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1、第五章第五章 传热与传热设备传热与传热设备5.1概述概述其它设备其它设备60%传热设备传热设备40%在设计时进行合理的优在设计时进行合理的优化设计使其在满足工艺要求化设计使其在满足工艺要求的条件下投资费用最小；在的条件下投资费用最小；在操作中进行强化传热操作过操作中进行强化传热操作过程，进行最优化操作，对节程，进行最优化操作，对节省传热设备投资，节省能源省传热设备投资，节省能源有着重要的意义。有着重要的意义。5.1概述概述5.1.1传热过程的分类传热过程的分类5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式（1）直接接触式传热（混合式传热）直接接触式传热（混合式传热）热水热水
2、空气空气填料填料凉水塔示意图凉水塔示意图（2）间壁式（间接接触式）传热）间壁式（间接接触式）传热t2冷流体冷流体t1T1热流体热流体T2套管换热器中的换热套管换热器中的换热冷流体冷流体t热流体热流体T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热5.1.1.1根据冷热两种流体的接触方式根据冷热两种流体的接触方式冷流体冷流体t热流体热流体T间壁间壁Q对流给热对流给热对流给热对流给热导热导热热量由热流体靠对流传热传给金热量由热流体靠对流传热传给金属壁的一侧（对流给热）；属壁的一侧（对流给热）；热量自管壁一侧以热传导的形式热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧（导热）；传至另一侧（导热）；热量以
3、对流传热的方式从壁面的热量以对流传热的方式从壁面的另一侧传给冷流体（对流给热）。另一侧传给冷流体（对流给热）。（3）蓄热式传热）蓄热式传热冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体固体填固体填充物充物蓄热器示意图蓄热器示意图5.1.1.2根据传热的基本原理根据传热的基本原理 （1 1）热传导）热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程较低的部分或传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为称为热传导热传导，简称，简称导热导热。 （2 2）对流传热）对流传热 流体各部分质点发生相对位移而引起的流体各部
4、分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，只能发生在流体中。热量传递过程，只能发生在流体中。流体被冷却时流体被冷却时流体被加热时流体被加热时 （3 3）热辐射）热辐射 因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。射。 以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。以上三种传热方式往往是相互伴随着同时出现。5.1.2传热基本概念传热基本概念（1）传热速率）传热速率单位时间内通过传热面传递的热量单位时间内通过传热面传递的热量Q（W）；）；（2）热通量）热通量单位时间、单位传热面积上传递的热量单位时间、单位传热面积上传递的热量q（W/m2）；）；（3）非定态、定态传热过程）
5、非定态、定态传热过程t =f（x，y，z，）温度不仅与空间位置还与时间有关，）温度不仅与空间位置还与时间有关，为非定态传热；为非定态传热；t =f（x，y，z）温度只与空间位置有关与时间无关，）温度只与空间位置有关与时间无关，为定态传热。为定态传热。5.2热传导（导热热传导（导热Conduction）5.2.1傅立叶定律（傅立叶定律（Flourierslaw）（1）温度场（）温度场（Temperaturefield）物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为物体（或空间）各点温度在时空中的分布称为温度场温度场。 t =f（x，y，z，）（5-2）温度相同的点所组成的面称为温度相同的点所组成的面称
6、为等温面等温面。温度不同的等温。温度不同的等温面不可能相交，为什么？面不可能相交，为什么？nq图图5-1温度梯度与热流温度梯度与热流方向的关系方向的关系 （2）温度梯度）温度梯度两等温面的温度差两等温面的温度差t与其间的垂直距离与其间的垂直距离n之比在之比在n趋趋于零时的极限，即于零时的极限，即5.2.1傅立叶定律（傅立叶定律（Flourierslaw）（3）傅立叶定律）傅立叶定律傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因傅立叶定律是用以确定在物体各点间存在温度差时，因热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面热传导而产生的热流大小的定律。单位时间内，单位传热面积上传递的热量即
7、热通量与温度梯度成正比，积上传递的热量即热通量与温度梯度成正比，热导率，热导率，W/m传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即传热速率不仅与温度梯度成正比，还与传热面积成正比，即（5-3）5.2.2热导率热导率物理意义物理意义：温度梯度为：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的传热时，单位时间内通过单位面积的传热量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量，量，在数值上等于单位温度梯度下的热通量，越大，导热性越大，导热性能越好。能越好。（1）固体的热导率）固体的热导率纯金属：纯金属：t,;非金属：非金属：或或t,。=0（1+t）式中式中、 0固体分别在温度固体分别在温度t、273K时的
8、热导率，时的热导率，W/(m K);温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属温度系数，对大多金属材料为负值，大多非金属材材料为正值，料为正值，1/K。5.2.2热导率热导率（2）液体的热导率）液体的热导率 t,；一般纯液体一般纯液体（水和甘油除外）（水和甘油除外）的热导率比其溶液的热导的热导率比其溶液的热导率大。率大。（3）气体的气体的热导率热导率气体的气体的很小，对导热不利，但对保温有利。很小，对导热不利，但对保温有利。在相当大的压强范围内，压强对气体的在相当大的压强范围内，压强对气体的热导率热导率无明显影无明显影响。一般情况下气体响。一般情况下气体=f (t )，t,。5.2.2热导率热
9、导率固体、液体、固体、液体、气体的气体的热导率的大致范围：热导率的大致范围：金属固体金属固体非金属固体非金属固体液体液体气体气体金属固体：金属固体：101102W/(m K)；建筑材料：建筑材料：10-110W/(m K)；绝缘材料：绝缘材料：10-210-1W/(m K)；液体：液体：10-1W/(m K)；气体：气体：10-210-1W/(m K)；5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导（1）单层平壁稳定热传导）单层平壁稳定热传导一高度和宽度均很大的平壁，厚度一高度和宽度均很大的平壁，厚度为为b，两侧表面温度保持均匀恒定，分别，两侧表面温度保持均匀恒定，分别为为t1及及t2，且，且t1
10、t2，若，若t1、t2不随时间而不随时间而变，壁内的传热属于沿厚度变，壁内的传热属于沿厚度x 方向的一维方向的一维定态热传导过程（见图定态热传导过程（见图5-5）。此时傅立）。此时傅立叶定律可写成叶定律可写成txxdxt1t2图图5-5单层平壁的稳定热传导单层平壁的稳定热传导bQ积分上式积分上式5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导传热速率（单位时间通过面积传热速率（单位时间通过面积A上的传热量）为：上的传热量）为：（5-4）b或或A或或，R。上上式式为为常常数数，所所以以平平壁壁内内的的温温度度分分布布为为一一直直线线；若若导导热热系系数数与与温温度度有有关关，则则温温度度分分布布又又是
