換熱器傳熱基礎(chǔ)知識(shí)

1、第四章第四章 傳傳 熱熱第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 一、定義：由溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程稱為熱量傳遞過(guò)程或傳熱過(guò)程，簡(jiǎn)稱傳熱。二、傳熱現(xiàn)象：幾乎無(wú)時(shí)不有，無(wú)處不在。因?yàn)闇夭顜缀鯚o(wú)時(shí)不有，無(wú)處不在。三、傳熱原理的應(yīng)用：十分廣泛。尤其在能源動(dòng)力、化工冶金部門。 化學(xué)過(guò)程 單元操作 設(shè)備管道 廢熱利用四、問(wèn)題類型 提高（強(qiáng)化）傳熱速率 降低（削弱）傳熱速率五、傳熱狀態(tài) 穩(wěn)態(tài)（定常）傳熱： 各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變 非穩(wěn)態(tài)（非定常）傳熱：否則遵循相同的傳熱原理六、傳熱基本方式（傳熱機(jī)理）1熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）(conduction)：由微觀粒子（分子、原子、離子和電子）的微觀運(yùn)動(dòng)傳遞熱量的過(guò)程。 金屬，自由電子的

2、運(yùn)動(dòng)。 固體 分子晶體，分子的振動(dòng)。 非金屬 原子晶體，原子的振動(dòng)。 晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，彈性波。 離子晶體，離子的振動(dòng)。 液體，分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)），介于氣體與非金屬之間。 氣體，分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）。2熱對(duì)流（對(duì)流）(convection)：由流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)傳遞熱量的過(guò)程。由于同 時(shí)存在分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)流必然伴隨導(dǎo)熱。 自然對(duì)流：宏觀運(yùn)動(dòng)由流體密度差引起，而密度差由溫度差引起。 強(qiáng)制對(duì)流：宏觀運(yùn)動(dòng)由外力（泵、風(fēng)機(jī)、位差、壓差等）引起。3熱輻射（輻射）(radiation)：由電磁波傳遞熱量的過(guò)程。 在實(shí)際問(wèn)題中，傳熱方式很少單獨(dú)存在，常常兩種或三種共存 七、換熱

3、器的類型：間壁式、混合式（圖4-1）、蓄熱式（圖4-2）。八、典型間壁式換熱器：套管式（圖4-4）和列管（殼管）式（圖4-5、4-6）。九、間壁式換熱器中的傳熱方式：對(duì)流導(dǎo)熱對(duì)流 十、載熱體：提供或取走熱量的流體。 1加熱劑：提供熱量的載熱體。熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯、熔鹽、煙氣（表4-1）。 或電。 2冷卻劑：取走熱量的載熱體。冷水、空氣、鹽水、液氨（表4-2）?；蚍锇?、液氮。2TTwTwtt t1t2t1T2T第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 一、傅立葉定律：一、傅立葉定律：在物體內(nèi)任何一點(diǎn)，沿任一方向的導(dǎo)熱熱流密度（單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的熱流量）與該方向上的溫度變化率成正比，即 式

4、中負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向。 qn方向的導(dǎo)熱熱流密度，W/m2； Qn方向的導(dǎo)熱傳熱速率或熱流量，W，J/s； S與熱流方向垂直的導(dǎo)熱面積，m2； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)，W/(mC)； n方向的溫度變化率，K/m，C/m； 二、導(dǎo)熱系數(shù)二、導(dǎo)熱系數(shù) ：表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物性參數(shù)。 1固體 式中0固體在0 C的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)，W/(mC)； 溫度系數(shù)，1/ C 2液體 (1) 金屬液體： (2) 非金屬液體（除水、甘油外）：t, （略減?。?(3) 有機(jī)化合物水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式為nt,ta 式中 組分i的質(zhì)量分率。(4) 有機(jī)化合物互溶混合液的導(dǎo)熱系數(shù)估算式為 3、

5、氣體很小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但有利于保溫和絕熱(1) (2) (3) 常壓下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)估算式為 式中 組分i的摩爾分率。 組分i的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。4、一般規(guī)律 (1) (2) (3) (4) iima9 . 0aiima,t)102,3()1023(,55kPaporkPapkPapkPap3/13/1iiiiimMyMyiyiM非金金gls非晶晶)(氣體除外混純?nèi)⑷?通過(guò)平壁的導(dǎo)熱通過(guò)平壁的導(dǎo)熱1單層平壁如圖所設(shè)，且假定為常數(shù)，則將一維穩(wěn)態(tài)條件用于傅立葉定律：得 所以 ，t與x成線性關(guān)系?；?沿x方向定積分，得而由一維穩(wěn)態(tài)條件，知q與x無(wú)關(guān)，（ ）所以 所以 而 所以 單層

