当前位置：文档之家 › 第7章 传热过程的分析和计算

第7章 传热过程的分析和计算

  • 格式：ppt
  • 大小：2.35 MB
  • 文档页数：80

下载文档原格式

  / 80

合集下载

《传热学》第7章-凝结与沸腾换热

《传热学》第7章-凝结与沸腾换热

补充例题3
v 思路： 膜态沸腾换热套用公式计算即可。
稳定的膜态沸腾时，金属丝的电流的发热量 一部分通过沸腾换热传给了水，其余部分则 使金属丝的内能增加（温度升高），这是一 个能量平衡。
补充例题3
v 解：膜态沸腾换热系数的计算套教材中的公式，略 去。结果为： h=236.70 W/(m2.℃)
每米长金属丝的传热量为:
理论解的修正
h
=
0.943

gγρ
µH (ts
2λ3 − tw
1/ 4
)
实验证实： Re < 20
时，实验结果与理论解相吻合
Re > 20 时，实验结果比理论解高20%
所以在工程计算时将该式的系数加大20%
h
=
1.13

gγρ 2λ3
µl(ts − tw
)
1/
4
定性温度
tm
传热学
第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and boiling
简介
蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为凝结换热； 液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程称为沸腾换热
——有相变的对流换热
一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相 流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。
7-1 凝结换热现象
膜状凝结换热 的主要阻力
=
1 2
(ts
+
tw
)
其他
单根水平圆管外壁面上的层流膜状凝结换热平均表面传热系数
h=
( ) 紊流膜状凝结换热
0.729

gγρ µd ts
2λ3 − tw
1/ 4
( ) 整个垂直壁面的平均表面传热系数

第7章 传热过程的分析和计算

第7章 传热过程的分析和计算
总热阻Rk取得极小值时的保温层外径dx称为临界 绝缘直径, 用dc表示
Rk
1
d1lh1
1
21l
ln
d2 d1
1
2xl
ln
dx d2
1
dxlh2
dRk ddx
1
2x d x
1
d
2 x
h2
0
dc
2x
h2
临界绝缘直径与保温材料有关、与所处环境有关
dc
2x
h2
（1）当dx<dc时，随保温层厚度的增加，总热阻 减小，传热量增大，此时对管道敷设保温层反而
7.4.2 换热器热计算的基本方程
约定： 下标 1 —— 热流体 下标 2 —— 冷流体 上标 ’ —— 进口参数 上标 ’’ —— 出口参数 以热流体进口作为计算起点
1 换热器中流体的温度分布 因变量—冷、热流体的温度 自变量—？
换热面积 —热流体入口，Ax＝0 —热流体出口，Ax＝At —在换热器内的不同位置，Ax不同，流体温
★如何提高传热系数？
1
1
K
1 h1
1 h2
1 h1
1 h2
数学上可以证明
K min h1, h2
提高较小的表面传热系数值，强化薄弱环节， 效果最好
h1＝103，h2＝10，没有强化前：K=9.90 W/(m2.K)
❖ 措施1： h1＝2000，h2＝10： K’＝9.95 W/(m2.K)
7.2.1 通过平壁的传热过程 导热中—只关注平板的导热过程，计算了各类边
界条件下的温度分布、通过平板的导热量 传热过程中—壁面两侧流体间的热量传递过程
1 h1 A(t f 1 tW1)
2