11、是怎怎样样的的？txxdxt1t2t1t2005.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导（2）多层平壁稳定热传导）多层平壁稳定热传导t2txt1t3t4图图5-7多层平壁的热传导多层平壁的热传导应用合比定律，得应用合比定律，得推广到推广到n层平壁层平壁（5-6）5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导 从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动从上式可以看出，通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻是可以加和的；力和热阻是可以加和的；总推动力等于各层推动力之和，总总推动力等于各层推动力之和，总热阻等于各层热阻之和热阻等于各层热阻之和。 此式说明，在多层壁导热过程中，此式说明，在多层壁导
12、热过程中，哪层热阻大，哪层温哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。 （5-6）5.2.3平壁的稳定热传导平壁的稳定热传导将上式写成热通量的形式为将上式写成热通量的形式为（5-6）5.2.3圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导（1）单层圆筒壁稳定热传导）单层圆筒壁稳定热传导 有有内内、外外半半径径分分别别为为r1、r2的的圆圆筒筒，内内、外外表表面面分分别别维维持持恒恒定定的的温温度度t1、t2，且且管管长长l足足够够大大，圆圆筒筒壁壁内内的的导导热热属属于于沿沿径径向向的的一一维维定定态态热热传传导导，傅傅立立叶叶定定律律可可写成写
13、成trdrt1r1r2t1t2图图5-8圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导积分积分5.2.3圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导5.2.3圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导式中式中 b =r2-r1，为圆筒壁的厚度。平均面积，为圆筒壁的厚度。平均面积Am=2lrm，而而称称为为对对数数平平均均半半径径。当当r2/r11，K1，K几乎完全取决于几乎完全取决于1。因此要提高因此要提高K值关键在于提高较小的一个值关键在于提高较小的一个值。值。5.3.5总传热系数总传热系数注：注：传传热热间间壁壁为为圆圆筒筒壁壁时时，dA1dA2dAm，存存在在基基准准问问题题，由由于于换换热热器器系系列列中中均均为为外
14、外表表面面积积A2，故故没没有有特特别别说说明明情情况况下下，均均以以外外表表面面积积为为基基准准；但但不不论论采采用用哪哪种种基基准准计计算算得得到到的传热量的传热量Q相同；相同；下下标标2代代表表管管外外，1代代表表管管内内（ms1cp1代代表表热热流流体体，ms2cp2代代表表冷冷流流体体），K与与1、2、d1、d2、Rs1、Rs2等等参参数数有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关；有关，即与间壁结构、流体性质、两侧流体的流动状况有关；在在应应用用总总传传热热速速率率方方程程时时，若若K以以外外表表面面积积为为基基准准，则则A=A2；若；若K以内表面积为基准，则以内表面积为
15、基准，则A=A1；5.3.6传热面积的计算传热面积的计算套管换热器套管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准以内表面积为基准以内表面积为基准内管外径内管外径内管内径内管内径列管换热器列管换热器以外表面积为基准以外表面积为基准以内表面积为基准以内表面积为基准传热管外径传热管外径传热管内径传热管内径总传热管数总传热管数5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7.1恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）恒温差传热（间壁两侧均为相变化传热）若若间间壁壁两两侧侧流流体体均均为为相相变变对对流流传传热热，即即饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝和和饱饱和和液液体体沸沸腾腾，如如蒸蒸发发单单元元操操作作，热
16、热流流体体在在换换热热器器中中处处处处的的温度均为温度均为T，冷流体在换热器中处处温度均为，冷流体在换热器中处处温度均为t，故：，故：5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7.2变温差传热变温差传热在在实实际际中中常常见见的的是是变变温温差差传传热热，两两流流体体在在换换热热器器中中不不同同位位置置传传热热温温度度差差t不不同同；间间壁壁两两侧侧流流体体的的流流动动形形式式各各种种各各样样，但最基本的有两种形式：逆流、并流但最基本的有两种形式：逆流、并流图图5-13两侧流体均无相变时的温度变化两侧流体均无相变时的温度变化T2T1t2t1并流并流t1t2T2T1t1t2dTdt逆
17、流逆流t2t2t1TTt1t2（a）蒸汽冷凝加热无）蒸汽冷凝加热无相变流体相变流体ttTT（b）无相变流体加热）无相变流体加热液体沸腾液体沸腾图图5-13一侧流体相变时的温度变化一侧流体相变时的温度变化5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算（1）以逆流为例导出计算平均温度差）以逆流为例导出计算平均温度差tm的通式的通式取一微元传热面取一微元传热面dA经经dA的传热速率为的传热速率为dQ = K（T-t）dA=KtdA对对dA进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）进行热量衡算（冷、热流体均无相变化）dQ = - ms1cp1dT= - ms2c
18、p2dt对整个换热器进行热量衡算对整个换热器进行热量衡算设设Q损损=0，cp1、cp2分分别别取取平平均均温温度度下下的的平平均均值值，可可以以认认为为是常数，冷、热流体均无相变化，是常数，冷、热流体均无相变化，Q = ms1cp1（T1- T2）= ms2cp2（t2-t1）5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算 导出计算导出计算tm的通式的通式5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算令令对数平均温度差，对数平均温度差，对逆流、并流及一侧流对逆流、并流及一侧流体变温的情况均适用，是计算体变温的情况均适用，是计算tm的通式的通式t1热流体进口侧的传热温差，热流体进口侧的传热温差，
19、；t2热流体出口侧的传热温差，热流体出口侧的传热温差，。传热基本方程式传热基本方程式5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算（2）讨论）讨论tm由逆流推导得出，但同样适用于并流由逆流推导得出，但同样适用于并流逆流：逆流：t1=T1-t2，t2=T2-t1并流：并流：t1=T1-t1，t2=T2t2若若max(t1,t2)/min(t1,t2)tm并并，若，若Q相同，相同，则则A逆逆A并并，所以工业换热器一般是采用逆流；，所以工业换热器一般是采用逆流；b、并流、并流t2总是总是T2，Q一定时一定时若热流体被冷却若热流体被冷却(T1T2)，则冷却剂温升，则冷却剂温升(t2-t1)逆逆(t2-
20、t1)并并，冷却剂用量冷却剂用量ms2逆逆(T1-T2)并并，加热剂用量加热剂用量ms1逆逆100即可达到湍流）。即可达到湍流）。（3）复杂折流（多管程、多壳程）复杂折流（多管程、多壳程） 实实际际上上，工工业业换换热热器器并并不不一一定定都都是是逆逆流流或或并并流流，许许多多情情况况下采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动下采用折流、错流等复杂的流动，复杂流动的的tm按下式计算按下式计算式中式中5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算讨论讨论：（1）单单管管程程改改为为多多管管程程，壳壳程程增增加加折折流流挡挡板板，虽虽然然能能提提高传热效果，但同时也增大了流动阻力；高传热效果，但同时也
21、增大了流动阻力；（2）对对一一侧侧有有相相变变的的情情况况，饱饱和和液液体体沸沸腾腾P0，R；饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝R0；由由R、P关关系系图图可可知知，=1，其其对对数数平平均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正；均推动力均按逆流计算，无需进行温差校正；（3）一一般般1，当当0.8，否否则则经经济济上上不不合合理理、操操作作温温度度略略有有变变动动，操操作作不稳定不稳定；思考思考：提高：提高的方法？的方法？5.3.7平均温度差平均温度差tm的计算的计算改用多壳程：改用多壳程：单壳程：单壳程：R=2.0，P=0.3时，时，=0.86多壳程：多壳程：R=2.0，P=0.3时，时，=0.97因此