6、平壁微分導(dǎo)熱公式沿平面定積分，得所以 單層平壁導(dǎo)熱公式tz,Oxx dxb1t2ttdtt dSntqdxdtqconstqdxdtdtqdx210ttbdtqdxdSdQqdSdQqdQdQ221121,210ttbdtdxqbttq)(21dSdQq dSbttdQ21SSQdSbttdSbttdQ0210210bttSQ21b1dQ2dQ傳遞過(guò)程有共同規(guī)律： 如歐姆定律將單層平壁公式改寫為式中 溫差，K，C； 熱阻，K/W。2、多層平壁 以三層平壁為例，如圖所設(shè)，且假定為常數(shù)，及層與層之間接觸良好，沒(méi)有接觸熱阻，則由單層平壁公式，得而由一維穩(wěn)態(tài)條件，得所以相加并整理，得 或 )()()(

7、,秒庫(kù)侖安培sCAtQIRUI過(guò)程阻力過(guò)程動(dòng)力過(guò)程速率 RtSbttbttSQ212121tttSbRSbQtttSbQtttSbQttt333433222322111211321QQQQ32141332211321RRRttSbSbSbtttQniinniiinRttSbttQ1111111b2b3b1t2t3t4ttz,xOQ123四、 通過(guò)圓筒壁的導(dǎo)熱1單層圓筒壁如圖所設(shè)，且假定為常數(shù)則將一維穩(wěn)態(tài)條件用于傅立葉定律：得 或 所以 ，t與r成非線性關(guān)系或 沿r方向定積分，得而由一維穩(wěn)態(tài)條件，知 與r無(wú)關(guān)，（ ，但 ）所以 所以 單層圓筒壁微分導(dǎo)熱公式ntqdrdtdSdQqdrdtrdLd

8、QdSdQ2rdLdQdrdt2dtrdrdLdQ221212ttrrdtrdrdLdQdLdQdLrdQqdLrdQq22211122dLdQdLdQdQdQ2121,21212rrttdtrdrdLdQ)(2ln2112ttrrdLdQdLrrttdLrrttdQ12211221ln1)(2ln)(2tz,Or1t2ttdtt 1r2rrdrLbd整理 單層圓筒壁微分導(dǎo)熱公式式中 對(duì)數(shù)平均微元面積，m2；當(dāng) 時(shí) ， 。沿柱面定積分，得所以 單層圓筒壁導(dǎo)熱公式整理 單層圓筒壁導(dǎo)熱公式式中 對(duì)數(shù)平均面積，m2；當(dāng) 時(shí)， 。 溫差，K，C； 熱阻，K/W。1221121222ln)(2rrttd

9、LrdLrrrdLdQmdSbttrrttdSdSdSdSdQ2112211212ln1212lndSdSdSdSdSm21dSdS 21dSdSdSmLLQdLrrttdLrrttdQ01221012210ln)(2ln)(212211221ln1)(2ln)(2rrttLrrttLQ1221121222ln)(2rrttLrLrrrLQRtSbttbttSrrttSSSSQmm212112211212ln1212lnSSSSSm21SS 21SSSm21tttSbR課堂練習(xí)：設(shè) ，試求單層圓筒壁的導(dǎo)熱傳熱速率計(jì)算公式。解：由 得 沿r方向定積分，得所以 得 所以當(dāng)與t成線性關(guān)系時(shí)，只要將導(dǎo)

10、熱公式中的用算術(shù)平均溫度下的代替，即可求解變導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱問(wèn)題。否則，要用積分平均值代替。at0ntqdrdtdSdQqdrdtrdLdQdSdQ2dtrdrdLdQ221212ttrrdtrdrdLdQ2121)(20rrttdtatrdrdLdQ21)2(2ln2012tttatrrdLdQ2121021221201222)(2)(2lnttttattattrrdLdQ1221122101221210ln)(2ln)(2ln)(22rrttLrrttt aLrrttttaLQ3、 多層圓筒壁 與多層平壁同理可得或 343232121413332221114132141ln1ln1ln1)(