建筑设备第7章 传热学和湿空气的基本知识

建筑设备第7章 传热学和湿空气的基本知识
b.两物体辐射换热无需直接接触。
B.辐射的吸收、反射、透射
反射率r=1称为白体。 吸收率ρ=1称为黑体。 透射率τ=1称为透明体。
C.辐射本领
单色辐射本领：物 体单位面积在单位 时间内辐射某一波 长的能量，用Eλ表 示。 辐射本领：物体单 位面积单位时间辐 射波长从0到+∞的 全部能量，用E 表 示。
完全不含水蒸气的空气称为干空气。干 空气的组元和成分通常是一定的（见表6-1 ），可以当做一种“单一气体”。我们所说 的湿空气，就是干空气和水蒸气的混合物。 大气中总是含有一些水蒸气。一般情况 下，大气中水蒸气的含量及变化都较小，通 常的环境大气中水蒸气的分压力只有0.003 ～0.004MPa；但随着季节、气候、湿源等 各种条件的变化，会引起湿空气干湿程度的 变化，进而对人体舒适度、产品质量等产生 直接影响。
A.导热概念： 由于温度不同引起物体 t1=30 ℃ 微观粒子（分子、原子、 电子等）的热运动不同， 从而产生热量转热的现 象。
t2=15 ℃
B.导热基理：靠微观粒热运动来传递;但对于 气、液、固体又有所不同。
气体：分子原子不规则 热运动而相互碰撞。 固体：导电固体是靠自 由运动电子相互作用， 非导电固体是靠晶格结 构的振动（原子分子在 其平衡位置振动），弹 性波传递。 液体：间于气体与非 导电固体之间，以弹 性波作用为主，而以 分子热运动碰撞为辅。
7.3.2 相Байду номын сангаас湿度和含湿量
在某一温度下，湿空气中水蒸气 分压力的大小固然反映了水蒸气含 量的多少，但为方便湿空气热力过 程的分析计算，有必要引入两个反 映湿空气成分的参数：相对湿度和 含湿量。
1．相对湿度（φ） 湿空气中水蒸气的分压力pv与同一温 度、同样总压力的饱和湿空气中水蒸气 分压力（ps）的比值称为相对湿度，以φ 表示，则 φ=pv/ps φ值介于0和1之间。φ愈小表示湿空气离饱 和湿空气愈远，即湿空气愈干燥，吸取 水蒸气的能力愈强，当φ＝0时即为干空 气；反之，φ愈大空气愈潮湿，吸取水蒸 气的能力也愈差，当φ＝1时即为饱和湿 空气。

第七章凝结及沸腾换热_传热学

第七章凝结及沸腾换热_传热学

23
3 大空间饱和沸腾曲线：
表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不 同的阶段：自然对流、泡态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾， 如图所示：
qmax
qmin
24
4.几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界 热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点DNB作 为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度 可控的两种情况都非常重要。 （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较 大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。
25
三. 大空间泡态沸腾表面传热系数计算
沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍 然适用，即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式 影响泡态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽 化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所 以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较 大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一 种是广泛适用于各种液体的。
与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热 得到某种程度的强化 2 过冷度
只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，
h (tw， 因t f 此)n ，过冷会强化换热。
30
3.液位高度
当传热表面上的液位足够高时， 沸腾换热表面传热系数与液位 高度无关。但当液位降低到一 定值时，表面传热系数会明显 地随液 位的降低而升高(临界 液位)。
2t y 2
5
考虑（3）液膜的惯性力忽略
l (u
u x
v
u y
)
0
考虑（7）忽略蒸汽密度
dp 0 dx
考虑（5） 膜内温度线性分布， 即热量转移只有导热

第7章 热传导

第7章 热传导
4. 一维非稳态导热的速算图
5. 二维、三维非稳态导热
1. 薄壁物体非稳态导热 ----集总热容法 ( lumped capacity method ) 薄壁——当物体内部的导热热阻比物体与环境
的对流热阻小的很多时，可归结为薄壁物体的导热 问题。
集总热容法——当物体体积不大，而导热系
数又比较大，认为物体内部的温度在任意时刻都是均 匀的，好像该物体原来连续分布的质量和热容量汇 总到一点，因而只有一个温度值，这种分析法称为 总集热容法。
第一类边界条件（记为B.C.I）
直接给出边界上（任意时刻）的数值。
传热 传质
T TS
A AS
第二类边界条件（记为B.C.II）
给出边界上的导数值（梯度值、通量值）
传热 传质
q ys
T k y
S
j Ays D AB
A y
S
T 0 如某一端面(L)绝热，则可具体写为 q k x x l T 如温度分布中心对称(x =0)，则写为 x 0 0 x
初始条件（I.C.）
反映研究对象的特定历史条件。 追溯了在某个初始时刻的状态。
边界条件（B.C.）
反映所研究对象是处于怎样的特定环境。 环境通过体系的边界将如何影响所研究的对象。
下面以传热为例写出相应的初始条件和边界条件。
1）初始条件
给定某时刻物体内的温度或浓度分布，写为：
传热 传质 传热 传质
三、非稳态导热
在工程问题中，需要知道当物体表面的热状态
发生变化时，物体内给定的温度变化到某一确 定值需要的时间，这也是非稳态导热问题。
在本节将着重讨论薄壁、无限大物体、厚
壁物体 非稳态导热中的 温度分布及求解 方法。