22、，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。因此，要增大温差校正因子，可以增加壳程数。（4）若若蒸蒸汽汽冷冷凝凝于于壳壳程程，由由于于蒸蒸汽汽本本身身的的对对流流给给热热系系数数很很大大，所所以以壳壳程程安安装装挡挡板板的的距距离离比比一一般般的的换换热热器器要要大大，且挡板间应有冷凝水的排放口。且挡板间应有冷凝水的排放口。5.3.8壁温的计算壁温的计算对于稳定传热过程对于稳定传热过程热流体侧传热面积热流体侧传热面积冷流体侧传热面积冷流体侧传热面积平均传热面积平均传热面积5.4对流给热与对流给热系数对流给热与对流给热系数5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素（1）引起流动的原因：自然
23、对流和强制对流）引起流动的原因：自然对流和强制对流自自然然对对流流：流流体体内内温温度度不不同同，导导致致密密度度差差异异，热热流流体体上上升升，冷冷流流体体下下降降，由由于于流流体体温温度度不不同同而而使使流流体体流流动动的的传传热热过过程，称为自然对流给热。程，称为自然对流给热。强强制制对对流流：由由外外力力作作用用（输输送送机机械械）使使流流体体流流动动而而传传热热，称为强制对流给热。称为强制对流给热。强制对流强制对流自然对流自然对流（2）流体流动形态）流体流动形态流流体体传传热热热热阻阻主主要要集集中中在在层层流流底底层层中中。对对层层流流而而言言，整整个个流流体体均均处处于于层层流流
24、状状态态；而而湍湍流流流流体体中中只只有有层层流流底底层层处处于于层层流流状状态态；所所以以湍湍流流情情况况下下传传热热效效果果大大于于层层流流状状态态，且且湍湍动动程程度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。度越大，层流底层越薄，对流给热系数越大。湍流湍流层流层流5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素（3）流体的性质）流体的性质影影响响对对流流给给热热过过程程的的性性质质主主要要有有：比比热热、导导热热系系数数、粘粘度、密度等。度、密度等。如如粘粘度度大大，流流动动阻阻力力大大，湍湍动动程程度度差差，传传热热效效果果差差；导导热热系系数数大大，层层流流底底层层中中热热阻阻小小
25、。一一般般比比热热大大、导导热热系系数数大大、密度大、粘度小对传热有利。密度大、粘度小对传热有利。（4）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等）传热面形状、大小、位置及流通截面，是否发生相变等流流通通截截面面及及形形状状（圆圆管管、套套管管环环隙隙、翅翅片片管管、单单管管、管管束、板、弯管）束、板、弯管）管子排列方式（三角形、正方形）管子排列方式（三角形、正方形）位置（水平、垂直）位置（水平、垂直）大小（短管、长管）大小（短管、长管）相变（无相变、沸腾、冷凝）相变（无相变、沸腾、冷凝）5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素补充：自然对流环流流速补充：自然对流环流流速流
26、动的推动力为密度不同引起的静压差，则流动的推动力为密度不同引起的静压差，则液体的密度随温度变化的关系式如：液体的密度随温度变化的关系式如：紧靠壁面处密度（温度高时）紧靠壁面处密度（温度高时）T =T-T体积膨胀系数体积膨胀系数5.4.1对流给热系数的影响因素对流给热系数的影响因素自自然然对对流流的的强强弱弱与与加加热热面面的的位位置置密密切切相相关关。水水平平加加热热面面的的上上部部有有利利于于产产生生较较大大的的自自然然对对流流( (如如图图a a所所示示) )，故故房房间间采采暖暖用用的的加加热热器器应应尽尽量量放放在在下下部部；水水平平冷冷却却面面的的下下部部有有利利于于产产生生较较大大
27、的的自自然然对对流流( (如如图图b b所所示示) )，故故剧剧场场的的冷冷气气装装置置应应放放在在剧剧场场上部。上部。热平板热平板图图a水平加热面的对流情况水平加热面的对流情况冷平板冷平板图图b水平冷却面的对流情况水平冷却面的对流情况5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用（1 1）获得给热系数的方法）获得给热系数的方法分分析析法法：对对描描写写某某一一类类给给热热问问题题的的偏偏微微分分方方程程及及其其定定解解条条件件进进行行数数学学求求解解，获获得得特特定定问问题题的的温温度度场场，从从而而获获得得给给热系数和传热速率的分析解。热系数和传热速率的分析解。数数值值法法
28、：数数值值求求解解法法是是将将给给热热的的偏偏微微分分方方程程离离散散化化，用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。用代数方法进行求解而得到给热系数和给热速率的方法。实实验验法法：通通过过实实验验来来获获得得不不同同情情况况下下的的给给热热计计算算式式（常常为为关关联联式式或或经经验验式式）。为为减减少少实实验验工工作作量量，提提高高实实验验结结果果的的通通用用性性，应应当当在在量量纲纲分分析析的的指指导导下下进进行行；即即对对某某一一类类给给热热问问题题，将将影影响响给给热热系系数数的的因因素素用用量量纲纲分分析析归归纳纳成成几几个个无无量量纲纲的的特特征征数数，以以减减少少变变量
29、量数数目目，再再用用实实验验确确定定这这些些特特征征数数之之间的具体关系。间的具体关系。5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 （2 2）因次）因次分析在对流给热中的应用分析在对流给热中的应用 根根据据前前面面的的分分析析可可知知，影影响响对对流流给给热热系系数数的的因因素素有有（无无相变）：相变）： （1 1）流体物性：）流体物性：、cp（2）流动状态：）流动状态：u （3 3）传热面特征尺寸：）传热面特征尺寸：l （4 4）自自然然对对流流：Tg （视视为为一一个个变变量量，相相当当单单位位质质量量流体由于温度不同所产生的浮力）流体由于温度不同所产生的浮力） 所以对
30、流给热系数是以上七个变量的函数：所以对流给热系数是以上七个变量的函数： 令令5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 对对SISI制制基基本本量量纲纲有有七七个个，在在此此关关系系有有涉涉及及到到四四个个量量纲纲，包包括括长长度度L L、质质量量M M、时时间间T、温温度度；所所以以关关联联式式中中各各变变量量的的因次分别为：因次分别为： （Wm-2-1）（Pas）（kgm-3）（Wm-1-1）（m）（Jkg-1-1）（ms-1）（ms-2）5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用把以上因次代入关联式把以上因次代入关联式 根据因次一致性原则：根据因次
31、一致性原则： 解得：解得： 5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用令：令： 努塞尔特准数，努塞尔特准数， 反映对流与纯导热时传热反映对流与纯导热时传热能力的比值；能力的比值； 雷雷诺诺准准数数，惯惯性性力力与与粘粘性性力力的的比比值值，表表征征流流体体流流动动型型态态对对对对流流给给热热的的影影响响；强强制制对对流时影响显著，自然对流时影响微小；流时影响显著，自然对流时影响微小；5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；普朗特准数，反映流体物性对对流传热的影响；液体液体Pr1Pr1，气体，气体Pr1Pr1接近
32、接近1 1；格拉斯霍夫准数，格拉斯霍夫准数， 反映自然对流对对反映自然对流对对流传热的影响。流传热的影响。根据以上定义可以得到最终的关联式：根据以上定义可以得到最终的关联式： 讨论：讨论： 根根据据不不同同的的对对流流给给热热过过程程，由由实实验验确确定定系系数数K及及指指数数f、e、g值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等；值；如强制对流、自然对流、沸腾给热、冷凝给热等；强制对流时，强制对流时，Gr一般可忽略，即一般可忽略，即Nu=f (Re,Pr) 自然对流时，自然对流时，Re一般可忽略，即一般可忽略，即Nu=f (Pr,Gr)由由实实验验条条件件所所限限，得得到到Nu=f (Re