11、2rrrrrrttLSbSbSbttRRRttQmmmniiiinnimiinniinrrttLSbttRttQ1111111111ln1)(2tz,Or1t2t1r2rL3t4t3r4r123Q第三節(jié)第三節(jié) 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 一、傳熱方式和溫度分布11、層流 導(dǎo)熱 非線性 層流底層區(qū) 導(dǎo)熱 近似線性22、湍流 過(guò)渡流區(qū) 導(dǎo)熱與對(duì)流 非線性 湍流主體區(qū) 對(duì)流為主 近似水平線二、牛頓冷卻定律（對(duì)流傳熱系數(shù)的定義）：當(dāng)流體流過(guò)固體壁面時(shí)，通過(guò)流體且與壁面垂直的對(duì)流熱流密度與壁面溫度和流體溫度的差成正比，即 或 式中 qx局部對(duì)流熱流密度，W/m2； Q對(duì)流傳熱速率或熱流量，W； S與流體接觸的固體

12、傳熱面積，m2； x局部對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2K)； tw，Tw分別為冷熱流體側(cè)的局部壁溫，K，C； t，T分別為冷熱流體的有限空間內(nèi)局部截面平均溫度或大空間中流體主流溫度，K，C。 三、對(duì)流傳熱系數(shù)x 牛頓冷卻定律實(shí)質(zhì)上是對(duì)流傳熱系數(shù)的定義式，對(duì)流傳熱系數(shù)表征對(duì)流傳熱能力的參數(shù)，與流體物性及流動(dòng)狀態(tài)等有關(guān)。對(duì)流傳熱系數(shù)的一般范圍見(jiàn)表4-5。后面將詳細(xì)討論對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。)(),(ttdSdQqTTdSdQqwxxwxxdSttdQdSTTdQwxwx)(,)(四、x的物理意義以管外冷流體湍流流動(dòng)為例，則有效膜很薄。設(shè)有效膜內(nèi)的流體按層流流動(dòng)，則由單層圓筒壁微分導(dǎo)熱公式：得 比較 得 所

13、以x的物理意義是導(dǎo)熱系數(shù)與有效膜厚度之比。(若為層流，則 ， ， )mdSbttdQ21oewmewdSttdSttdQowxodSttdQ)(exooommdSdLrdLrdS22eomxorrRe2TTwTwttt1t2t1T2T五、熱邊界層五、熱邊界層 1形成 當(dāng)流體流過(guò)與其溫度不同的壁面時(shí)，因其本身受熱或冷卻而使壁面附近流體的溫度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生溫度梯度。 熱邊界層（溫度邊界層）：壁面附近存在溫度梯度的流體層t，一般取熱邊界層外緣的過(guò)余溫度 。 主流區(qū)：邊界層以外的區(qū)域。 2發(fā)展（限于管內(nèi)） 與流動(dòng)邊界層類似，熱邊界層的形成也有一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，但熱邊界層在充分發(fā)展后因傳熱過(guò)程的繼續(xù)而

14、不能形成穩(wěn)定的熱邊界層，最后會(huì)消失。 雖然管道內(nèi)充分發(fā)展后的熱邊界層（溫度分布）不能穩(wěn)定，但局部對(duì)流傳熱系數(shù)x可以基本穩(wěn)定。因?yàn)閷?duì)流傳熱系數(shù)取決于層流底層的厚度，見(jiàn)x的物理意義。 進(jìn)口段（穩(wěn)定段）：從進(jìn)口處到局部對(duì)流傳熱系數(shù)x基本穩(wěn)定的這一段距離。 若流動(dòng)邊界層在管中心匯合時(shí)仍為層流，則從進(jìn)口處開始降低到某一極限值后基本上保持恒定。若匯合前已發(fā)展為湍流，則在層流向湍流過(guò)渡時(shí)，有所回升，然后趨于恒定。當(dāng)湍流十分激烈時(shí)，進(jìn)口段的影響即消失。 )(99. 0wwtttt第四節(jié)第四節(jié) 傳熱計(jì)算傳熱計(jì)算 一、能量衡算（忽略熱損失）1基本熱量衡算式2無(wú)相變時(shí)熱量衡算式3有相變時(shí)熱量衡算式4無(wú)相變和有相變共

15、存時(shí)熱量衡算式 二、總傳熱方程：仿牛頓冷卻定律，顯然，在間壁式換熱器中，熱流密度與兩流體的溫差成正比，即總傳熱微分方程 或 總傳熱微分方程 式中 qx局部熱流密率，W/m2； Q傳熱速率或熱流量，W； S間壁傳熱面積，m2； Kx局部總傳熱系數(shù)，W/(m2K)； t、T分別為冷熱流體的局部流體截面平均溫度或大空間中流體主流溫度，K；)()(1221ccchhhHHWHHWQdtcWdTcWdQpccphh)()(1221ttcWTTcWQpccphh)(12ttcWrWQpcchhccphhrWTTcWQ)(21cchhrWrWQ)()(121cspccphhrttcWTTcWQ)()(122

