第四章 传 热 通过本章学习，掌握传热的基本原理和规律，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题学习目的与要求1 教学要求n重 点：传热基本方程式；对流传热系数的影响因素及计算n覆盖内容：传热的基本方式及特点；定常传热及非定常传热的概念；傅立叶定律，一维定常导热的计算（平壁圆筒壁及球壁）；导热系数及其影响因素；对流传热过程分析，牛顿冷却定律，传热基本方程式及其应用（传热速率、平均温差、传热系数、污垢热阻和控制热阻）；热效率与传热单元数的概念及计算；2 n对流传热的主要影响因素，对流传热系数准数关联式（熟练掌握管内强制湍流对流传热系数），壁温估算；辐射传热的基本概念，黑体、白体（镜体）、透热体和灰体，普郎克定律，斯蒂芬-波尔茨曼定律，克希霍夫定律，两物体间的辐射传热速率计算，角系数的概念，热损失的计算；常用换热器的结构特点，换热器设计原则、步骤教学要求3 第四章第四章 传热传热§§4.1 4.1 概述概述1 1 热传导热传导物体的各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递，称为热传导(又称导热)特点：特点：没有物质的宏观位移；发生在相互接触的物质之间和物体内部2 2 热对流热对流4 3 3 热辐射热辐射 因热的原因而产生电磁波在空间的传递。
特点：特点：① ① 不仅有能量的传递，而且还有能量形式 的转换 ②② 所有物体都能将热能以电磁波的形式发 射出去，不需 要任何介质§§4.1 4.1 概述概述5 二二 传热过程中热、冷流体热交换的方式传热过程中热、冷流体热交换的方式1 1 直接接触式换热和混合式换热器直接接触式换热和混合式换热器优点：传热效果好，设备结构简单优点：传热效果好，设备结构简单2 2 蓄热式换热和蓄热器蓄热式换热和蓄热器 蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式蓄热器内装有填充物换热方式蓄热器内装有填充物( (如耐火砖等如耐火砖等) )，，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的来积蓄和释放热量而达到换热的目的§§4.1 4.1 概述概述6 3 3 间壁式换热和间壁式换热器间壁式换热和间壁式换热器 冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧流动冷、热面两侧流动冷、热 流体通过间壁进行热量交换。
流体通过间壁进行热量交换1) 套管式换热器套管式换热器套管式换热器套管式换热器 1 1——内管内管 2 2——外管外管§§4.1 4.1 概述概述7 2) 列管式换热器单程列管式换热器1— 外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板 双程列管式换热器1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板§§4.1 4.1 概述概述8 三三 载热体及其选择载热体及其选择1 1 概念：物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另概念：物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另一种流体供给或取走热量，这种流体称为载热体，其中起加一种流体供给或取走热量，这种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂热作用的载热体称为加热剂( (或称加热介质或称加热介质) )；起冷凝作用的；起冷凝作用的载热体称为冷却剂载热体称为冷却剂( (或称泠却介质或称泠却介质) ) 2 2 载热体的选择原则：载热体的选择原则：1) 1) 温度易于调节温度易于调节2) 2) 饱和蒸汽压较低，加热时不易分解饱和蒸汽压较低，加热时不易分解3) 3) 毒性小，不易燃、易爆、不易腐蚀设备毒性小，不易燃、易爆、不易腐蚀设备4) 4) 价格便宜价格便宜§§4.1 4.1 概述概述9 3工业上常工业上常 用的载热体用的载热体1)1)加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气合物、熔盐及烟道气2)2)冷却剂：水、空气和各种冷冻剂冷却剂：水、空气和各种冷冻剂§4.1 概述概述四 稳态传热和非稳态传热10 §§4.2 4.2 热传导热传导§§4.2.1 4.2.1 傅立叶定律傅立叶定律一一 基本概念基本概念温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和，温温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和，温度场的数学表达式为：度场的数学表达式为：当定态温度场定态一维温度场11 §§4.2 4.2 热传导热传导温度梯度：温度梯度：一维温度场传热速率：传热速率：热通量：热通量：等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成 的的面，沿等温面无热传递。