传热学第七章

传热学第七章
(强迫流动沸腾)
7-4 沸腾传热的模式
根据沸腾过程是否有加热面分类： 均相沸腾：因压力突降发生的沸腾现象（闪蒸），不存在加热面。 非均相沸腾： 因表面加热产生的沸腾现象。
根据沸腾过程流体温度分类： 饱和沸腾：将水加热到饱和温度，产生沸腾 过冷沸腾：流体处于末饱和状态即低于饱和温度的沸腾现象
是液氮、液氧等低温流体在输送过程中一类易发的物理现 象，指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度 大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。
2. 强化技术简介 竖壁、竖管： 降低传热面高度， 竖管改为横管； 利用尖峰： 液膜表面张力 减薄尖峰上液膜厚度。
7-3 凝结换热的影响因素及传热强化
7.3.2 膜状凝结的强化原则和技术
内侧微肋管： 有效减少热阻。
分段排液： 控制液膜厚度。
7-3 凝结换热的影响因素及传热强化
1. 竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数是增加 还是减小，为什么？
竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重力而是 重力的一部分，液膜流动变慢，从而热阻增加，表面 传热系数减小。另外，从表面传热系数公式知，公式 中的g亦要换成gsinθ（ gcosθ ），从而h减小。
2. 在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介质是水蒸 汽，而在制冷剂（氟里昂）的冷凝器中，冷凝 介质是氟里昂蒸汽。在工程实际中，常常要强 化制冷设备中的凝结换热，而对电厂动力设备 一般无需强化。试从传热学的角度加以解释。
自1916年以来，各种修正或发展都是针
对Nusselt分析的限制性假设而进行，并
形成了各种实用的计算方法。
WILHELM NUSSELT 1882-1957
首先了解Nusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。
7.2.1 层流膜状凝结分析解

第7章_相变对流传热讲解

第7章_相变对流传热讲解

5、6、蒸气过热与液膜过冷
（只要对潜热项进行适当修正即可） 蒸汽过热: r" r c p,v (tv ts ) 液膜过冷:
r ' r 0.68c p (ts tw ) r (1 0.68Ja)
7.3.2 膜状凝结传热的强化
1. 基本原则: 尺量减薄液膜厚度(膜层热阻是主要热阻) 2. 强化技术——增加尖突物、及时排液 (1)采用高效冷凝面——原理：利用表面张力使肋顶 或沟槽脊背的液膜拉薄，从而增强换热。 ①低肋高、小节距横管；②锯齿管； (2)使液膜在下流过程中分段泄出或采用其他加速排 泄的措施，保持开始段δ较薄的条件 ——①加泄出罩; ②顺液流方向开沟槽的竖管 (3)采用微肋管(强化管内换热)
1、不凝结气体的影响 影响机理：
(1)冷壁面附近形成一不凝结气体层，增加了一项热阻 (2)不凝结气体的存在使壁面附近的蒸气分压下降，相
应的饱和温度下降，从而使凝结换热的驱动力下降
影响结果：使表面传热系数大大下降，换热削弱 影响程度：与压力、热负荷、运动速度等有关 例：纯净水蒸汽膜状凝结，h=5820-11630W/m•℃， 含有1%空气时，实验证明 h值将下降60%左右
7-2 膜状凝结分析解及计算关联式
主要内容：分析求解思路、求解结果、适用条件(场合)
7.2.1 努塞尔蒸气层流膜状凝结分析解(1916年提出) 1、基本依据：液膜热阻为过程的主要热阻 2、简化假设（详见P303） (1)常物性； (3)忽液膜惯性力； (7)ρ v<< ρ l; (2)蒸汽静止； (4)汽液界面无温差，tδ=ts； (8)液膜表面平整无波动。
7-5 大容器沸腾传热的实验关联式
一 、大容器饱和核态沸腾
表面传热系数或热流密度的计算