33、,Pr,Gr)关关联联式式应应注注意意应用范围；应用范围；5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用由由于于流流体体在在传传热热过过程程中中存存在在传传热热边边界界层层，所所以以冷冷流流体体从从t上上升升到到tW，热热流流体体从从TW降降为为T；故故对对冷冷、热热流流体体的的物物性性应应分分别别取取(t+tW)/2、(T+ TW)/2查查取取或或计计算算；当当壁壁温温的的计计算算需需要要确确定定对对流流给给热热系系数数（未未知知需需试试差差），工工程程上上为为计计算算方方便便一一般般取取流流体体主主体体的的平平均均温温度度来来查查取取或或计计算算；这这个个确确定定物物性性参
34、参数数数数值值的的温温度度称称为为定定性性温温度度。有有些些情情况况下下，定定性性温温度度不不一一定定取取进进出出口口的的平平均均温温度度，如如取取膜膜温温（进进出出口口平平均均温温度度与与壁壁温温的的平平均均值）；所以要注意关联式对定性温度的说明和要求；值）；所以要注意关联式对定性温度的说明和要求；定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，它是定性尺寸（特征尺寸）根据不同传热面而不同，它是代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的代表传热面几何特征的长度量，是直接影响对流给热过程的几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管定几何尺寸；如大空间内加热面垂直高度为定性尺寸，圆管
35、定性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径；性尺寸为直径，非圆管定性尺寸为当量直径； Nu=f (Re,Pr,Gr)适用于无相变的对流给热。适用于无相变的对流给热。 5.4.2因次分析在对流给热中的应用因次分析在对流给热中的应用 总总之之，对对流流传传热热是是流流体体主主体体中中的的对对流流和和层层流流底底层层中中的的热热传传导导的的复复合合现现象象。任任何何影影响响流流体体流流动动的的因因素素（引引起起流流动动的的原原因因、流流动动型型态态和和有有无无相相变变化化等等）必必然然对对对对流流传传热热系系数数有有影影响响。下面分四种情况来讨论对流给热系数的关联式，即：下面分四种情况来讨论对流给热系
36、数的关联式，即：强制对流时的给热系数；强制对流时的给热系数；自然对流时的对流给热系数；自然对流时的对流给热系数；蒸汽冷凝时的对流给热系数；蒸汽冷凝时的对流给热系数；液体沸腾时对流给热系数；液体沸腾时对流给热系数；5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数强制对流情况下，强制对流情况下，Gr对对的影响较小，一般可以忽略，所以的影响较小，一般可以忽略，所以 其中其中C、m、n由实验测定。由实验测定。5.4.3.1流体在管内作强制对流的流体在管内作强制对流的（1）流体在圆形直管内作强制湍流时的）流体在圆形直管内作强制湍流时的低粘度（粘度低粘度（粘度104，流动是充分湍流；，流动是充分
37、湍流；b、Pr=0.6160，一般流体皆可满足；，一般流体皆可满足；c、50，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是，即进口段占总长的很小一部分，管内的流动是充分发展的。若充分发展的。若l/d 1，被加热：被加热：t，u,b,，n=0.4;被冷却：被冷却：t，u,b,，n=0.3;气体气体Pr104；b、Pr=0.6160；c、特征尺寸、特征尺寸l 取取d内内；d、流体物性参数按定性温度、流体物性参数按定性温度tm=(t1+t2)/2取；取；e、用用tWm=(tW1+tW2)/2求求W；f、不适用于液态金属。、不适用于液态金属。一般情况下，由于壁温是未知的，应用上式须试差。但一般情况下，由于
38、壁温是未知的，应用上式须试差。但在工程计算中，也可取以下近似值：在工程计算中，也可取以下近似值：液体被加热液体被加热液体被冷却液体被冷却5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（2）流体在圆形直管内作强制层流时的）流体在圆形直管内作强制层流时的Gr25000，自然对流的影响可以忽略，自然对流的影响可以忽略此此式式适适用用范范围围及及条条件件：Re2300，Gr25000，0.6Pr10（不不适适用用于于管管长长很很长长的的情情况况），特特征征尺尺寸寸取取d内内；定性温度取定性温度取tm=(t1+t2)/2，用，用tWm=(tW1+tW2)/2求求W。当当Gr25000时，自然
39、对流对强制层流时，自然对流对强制层流的影响不能忽略，应的影响不能忽略，应乘以校正系数：乘以校正系数： 注意：层流时注意：层流时很小，从而很小，从而K也很小，因此在换热器设计也很小，因此在换热器设计中尽量避免在层流条件下传热。中尽量避免在层流条件下传热。5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（3）圆形直管内强制过渡状况时的）圆形直管内强制过渡状况时的当当Re=200010000的过渡状态时，因湍动不充分，层流的过渡状态时，因湍动不充分，层流底层较厚，热阻大，底层较厚，热阻大，比湍流时小，作为粗略估计，可用比湍流时小，作为粗略估计，可用Re104的公式算出的公式算出Re104值
40、，然后乘以校正系数值，然后乘以校正系数f2（4）圆形弯管内作强制对流时的）圆形弯管内作强制对流时的流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，流体在弯管内流动时，由于离心力的作用，扰动加剧，使对流给热系数加大。使对流给热系数加大。弯管中的给热系数弯管中的给热系数直管中的给热系数直管中的给热系数管内径管内径弯管轴的曲率半径弯管轴的曲率半径5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（5）非圆形直管内作强制对流时的）非圆形直管内作强制对流时的用上述关联式，但式中的用上述关联式，但式中的d要用代替要用代替de采用专用的关联式采用专用的关联式如对如对套管环隙套管环隙，用水和空气等进行
41、实验，得到关联式为：，用水和空气等进行实验，得到关联式为：这种方法简便，但计算结果不够准确。这种方法简便，但计算结果不够准确。适适用用条条件件：Re=12000220000，d1/d2=1.6517，特特征征尺尺寸寸为为de，定定性性温温度度取取tm=(t1+t2)/2。也也可可计计算算其其他他流流体体在在环环隙隙中中作作强制湍流时的强制湍流时的。5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数5.4.3.2流体在管外作强制对流时的流体在管外作强制对流时的（1）流体垂直流过单根管的）流体垂直流过单根管的（2）流体横向流过管束的）流体横向流过管束的C1、C2和和n的值见表的值见表5-1
42、1。上式的适用范围及约束条件：上式的适用范围及约束条件：a、Re=50007000和和x1/d =1.25，x2/d =1.25；b、特征尺寸取管外径；、特征尺寸取管外径；c、定性温度、定性温度tm=(t1+t2)/2;d、流速取各排最窄通道处的流速。、流速取各排最窄通道处的流速。由于各列的由于各列的不同，可按下式求出整个管束的平均不同，可按下式求出整个管束的平均：5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（3）流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的）流体在列管换热器管间（装有折流挡板）流过的a、查图、查图5-30；b、当、当Re=2000106时时适用条件：适用条件：、换
43、热器管间装有割去、换热器管间装有割去25%25%（面积）的圆缺形折流挡板；（面积）的圆缺形折流挡板；、Re=2000106 ；、定性温度定性温度tm=(t1+t2)/2;、tWm=(tW1+tW2)/2求求W；、特征尺寸、特征尺寸d de e（根据管束排列方式而定）（根据管束排列方式而定）; ;、管外的流速根据流体流过的最大截面积、管外的流速根据流体流过的最大截面积S S计算。计算。 5.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数（4）流体在列管换热器管间无折流挡板的）流体在列管换热器管间无折流挡板的用管内强制对流的公式计算，但要将式中管内径改为管用管内强制对流的公式计算，但要将式