面，沿等温面无热传递12 二二 傅立叶定律傅立叶定律负号表示热流方向与温度梯度方向相反导热系数三三 导热系数导热系数1 定义：§§4.2 4.2 热传导热传导13 一般地， 导电固体> 非导电固体， 液体> 气体导热系数：导热系数是物质的基本物理性质之一，其在数值上等于单位温度梯度下的热通量，它表征物质导热能力的大小其数值与物质的种类、组成、结构、密度、温度、压强有关2 固体的导热系数0℃时的导热系数温度系数，对大多数金属材料，为负值；对大多数非金属材料为正值§§4.2 4.2 热传导热传导14 气体的导热系数很小，常用做保温材料在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化甚微4 4 气体的导热系数气体的导热系数3 3 液体的导热系数液体的导热系数§§4.2 4.2 热传导热传导15 §§4.2.4.2.2 2 平壁的热传导平壁的热传导一一 单层平壁的热传导单层平壁的热传导1 1 几点基本假设几点基本假设1)平壁材料均匀，导热系数λ不随温度而变(或取平均导热系数)2)平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化3)壁边缘处的热损失可忽略§§4.2 4.2 热传导热传导16 因为常数，则：二二 多层平壁的热传导多层平壁的热传导多层平壁的热传导 假设：层与层之间接触良好，两个接触表面具有相同的温度。
§§4.2 4.2 热传导热传导17 三层平壁的热传导速率方程式：n层平壁的热传导速率方程式：§§4.2 4.2 热传导热传导18 §§4.2.4.2.3 3 圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导与平壁热传导的不同在于圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变；同时温度也随半径而变一一 单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导假设：假设：圆筒壁很长，沿轴向散热可忽略§§4.2 4.2 热传导热传导19 取内径为r1,外径为r2，长为L的圆筒其内处层温度分别为t1和t2(t1>t2)在半径为r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，其传热面积可视为常数，为2πrL;通过该层的温度变化为dt, 通过该薄层圆筒壁的导热速率可以表示为：将上式分离变量 积分并整理得：§§4.2 4.2 热传导热传导20 二二 多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导假设：假设：各层间接触良好；各层的导热系数分别为λ1、λ2、λ3，厚度分别为b1、b2、b3§§4.2 4.2 热传导热传导图 多层圆筒壁的热传导21 热传导速率可表示为 对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为或§§4.2 4.2 热传导热传导22 影响因素：接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。
接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计三三 接触热阻接触热阻§§4.2 4.2 热传导热传导23 §§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述1 1 概念：概念：流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热对流传热2 2 分类：分类：24 §§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述3 3 牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：局部对流传热速率对流传热系数，W/m2℃流体温度壁温微分传热面积2) 在换热器中，换热面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积但对流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应如热流体在管内流动，冷流体在管外流动则对流传热速率方程式可分别表示为：25 4 4 对流传热系数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它反映了对流传热的快慢，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数常见流体的α值如下表示空气自然对流气体强制对流水自然对流水强制对流水蒸汽冷凝有机蒸汽冷凝水沸腾5~2520~10020~10001000~150005000~15000500~20002500~25000α 值(W/(m2. ℃) 的范围§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述26 5 5 保温层的临界厚度保温层的临界厚度只有，增加保温层的厚度才能使热损失减少§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述27 图 对流传热的温度分布情况§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述 6 6对对流流传传热热机机理理28 1)对流传热是借流体质点和移动和混合而完成的，它和流2)体的流动状况密切相关。