对流传热

对流传热
第7章 对流传热
00:54:52
1
对流传热系指两种流体之间或流体与其接触的固体壁面之 间因存在温度差而发生的传热过程。根据对流产生的原因， 可分为强制对流和自然对流。对流传热在工程上应用非常广 泛，对其进行研究具有重要的实际意义。
由于在描述对流传热的能量方程中出现了速度项，说明 对流传热的温度分布是受速度分布影响的，亦即在对流传 热过程中温度分布与速度分布之间将会发生相互作用。因 此，解决对流传热问题需要用到流体运动方程。
层流流动时，传热进口段长度为
LeT 0.05dRePr
湍流流动时，传热进口段长度为
LeT 50d
式中，d为圆管直径。
00:54:52
9
需要指出，对于圆管内的速度边界层而言，流体在圆管内流动达 到充分发展后，就形成了稳定不变的径向速度分布，并且其速度 分布沿管道轴向也保持不变，即 uz / 。z 而0在传热充分发展段， 流体沿途仍不断地被加热（冷却），截面径向温度分布仍在不断 变化，沿管道轴向的温度分布也会发生改变，即。
，
于是（7-13）式y a y2
（7-14）
00:54:53
19
根据边界层理论，平板壁面二维流动边界层运动方程为
ux
ux x
uy
uy y

2 ux y2
（7-15）
连续性方程为
ux uy 0 x y
上述方程组的边界条件： y 0，ux uy 0，T Tw
Dt
Cp
定解条件包括初始条件和边界条件。初始条件是研究对象
在过程开始时所处的状态，如对流传热开始前流体的速度和
温度分布。对于稳态过程而言，各物理量均与时间无关，故
不需要初始条件。

传热学-第7章 传热过程的分析和计算2

传热学-第7章 传热过程的分析和计算2
13
四、强化传热的考虑
kAtf1 tf 2
• 为强化传热，有三条途径：
★方法1：提高温差 ★方法2：提高传热系数
14
★如何提高传热系数？
k
1 h1
1 h2
1
1 h1
1 h2
1
数学上可以证明
k min( h1, h2 )
提高较小的表面传热系数值，强化薄弱环节，效果最好
15
• h1＝1000，h2＝10，没有强化前：k=9.90 W/(m2.K)
t m in
Δtmax、Δtmin 均指端差，即同一端热流体与冷流体间的温差。 Δtmax 是其中大温差， Δtmin 则是其中小温差。
26
平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即
tm,算术
tmax
2
tmin
tm,对数
t max tmin ln t max
t m in
t1' t1"
t
' 2
温差 t f 1 沿t f 2整 个壁面不是常数，必须采用整个面积上的平均温差
t m
kAtm
25
（一）简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
t1'
t1"
t1'
t
' 2
t
" 2
t
" 2
t1"
t
' 2
顺流
逆流
换热器中流体温度沿程变化的示意图
可以推导出顺流和逆流的平均温差公式为
对数平均温差
tm
t max tmin ln t max
第7章 传热过程与换热器
导热
Φ

传热学 第7章-热辐射的基本定律

传热学 第7章-热辐射的基本定律

第七章热辐射的基本定律在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。

太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。

高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。

特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。

本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。

第一节基本概念1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。

比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。

人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。

波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。

可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。

因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。

一、热辐射的本质和特点1、发射辐射能是各类物质的固有特性。

当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。

工程热力学(第7章--蒸汽动力循环)

工程热力学(第7章--蒸汽动力循环)

1
T2 T1
从理论上确定了通过热机循环 实现热能转变为机械能的条件 及给定温度范围内循环热效率 的最高极限值，并指出了提高 热机效率的方向和途径，为度 量实际热机循环的热力学完善
s 程度提供了标准。
对于任意复杂循环，可利用相 应的等效卡诺循环（即平均温 度法）来分析其热经济性。
3
任意循环ηt 的分析方法——平均温度法
1
p1
h
1 t1
T1
p2
4
T2 3
2
2 x=1
s
0
s
t
h1 h2 h1 h2
f
( p1,t1,
p2 )
1 T2 T1
t1
p1
p2
12
一、蒸汽初温对热效率的 影响：
设 初 压 p1＝const， 排 汽 压力p2＝const.
提高t1对ηt的影响：
（1）提高初温使平均加热温度升高，而放热温度不变， 则朗肯循环的热效率得到提高； （2）排汽干度增加，即x2′>x2，这有利于改善汽轮机叶 片的工作条件。
受到的限制：排汽压力的降低主要受汽轮机排汽干度下降及环 境温度的限制。目前火电厂的排汽压力最低在0.004MPa左右
15
新课引入
p1
t
x2
为解决二者间的矛盾，可对循环方式 加以改进：采用再热循环。
7-3 再热循环
➢采用再热的目的：提高汽轮机排汽干度，为
初压的提高创造条件；同时提高循环热效率。
➢再热的概念：当蒸汽在汽轮机中膨胀作功而
0
则朗肯循环的热效率可近似地表示为： h
t
w12 q1
h1 h2 h1 h3
h1 h2 h1 h2'

