以导出与对 流换热有关的特征数。
化工原理第五章传热过程计算与换热器
一．恒温差传热
T
t
tm T t
t
二．变温差传热
T
t1 0
T1
t1 浙江大学0本科生课程
过程工程原理
t
并流 t
0
T1 t2
t
A0 T1
T2 t2 t2
t
逆流 t
A0 第五章 传热过程计算与换热器
A T2
A T2 t1
A
13/25
§5.2.4 tm的计算
T1 t1
以冷、热流体均无相变、逆流流动为例：
t
T
11/2t5
1 1 b 1
T
KA 1 A1 Am 2 A2
Tw tw
考虑到实际传热时间壁两侧还有污垢热
阻，则上式变为：
t
1 1
KA 1 A1
Ra1
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2 A2
浙江大学本科生课程 过程工程原理
第五章 传热过程计算与换热器
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§5.2.4 tm的计算
Q KAtm
T1
T
浙江大学本科生课程 过程工程原理
第五章 传热过程计算与换热器
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幻灯片2目录
习题课
浙江大学本科生课程 化工原理
第五章 传热过程计算与换热器
26/14
设 计 型
习题课 操作型 t1
LMTD法：
对数平均温差法
Q Ktm A
(1) T1
T2
Q mhc ph T1 T2 (2)
Q mc c pc t2 t1
浙江大学本科生课程
过程工程原理
第五章 传热过程计算与换热器
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§5.2.4 tm的计算
5传热(中职中技)
2、一杯牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什 么？
水的传热速率快些
在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动、电子的迁移传递 热量的过程--导热
热传导机理 液体：分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递 固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。 气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。
冷凝传热：排除不凝气体；阻止液膜形成减薄 液膜厚度；减少垂直方向上管排的数目。 沸腾传热：加大传热面粗糙程度；加入添加剂 （如乙醇、丙酮等）。
小结： 1.有相变时的对流传热 系数。 2.提高对流传热系数的 措施
作业：
1.蒸汽冷凝方式有
和
。
对流传热系数更大，但
冷
凝在工业上更容易控制，被经常使用。
高于0K的物质都有热辐射 物体温度↑，热辐射能力↑
三、工业生产上的换热方法
1.直接接触式换热 适用于允许两股流
体直接接触混合的场 合。
2.蓄热式换热 操作时冷、热流体交替地流过蓄热室。
3.间壁式换热 适用于两股流体间
需要进行热量交换而又 不允许直接相混的场合。
1、热力学第二定律说明传热的推动力是
的壁面直接接触。
一般换热器冷凝按膜状冷凝考虑冷凝的传热系 数一般都很大。
当蒸汽中有空气或其他不凝气体存在时，则在 壁面上生成一层气膜。由于气体热导率很小， 使传热系数明显下降。
如蒸汽中不凝性气体的含量为1%时，可降低 60%左右。因此能冷凝器装有放气阀。及时排 出不凝性气体 。
液体沸腾是指在液体的对 流传热过程中，伴有由液相 变为气相，即在液相内部产 生气泡或气膜的过程。
3.热辐射Radiation
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。 物体发射电磁波，在红外、可见光范围内具有热效应。
传热学第五章
h Atw t
以后除非特殊声明外,我们所说的对流换热系数皆指平均对流换
热系数,以 h 表示.
h(x)规律说明
Laminar region
x (x) h (x) 导热
Transition region
扰动
h(x)
Turbulent region
湍流部分的热阻很小,热阻主要集中在
粘性底层中.
2.按有无相变分
单相介质传热:对流换热时只有一种流体.
相变换热:传热过程中有相变发生.
物质有三态,固态,液态,气态或称三相.
相变换热有分为:
沸腾换热:(boiling heat transfer)物质由液态变为气态时发生 的换热.
凝结换热:(condensation heat transfer)物质由气态变为 液态时发生的换热. 熔化换热(melting heat transfer) 凝固换热(solidification heat transfer) 升华换热(sublimation heat transfer) 凝华换热（sublimation heat transfer ）
由上述分析可见,边界层控制着传热过程,故一些研究人员试图通过
破坏粘性底层来达到强化传热的目的,并取得了一些成果.
二、边界层微分方程组.
牛顿流体(Newtonian fluid),常物性,无内热源,耗散不计,稳态,
二维,略去重力.