2) 流体滞流内层中的传热： 流体流动过程中，由于有滞流内存的存在，在滞流内层中流体是分层流动的，相邻层间没有流体的宏观流动，因此在垂直于流体流动方向上不存在热对流，该方向上的热传导仅为热传导热传导，由于流体的导热系数较低，故该层的热阻较大，即温度梯度较大一）（一） 对流传热分析对流传热分析§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述29 3) 流体湍流主体中的传热：流体质点剧烈混合并充满旋涡，因此湍流主体中温度差(温度梯度)极小，各处的温度基本相同4) 强化对流传热的途径 对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此减薄滞流内层厚度是强化对流传热的主要途径二）（二） 热边界层热边界层1) 1) 定义：定义：流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述30 图 平板上的热边界层§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述31 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即 紧靠壁面处薄层流体的温度梯度§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述32 根据牛顿冷却定律，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§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述33 因此有对流传热系数的另一定义式，它表明了对流传热系数与壁面温度梯度之间的关系。
§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述34 当流体流过圆管进行传热时，管内热边界层的形成和发展 对于一定的管长，破坏边界层的发展也能强化对流传热 对于同一种流体，强制对流传热的对流传热系数要大于自然对流的，有相变化的要大于无相变化的 §§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述35 （三）（三） 进口段进口段流体在管内传热时，从开始加热(或冷却)到α基本稳定的这一段距离称为进口段；进口段；在进口段内，热边界层厚度渐增，α沿管长逐渐减小§§4. 4. 3 3 对流传热概述对流传热概述36 2 当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取平均温度下的比热容时3 当换热器中两流体有相变化时：有相变而无降温时有相变且有降温时§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算4.4.1 热量衡算1 总焓衡算方程37 4.4.2 4.4.2 总传热速率微分方程和总传热系数总传热速率微分方程和总传热系数1 1 总传热速率微分方程总传热速率微分方程热流体的平均温度冷流体的平均温度局部总传热系数总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，即有：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算38 2 2 总传热系数总传热系数(1) 总传热系数的数值范围(见下表)流体种类总传热系数KW/(m2·K)水—气体12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有机溶剂280~850气体—气体12~35饱和水蒸气—水1400~4700饱和水蒸气—气体30~300饱和水蒸气—油60~350饱和水蒸气—沸腾油290~870§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算39 (2) 总传热系数的计算式a) 热流体以对流传热的方式将热量传给 热侧表面;b) 热侧表面以传导传热方式将热量传给 冷侧表面;c) 然后冷侧表面以对流传热方式将热量 传给冷流体 两流体通过管壁的传热包含以下过程：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算40 热流体对热侧固体壁面的传热速率方程通过管壁的热传导冷侧固体壁面对冷流体的传热速率方程§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算41 由以上三式可得总传热速方程：在上式两边同除dSo,便可有：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算42 所以有：同理有：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算43 (3) 污垢热阻 工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值，如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rs1和Rs2，则总热阻 §§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算44 (4) 提高总传热系数的途径当传热面是平壁或薄管壁时，di、do、dm相等或接近，则有当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，有：总热阻由热阻大的那一侧的对流传热所控制§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算45 三三 平均温度差平均温度差 t tm m的计算的计算1 恒温传热时的平均温度差基本假设：(1)传热为定态操作过程(2)两流体的比热容为常数(3)总传热系数为常数(4)换热器的热损失可以忽略§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算46 2.