传热-第7章-2

传热-第7章-2

主讲：魏高升
（5）振荡流热管（脉动热管）；
School of Energy and Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
第7章 小结
（1）表面凝结的两种基本形态膜状凝结和珠状凝 结的特点和形成条件； （2）努塞尔关于竖壁膜状凝结换热的理论分析方法；
（3）影响膜状凝结换热的主要因素 ；
主要讨论大空间饱和沸腾
主讲：魏高升
School of Energy and Power Engineering － NCEPU
1.大容器饱和沸腾曲线
大容器饱和沸腾的特点：加热表面上有汽泡生成， 随着汽泡长大和脱离壁面，容器内的液体受到剧烈扰动， 换热强度很高。
饱和沸腾曲线: qw~t
School of Energy and Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
School of Energy and Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
强迫对流沸腾简介 外力驱动下流体在宏观定向 运动过程中发生的沸腾现象。如 电站直流锅炉水冷壁管和制冷系 统蒸发器管中的沸腾。 强迫对流沸腾过程中始终 伴随有汽液两相流动。
School of Energy and Power Engineering － NCEPU
h
43
hc
43
4 w
hr
43
（7－22）
hr
(T _ T )
4 s
Tw Ts
主讲：魏高升
School of Energy and Power Engineering － NCEPU
7-6 沸腾换热的影响因素及其强化

热传导与导热方程的推导

热传导与导热方程的推导

热管理
导热方程应用于热管理系 统设计，提高能源利用效 率。 优化散热系统，减少能源 浪费。
环境保护
研究导热方程有助于减少 能源消耗，降低环境污染。 提高能源利用率，减少温 室气体排放。
热传导与导热方程的重要 性
热传导与导热方程不仅在工程领域有重要应用， 还在物理、化学、生物等领域有广泛影响。通过 研究热传导过程和导热方程，我们可以更好地理 解热量传递规律，优化工艺设计，提高能源利用 效率，推动科技进步。
热传导特性比较
不同材料的热传导特 性有所差异，金属通 常具有较好的热传导 性能，而绝缘材料的 热传导性能相对较差。 在选材时需要考虑材 料的热传导特性，以 提高热传导效率。
热传导在多相流传热中的应用
多相流传热
热传导现象与单 相流不同
热传导影响
对多相流传热过 程有重要影响
特殊考虑
需要针对多相流 情况进行分析
能量守恒
导热方程基于能 量守恒定律，描 述了热量在空间 中的传递过程。
时间与空间 关系
导热方程同时考 虑了时间和空间 的影响，描述了 温度场的演化规
律。
热传导性质
导热方程体现了 物质导热性质的 特点，热导率是
其重要参数。
热传导过程图解
01 传热方式
热传导主要通过传导、对流和辐射等方式传 递热量。
02 温度分布
地热能利用
为提供重要依据
热传导在电子器件中的应用
01 散热系统设计
提高器件性能
02 热传导材料选择
影响器件散热效果
03 热管理解决方案
应对器件发热问题
热传导在生物体内的应用
生物热平衡
维持生物体内稳定温度 有助于身体功能正常运行