完性分析已知：u，t，l 的量级为0(1) ， t 的量级为0(）
以此五个量为分析基础。
2.动量方程(momentum equation)
u v 0 x y
u
u
u x
v
u y
Fx
p x
第五章--传热专业知识讲座
▪ 常压下：T ↑→λ↑；
▪ 一般情况下，气体导热系数与压强无关； ▪ 气体不利于导热，利于保温，
▪当λ＜0.2 W/(m·K)时，可用作隔热材料，如保温棉、玻璃棉等；
低压气体混合物旳导热系数可由下式求得：
1
xii M i 3
m i
1
xi M i 3
i
式中，xi，Mi，λi分别为i组分旳摩尔分率，分子量及导热系数。
特点：
▪ 任何物体，只要T ＞0K，均存在辐射传热；
▪可在真空中传递，不需要任何中介； ▪ 传热过程中伴随能量形式旳转换。 ▪只有在高温下才干成为主要传热方式。
第一节 概述
传热过程中冷热流体（接触）热互换方式
（一）直接接触式和混合换热器
优点:传热效果好， 设备构造简朴， 传热效率高。
对于工艺上允许两流体相互混合旳情况
第5章 传热
Chapter 5
Heat Transfer
第5章 传热
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 热传导 对流传热 沸腾与冷凝给热 两流体间旳传热计算
第一节 概述
一、传热在石油化工中旳应用 1.原料、产品旳加热和冷却
第一节 概述
2.对设备及管线进行保温（保冷），降低热量损失。
第一节 概述
第二节 热传导
一、基本概念 1.温度场与温度梯度
温度场：任一时刻，物体各点旳温度分布情况，称为温 度场，以数学式表达如下：
T f x, y, z,
对稳定热传导过程，物体各点温度均不随时间变化，则 温度场体现式变为：
T f x, y,z
第二节 热传导
2.一维稳定热传导：温度只沿一种坐标方向变化，称为一 维稳定热传导，其数学体现式为：
第五章 传热
23
3．固体的导热系数
• 导热性能与导电性能密切相关，一般而言，良好 的导电体必然是良好的导热体，反之亦然。在所 有固体中，金属的导热性能最好。大多数金属的 导热系数随着温度的升高而降低，随着纯度的增 加而增大，也即合金比纯金属的导热系数要低。 • 非金属固体的导热系数与其组成、结构的紧密程 度及温度有关。大多数非金属固体的导热系数随 密度增加而增大；在密度一定的前提下，其导热 系数与温度呈线性关系，随温度升高而增大。 • 应予指出，在导热过程中导热体内的温度沿传热 方向发生变化，其导热系数也在变化，但在工程 计算中，为简便起见通常使用平均导热系数。
传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。 （一）热传导 热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热 运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移 的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅 发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。
在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的 传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热 过程也应属于导热的范畴。 很显然，导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的 宏观迁移。
△tm---推动力，冷热流体的平均温差。
应用：设计计算与校核计算；强化传热的途径
15
第二节 热传导
一、傅立叶定律
（一）导热的分类
由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体 内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间 上的温度分布称为温度场。 若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不稳定温 度场。可用数学表达式表示为： t = f (x, y, z, θ)
22
2．液体的导热系数
• 液体可分为金属液体（液态金属）和非金属液体。 液态金属的导热系数比一般液体的高，其中熔融 的纯纳具有较高的导热系数，大多数金属液体的 导热系数随温度的升高而降低。在非金属液体中， 水的导热系数最大。除水和甘油外，大多数非金 属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。通常 纯液体的导热系数较其溶液的要大。液体的导热 系数基本上与压强无关。
化工原理课件第五章 传热
温度场的通式
温度场的通式：
t f x, y, z,
式中： t —— 某点的温度，k；
X，y，z —— 这点的空间坐标；
θ —— 时间，s。
若在稳定温度场中， 表示式为：
t f x, y, z
稳定温度场和不稳定温度场
（1）不稳定温度场 —— 温度随时间而改变 的温度场，称为：不稳定温度场 。
称为：传热速率，用Q表示，单位：J/s， 即w（瓦）。
（三）辐射
1、辐射——是一种以电磁波传递能量的现象。 物体可以由不同原因发出辐射能。
2、热辐射——物体因热而发出辐射能的过程， 称为：热辐射radiation。
3、 只要物体的绝对温度大于 0K，便会不停地 将热量以电磁波的形式传递出去，同时也不断 地将其他物体辐射来的能量转为热量。辐射与 吸收能 量的差额转变为低温物体的热量。但 是，只有物体具有较高温度时， 辐射才为主 要形式。
传热面上不同局部面积的热通量可以不同。
3、热流量Q与热通量q的关系