16、ttcWTTcrWQpccsphhh)(tTKdSdQqxxdStTKdQx)(三、總傳熱系數(shù)Kx、K 總傳熱微分方程實(shí)質(zhì)上是總傳熱系數(shù)的定義式?？倐鳠嵯禂?shù)主要取決于冷熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。下面推導(dǎo)其計(jì)算公式。 設(shè)穩(wěn)定傳熱，其他如圖所設(shè)，則通過(guò)熱流體的對(duì)流傳熱速率為 通過(guò)熱流體側(cè)污垢的導(dǎo)熱傳熱速率為 通過(guò)管壁的導(dǎo)熱傳熱速率為 通過(guò)冷流體側(cè)污垢的導(dǎo)熱傳熱速率為 通過(guò)冷流體的對(duì)流傳熱速率為 整理，得 相加并整理，得iwxidSTTdQ)(isiwwdSRTTdQmwwdStTbdQ)(osowwdSRttdQowxodSttdQ)(wixiTTdSdQwwisiTTdSdQRwwmtTdSbdQ

17、wwosottdSdQRttdSdQwoxooxoosomisiixidSdSRdSbdSRdStTdQ11 對(duì)比總傳熱微分方程： 得 而 ， ， ，所以 假定為常數(shù)，對(duì)上式沿管長(zhǎng)取平均值，得當(dāng) 時(shí)， 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng)傳熱面為平壁時(shí)，所以 四、對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響 以平壁為例，若忽略污垢熱阻和管壁熱阻，則dStTKdQx)(oxoosomisiixixdSdSRdSbdSRdSdSK111dlddSoodlddSdlddSiidlddSmmoxoosomisiixixddRdbdRddK111dlddRdbdRdLdldKLLoxoodomidiixiLx00)11(111ooodomi

18、diiiddRdbdRdKd111idd odd oiooidomidiiiddddRddbRK111odomoiodiioioRddbddRddK111omidSdSdSdSododiiRbRK111oiK111 所以 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng) 時(shí)， 所以當(dāng)i，o相差較大時(shí)，必須提高較小的，才能提高K；當(dāng)i，o相差不大時(shí)，必須同時(shí)提高i，o，才能提高K。 五、平均溫差1恒溫傳熱 由總傳熱微分方程 對(duì)上式沿管長(zhǎng)取平均值，得 所以 總傳熱方程 令 平均溫差 則 總傳熱方程 oioiK1oioiKoioioKiK)(tTKdSdQqxx)(1)(1110000tTdlKLdltTKLdldSdQLdlqLLx

19、LxLLx)(tTKSQqtTttKtTKSQq)(2、變溫傳熱 (1) 逆流和并流以套管式換熱器中的逆流為例，如圖所設(shè)，則由dS中的熱平衡，得 所以 相減 令 局部溫差 且 假定為常數(shù)。 則 1T2T1t2tdtt dTT tT2T1T2t2t1t1tOQdtcWdTcWdQpccphhpccphhcWdQdtcWdQdT1,1pccphhcWcWdQtTd11)(tTtpcphcc,ConstdQtd所以t與Q成線性關(guān)系，其斜率也可為而 所以 假定 為常數(shù)，則 ，令 對(duì)數(shù)平均溫差，當(dāng) 時(shí)， 。所以 總傳熱基本方程 顯然，上式對(duì)并流也適用。（2） 折流和錯(cuò)流 式中 溫差校正系數(shù) 012Qtt

20、dQtdtdSKdStTKdQxx)(QtttdSKtdx1221)(12ttSoxdSQttKttdxKxKK QSttKtt)(ln12121212lnttttKSQ1212lntttttm21tt21tttmmtKSQ逆mtmtt),(RPft式中 六、關(guān)于簡(jiǎn)化假定的討論六、關(guān)于簡(jiǎn)化假定的討論 當(dāng)流體的溫度變化較大時(shí)，流體的物性變化也較大，從而對(duì)流傳熱系數(shù)的變化也較大，最終使總傳熱系數(shù)變化較大，所以上述公式誤差較大。 若K隨溫度呈線性變化時(shí)，可用下式計(jì)算若K隨溫度不呈線性變化時(shí)，可分段計(jì)算，將每段的K視為常數(shù)，則 或 若K隨溫度變化較大時(shí)，應(yīng)采用積分法： 或 1112tTttP1221t