(完整版)《传热学》第7章_相变对流传热

(完整版)《传热学》第7章_相变对流传热
13
第7章 相变对流传热
3. 管内凝结 管内凝结传热情况与蒸气流速有很大关系:当蒸气流速较低时,凝结
液主要聚集在管子底部,蒸气在管子上半部；当蒸气流速比较高时,形成 环状流动,中间蒸气四周凝结液,随着流动进行,凝结液占据整个截面。
4. 蒸气流速 努塞尔理论分析忽略了流速的影响，只适于流速较低的场合。当蒸
16
第7章 相变对流传热
家用空调的冷凝器中已成功应用了二维和 三维的微肋管。 低肋管凝结传热的表面传热系数比光管提 高2-4倍，锯齿管可以提高一个数量级，微 肋管可以提高2-3倍。 及时排液的技术： 两种加快及时排液的方法： 第一：在凝液下流的过程中分段排泄，有效地控制了液 膜的厚度，管表面的沟槽又可以起到减薄液膜厚度的作 用。主要用于立式冷凝器。 第二：右图中的泄流板可以使布置在该板上不 水平管束上的冷凝液体不会集聚到其下的其它 管束上。主要用于卧式冷凝器。
的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差即可。 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性
努塞尔理论分析忽略了液膜过冷度的影响，并假设液膜中的温度呈
线性分布，利用r`代替公式中的潜热r即可兼顾以上两个因素。
r r 0.68cp tr tw
上式也可以表示为：
r r1 0.68 Ja
其中，Ja是雅各布数，定义为
竖壁凝结传热壁面的平均表面传热系数可以表示为：
h hl
xc l
ht
1
xc l
hl，ht分别是层流和湍流层的平均表面传热系数， xc是流态转折点的高度，l为壁面的总高度
整个壁面的平均表面传热系数可以通过以下实验关联式计算：
Nu Ga1/3 58 Prw1/ 2
Prw/ Prs
Re 1/ 4 Re 3/ 4 253

传热学-第七章换热器

传热学-第七章换热器

1
qmc min qmc max
exp（
NTU）1
qmc min qmc max
第七章 换热器
当冷热流体之一发生相变时，即 qmc max 趋于无穷大
时，于是上面效能公式可简化为
1 exp NTU
当两种流体的热容相等时， 公式可以简化为
顺流：
逆流：
1 exp 2NTU
第七章 换热器
a、增加流速 增加流速可改变流态，提高紊流强度。
b、流道中加插入物增强扰动
在管内或管外加进插入物，如金属丝、 金属螺旋环、盘片、麻花铁、翼形物，以及 将传热面做成波纹状等措施都可增强扰动、 破坏流动边界层，增强传热。
第七章 换热器
c、采用旋转流动装臵 在流道进口装涡流发生器，使流体在一
（3）由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温
差，计算时要注意保持修正系数 具有合适
的数值。
（4）由传热方程求出所需要的换热面积 A，并核算
换热面两侧有流体的流动阻力。 （5）如流动阻力过大，改变方案重新设计。
第七章 换热器
对于校核计算具体计算步骤：
（1）先假设一个流体的出口温度，按热平衡式计 算另一个出口温度
第七章 换热器
7.1 换热器简介 用来使热量从热流体传递到冷流体，
以满足规定的工艺要求的装置统称换热器。
分为间壁式、混合式及蓄热式（或称回热 式）三大类。
第七章 换热器
1、间壁式换热器的主要型式 （1）套管式换热器
图7-1 套管式换热器
适用于传热量不大或流体流量不大的情形。
第七章 换热器
（2）壳管式换热器 这是间壁式换热器的一种主要形式，又
(t1
t2
)

传热过程分析与换热器的热计算

传热过程分析与换热器的热计算

第四页，共42页。
每米管长的传热量：
q l1t1 f1 ltn d f2 21 k l(tf1 tf2) h 1d 1 2 d 1 h 2d 2
kl h11d1211 lnd d1 2h21d2
对于多层圆管
1
kl 1 n
1ln di 1 1
1d 1
2 i 1
i
di
d 2 n 1
第五页，共42页。
传热过程分析与换热器的热计算
第一页，共42页。
本章要点：1. 着重掌握传热过程的分析和计算（肋壁的传热）
2. 着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算
3. 着重掌握顺流及逆流的对数平均温差的分析计算 4. 掌握换热器的型式和分类以及换热器的热设计 5. 了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析 本章难点：临界热绝缘直径、对数平均温差的概念和分析计算
本章主要内容：
第一节 传热过程的分析和计算
第二节 换热器的类型 第三节 换热器中传热过程平均温差的计算 第四节 间壁式换热器的热设计 第五节 热量传递过程的控制(强化与削弱)
第二页，共42页。
传热过程：一侧的热流体通过固体壁面把热量传给另一侧冷流体的过程。 传热过程分析求解的基本关系为传热方程式，即
第十五页，共42页。
一、换热器的分类 1.换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。
2.按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式(或称回 热式)三大类。
1）间壁式：冷、热流体被间壁隔开，通过间壁换热。 2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。
3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。
h 1 h 2 205 00 10
q1 /q = 4347.6/570.3 = 7.623