44、中管内径改为管间当量直径。间当量直径。（5）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数）液体在有搅拌器的容器中的对流传热系数容器直径容器直径搅拌器直径搅拌器直径搅拌器转速搅拌器转速搅拌雷诺数搅拌雷诺数传热壁面传热壁面m值值容器夹套内壁容器夹套内壁蛇管外壁蛇管外壁C值值涡轮式涡轮式平桨式平桨式推进式推进式2/30.620.360.540.621.010.870.835.4.3强制对流时的对流给热系数强制对流时的对流给热系数5.4.3.3提高对流给热系数提高对流给热系数的途径的途径（1）从层流转变为湍流时，）从层流转变为湍流时，Re，应力求使流体在换热，应力求使流体在换热器中达到湍流流动；器中达到湍流流
45、动；（2）圆形直管时，）圆形直管时，u总费用总费用经常费经常费投资费投资费费用费用u最适宜最适宜（3）列管换热器管间加折流挡板时，）列管换热器管间加折流挡板时，设置折流板时设置折流板时u或或de对对都都有显著作用有显著作用（4）在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高，）在管内加麻花铁或选用螺纹管均能使湍动程度提高，但能耗，但能耗。5.4.4流体作自然对流时的对流给热系数流体作自然对流时的对流给热系数自自然然对对流流时时的的大大小小和和流流体体的的物物性性、传传热热面面的的大大小小、形形状状、位位置置及及传传热热面面与与流流体体间间的的温温度度差差都都有有关关系系，情情况况复复杂杂，仅仅限
46、限于于讨讨论论大大空空间间（指指边边界界层层不不受受干干扰扰）的的自自然然对对流流。给给热热的的特特征征数数普普遍遍关关联联式式为为：Nu=f (Gr,Pr)，在在一一定定范范围围内内可可用用幂幂函函数数表示表示适用范围及条件：适用范围及条件： 大容积（大空间）的自然对流；大容积（大空间）的自然对流； 定性温度取膜温定性温度取膜温 t膜膜=(tw+tm)/2; 特征尺寸特征尺寸l：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高；：水平管取外径，垂直管取管长，垂直板取板高； t =tw-t。或或5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数（1）蒸汽冷凝对流传热过程的热阻）蒸汽冷凝对流传热
47、过程的热阻如如果果加加热热介介质质是是饱饱和和蒸蒸汽汽，当当饱饱和和蒸蒸汽汽和和低低于于饱饱和和温温度度的的壁壁面面接接触触时时，蒸蒸汽汽将将放放出出潜潜热热并并冷冷凝凝成成液液体体，冷冷凝凝对对流流传传热热过过程程的的热热阻阻几几乎乎全全部部集集中中在在冷冷凝凝液液膜膜内内。这这是是蒸蒸汽汽冷冷凝凝对对流流传传热热过过程程的的一一个个主主要要特特点点。设设法法减减小小液液膜膜厚厚度度就就是是强强化化冷冷凝对流传热的凝对流传热的有效措施有效措施。如如果果加加热热介介质质是是过过热热蒸蒸汽汽，且且twts时时，则则壁壁面面上上不不会会发发生生冷冷凝凝现现象象，蒸蒸汽汽和和壁壁面面间间进进行行的的
48、是是一一般般对对流流传传热热，此此时时热热阻阻将将集集中中于于壁壁面面附附近近的的蒸蒸汽汽层层流流底底层层中中。蒸蒸汽汽的的导导热热系系数数比比冷冷凝凝液液的的导导热热系系数数小小得得多多，故故饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝对对流流传传热热系系数数远远大于过热蒸汽的对流传热系数。大于过热蒸汽的对流传热系数。因因此此，工工业业上上通通常常使使用用饱饱和和蒸蒸汽汽作作为为加加热热介介质质，其其原原因因有有两两个个：一一是是饱饱和和蒸蒸汽汽有有恒恒定定的的温温度度，二二是是它它有有较较大大的的对对流流传热系数。传热系数。5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数（2）膜状冷凝和滴状冷凝）膜
49、状冷凝和滴状冷凝膜膜状状冷冷凝凝：冷冷凝凝液液能能够够润润湿湿壁壁面面并并形形成成一一层层完完整整的的液液膜膜向向下下流流动动。此此种种冷冷凝凝壁壁面面上上始始终终覆覆盖盖着着一一层层液液膜膜，蒸蒸汽汽冷冷凝凝时时放放出出的的潜潜热热只只能能以以导导热热的的形形式式通通过过液液膜膜后后才才能能传传给给壁壁面面。因此膜状冷凝的热阻较大。因此膜状冷凝的热阻较大。滴滴状状冷冷凝凝：若若蒸蒸汽汽中中混混有有油油脂脂类类物物质质，或或者者壁壁面面被被油油脂脂沾沾污污时时，冷冷凝凝液液不不能能全全部部润润湿湿壁壁面面，而而是是结结成成滴滴状状小小液液珠珠从从壁壁面面落落下下，重重又又露露出出新新的的冷冷凝
50、凝面面，这这种种冷冷凝凝称称为为滴滴状状冷冷凝凝。实实验验结结果果表表明明，滴滴状状冷冷凝凝的的比比膜膜状状冷冷凝凝的的大大几几倍倍甚甚至至几几十十倍倍。但但是是滴滴状状冷冷凝凝在在工工业业上上没没有有现现实实意意义义，难难以以实实现现，在在工工业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。业上遇到的冷凝过程大多数是膜状冷凝。5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数（3）蒸汽冷凝时的）蒸汽冷凝时的 理论推导理论推导特特征征尺尺寸寸H取取管管长长或或板板高高，冷冷凝凝潜潜热热r按按饱饱和和温温度度取取，其其余物性按液膜平均温度余物性按液膜平均温度tm=(tw+ts)/2取。取。推推导导上
51、上式式的的条条件件：冷冷凝凝液液膜膜为为层层流流；蒸蒸汽汽u=0，对对液液膜膜无无摩摩擦擦阻阻力力；冷冷凝凝潜潜热热以以热热传传导导方方式式通通过过液液膜膜；冷冷凝凝液液物物性性为为常数。常数。平均平均b、单根水平管外、单根水平管外a、垂直管外或垂直板侧、垂直管外或垂直板侧5.4.5蒸汽冷凝时的对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数实验结果实验结果a、垂直管外或垂直板侧、垂直管外或垂直板侧使用范围及条件：使用范围及条件：特征尺寸特征尺寸H取管长或板高；取管长或板高；冷凝液膜为层流，冷凝液膜为层流，Re1800计算步骤：计算步骤：假设为层流假设为层流计算计算ReRe1800，5.4.5蒸汽冷凝时的
52、对流给热系数蒸汽冷凝时的对流给热系数b、单根水平管外、单根水平管外实验结果和理论推导公式所得结果基本相符实验结果和理论推导公式所得结果基本相符在其它条件相同时在其它条件相同时一般一般Ldo，垂直垂直直排直排5.4.6液体沸腾时的对流给热系数液体沸腾时的对流给热系数对对液液体体加加热热时时，液液体体内内部部伴伴有有液液相相变变为为气气相相产产生生汽汽泡泡的的过程称为沸腾。过程称为沸腾。按设备的尺寸和形状可分为：按设备的尺寸和形状可分为：大大容容积积沸沸腾腾：传传热热面面沉沉浸浸在在无无强强制制对对流流液液体体中中发发生生的的沸沸腾现象。腾现象。管管内内沸沸腾腾：流流体体在在一一定定压压差差下下流
53、流过过加加热热管管发发生生沸沸腾腾现现象象，沸沸腾腾过过程程受受液液体体流流速速的的影影响响，且且沸沸腾腾产产生生的的气气泡泡无无法法脱脱离离流流体体而而随随流流体体一一起起流流动动，形形成成复复杂杂的的气气液液两两相相流流。管管内内沸沸腾腾的的传热机理比大容器沸腾复杂得多。传热机理比大容器沸腾复杂得多。根据沸腾温度分为：根据沸腾温度分为：过冷沸腾过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。：液体主体温度低于相应压力下的饱和温度。饱和沸腾饱和沸腾：液体主体温度达到或高于饱和温度。：液体主体温度达到或高于饱和温度。5.4.6液体沸腾时的对流给热系数液体沸腾时的对流给热系数（1）沸腾现象）沸腾
54、现象过热度过热度平均温度平均温度饱和温度饱和温度汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称汽泡就是在加热面上凹凸不平的点上形成，这种点称为为汽化核心汽化核心。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传。无汽化核心则汽泡不会产生，汽化核心与传热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因热面粗糙度、氧化情况、材料性质及其不均匀性质等多因素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强素有关。由于汽泡生成和脱离，对近壁处的液体层产生强烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的烈搅动，降低了热阻，从而使液体沸腾时的比无相变时的比无相变时的大得多。大得多。沸腾沸腾无相变无相变5.4.6液体沸腾时的对