21、tTTRt 194圖折流t 204圖錯(cuò)流12211221lntKtKtKtKSQjmjjjtSKQ)(njjQQ1njjmjjtKQS1)(12)()(00TTxphhQxStTKdTcWtTKdQdSS21)()(00ttxpccQxStTKdtcWtTKdQdSS七、七、K的來(lái)源的來(lái)源經(jīng)驗(yàn)值：由生產(chǎn)設(shè)備總結(jié)的大概數(shù)據(jù)，表4-6。實(shí)驗(yàn)值：由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)裝置測(cè)出的數(shù)據(jù)。計(jì)算值：由對(duì)流傳熱(系數(shù))關(guān)聯(lián)式計(jì)算的數(shù)據(jù)。 八、保溫層的臨界直徑八、保溫層的臨界直徑 由 得 所以 由總傳熱方程 得 令 ，所以 ， ，所以 臨界熱絕緣直徑 （4-29a） ioioiomddbdddddln2lniooio

22、omodddddbdbddbln2ln2osoiooiosiioioRdddddRddK1ln211oiooioiooodddddtTLdtTSKQ1ln21)()(ooiowoioowodddtTLdddtTLdQ1ln21)(1ln2)(01ln21121)(22ooioooowodddddtTLdddQ2111lnxxxx012120oodd022ooodd02oodoocdd2九、傳熱單元數(shù)、傳熱單元數(shù)1傳熱效率：實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量之比，即顯然，熱、冷流體各自溫度變化的最大值均為 。又由 知最大可能傳熱量應(yīng)為Wcp值較小的流體在最大溫度變化下傳遞的熱量，即式中 熱容量流率若 則

23、 若 則 2傳熱單元數(shù)NTU（Number of Transfer Units）由 得 假定為 常數(shù)，則maxQQ11tT )()(1221ttcWTTcWQpccphh)()(11minmaxtTWcQppWcphhpcWWcmin)(11211121)()(tTTTtTcWTTcWphhphhhpccpcWWcmin)(11121112)()(tTtttTcWttcWpccpcccdLdntTKdStTKdtcWdTcWdQxxpccphh)()(tTdtdnKcWtTdTdnKcWdLxpccxphhpcphxccK,21120ttpccTTphhLtTdtdKncWtTdTdKncWd

24、LL 令 傳熱單元長(zhǎng)度，m； 傳熱單元數(shù) 所以 當(dāng) 時(shí) ， 即 由 得 所以，傳熱單元長(zhǎng)度是溫度變化 與該段換熱器內(nèi)的平均推動(dòng)力 相等時(shí)的換熱器長(zhǎng)度。 1傳熱效率和傳熱單元數(shù)的關(guān)系（與NTU） 以單程逆流、熱流體為最小值流體為例，且假定為常數(shù)。 由 得 或 所以 dKncWHdKncWHpcccphhh2112)()(ttcTThtTdtNTUtTdTNTUcchhNTUHNTUHL)()(cHL 1)(cNTU211tttTdtbaabfdxxf)()(211)(12ttmtTtttTdt12tt mtT)(dStTKdtcWdTcWdQpccphh)(phhcWKdStTdTpcccWKd

25、StTdtSphhTThcWKdStTdTNTU012)(2T1T2t1tOcHmtT)(相減，得 令 并定積分，得 所以 而 所以 解之 （4-60）同理 式中 并流、逆流、折流的-NTU關(guān)系分別見(jiàn)圖4-22、4-23、4-24。 210)(ttSpccccWKdStTdtNTUphhpccphhpccphhcWKdScWcWKdScWcWtTtTd)1 ()11()(pccphhhcWcWR SphhhtTtTcWKdSRtTtTd0)1 ()(2112hhNTURtTtT)()1 (ln1221)()1 (exp2112hhNTURtTtT)(1 ()(111111121112tTttT

26、tTTTTtTh)()1 ()()(11111111111212112121tTRttTRTttTtTTTTTttTtThhhh)()1 (exp11hhhhhNTURR)()1 (exp1)()1 (exp1hhhhhhNTURRNTUR)()1 (exp1)()1 (exp1ccccccNTURRNTURphhpccccWcWR 第五節(jié)第五節(jié) 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 一、對(duì)流傳熱的分類一、對(duì)流傳熱的分類 強(qiáng)制對(duì)流 無(wú)相變 自然對(duì)流對(duì)流傳熱 冷凝 有相變 沸騰 二、影響對(duì)流傳熱的因素二、影響對(duì)流傳熱的因素1流體的種類 牛頓型流體 非牛頓型流體2流體的相變狀況 無(wú)相變 有相變3流