第7章 相变对流传热

第7章 相变对流传热
沸腾(池内沸腾 和强制对流沸腾， 沸腾 池内沸腾)和强制对流沸腾，每种又分为 池内沸腾 过冷沸腾和饱和沸腾。 过冷沸腾和饱和沸腾。
a 大容器沸腾 池内沸腾 ：加热壁面沉浸在具有自由表面的液 大容器沸腾(池内沸腾 池内沸腾)：
h Hg h Vg l = 0 . 77 d
1 4
边界层内的流态 凝结液体流动也分层流和湍流， 凝结液体流动也分层流和湍流，并 且其判断依据仍然时Re Re， 且其判断依据仍然时Re，
无波动层流
Re = 20
有波动层流
Re =
de ρul
η
Re c = 1600
湍流
式中： 式中： ul 为 x = l 处液膜层的平均流速； 处液膜层的平均流速； 为该截面处液膜层的当量直径。 de 为该截面处液膜层的当量直径。
2 定义： 定义：
a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一 沸腾： 种剧烈的汽化过程 b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使其冷却 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量， 的一种传热方式
3 分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器 分类：沸腾的分类很多，书中仅介绍了常见的大容器
求解上面方程可得： 求解上面方程可得： (1) 液膜厚度
4ηl λl (ts − tw )x δ = gρl2r
tm ts + tw = 2
1/ 4
定性温度： 定性温度：
注意： 注意：r 按 ts 确定
(2) 局部对流换热系数
grρ λ hx = 4 l (ts − tw )x η
§7-2 膜状凝结分析解及计算关联式
1916年，Nusselt提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状 年 提出的简单膜状凝结换热分析是近代膜状 凝结理论和传热分析的基础。 年以来， 凝结理论和传热分析的基础。自1916年以来，各种修正或 年以来 发展都是针对Nusselt分析的限制性假设而进行了，并形成 分析的限制性假设而进行了， 发展都是针对 分析的限制性假设而进行了 了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解Nusselt对 了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解 对 纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。 纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。 假定： ）常物性； ）蒸气静止； ）液膜的惯性力忽略； 假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略； 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜 ）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度； ） 内温度线性分布，即热量转移只有导热； ） 内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度 忽略； ）忽略蒸汽密度； ） 忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。


tf1 tf 2 Rh1 Ri Rh2
i 1 n
tf1 tf 2 n d i 1 1 1 1 ln d1lh1 i 1 2i l d i d n1lh2
7.2.3 临界热绝缘直径

在工程上,为了减少热流体输送管道的散热损失, 通常用保温材料在管道外面加一层或多层保温 层
tf 1 tf 2 d2 1 1 1 ln d1lh1 2l d1 d 2lh2
d2lKo tf1 tf2
Ko 1 d2 1 d2 d2 1 ln d1 h1 2 d1 h2
工程上，一般都以圆管外壁面面积为基准计算 传热系数
对多层圆筒壁
1 换热器中流体的温度分布 因变量—冷、热流体的温度

ht就称为复合传热表面传热系数 引入复合传热表面传热系数的目的是简化复杂 换热系统的分析计算

辐射传热表面传热系数的计算式：
r hr A Tw Tf

表面的辐射传热量Φr可根据固体壁面及所处环
境的特点采用相应的方法进行计算
r hr (Tw Tf ) A

当作为凸表面的固体壁面位于温度为Ts的大封闭
阻Rh1却随之减小

计算表明：d2较小时，总热阻Rk先随着dx的增大
而减小, 然后再随着dx的增大而增大, 中间出现极
小值，相应热流量出现极大值

总热阻Rk取得极小值时的保温层外径dx称为临界
绝缘直径, 用dc表示
d2 dx 1 1 1 1 Rk ln ln d1lh1 21l d1 2x l d 2 d x lh2

h1＝103，h2＝10，没有强化前：K=9.90 W/(m2.K)
措施1： h1＝2000，h2＝10： K’＝9.95 W/(m2.K)