55、流给热系数液体沸腾时的对流给热系数如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明 t对的对的 影响：影响： t很很小小时时，仅仅在在加加热热面面有有少少量量汽汽化化核核心心形形成成汽汽泡泡，长长大大速速度度慢慢，所所以以加加热热面面与与液液体体之之间间主主要要以以自自然然对对流流为为主主。 t t 5 C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的汽泡对传热起主导作用，此时为的汽泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾核状沸腾。t自然
56、对流自然对流核状沸腾核状沸腾膜状沸腾膜状沸腾 5.4.6液体沸腾时的对流给热系数液体沸腾时的对流给热系数 t 25进进一一步步增增大大到到一一定定数数值值，加加热热面面上上的的汽汽化化核核心心大大大大增增加加，以以至至气气泡泡产产生生的的速速度度大大于于脱脱离离壁壁面面的的速速度度，气气泡泡相相连连形形成成气气膜膜，将将加加热热面面与与液液体体隔隔开开，由由于于气气体体的的导导热热系系数数较较小小，使使 降降低低，此此阶阶段段称称为为不不稳稳定定膜膜状状沸沸腾腾。 t 250 C时时，气气膜膜稳稳定定，由由于于加加热热面面温温度度高高，热热辐辐射射影影响响增增大大，对对流流传传热热系系数数增增
57、大大，此此时时为为稳稳定定膜状沸腾膜状沸腾。工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作。从核状沸工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点称为临界点（此后传热恶化），对于腾到膜状沸腾的转折点称为临界点（此后传热恶化），对于常压水在大容器内沸腾时临界点为常压水在大容器内沸腾时临界点为 tc=25 C。t自然对流自然对流核状沸腾核状沸腾膜状沸腾膜状沸腾 5.4.6液体沸腾时的对流给热系数液体沸腾时的对流给热系数（2）影响沸腾传热的因素影响沸腾传热的因素液液体体和和蒸蒸汽汽的的性性质质，主主要要包包括括表表面面张张力力、cp、r、L、V等；等；操作压力和温度差；操作压力和温度差
58、；加热表面的粗糙情况和表面物理性质。加热表面的粗糙情况和表面物理性质。5.5传热过程的强化传热过程的强化几种传热过程对流给热系数的比较：几种传热过程对流给热系数的比较：相变相变无相变无相变，强制强制自然自然，湍流湍流层流层流，水平水平垂直垂直，错排错排直排直排，滴状滴状膜状膜状，核状核状膜状膜状由由可知主要从以下几方面来强化传热过程：可知主要从以下几方面来强化传热过程：5.5.1增大传热面积增大传热面积 传传热热面面增增大大，传传热热量量增增大大，设设备备体体积积增增大大，投投资资费费用用增增大大，这这种种方方法法是是一一种种简简单单的的强强化化传传热热方方法法，即即换换一一台台同同样样型型式
59、但传热面面积大的换热器。式但传热面面积大的换热器。另另一一种种方方法法是是增增大大单单位位体体积积换换热热器器的的传传热热面面积积，如如在在管管外增加螺旋翅片，以增加传热面积。外增加螺旋翅片，以增加传热面积。5.5.2增大传热推动力增大传热推动力逆逆流流的的推推动动力力大大于于并并流流，可可以以将将并并流流换换热热器器改改为为逆逆流流换换热器。热器。生产实际中传热温差往往受到客观条件（如蒸汽压力、气温、生产实际中传热温差往往受到客观条件（如蒸汽压力、气温、水温等）与工艺条件（如热敏性物料、冰点等）的制约，不水温等）与工艺条件（如热敏性物料、冰点等）的制约，不能随意变动。因此利用提高对数平均温度
60、差（总传热推动力）能随意变动。因此利用提高对数平均温度差（总传热推动力）来强化传热过程的方法不方便且在传热推动力中四个温度一来强化传热过程的方法不方便且在传热推动力中四个温度一般只有换热介质的出口温度或可以由设计者确定（经验设计、般只有换热介质的出口温度或可以由设计者确定（经验设计、优化设计），且：优化设计），且：5.5.3减小传热阻力，增大传热系数减小传热阻力，增大传热系数（1）减小污垢热阻的方法有：）减小污垢热阻的方法有：停车除垢；停车除垢；在流体中加热阻垢剂。在流体中加热阻垢剂。总传热阻力总传热阻力管内污垢热阻管内污垢热阻管外污垢热阻管外污垢热阻管外流体对流给热阻力管外流体对流给热阻力管
61、内流体对流给热阻力管内流体对流给热阻力间壁导热阻力间壁导热阻力5.5.3减小传热阻力，增大传热系数减小传热阻力，增大传热系数（2）增大对流给热系数的方法主要有：）增大对流给热系数的方法主要有：增大流体的流速增大流体的流速流流速速增增大大，流流体体的的湍湍动动程程度度提提高高，层层流流底底层层厚厚度度减减小小，对对流流传传热热阻阻力力减减小小，对对流流给给热热系系数数增增大大，如如圆圆形形直直管管管管内内湍湍流时：单管程改为双管程，流速加倍或流量增加一倍。流时：单管程改为双管程，流速加倍或流量增加一倍。 增强流体的湍动、扰动程度增强流体的湍动、扰动程度流流体体在在管管内内的的流流速速不不变变，但
62、但增增加加管管内内壁壁粗粗糙糙度度或或在在管管内内增增加加麻麻花花铁铁、金金属属卷卷片片等等添添加加物物，增增强强管管内内流流体体的的扰扰动动，减减小层流底层厚度，从而增大对流给热系数；小层流底层厚度，从而增大对流给热系数；在在管管外外壁壁装装翅翅片片或或管管外外即即壳壳程程安安装装挡挡板板增增强强管管外外流流体体的的扰动，增大管外流体的对流给热系数。扰动，增大管外流体的对流给热系数。5.5.3减小传热阻力，增大传热系数减小传热阻力，增大传热系数在流体中添加固体颗粒在流体中添加固体颗粒一一方方面面，固固体体颗颗粒粒的的扰扰动动与与搅搅拌拌作作用用，增增加加流流体体的的对对流流给给热热系系数数，
63、另另一一方方面面，固固体体颗颗粒粒不不断断撞撞击击管管壁壁降降低低了了污污垢垢层层的形成和增长。的形成和增长。在气体中喷入液滴在气体中喷入液滴气气体体传传热热能能力力低低，当当液液滴滴落落于于管管壁壁上上时时，气气相相传传热热转转变变为液膜传热，而液膜传热强度高促使传热过程得到强化。为液膜传热，而液膜传热强度高促使传热过程得到强化。讨论讨论：以以上上措措施施孤孤立立起起来来看看是是可可以以强强化化传传热热过过程程的的，但但实实际际应应用中应具体问题具体分析用中应具体问题具体分析;（1）若若污污垢垢结结垢垢严严重重，Rs1、Rs2很很大大时时，强强化化传传热热首首先先应应进行除垢；进行除垢；5.
64、5.3减小传热阻力，增大传热系数减小传热阻力，增大传热系数（2）若结垢不严重，污垢热阻可以忽略时，如新设备）若结垢不严重，污垢热阻可以忽略时，如新设备间壁的导热热阻较小，与流体的对流热阻相比可忽略时间壁的导热热阻较小，与流体的对流热阻相比可忽略时若若21，如用蒸汽冷凝加热管内流体，则：，如用蒸汽冷凝加热管内流体，则：此此时时增增大大传传热热系系数数的的措措施施应应设设法法提提高高1，而而不不应应去去提提高高2；反之亦然；反之亦然；若若12，要要强强化化传传热热，必必须须同同时时增增大大1和和2，否否则则只增加一侧流体的对流给热系数，强化效果均不明显。只增加一侧流体的对流给热系数，强化效果均不明
65、显。5.5.3减小传热阻力，增大传热系数减小传热阻力，增大传热系数（3）对对相相变变一一侧侧的的流流体体对对流流给给热热系系数数很很大大，再再提提高高其其对对流流给热系数对强化传热已没有多大作用；给热系数对强化传热已没有多大作用；结结论论：间间壁壁两两侧侧流流体体传传热热，由由对对流流、导导热热五五个个步步骤骤串串联联而而成成，因因此此传传热热过过程程速速率率受受五五个个步步骤骤中中传传热热速速率率最最慢慢的的所所控控制制，即即受受热热阻阻最最大大的的步步骤骤所所控控制制；要要强强化化传传热热过过程程，必必须须减减小热阻最大的传热过程的传热阻力，增大给热系数。小热阻最大的传热过程的传热阻力，增
66、大给热系数。5.5.4沸腾给热过程的强化沸腾给热过程的强化（1）沸沸腾腾给给热热中中，汽汽泡泡产产生生与与运运动动情情况况影影响响极极大大；粗粗糙糙的的加加热热面面能能提提供供更更多多的的汽汽化化核核心心，当当粗粗糙糙度度达达到到一一定定程程度度后后，对对沸沸腾腾传传热热强强化化不不再再有有影影响响，铜铜表表面面用用机机械械方方法法或或腐腐蚀蚀的的方方法使之粗糙，给热系数提高法使之粗糙，给热系数提高80%；（2）液液体体的的表表面面张张力力小小，容容易易脱脱离离传传热热面面，在在沸沸腾腾液液体体中中加加热热少少量量添添加加剂剂（如如丙丙酮酮、乙乙醇醇、甲甲基基乙乙基基酮酮等等）改改变变液液体表