变温传热时的平均温度差（1）逆流和并流时的平均温度差逆流并流§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算47 由热量恒算并结合假定条件①和②，可得 常数常数§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算48 因此， 及 都是直线关系，可分别表示为 上两式相减，可得 也呈直线关系。
将上述诸直线定性地绘于下图中 §§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算49 图 逆流时平均温度差的推导§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算50 根据假定条件③，积分上式得总传热速率方程式§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算51 对数平均温度差逆流和并流时计算平均温度差的通式§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算52 讨论：（1）在工程计算中，当 时，可用算术平均温度差（ ）代替对数平均温度差，其误差不超过4%2）在冷、热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均温差较并流的为大 §§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算53 逆流： 采用逆流操作，若换热介质流量一定，则可以节省传热面积，减少设备费；若传热面积一定，则可减少换热介质的流量，降低操作费，因而工业上多采用逆流操作并流： 若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，则宜采用并流操作 §§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算54 （2）错流和折流时的平均温度差单管程，多管程单壳程，多壳程§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算55 图5-10 错流和折流示意图§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算56 温差校正系数 安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图算法 先按逆流计算对数平均温度差，然后再乘以考虑流动方向的校正因素。
即§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算57 具体步骤如下：①根据冷、热流体的进、出口温度，算出纯逆流条件下的对数平均温度差⊿t’m②按下式计算因数 R 和 P：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算58 ③根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校正系数； ④将纯逆流条件下的对数平均温度差乘以温度差校正系数，即得所求的 一边恒温时§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算59 值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故 通常在换热器的设计中规定， 值不应小于0.8，否则值太小，经济上不合理若低于此值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串联使用，使传热过程接近于逆流 §§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算60 温度差校正系数 作温度差校正系数图的假定：(1)壳程任一截面上流体温度均匀一致(2)管方各程传热面积相等(3)总传热系数K和流体比热容为常数(4)流体无相变化(5)换热器的热损失可以忽略61 4.4.2 4.4.2 总传热速率方程的应用总传热速率方程的应用1.1.传热面积的计算传热面积的计算 通常按总传热系数通常按总传热系数K K为常数为常数2.2.实验测定总传热系数实验测定总传热系数K K3.3.换热器的操作型计算换热器的操作型计算见见p237 p237 例例4-104-10§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算62 1. 