27、體的物性 密度 動(dòng)力粘度 導(dǎo)熱系數(shù) 定壓比熱cp 體積膨脹系數(shù)4流體的進(jìn)出口溫度 冷流體溫度t1，t2 熱流體溫度T1，T25.流體的流動(dòng)類型 層流 過(guò)渡流 湍流6.流體流動(dòng)的原因 自然對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流7.傳熱壁面的幾何因素 形狀 大小 位置 光滑度 三、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱（因次）分析三、對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱（因次）分析無(wú)相變時(shí)，由實(shí)驗(yàn)知式中 平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2K)； u流體的特征流速，m/s； l傳熱面的特征長(zhǎng)度，m； 過(guò)余溫度，即壁溫與流體主流溫度之差，K； 單位質(zhì)量流體所受凈升力，m/s2。單位質(zhì)量流體所受凈升力為),(tgclufptttwtggVgVgVVFFmFgb)( 上式

28、8個(gè)物理量的單位和量綱分別為 設(shè) 由量綱相等，得wttdtddtddtmdmdtdVV111)(12)(ttwtgttggw)(13322222dimMTKskgKmssmmkgKmsmNKmsJKmW1dimLTusmuLlmldim13dimLMTKmW11222dimMTLmskgmssmkgmsNsPaMLmkg33dim122222dimTLcKsmKkgsmmkgKkgmNKkgJcpp22)dim(LTtgsmtggfpedcbatgclCu)(fcgfdcaedcgfedcbaggfffeedddccccbaaTMLTLTLMLTMLTMLLTLMT223232223313由因

29、次相等，得 解之，得 回代，得所以 令 努塞爾特(Nusselt)數(shù)，表示對(duì)流傳熱；(Number) 雷諾(Reynolds)數(shù)，表示強(qiáng)制對(duì)流； 普朗特(Prandtl)數(shù)，表示物性； 格拉曉夫(Grashof)數(shù)，表示自然對(duì)流。則 或 132231023fcgfdcaedcgfedcbagaegfadfcgab22113ltlgcluCtgclCugfpagfpgagfafgaa22322113)(gfpatlgcluCl223lNu luRepcPr223tlgGrgfaGrCNuPrReknmGrCNuPrRe 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定常數(shù)，可得一系列不同情況下的對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式。 選用對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式

30、的注意事項(xiàng)(1) 特征流速應(yīng)按該關(guān)聯(lián)式規(guī)定的方式選取。(2) 特征長(zhǎng)度應(yīng)按該關(guān)聯(lián)式規(guī)定的方式選取。(3) 定性溫度應(yīng)按該關(guān)聯(lián)式規(guī)定的方式選取。(4) 關(guān)聯(lián)式應(yīng)在其適用范圍內(nèi)使用。 四、無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1強(qiáng)制對(duì)流由 忽略自然對(duì)流，得 (1) 管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流a. 圓形直管(a) 湍流 低粘度Dittus-Boelter 關(guān)聯(lián)式：或 式中 特征流速：管內(nèi)流體平均流速 ；特征長(zhǎng)度：管內(nèi)徑 ；定性溫度：流體平均溫度（進(jìn)出口流體的截面平均溫度的算術(shù)平均值）， ；式中 分別為進(jìn)出口流體的截面平均溫度，K，C。適用范圍： 。式中 L管長(zhǎng)，m。b) 高粘度knmGrCNuPrRenmCNuPrRenN

31、uPrRe023. 08 . 0npiiiicudd8 . 0023. 0被冷卻被加熱, 3 . 0, 4 . 0n2121tttmiuid21, tt60/,120Pr7 . 0,10000ReidL Sieder-Tate關(guān)聯(lián)式：或 其中 特征流速：管內(nèi)流體平均流速 ；特征長(zhǎng)度：管內(nèi)徑 ；定性溫度：流體平均溫度 ，但w由tw確定；適用范圍： 。(b） 層流 Sieder-Tate關(guān)聯(lián)式：其中 特征流速：管內(nèi)流體平均流速 ；特征長(zhǎng)度：管內(nèi)徑 ；定性溫度：流體平均溫度 ，但w由tw確定；適用范圍： 。14. 03/18 . 0PrRe027. 0wNu14. 0318 . 0027. 0wpi