67、面张力，可提高给热系数体表面张力，可提高给热系数20100%;（3）过热度越大，核状沸腾速率越大；）过热度越大，核状沸腾速率越大；（4）沸腾压力增大，核状沸腾速率增大；）沸腾压力增大，核状沸腾速率增大；（5）尽量保持核状沸腾，避免膜状沸腾。）尽量保持核状沸腾，避免膜状沸腾。5.5.5冷凝给热过程的强化冷凝给热过程的强化饱饱和和蒸蒸汽汽冷冷凝凝时时，热热阻阻主主要要集集中中在在冷冷凝凝液液膜膜内内，液液膜膜的的厚厚度度及及其其流流动动状状况况是是影影响响冷冷凝凝传传热热的的关关键键；所所以以，冷冷凝凝传传热热的强化要设法破坏冷凝液膜。的强化要设法破坏冷凝液膜。（1）蒸汽的选择）蒸汽的选择在在所所
68、有有的的物物质质中中水水蒸蒸汽汽的的冷冷凝凝给给热热系系数数最最大大，一一般般为为104左左右右，而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至103以下。以下。（2）不凝性气体的排放）不凝性气体的排放实实验验证证明明：当当蒸蒸汽汽中中含含空空气气量量达达1%时时，对对流流给给热热系系数数下下降降60%左左右右；所所以以涉涉及及蒸蒸汽汽冷冷凝凝传传热热的的设设备备应应设设有有排排放放口口，定期排放不凝性气体。定期排放不凝性气体。5.5.5冷凝给热过程的强化冷凝给热过程的强化（3）冷冷凝凝液液的的排排放放蒸蒸汽汽冷冷凝凝形形成成的的冷冷凝凝液液在在传传热热面面上上形形成
69、成液液膜膜，应应及及时时排排除除，减减小小液液膜膜厚厚度度，降降低低传传热热阻阻力力（疏疏水水器）。器）。（4）过热蒸汽的影响）过热蒸汽的影响温温度度高高于于操操作作压压强强下下的的饱饱和和温温度度的的蒸蒸汽汽称称为为过过热热蒸蒸汽汽。过过热热蒸蒸汽汽与与比比其其饱饱和和温温度度高高的的壁壁面面接接触触，壁壁面面无无冷冷凝凝现现象象，此此时时为为无无相相变变的的对对流流传传热热过过程程，传传热热效效果果差差；过过热热蒸蒸汽汽与与比比其其饱饱和和温温度度低低的的壁壁面面接接触触，发发生生冷冷凝凝现现象象，但但对对过过热热蒸蒸汽汽先先冷冷却却到到饱饱和和温温度度后后冷冷凝凝，蒸蒸汽汽放放出出的的热
70、热量量包包括括显显热热和和潜潜热热，工工业业上上通通常常将将过过热热蒸蒸汽汽按按饱饱和和蒸蒸汽汽计计算算，因因为为显显热热与与潜潜热热相相比很小可忽略。比很小可忽略。5.5.5冷凝给热过程的强化冷凝给热过程的强化（5 5）蒸汽流速与流向的影响）蒸汽流速与流向的影响蒸蒸汽汽流流速速较较小小u10m/s时，要考虑蒸汽流速的影响；时，要考虑蒸汽流速的影响；当当蒸蒸汽汽与与冷冷凝凝液液流流动动方方向向一一致致时时，蒸蒸汽汽加加速速了了冷冷凝凝液液的的流动，使冷凝液膜厚度减小，流动，使冷凝液膜厚度减小，增大；增大；当蒸汽与冷凝液流动方向相反时，有两种情况：当蒸汽与冷凝液流动方向相反时，有两种情况： u较
71、小，阻碍冷凝液流动，使液膜厚度增大，较小，阻碍冷凝液流动，使液膜厚度增大，减小；减小； u较较大大，蒸蒸汽汽会会冲冲散散冷冷凝凝液液使使传传热热面面上上液液膜膜厚厚度度减减小小，增大；增大；故故冷冷凝凝液液排排放放口口一一般般装装于于换换热热器器底底部部，而而蒸蒸汽汽进进口口在在换换热热器器顶顶部部，出出口口在在换换热热器器底底部部；保保证证蒸蒸汽汽充充满满换换热热器器壳壳程程空空间间，并并且且避避免免蒸蒸汽汽与与冷冷凝凝液液的的逆逆向向流流动动，保保持持较较好好的的传传热热效效果。果。5.5.5冷凝给热过程的强化冷凝给热过程的强化（6）蒸汽冷凝壁面的结构）蒸汽冷凝壁面的结构由由于于蒸蒸汽汽冷
72、冷凝凝在在传传热热面面上上产产生生冷冷凝凝液液，如如何何改改善善传传热热面面结结构构，以以利利于于降降低低冷冷凝凝液液液液膜膜厚厚度度，也也能能强强化化蒸蒸汽汽冷冷凝凝给给热热；如如：在在垂垂直直管管外外表表面面开开若若干干纵纵向向凹凹槽槽，安安装装若若干干金金属属丝丝等等，冷冷凝凝液液由由于于表表面面张张力力作作用用进进入入凹凹槽槽或或金金属属丝丝圈圈内内，从从而而降降低低了了传传热热面面上上液液膜膜的的厚厚度，达到强化传热目的（管外冷凝）。度，达到强化传热目的（管外冷凝）。管管内内安安装装内内插插物物，螺螺旋旋线线圈圈、麻麻花花铁铁等等分散冷凝液（管内冷凝）分散冷凝液（管内冷凝）。（7）冷
73、凝方式）冷凝方式滴滴状状冷冷凝凝的的传传热热效效果果优优于于膜膜状状冷冷凝凝，但但工工业业上上滴滴状状冷冷凝凝难以实现，它是强化蒸汽冷凝给热的重要研究课题之一。难以实现，它是强化蒸汽冷凝给热的重要研究课题之一。5.5.6新型传热设备及强化传热技术研究发展方向新型传热设备及强化传热技术研究发展方向（1）热管换热器。）热管换热器。（2）管内填充物更加规范、理论化。）管内填充物更加规范、理论化。（3）翅翅片片由由管管外外进进入入管管内内，研研究究表表明明其其传传热热效效果果优优于于在在管管内加填充物。内加填充物。（4）超声波强化传热）超声波强化传热超超声声波波不不仅仅具具有有减减缓缓污污垢垢形形成成
74、速速度度，又又能能破破坏坏已已形形成成污污垢垢的的双双重重作作用用，一一般般能能提提高高传传热热系系数数6080%，可可避避免免停停车车除除垢垢，延延长长设设备备使使用用寿寿命命，减减轻轻劳劳动动强强度度，无无化化学学污污染染，是是一项新型高效的强化传热技术。一项新型高效的强化传热技术。（5）磁控电导流体强化传热）磁控电导流体强化传热磁场振荡（压力波发生器，正弦振荡）磁场振荡（压力波发生器，正弦振荡）5.5.6新型传热设备及强化传热技术研究发展方向新型传热设备及强化传热技术研究发展方向（6）电水动力学）电水动力学EHD强化传热强化传热电电场场对对传传热热的的强强化化效效果果早早在在1916年年
75、就就以以发发现现，但但未未着着手手研研究究。该该方方法法可可适适用用于于弱弱导导电电和和强强导导电电流流体体，应应用用范范围围广广；功功耗耗低低、电电压压小小、电电流流小小；但但强强化化传传热热效效果果显显著著，对对无无相相变变流流体体传传热热系系数数可可增增大大100倍倍，对对冷冷凝凝传传热热可可提提高高6倍倍，沸沸腾腾传传热热提提高高50倍倍；对对其其机机理理研研究究逐逐步步成成为为重重要要的的研研究究领领域域（目目前前国内研究较少）；国内研究较少）；（7）纳米流体强化传热）纳米流体强化传热纳纳米米级级金金属属、非非金金属属氧氧化化物物具具有有高高分分散散性性，可可形形成成稳稳定定的的悬悬
76、浮浮液液是是良良好好的的换换热热介介质质。流流体体中中添添加加固固体体颗颗粒粒易易堵堵塞塞、破破损损，工工业业应应用用受受到到一一定定限限制制，纳纳米米粒粒子子克克服服了了该该缺缺点点；其其强强化化传传热热原原理理在在于于：增增加加传传热热面面、热热容容量量；增增大大液液体体导导热热系系数数；粒粒子子间间、粒粒子子与与流流体体间间、粒粒子子与与壁壁面面间间的的碰碰撞撞强强化化传传热热，水中加水中加5%纳米粒子，其导热系数增加纳米粒子，其导热系数增加150%。5.6传热过程的计算传热过程的计算 不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传不论何种类型的传热计算，都是联立热量衡算方程式，传热
77、速率方程式及热速率方程式及、K计算式求解的过程，即计算式求解的过程，即热量衡算方程：热量衡算方程：总传热系数：总传热系数：传热速率方程：传热速率方程：对流给热系数：对流给热系数：(圆管内强制湍流圆管内强制湍流)在在使使用用以以上上几几个个方方程程时时，应应注注意意适适用用条条件件及及不不同同情情况况下下简简化化式式，并并且且要要弄弄清清楚楚Q、K等等参参数数与与哪哪些些因因素素（d、n、ms）有关。）有关。5.6.1传热设计型计算传热设计型计算（1）设设计计任任务务：已已知知一一定定流流量量的的热热流流体体（冷冷流流体体）从从T1冷冷却却至至T2（从从t1加加热热至至t2）；冷冷却却介介质质的
78、的进进口口温温度度t1（加加热热介介质的进口温度质的进口温度T1）；）；（2）计计算算目目的的：求求传传热热面面积积（从从而而确确定定其其他他尺尺寸寸）或或已已有传热设备是否可用；有传热设备是否可用；（3）计算步骤：）计算步骤：根据换热任务确定换热器负荷根据换热任务确定换热器负荷Q=ms1cp1(T1-T2)或或Q=ms2cp2(t2-t1)根根据据经经验验方方法法温温度度推推动动力力510或或由由优优化化方方法法（经经济济上上总总费费用用最最小小）确确定定冷冷却却介介质质出出口口温温度度t2（加加热热介介质质出出口口温度温度T2）；计算传热推动力）；计算传热推动力tm；计算冷、热流体对流给热