传热效率ε换热器的传热效率ε定义为4.4.5传热单元数法§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算63 最小值流体：换热器中两流体中热容量流较小者，表示为： 热流体为最小值流体冷流体为最小值流体在换热器中可能达到的最大温差： T1-t1§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算64 2 传热单元数NTU换热器的热量衡算和传热速率微分方程为：对冷流体，上式可改写为：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算65 基于冷流体的传热单元数(NTU)C：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算66 什么是传热单元？ 什么是传热单元数？ §§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算67 3 传热效率与传热单元数的关系并流时：逆流时：§§4. 4. 4 4 传热过程计算传热过程计算68 并流换热器ε-NTU的关系图69 逆流换热器ε-NTU的关系图70 折流换热器的ε-NTU关系图(单壳程，2、4、6管程)71 4.5.1影响对流传热系数的因素1.流体的种类和相变化的情况2.流体的特性：导热系数、黏度、比热容、密度以及体积膨胀系数 3.流体的温度4.流体的流动状态5.流体流动的原因6.传热面的形状、位置和大小4.5 对流传热系数关联式72 4.5.2 对流传热过程的量纲分析1.根据对问题的观察，找出影响对流传热过程的因素2.通过量纲分析确定相应的量纲为一数群（准数）3.通过实验确定相应的经验关联式公式。
量纲分析步骤4.5 对流传热系数关联式73 量纲分析的基本依据是π定理：一个表示n个物理量间关系的量纲一致的方程式，一定可以转换成包含n-m个独立的量纲为一数群间的关联式，m指n个物理量中所涉及的基本量纲的数目量纲分析的核心在于确定n和m，并用一定技巧将各个量纲为一数群的内涵确定下来量纲分析基本依据4.5 对流传热系数关联式74 1.流体无相变时的强制对流传热过程（1）列出影响该过程的物理量 传热设备的特征尺寸4.5 对流传热系数关联式75 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量、时间和温度依据π定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 4.5 对流传热系数关联式76 通过量纲分析，可确定努赛尔特数(Nusselt number) 雷诺数(Reynolds number)表示对流传热系数的准数 表示惯性力与黏性力之比，是表征流动状态的准数 4.5 对流传热系数关联式77 普兰德数(Prandtl number)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 强制对流（无相变）传热时的准数关联式 因此，有4.5 对流传热系数关联式78 2.自然对流传热自然对流传热（1）列出影响该过程的物理量 传热设备的特征尺寸作用在单位体积流体上的浮力4.5 对流传热系数关联式79 （2）确定量纲为一数群的数目 上述7个变量（物理量）涉及到4个基本量纲：长度、质量、时间和温度依据π定理，量纲为一数群的数目等于7-4=3 4.5 对流传热系数关联式80 通过量纲分析，可确定努赛尔特数(Nusselt number) 普兰德数(Prandtl number)4.5 对流传热系数关联式81 格拉斯霍夫数(Grashof number)表示由温度差引起的浮力与黏性力之比 自然对流（无相变）传热时的准数关联式 因此，有4.5 对流传热系数关联式82 3.使用由实验数据整理得到的关联式应注意的问题（1）应用范围 关联式中Re、Pr等准数的数值范围等；（2）特性尺寸 Nu、Re等准数中的ℓ应如何确定；（3）定性温度 各准数中的流体物性应按什么温度查取。
4.5 对流传热系数关联式83 1. 流体在光滑圆形直管内作强制湍流（1）低黏度流体可应用迪特斯（Dittus）—贝尔特（Boelter）关联式或或当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3 4.5.3 流体无相变时的对流传热系数一 流体在管内作强制对流4.5 对流传热系数关联式84 特性尺寸：管内径定性温度：流体进、出口温度的算术平均值应用范围：若，可将由上式求得的值乘以进行校正4.5 对流传热系数关联式85 （2）高黏度流体可应用西德尔（Sieder）—泰特（Tate）关联式或或壁温下的黏度考虑热流方向的校正项 4.5 对流传热系数关联式86 特性尺寸：管内径定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值应用范围：4.5 对流传热系数关联式87 2.流体在光滑圆形直管内作强制层流特性尺寸：管内径 定性温度：除μw取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值应用范围：4.5 对流传热系数关联式88 当 时，对流传热系数可先用湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正系数3. 流体在光滑圆形直管中呈过渡流4.5 对流传热系数关联式89 4. 流体在弯管内作强制对流 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大 管子的弯曲半径4.5 对流传热系数关联式90 5. 流体在非圆形管内作强制对流 流体在非圆形管内作强制对流时，只要将管内径改为当量直径，则仍可采用上述各关联式。