32、iiicudd液體被冷卻液體被加熱,95. 0,05. 114. 0wiuid2121tttm60/,16700Pr7 . 0,10000ReidL14. 031PrRe86. 1wiLdNu液體被冷卻液體被加熱氣體,95. 0,05. 1, 114. 0wiuid2121tttm100PrRe,6700Pr6 . 0,2300ReLdi( c) 過(guò)渡流 式中 湍流時(shí)的 。 適用范圍：Re=230010000。 b. 進(jìn)口段的影響 進(jìn)口段由于熱邊界層較薄而具有比充分發(fā)展段高的對(duì)流傳熱系數(shù)，所以當(dāng) 時(shí)，應(yīng)對(duì)上述公式進(jìn)行修正： c. 圓形彎管 式中 直管中的 ； 彎管軸的彎曲半徑。 d. 非圓形管

33、 用 代替 =4A/ 或?qū)υ谔坠墉h(huán)隙中水或空氣， 特征流速：環(huán)隙中流體平均流速 ； 特征長(zhǎng)度：環(huán)隙流動(dòng)當(dāng)量直徑 ； 定性溫度：流體平均溫度 ； 適用范圍： 。 ii8 . 15Re1061ii60/idLiiiLd7 . 01iiird 77. 11iired3/18 . 053. 021PrRe02. 0dddeiidiiu21ddde2121tttm1765. 1/,22000012000Re21ddid(2) 管外強(qiáng)制對(duì)流a. 管束外垂直流動(dòng)(a) 管子排列方式 直列 正三角形 圖4-27 錯(cuò)列 正方形(b) 錯(cuò)列關(guān)聯(lián)式(c) 直列關(guān)聯(lián)式(d) 應(yīng)用條件特征流速：最狹窄通道處流速（錯(cuò)列時(shí)

34、?。?）和 中較小者為最狹處的距離）；特征長(zhǎng)度：管外徑 ；定性溫度：流體平均溫度 ； 適用范圍： 。(e) 校正：當(dāng) 時(shí)，按表4-10的修正系數(shù)校正。b. 換熱器的管間流動(dòng)(a) 折流板的形式 圓缺形 盤環(huán)形 圖4-28 (雙)弓形33. 06 . 0PrRe33. 0Nu33. 06 . 0PrRe26. 0Nuodx 1)(2odt od2121tttm10,3000Ren10n(b) 25%圓缺形擋板關(guān)聯(lián)式（Kern關(guān)聯(lián)式）或 其中 特征流速：最大截面積A處的流速 ；特征長(zhǎng)度：當(dāng)量直徑 ；定性溫度：流體平均溫度 ，但 由 確定；適用范圍： 。 最大截面積A：式中 擋板間距，m； 外殼內(nèi)徑

35、，m。 當(dāng)量直徑 ：若正方形排列，則 若正三角形排列，則式中 兩管中心距，m； 管外徑，m。14. 03/155. 0PrRe36. 0wNu14. 03/155. 036. 0wpoeeocudd液體被冷卻液體被加熱氣體,95. 0,05. 1, 114. 0woued2121tttmwwt63101102RetdhDAo1hDedooeddtd2244Dodtt2/ t2/ th)1 (tdhDtDhdhDnhdhDAoootDnntD,ooeddtd224234tod2、自然對(duì)流忽略強(qiáng)制對(duì)流，由 得 式中 值見(jiàn)表4-11（P249）。特征長(zhǎng)度：豎壁和豎管取高L，水平管取外徑do；定性溫度

36、：膜溫(壁溫和流體主體溫度的算術(shù)平均值)， ；適用范圍：見(jiàn)表4-11中的GrPr。 一、有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式1冷凝(1) 冷凝方式 膜狀冷凝，潤(rùn)濕成膜，小，工業(yè)應(yīng)用中都是。 滴狀冷凝，不潤(rùn)濕成滴，大，難維持，實(shí)驗(yàn)研究。(2) 層流膜狀冷凝的分析解 通過(guò)合理的簡(jiǎn)化假定，可導(dǎo)出Nusselt理論公式：a. 豎壁或豎管 knmGrCNuPrRe)(ttdSdQqwxoxnGrCNuPr)(ttSQqwonC,tttwm214/132)(943. 0wsottLgr)(wsottSQqb、 水平單管式中 汽化潛熱，J/kg。定性溫度：膜溫 ，但r由ts確定。(3) 液膜雷諾數(shù)以豎壁為例，由 得

37、底部數(shù)值式中 W冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s；M冷凝負(fù)荷，kg/(ms)。(4) 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式以豎壁為例，由 得 所以 整理得 令 則 4/132)(725. 0wsoottdgrr)(21wsmtttbAAde44MbWAVbAudse444RetSttSQowso)(tLMrtbLWrtSQotLMrtbLWrtSQo4132943. 0Mgoo3/13/1322447. 1Mgo31322*go3/1Re47. 1*(5) 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式a. 豎壁或豎管(a) 層流( )時(shí) （蒸汽對(duì)液膜的摩擦）或 (b) 湍流( )時(shí)， （Badger關(guān)聯(lián)式）b. 水平管(a) 水平單管(b) 水平管束 （Ke