式中：
q dQ dA
Q——热流量，单位为：J/s，即w（瓦） 。
q——热通量（热流密度），单位为：J/(m2·s)，即 w/m2。
A——传热面积， m2 。
热流量Q与热通量q的关系
（1）热通量q基于微元面dA，热通量q可以 用于局部地区。
1、热源——电热、饱和水蒸汽、烟道气、高 温载体等。
2、冷源——冷却水、空气、冷却盐水等。 冷却水——河水、海水、井水等。
二、传热的三种基本方式
• 1、热传导（导热） • 2、对流 • 3、辐射
（一）热传导（简称：导热）
1、热传导——热量从物体内部温度较高
的部分传递到温度较低的部分或者传递到与 之接触的另一物体的过程，称为：热传导， 简称：导热conduction。
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第五章 传热一．填空1. 传热的三种基本方式为___________ 、_____________、____________。
2. 工业上两种流体热交换的基本方式有_________、__________、__________。
3. 热流体将热量通过壁面传给冷流体的过程是______________________、_______________、________________________________。
4. 对流传热又分___________对流和___________对流。
5. 不需要任何介质的传热称为_________传热。
6. 傅立叶定律表达式为_________，负号表示_____________________。
7. 一般固体、液体和气体相比较，导热系数值的大小顺序为___________。
8. 金属的导热系数大多随其纯度的增加而_____，随其温度的升高_____。
9. 对流传热的热阻主要集中在______________，因此____________________是强化对流传热的重要途径。
10. 蒸汽冷凝有二种方式，即_____________和________________。
11. 吸收率等于1的物体称为_____________。
12. 反射率等于1的物体称为_____________。
13. 透过率等于1的物体称为_____________。
14. 能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞的所有波长范围的辐射能的物体称为_____________。
15. 灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，称为物体的_____________。
16. 用二种厚度相同的材料保温时，往往把_____________ 的材料包在内层，以达到好的保温效果。
17. ()()n e R d Pr ..023.08.0内λα=式中两个准数Re =__________，Pr=__________.若液体被冷却时n=____________。
二．选择题1. 对双层平壁的稳态导热过程，壁厚相同，各层的导热系数分别为1λ和2λ，其对应的温差分别为1t ∆和2t ∆，若1t ∆> 2t ∆，则1λ和2λ的关系为____。
A. 1λ<2λB. 1λ=2λC. 1λ>2λD. 不确定2. 物质导热系数的顺序为（ ）。
A. 金属>一般固体>液体>气体B. 一般固体>金属>液体>气体C. 液体>一般固体> 金属>气体D. 气体>液体>一般固体>金属3. 14、冷热两流体的对流给热系数α相差较大时，提高总传热系数K 值的措施是 （ ）。
A. 提高小的α值B. 提高大的α值C. 两个都同等程度提高；D. 提高大的α值，同时降低小的α值4. 关于传热糸数K 下述说法中错误的是（ ）。
A. 传热过程中总传热糸数K 实际上是个平均值；B. 总传热糸数K 随着所取的传热面不同而异；C. 总传热糸数K 可用来表示传热过程的强弱，与冷热流体的物性无关；D. 要提高K 值，应从降低最大热阻着手；5. 当换热器中冷热流体的进出口温度一定时，判断下面的说法哪一个是错误的（ ）。
A ． 逆流时，Δt m 一定大于并流、错流或折流时的Δt mB ． 采用逆流操作时可以节约热流体（或冷流体）的用量C ． 采用逆流操作可以减少所需的传热面积D．温度差校正系数φ的大小反映了流体流向接近逆流的程度。
6.物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为（）。
A．热传导 B. 热传递 C. 热放射 D. 热流动。
三、简答1．热传递有哪几种基本方式热传导、对流、辐射。
2．各种传热方式相比较，热传导的主要特点是什么在热传导中，物体各部分之间不发生相对位移。
3．各种传热方式相比较，对流的主要特点是什么对流仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移。
4．各种传热方式相比较，热辐射的主要特点是什么热辐射不需要任何介质，可以在真空中传播。
5．流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在何处热阻主要集中在紧挨固体壁面处的层流底层内。
6．强化对流传热的主要途径是什么提高流体的湍动程度，减小层流底层的厚度。
7．在一套管换热器中，若两流体的进、出口温度不变，应选择并流换热还是逆流换热为什么应选择逆流换热，因为此时的对数平均温差较大，可以节省换热面积。
8．什么是黑体吸收率等于1的物体称为黑体。
9．什么是白体反射率等于1的物体称为白体。
10．什么是透热体透过率等于1的物体称为透热体。
11．什么是灰体能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞所有波长范围的辐射能的物体称为灰体。