传热当量直径定义：究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决定 4.5 对流传热系数关联式91 二、流体在换热器的管间作强制对流换热器管间流体的流动：装有折流挡板流体的流向和流速不断地变化在Re>100时即可达到湍流 4.5 对流传热系数关联式92 图5-14 换热器折流挡板4.5 对流传热系数关联式93 图5-15 管间管束排列形式4.5 对流传热系数关联式94 凯恩（Kern）法应用范围： 特性尺寸：传热当量直径定性温度：除μw取壁温外，均取流体进出口温度的算术平均值4.5 对流传热系数关联式95 三、自然对流通过实验测得的c和n值列于表5-7中 4.5 对流传热系数关联式96 4.5.4 液体有相变时的对流传热系数1.蒸汽冷凝方式图5-16蒸汽冷凝方式滴状冷凝膜状冷凝4.5 对流传热系数关联式一 蒸汽冷凝97 2.膜状冷凝时的对流传热系数（1）层流膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝时对流传热系数关系式推导中作了以下假设：①冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜的热传导②蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力4.5 对流传热系数关联式98 ③蒸汽冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热，蒸汽温度和壁面温度保持不变。
④冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数4.5 对流传热系数关联式99 对蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝 蒸汽的饱和温度与壁面温度之差 饱和蒸汽的冷凝潜热4.5 对流传热系数关联式100 麦克亚当斯(McAdams)建议在工程设计时，应将计算结果提高20%，即4.5 对流传热系数关联式101 （2）湍流膜状冷凝时的对流传热系数 当液膜呈现湍流流动时可应用柯克柏瑞德(Kirkbride)的经验公式计算，即4.5 对流传热系数关联式102 冷凝时Ref的计算：当量直径 凝液的平均流速若以 表示凝液的流通面积， 表示润湿周边长度， 表示凝液的质量流率，则有 4.5 对流传热系数关联式103 单位长度润湿周边上的凝液质量流率 则从层流到湍流的 临界值一般可取为1800 4.5 对流传热系数关联式104 （3）水平管外膜状冷凝时的对流传热系数 对于蒸气在单根水平管外的层流膜状冷凝，努赛尔特曾经获得下述关联式特征尺寸管外径4.5 对流传热系数关联式105 水平管束外冷凝 垂直列上的管数若各列管子在垂直方向上的排数不相等4.5 对流传热系数关联式106 比较垂直管外水平管外2式相比对于长1.5m，外径20mm的圆管，水平放置时其层流膜状冷凝对流传热系数约为垂直放置时的2倍。
4.5 对流传热系数关联式107 应予指出，若蒸气中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气体（导热系数很小）层所遮盖而增加一层附加热阻，使对流传热系数急剧下降故在冷凝器的设计和操作中，必须考虑排除不凝气 4.5 对流传热系数关联式108 二、液体沸腾传热所谓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液体沸腾4.5 对流传热系数关联式109 液体沸腾的方式过冷沸腾饱和沸腾 √√池内沸腾管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾)4.5 对流传热系数关联式110 1.液体沸腾曲线图5-17水的沸腾曲线4.5 对流传热系数关联式111 2.液体沸腾传热的影响因素（1）液体性质的影响 通常，凡是有利于气泡生成和脱离的因素均有助于强化沸腾传热4.5 对流传热系数关联式112 （2）温度差的影响 温度差是控制沸腾传热过程的重要参数一定条件下，多种液体进行泡核沸腾传热时的对流传热系数与的关系可用下式表达，即4.5 对流传热系数关联式113 （3）操作压力的影响 提高沸腾操作的压力相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和黏度均下降，有利于气泡的生成和脱离。
4.5 对流传热系数关联式114 （4）加热壁面的影响 加热壁面的材质和粗糙度对沸腾传热有重要影响清洁而粗糙的加热壁面传热系数较高加热壁面的布置情况，也对沸腾传热有明显的影响4.5 对流传热系数关联式115 3.液体沸腾传热系数的计算由于沸腾传热的机理相当复杂，目前还没有适当的分析解可以描述整个沸腾传热过程，故其传热系数的计算仍主要借助于经验公式，以下是工业计算中常用的罗森奥（Rohsenow）公式，即4.5 对流传热系数关联式116 辐射辐射能热辐射热射线物体以电磁波方式传递能量的过程 物体以电磁波方式传递的能量 因热的原因引起的电磁波辐射 波长0.4～0.8μm的可见光线和波长0.8～20 μm的红外光线 4.6 辐射传热117 图5-18 辐射能的吸收、反射和透过概述透过反射吸收4.6 辐射传热118 根据能量守恒定律，可得 4.6 辐射传热119 吸收率反射率透过率量纲为一 量纲为一 量纲为一 4.6 辐射传热120 一、黑体、镜体、透热体和灰体能透过全部辐射能的物体称为透热体 黑体镜体透热体能全部吸收辐射能的物体称为黑体或绝对黑体能全部反射辐射能的物体称为镜体或绝对白体。