79、系数及总传热系数；计算冷、热流体对流给热系数及总传热系数；由传热速率方程式计算传热面积。由传热速率方程式计算传热面积。5.6.1传热设计型计算传热设计型计算（4）设计型计算中参数的选择）设计型计算中参数的选择为为确确定定所所需需传传热热面面积积，必必须须知知道道平平均均推推动动力力tm和和传传热热系系数数K。为求为求K，必须计算，必须计算1、2，因此必须决定：，因此必须决定：冷、热流体各走管内还是管外；冷、热流体各走管内还是管外；选择适当的流速。选择适当的流速。同时还必须选择适当的污垢热阻。同时还必须选择适当的污垢热阻。为计算为计算tm，设计者必须：，设计者必须：选选择择流流体体的的流流向向，
80、即即决决定定采采用用逆逆流流、并并流流还还是是其其他他复复杂杂流动方式；流动方式；选择冷却介质的出口温度选择冷却介质的出口温度t2或加热介质的出口温度或加热介质的出口温度T2。5.6.1传热设计型计算传热设计型计算例例4-4有有一一套套管管换换热热器器，由由573.5mm与与894.5mm的的钢钢管管组组成成。甲甲醇醇在在内内管管流流动动，流流量量为为5000kg/h，由由60冷冷却却到到30，甲甲醇醇侧侧的的对对流流传传热热系系数数1=1512W/(m2)。冷冷却却水水在在环环隙隙中中流流动动，其其入入口口温温度度为为20，出出口口温温度度拟拟定定为为35。忽忽略略热热损损失失、管管壁壁及及
81、污污垢垢热热阻阻，且且已已知知甲甲醇醇的的平平均均比比热热为为2.6kJ/(kg)，在在定定性性温温度度下下水水的的粘粘度度为为0.84cP、导导热热系系数数为为0.61W/(m2)、比热为、比热为4.174kJ/(kg)。试求：。试求：（1）冷却水的用量；）冷却水的用量；（2）所需套管长度；）所需套管长度；（3）若若将将套套管管换换热热器器的的内内管管改改为为483mm的的钢钢管管，其其它它条件不变，求此时所需的套管长度。条件不变，求此时所需的套管长度。5.6.1传热设计型计算传热设计型计算例例4-5将将流流量量为为2200kg/h的的空空气气在在列列管管式式预预热热器器内内从从20加加热热
82、到到80。空空气气在在管管内内作作湍湍流流流流动动，116的的饱饱和和蒸蒸汽汽在在管管外外冷冷凝凝。现现因因工工况况变变动动需需将将空空气气的的流流量量增增加加20%，而而空空气气的的进进、出出口口温温度度不不变变。问问采采用用什什么么方方法法（可可以以重重新新设设计计一一台台换换热热器器，也也可可仍仍在在原原预预热热器器中中操操作作）能能够够完完成成新新的的生生产产任任务务？请作出定量计算（设管壁及污垢的热阻可略去不计）。请作出定量计算（设管壁及污垢的热阻可略去不计）。5.6.1传热设计型计算传热设计型计算例例4-6 在在套套管管换换热热器器中中用用水水冷冷却却煤煤油油。水水的的流流率率为为
83、600kg/h，入入口口温温度度为为15。煤煤油油的的流流率率为为400kg/h，入入口口温温度度为为90。两两流流体体并并流流流流动动。操操作作条条件件下下的的煤煤油油比比热热为为2.19kJ/（kg）。已已知知换换热热器器基基于于外外表表面面积积的的总总传传热热系系数数为为860W/（m2）。内管为直径）。内管为直径383mm、长、长6m的钢管。试求：的钢管。试求：（1）油的出口温度）油的出口温度T2；（2）其其余余条条件件均均不不变变而而使使两两流流体体作作逆逆流流流流动动，此此时时换换热管长度应为若干米。热管长度应为若干米。5.6.2传热操作型计算传热操作型计算操作型计算问题主要可分为
84、两大类。操作型计算问题主要可分为两大类。第一类操作型问题第一类操作型问题：计算条件计算条件：换热器的主要结构尺寸：换热器的主要结构尺寸A、n、d等，工艺流等，工艺流体（可以是冷流体也可以是热流体）和换热介质（可以是加体（可以是冷流体也可以是热流体）和换热介质（可以是加热介质或冷却介质）的流量和进口温度；热介质或冷却介质）的流量和进口温度；计算目的计算目的：求换热介质与工艺流体的出口温度；：求换热介质与工艺流体的出口温度；第二类操作型问题第二类操作型问题：计算条件计算条件：换热器主要结构尺寸：换热器主要结构尺寸A、n、d等，工艺流体等，工艺流体的流量、进出口温度、换热介质的进口温度；的流量、进出
85、口温度、换热介质的进口温度；计算目的计算目的：求换热介质的流量与出口温度。：求换热介质的流量与出口温度。5.6.2传热操作型计算传热操作型计算计算方法：联立热量衡算方程与传热速率方程计算方法：联立热量衡算方程与传热速率方程逆流逆流5.6.2传热操作型计算传热操作型计算并流并流（1）对第一类问题可以将以上两方程整理成线性方程；而后）对第一类问题可以将以上两方程整理成线性方程；而后求二元线性方程组；求二元线性方程组；（2）对对第第二二类类问问题题无无法法整整理理成成线线性性方方程程，需需迭迭代代计计算算；但但是是若对数平均温差可以用算术平均温度差代替，则不用试差；若对数平均温差可以用算术平均温度差
86、代替，则不用试差；（3）若一侧有相变则不用试差，可直接求解。）若一侧有相变则不用试差，可直接求解。5.6.2传热操作型计算传热操作型计算例例4-7在在一一套套管管换换热热器器中中，用用冷冷却却水水将将空空气气由由100逆逆流流冷冷却却至至60，冷冷却却水水在在382.5mm的的内内管管中中流流动动，其其进进、出出口口温温度度分分别别为为15和和25。已已知知此此时时空空气气和和水水的的对对流流传传热热系系数数为为60W/（m2K）和和1500W/（m2K），水水侧侧的的污污垢垢热热阻阻为为6104m2K/W，空空气气侧侧的的污污垢垢热热阻阻忽忽略略不不计计。试试问问在在下述新情况下，下述新情况
87、下，K、tm、Q的变化比率是多少？的变化比率是多少？（1）空气的流量增加）空气的流量增加20%；（2）水水的的流流量量增增加加20%。设设空空气气、水水的的对对流流传传热热系系数数均均与其流速的与其流速的0.8次方成正比，管壁的热阻可忽略。次方成正比，管壁的热阻可忽略。例例4-8例例4-7的的结结果果表表明明：若若空空气气的的流流量量增增加加20%，则则空空气气的的出出口口温温度度将将高高于于60。现现要要求求空空气气流流量量增增加加20%后后，出出口温度仍维持不超过口温度仍维持不超过60，则水量应至少增大多少？，则水量应至少增大多少？5.6.2传热操作型计算传热操作型计算例例4-9某某厂厂在
88、在单单壳壳程程双双管管程程列列管管换换热热器器中中，用用130的的饱饱和和水水蒸蒸汽汽将将乙乙醇醇水水溶溶液液从从25加加热热到到80，列列管管换换热热器器由由90根根25mm2.5mm，长长3m的的钢钢管管所所构构成成。乙乙醇醇水水溶溶液液处处理理量量为为36000kg/h，并并在在管管内内流流动动。饱饱和和水水蒸蒸汽汽在在管管间间冷冷凝凝。已已知知钢钢的的导导热热系系数数为为45W/(m2)，乙乙醇醇水水溶溶液液在在定定性性温温度度下下的的密密度度为为880kg/m3，粘粘度度为为1.2mPas，比比热热为为4.02kJ/(kg)，导导热热系系数数为为0.42W/(m)，水水蒸蒸汽汽的的冷
89、冷凝凝对对流流传传热热系系数数为为8150W/(m2)，在在操操作作条条件件下下，污污垢垢热热阻阻及及热热损损失失可可忽忽略略不不计计，试试确确定定：（1）此此换换热热器器能能否否完完成成生生产产任任务务？（2）当当乙乙醇醇水水溶溶液液处处理理量量增增加加20%，在在溶溶液液进进口口温温度度和和饱饱和和水水蒸蒸汽汽温温度度不不变变情情况况下下，仍仍在在原原换换器器中中加加热热乙乙醇醇水水溶溶液液，则则乙乙醇醇水水溶溶液液的的出出口口温温度度变变为为多多少少？蒸蒸汽汽冷冷凝凝量量增增加加多多少少？（3）当当乙乙醇醇水水溶溶液液处处理理量量增增加加20%后后要要求求其其出出口口温温度度保保持持不不
90、变变，仍仍在在原原换换热热器器中操作，则加热蒸汽温度至少应提高到多少度？中操作，则加热蒸汽温度至少应提高到多少度？5.6.2传热操作型计算传热操作型计算例例有有一一单单壳壳程程双双管管程程列列管管换换热热器器，管管外外用用120饱饱和和蒸蒸汽汽加加 热热 ， 干干 空空 气气 以以 12m/s的的 流流 速速 在在 管管 内内 流流 动动 ， 管管 径径 为为38mm2.5mm，总总管管数数为为200根根，已已知知空空气气进进口口温温度度为为26，要求出口温度为，要求出口温度为86，试求：，试求：（1）该换热器的管长应为多少？）该换热器的管长应为多少？（2）若若气气体体处处理理量量、进进口口温温度度、管管长长均均保保持持不不变变，而而将将管管径径增增大大为为54mm2mm，总总管管数数减减少少20%，此此时时的的出出口口温温度度为为多多少少？（不不计计出出口口温温度度变变化化对对物物性性影影响响，忽忽略略热热损损失失、污垢热阻及管壁热阻）。污垢热阻及管壁热阻）。已知定性温度下空气的物性数据为已知定性温度下空气的物性数据为: cp=1.005kJ/(kg)，=1.07kg/m3，=0.0199mPas， =0.0287W/(mK)，Pr=0.697。