38、rn關(guān)聯(lián)式，下管液膜加厚）式中 水平管束在垂直列上的管數(shù)。(6) 影響冷凝傳熱的因素a. 冷凝溫差t, Q, , ；b. 物性有影響c. 蒸汽的流速和流向1800Re413213. 1tLgro3/176. 1*R1800Re4 . 03/1232Re0077. 0go4 . 0Re0077. 0*4/132)(725. 0wsoottdgr413232725. 0wsoottdngr 同向， 一般情況， 反向 吹破液膜，d|. 不凝性氣體 微量的不凝性氣體，可使冷凝傳熱系數(shù)急劇下降。蒸汽必須穿過(guò)不凝性氣膜所冷凝，從而飽和溫度下降，冷凝溫差下降，冷凝傳熱系數(shù)下降。e. 冷凝面 垂直管，板高度，

39、；高度， 水平管束排數(shù)，2沸騰(1) 沸騰方式 （管內(nèi)）流動(dòng)沸騰 （管外）池式沸騰（大容器） 過(guò)令沸騰 飽和沸騰(2) 沸騰曲線，見(jiàn)圖4-33。(3) 沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式或由 得 其中 (4-93)或 33. 2163. 1swottZ)(swottSQq7 . 03 . 005. 1qZo33. 3102 . 117. 069. 04)1048 . 1 (1081. 910. 0RRRpZc7 . 0102 . 117. 069. 04)1048 . 1 (1081. 9105. 0qRRRpco式中 對(duì)比壓力，R=0.010.9；p操作壓力，Pa；pc臨界壓力，Pa， ；q操作熱負(fù)荷， ， ；

40、qc臨界熱負(fù)荷，W/m2，可用下式估算：式中 Di管束直徑，m；L管長(zhǎng)，m；So管外壁總傳熱面積。(4) 影響沸騰的因素a. 液體的性質(zhì)：、 ， ， ， ，b. 沸騰溫差（壁過(guò)熱度）：見(jiàn)沸騰曲線c. 操作壓力 P，TS， d. 加熱面 油脂沾污或結(jié)垢， 壁面粗糙，汽化核心數(shù)， cppR kPapc30002/mWcqq oiccSLDRRpq/138. 09 . 035. 0六、壁溫的估算六、壁溫的估算由 得 若忽略管壁熱阻，且假定xi，xo為常數(shù)，則，所以 或 (4-97) 第六節(jié)第六節(jié) 輻射傳熱（略）輻射傳熱（略）wixiTTdSdQwwosottdSdQRwwisiTTdSdQRttdS

41、dQwoxosixiwiRTTdSdQ1xosowoRttdSdQ1oxoixiwwoitTSS,osowsiiwRttRtT11siiiwsoowoRttRtt11第七節(jié)第七節(jié) 換熱器換熱器 一、類型一、類型 沉浸式 蛇管式 管式 噴淋式 套管式 列管（管殼）式 間壁式 夾套式 板式 板式 螺旋板式 翅片管式 翅片式 板翅式 混合式（直接接觸式） 蓄熱式 二、列管式換熱器的基本型式二、列管式換熱器的基本型式 無(wú)膨脹節(jié) 固定（管板）式 有膨脹節(jié) U型管式 浮頭式 三、列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用（略）三、列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用（略）1流體流徑（流體管殼程）的選擇依次考慮壓力、腐蝕、清洗、對(duì)流傳熱系數(shù)、壓力降等的要求。2流體流速的選擇 ，S，設(shè)備費(fèi) u hf，動(dòng)力消耗，操作費(fèi)常用的流速范圍見(jiàn)表4-14。3流體兩端溫度的確定工藝流體的進(jìn)出口溫度一般由工藝條件確定，而非工藝流體，如冷卻水，一般只知道進(jìn)口溫度，出口溫度要設(shè)計(jì)者選定。 Wc， 操作費(fèi) t2 tm，S，設(shè)備費(fèi) 一般， 。4管了的規(guī)格和排列方法(1) 規(guī)格 252.5mm 192mm(2) 管長(zhǎng)：1.5、2、3、6m(3) 排列方法 正三角形 正方形直列 正方形錯(cuò)列Ctt10512(4) 管心距 (1.31.5)do，且t(do+6)，脹接法 1.25do，焊接法5管