能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体称为灰体 灰体4.6 辐射传热121 黑体镜体 灰体一般单原子气体和对称的双原子气体（如He、O2、N2和H2等）均可视为透热体 透热体理想物体 4.6 辐射传热122 二、物体的辐射能力E辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部波长的辐射能，称为该物体在该温度下的辐射能力单位为 W/m2单色辐射能力单位为 W/m3 在相同条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力 4.6 辐射传热123 黑体辐射能力和单色辐射能力之间满足 黑体辐射能力黑体单色辐射能力4.6 辐射传热124 三、普朗克定律、斯蒂芬—玻尔兹曼定律及克希霍 夫定律1.普朗克（planck）定律 普朗克定律揭示了黑体的单色辐射能力随波长变化的规律，其表达式为4.6 辐射传热125 图5-19黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律4.6 辐射传热126 图5-19黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律4.6 辐射传热127 2.斯蒂芬（Stefan）－玻尔兹曼（Boltzman）定律 斯蒂芬—玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比这一定量关系：黑体的辐射常数 4.6 辐射传热128 3.克希霍夫（kirchhoff）定律 任何物体（灰体）的辐射能力与吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温度有关。
为灰体的辐射系数 4.6 辐射传热129 克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力与吸收率之间的关系对于实际物体，因A<1，故实际物体的辐射能力小于黑体的辐射能力由此可见，在任何温度下，黑体的辐射能力最大，对于其它物体而言，物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈大4.6 辐射传热130 灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，定义为灰体的黑度，亦称为灰体的发射率 黑度4.6 辐射传热131 比较 在同一温度下，灰体的吸收率和黑度在数值上相等 4.6 辐射传热132 黑度ε和物体的性质、温度及表面情况（如表面粗糙度及氧化程度）有关，一般由实验测定，常用工业材料的黑度列于表5-9中4.6 辐射传热133 两固体间的辐射传热 两灰体间辐射传热的结果，是高温物体向低温物体传递了能量几何因数(角系数)辐射面积总辐射系数见表5-10 4.6 辐射传热134 一、管式换热器的结构形式管壳式换热器蛇管式换热器套管式换热器翘片管式换热器 管式换热器√4.7 换热器4.7.1 间壁式换热器的类型135 固定管板式换热器浮头式换热器 U型管式换热器 管壳式换热器4.7 换热器136 图5-21固定管板式换热器4.7 换热器137 图5-22 浮头式换热器4.7 换热器138 图5-23 U型管式换热器4.7 换热器139 二、板式换热器的结构形式平板式换热器螺旋板式换热器板翘式换热器热板式换热器 板式换热器4.7 换热器140 三、特殊形式换热器回旋式换热器热管换热器同流式换热器 特殊结构的换热器4.7 换热器141 在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率；在设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减少占地空间，节约材料，降低成本；在某种特定技术过程使某些工艺特殊要求得以实施等。
强化传热 力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多强化传热的意义4.7.2 换热器传热过程的强化4.7 换热器142 强化传热的途径增大均可增加，以强化传热4.7 换热器143 一、增大传热面积 改进传热面的结构来提高单位体积的传热面积，而非靠增大换热器的尺寸如：（1）翅化面（肋化面） （2）异形表面 （3）多孔物质结构 （5）采用小直径管 4.7 换热器144 二、增大平均温度差 提高加热介质温度或降低冷却介质的温度采用逆流操作增加管壳式换热器的壳程数 4.7 换热器145 三、增大总传热系数 减少热阻的主要方法有：（1）提高流体的速度（2）加大流体的扰动（3）采用短管换热器（4）防止结垢和及时除垢 4.7 换热器146 传热强化流动阻力增大综合考虑通常是在输送功率相等的前提下，比较传热系数的变化 表明强化有效4.7.3传热过程强化效果的评价4.7 换热器147 1.流体流径的选择 ①不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便 ②腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换 ③压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。