12．什么是物体的黑度灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比称为物体的黑度。
13．为什么内部孔隙多的材料保温效果好因为大量的孔隙中包含着导热系数非常小的气体，对导热不利，从而起到了保温的作用。
14．在强化传热的过程中，为什么要想办法提高流体的湍动程度由于对流传热的热阻主要集中在层流底层内，提高流体的湍动程度能减薄层流底层的厚度，可以提高传热效果。
15．在夏季人们为什么爱穿浅色衣服由于在阳光下浅色的衣服反射率较大，吸收的热量少，使人们不至于感觉太热。
16．虽然大气层包围着地球，但阳光仍能照射到地球表面，因为空气是透热体。
此话对吗为什么不对，只有单原子气体和对称双原子气体是透热体，而空气中的二氧化碳和水蒸气都可以部分地吸收太阳发射的辐射能。
17．间壁式换热器与混合式换热器的区别是什么间壁式换热器是由固体壁面将冷、热两种流体分开，通过固体壁面传热，而混合式换热器中则是将冷、热两种流体直接接触、混合换热。
四．计算题1. 在由118根25，长为3m 的钢管组成的列管式换热器中，用饱和水蒸汽加热空气，空气走管程。
已知加热蒸汽的温度为132.9℃，空气的质量流量为7200kg/h ，空气的进、出口温度分别20℃和60℃，操作条件下的空气比热为 kJ/(kg ℃)，空气的对流给热系数为50 W/(m 2℃)，蒸汽冷凝给热系数为8000 W/(m 2℃)，假定管壁热阻、垢层热阻及热损失可忽略不计。
试求：（1）加热空气需要的热量Q 为多少（2）以管子外表面为基准的总传热系数K 为多少（3）此换热器能否完成生产任务解：（1）()()4.802060005.13600/72001222=-⨯⨯=-=t t c w Q p kJ/s （3分）(2) 8.395002.0025.08000111111222=⨯+=+=h d d h K W/(m 2℃) （4分）(3) 8.273025.014159.31182=⨯⨯⨯=A m 2 （2分）45.919.1129.72ln 40ln 2111=-=∆∆∆-∆=∆t t t t t m ℃ （3分） 184.101J/s 10118445.918.278.3922==⨯⨯=∆=m t A K Q kJ/s ， （3分） 能够完成生产任务。
2. 外径为50mm 的不锈钢管，外包6mm 厚的玻璃纤维保温层，其外再包20mm 厚的石棉保温层，管外壁温为300C ，保温层外壁温为35C ，已知玻璃纤维和石棉的导热系数分别为(m K)和 W/(m K)，试求每米管长的热损失及玻璃纤维层和石棉层之间的界面温度。
解： ()()m W r r r r t t L Q /9.35162102ln 3.015062ln 07.01353002ln 1ln 1223212131=+-=+-=πλλπ ()m W r r t t L Q /9.351ln 1212121=-=λπ 所以 C t ︒=⨯-=128207.39.3513002π ∴ W/（ｍ·℃）3. 某单程列管式换热器，其换热管为225⨯Φ mm 的不锈钢管，管长为3m ，管数为32根。
在该换热器中，用25℃的水将壳程的110℃的某有机蒸汽冷凝成同温度的液体，该有机蒸汽的冷凝传热系数为3102.8⨯ W/(m 2·℃)。
水的流量为15000 kg/h ，平均比热容为 kJ/(kg ·℃)；管壁与水的对流传热系数为1000W/(m 2·℃)；不锈钢的导热系数为17 W/(m ·℃)。
试求：1．总传热系数o K ；2．水的出口温度。
解：1．总传热系数o Ki i o m o o o d d d d b K αλα++=113.694021.01000025.0023.017025.0002.0102.8113=⨯+⨯⨯+⨯=o K W/(m 2·℃) 2．水的出口温度2tm o o pc c t S K t t C W Q ∆=-=)(1221122121ln ln )()(t T t T t t t T t T t T t T t m ---=-----=∆ 211212ln )(t T t T t t S K t t C W oo pc c ---=- pc c oo C W S K t T t T =--21ln （1）536.73025.014.332=⨯⨯⨯==L d n S o o π m 23.01018.43600/15000536.73.6943=⨯⨯⨯=pc c o o C W S K 代入（1）式，得3.011025110ln 2=--t 解出 472=t ℃4. 直径为 60×3 mm 的钢管用30 mm 厚的软木包扎，其外又用100 mm 厚的保温灰包扎，以作为绝热层。
现测得钢管外壁面温度为 —110℃，绝热层外表面温度10℃。
已知软木和保温灰的导热系数分别为和 W/（m·℃），求每米管长的冷量损失量。
解：由圆筒壁的导热速率方程知其中 r1 = 30 mm，r2= 60 mm，r3= 160 mm∴ W/m负号表示由外界向系统内传热，即为冷量损失量。
5. 一套管式换热器管内流体的对流传热系数αi= 20 W/（m2·℃），管间流体的对流传热系数α= 350 W/（m2·℃）。
若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热系数K分别相应增加多少（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）解：原流动情况m2·℃/WK= W/ m2·℃（1）管内对流传热系数增加一倍= 2= 2×20= 40 W/ m2·℃K= W/ m2·℃（）/ = %（2）管外对流传热系数增加一倍= 2×350 = 700 W/ m2·℃K = W/ m2·℃（）/ = %6. 在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。