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1、1,第 4 章 传热,4.1 概述,4.2 热传导,4.3 对流传热概述,2,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。,流体无相变的对流传热,强制对流传热 自然对流传热,流体有相变的对流传热,蒸气冷凝 液体沸腾,4.3 对流传热概述,根据流体在传热过程中的状态：,3,4.3 对流传热概述,1. 对流传热速率方程,4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数,4,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。,1. 对流传热速率方程,对流传热速率=对流传热推动
2、力/对流传热阻力 =系数推动力,5,对流传热速率可由牛顿冷却定律描述,温度差,局部对流传热系数,微分对流传热通量,1. 对流传热速率方程,6,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,1. 对流传热速率方程,7,4.3 对流传热概述,1. 对流传热速率方程,4.3.1 对流传热速率方程和对流传热系数,2. 对流传热系数,8,2. 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,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
3、流传热的快慢，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的数值范围。,9,4.3 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,10,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。,对流传热,图4-13 对流传热的温度分布情况,1. 对流传热分析,11,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。,层流内层 缓冲层 湍流核心,湍流边界层,传热方式 热传导 热传导和涡流传热 涡流传热,1. 对流传热分析,12,层流内层 缓冲层 湍流核
4、心,湍流边界层,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,13,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。,1. 对流传热分析,14,2. 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。,热边界层,15,图 4-14 平板上的热边界层,o,2. 热边界层,16,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,紧靠壁面处薄层流体的温度梯度,2. 热边界层,17,根据牛顿冷却定律，
5、流体和壁面间的对流传热速率方程为,换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温,换热器任一截面上热流体的平均温度,2. 热边界层,18,因此有,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，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得。 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，因而就愈大。反之，则相反。,2. 热边界层,19,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
6、称为充分发展流动。 流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到达到基本稳定的这一段距离称为进口段。,2. 热边界层,20,4.3 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,21,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。,4.3.3 保温层的临界直径,22,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
7、，导致热损失增大。,热损失可表示为,4.3.3 保温层的临界直径,23,解得一个Q为最大值时的临界半径,整理得,4.3.3 保温层的临界直径,24,习惯上以rc表示Q最大时的临界半径，故,或,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do2/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,25,图4-15 保温层的临界直径,dc,4.3.3 保温层的临界直径,26,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,27,假设换热器的热损失可忽略，则单位时间内热流
8、体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 对于换热器的微元面积dS，其热量衡算式可表示为,对于整个换热器，其热量衡算式为,热平衡方程,28,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,若换热器中的热流体有相变化，例如饱和蒸气冷凝时,热平衡方程,29,当冷凝液的温度低于饱和温度时,热平衡方程,30,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,4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数,31,通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即,1.总传热速率微
9、分方程,32,总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。,总传热速率微分方程,1.总传热速率微分方程,33,显然有,管内径,管外径,平均管径,工程上大多以外表面积为基准，故后面讨论中，除非特别说明，都是基于外表面积的总传热系数。,1.总传热速率微分方程,34,2. 总传热系数,1.总传热系数的计算 总传热系数(简称传热系数)K是评价换热器性能的一个重要参数，又是换热器的传热计算所需的基本数据。 K的数值与流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等诸多因素有关，因此K值的变动范围较大。 K值的来源：K值的计算；实验查定；经验数据。,35,两流体通过管
10、壁的传热包括以下过程: 热流体在流动过程中将热量传给管壁的对 流传热； 通过管壁的热传导； 管壁与流动中的冷流体之间的对流传热。,2. 总传热系数,36,对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即,或,2. 总传热系数,37,移项后相加，得,2. 总传热系数,38,比较,2. 总传热系数,39,基于管内表面积的 局部总传热系数,基于平均表面积的 局部总传热系数,基于管外表面积的 局部总传热系数,得,2. 总传热系数,40,设计中应考虑污垢热阻的影响，即,管壁外表面污垢热阻,管壁内表面污垢热阻,总传热系数计算式,某些常见流体的污垢热阻的经验值可查附录。,污垢热阻(又称污垢系数),2. 总传
11、热系数,41,提高总传热系数途径的分析,总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻,壁阻,总热阻,管内热阻,管内垢阻,管外垢阻,管外热阻,2. 总传热系数,42,若传热面为平壁或薄管壁，则,当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时,若,管壁外侧对流传热控制,，则,2. 总传热系数,43,管壁内侧对流传热控制,若,管壁内、外侧对流传热控制,相当,若管壁两侧对流传热热阻很小，而污垢热阻很大,污垢热阻控制,2. 总传热系数,44,欲提高K值，强化传热，最有效的办法是减小控制热阻。,K值总是接近且永远小于 中的小者。 当两侧对流传热系数相差较大时，K近似等于 中小者。,2. 总传热系数,45,2.K的
12、实验查定,对现有的换热器，通过实验测取有关的数据，如流体的流量和温度等，然后用总传热速率方程式计算得到K值。 实测的K值不仅可以为换热器的设计提供依据，而且可以了解换热器的性能，从而寻求提高设备传热能力的途径。,2. 总传热系数,46,3.总传热系数的经验值,某些情况下管壳式换热器的总传热系数K的经验值列于表4-6。 从表4-6可看出，通常经验值的范围较大，设计时可根据实际情况选取中间的某一数值。若为降低操作费，可选较小的K值；若为降低设备费，可选较大的K值。,2. 总传热系数,47,练 习 题 目,思考题,1.牛顿冷却定律的形式及其物理意义； 2. 对流传热系数的物理意义； 3.热边界层的概念及其对于传热的影响； 4. 保温层临近直径的概念。,