4.7.4 换热器设计的基本原则一 设计原则4.7 换热器148 ④被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果 ⑤饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗 ⑥有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏4.7 换热器149 ⑦流量小或黏度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数 ⑧若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力 4.7 换热器150 2.流体流速的选择 增大流速加大对流传热系数减少污垢的形成流动阻力加大总传热系数增大 动力消耗增多 一般需通过多方面权衡选择适宜的流速表5-11至表5-13列出了常用的流速范围，可供设计时参考 4.7 换热器151 3.冷却介质（或加热介质）终温的选择 一般来说，设计时冷却水的进出口温度差可取5～10℃缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差 4.7 换热器152 4.管子的规格和管间距①管子规格 管径 1.5m2m3m6m管长②管间距 见表5-14 4.7 换热器153 5.管程和壳程数的确定 管壳式换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。
采用多程时，通常应使每程的管子数相等 当温度差校正系数小于0.8时，应采用壳方多程常用的方法是将几个换热器串联使用 4.7 换热器154 6.折流档板的选用 板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大；板间距过大，流体难于垂直流过管束，使对流传热系数下降4.7 换热器155 系列标准中采用的板间距为：固定管板式有150、300和600mm三种；浮头式有150、200、300、480和600mm五种4.7 换热器156 7.外壳直径的确定 壳体标准常用的有159、273、400、500、600、800、1000、1100、1200mm等 4.7 换热器157 8.流体通过换热器的流动阻力（压降）（1）管程流动阻力计算 管程结垢校正系数直管摩擦阻力引起的压降管程数回弯阻力引起的压降壳程数4.7 换热器158 （2）壳程流动阻力的计算 流体通过折流挡板缺口的压降壳程结垢校正系数壳程数横过管束的压降4.7 换热器159 流体横过管束的压降 流体通过折流挡板缺口的压降 4.7 换热器160 二 设计与选型的具体步骤管壳式换热器的设计计算步骤如下（1）估算传热面积，初选换热器型号①根据换热任务，计算传热量。
②确定流体在换热器中的流动途径③确定流体在换热器中两端的温度，计算定性温度，确定在定性温度下的流体物性4.7 换热器161 ④计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，确定壳程数或调整加热介质温度或冷却介质的终温⑤根据两流体的温差和设计要求，确定换热器的型式⑥依据换热流体的性质及设计经验，选取总传热系数值4.7 换热器162 ⑦依据总传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择设备规格K选 4.7 换热器163 （2）计算管、壳程压降 根据初选的设备规格，计算管、壳程的流速和压降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求若压降不符合要求，需调整流速，再确定管程和折流挡板间距，或选择其它型号的换热器，重新计算压降直至满足要求为止4.7 换热器164 （3）核算总传热系数 计算管、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算总传热系数K计，然后比较，若，则初选的换热器合适，否则需另选值，重复上述计算步骤4.7 换热器165 v热传导速率方程及其应用学 习 指 导本章重点掌握的内容¯傅立叶定律¯单层、多层平壁热传导速率方程及其应用¯单层、多层圆筒壁热传导速率方程及其应用¯接触热阻的概念166 v换热器的传热计算 ¯换热器的热量衡算¯总传热速率方程¯总传热系数的计算¯平均温度差的计算 ¯传热单元数法的特点及适用对象 学 习 指 导167 v 对流传热 学 习 指 导¯对流传热机理¯对流传热系数的定义¯热边界层的概念¯对流传热系数的影响因素及量纲分析法 ¯描述传热过程的量纲为一数群¯流体在光滑圆形直管内强制湍流传热系数关联式168 v流体有相变时的对流传热系数 ¯冷凝传热方式¯冷凝传热过程的影响因素¯沸腾传热方式¯沸腾曲线¯液体沸腾传热的影响因素学 习 指 导169 v辐射传热 ¯辐射传热的特点¯黑体、镜体、灰体的概念¯辐射传热的相关定律学 习 指 导170 v换热器 ¯换热器的类型¯管壳式换热器的基本结构¯强化的途径¯强化传热效果评价 ¯换热器设计与选型的主要步骤学 习 指 导171 。