K ' 1.005 K

措施2：h1＝103，h2＝20： K’’=19.6 W/(m2.K)
K ' ' 1.98 K
★方法3：提高换热面积－表面肋化
Ts

是否考虑辐射换热，应根据具体情况而定：

——若流体是液体，通常认为液体是辐射不透
明体，这时有hr＝0

——若气体与壁面间进行受迫对流传热，且换
热温差不是很大，可忽略辐射，即ht≈hc

——若气体和壁面间进行自然对流换热，或换
热温差很大，必须考虑辐射换热
7.2 传热过程分ห้องสมุดไป่ตู้与计算

高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温

在小管径且环境又是自然对流的条件下（实验室 内），对管道加保温材料时一定要特别谨慎 当管径小于临界绝缘半径时，情况正好相反，增 加保温层能起到强化换热的作用 电工中在电线外加上绝缘层一方面利用这一点强 化电线的散热，使其温度不至于升得很高。另一 方面可以起到绝缘保护作用

§7-4 换热器的分类与平均传热温差
的形状、布置、材料的导热系数等
★综合地反映了两侧的对流传热过程和导热过程
对传热的影响
传热过程计算的目的－计算传热过程中的传热系
数、传热量
7.2.1 通过平壁的传热过程

导热中—只关注平板的导热过程，计算了各类边 界条件下的温度分布、通过平板的导热量 传热过程中—壁面两侧流体间的热量传递过程
1 h1 A(t f 1 tW1 )
能减小整个过程的热阻

强化传热应该对热阻较大的一侧采取强化措施，
效果最好。采取的措施应使两侧热阻接近，才能
收到预期的效果

举例：暖气强化传热，水侧or空气侧？
7.2.2 通过圆管壁的传热
tf 1 tf 2 tf 1 tf 2 Rk Rh1 R Rh2
t f 1 tf 2 d2 1 1 1 ln d1lh1 2l d1 d 2lh2
说明 （1）关于h－应理解为复合传热表面传热系数

h hc hr

（2）采用试算法

如果λ为温度的函数，则应按平壁的平均温度计
算；若平壁温度未知，需假设进行试算法求解

（3）传热系数的计算

1 1 h1 A A h2 A
tf1 tf2
KA tf1 tf2
t KA tf1 tf2 1 1 R k h1 A A h2 A
tf1 tf2
1 1 Rk h1 A h2 A
为了减小热阻，面积应该加在哪一侧呢？
1 1 Rk Rh1 Rh 2 h1 A h2 A
总热阻是由两个热阻中较大的那一个决定的 降低热阻应从较大热阻入手

同时为了劳动保护的需要，一般使管道外表面
的温度低于50℃

如何选择保温材料和保温层的厚度是需要解决
的主要问题

通过二层圆管的稳态传热过程－热流体和周围 环境温度不变、管壁材料的热导率为λ1，保温 材料的热导率为λx
Rk Rh1 R1 Rx Rh2
1 1 d2 1 dx 1 ln ln d1lh1 21l d1 2x l d 2 d x lh2
——两根同心圆管构成
简单，但传热系数小，只作为高压流体的换热器
（3）肋管式换热器

换热器管外加肋片
管外翅片减小了热阻，传热得以强化
肋管式换热器

（4）板式换热器 ☆间隔壁面为平板
☆平板上加翅片——板翅式
☆平板上采取其他措施－板式
板翅式换热器
板翅式换热器
翅片形状
板式换热器

板式是由许多波纹形的传热板片，按一定的间
管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆
流或顺流通过每个板片进行热量的交换。
板式换热器
板式换热器
3 按流动形式分

顺流—两流体平行流动其方向相同 逆流—两流体平行流动其方向相反 复杂流（交叉流）—除二者以外的方式
7.4.2 换热器热计算的基本方程

约定： 下标 1 —— 热流体 下标 2 —— 冷流体 上标 ’ —— 进口参数 上标 ’’ —— 出口参数 以热流体进口作为计算起点
7.4.1 换热器的应用和分类 1 按工作原理分类 （1）混合式 原理——冷、热流体直接接触、互相混合而实 现热量的交换 应用——冷、热流体都是同一物质，或不是同 一种物质但易于分离 实例——如电厂中的冷却塔，空调系统中的冷 却塔等

（2）蓄热式—回热式、再生式 冷、热流体交替地流过同一换热面（蓄热体）， 并尽量避免相互混合 特点：1 流道周期性地对热流体吸热、对冷流 体放热 2 非稳态过程 实例：蓄热式空气预热器
c hc ATw Tf
辐射传热量的计算要相对复杂些。工程中为方
便起见，采用与牛顿冷却定律相似的形式表示
辐射传热过程
r hr ATw Tf

hr称为辐射传热表面传热系数（radiation heat
transfer coefficient），习惯上也称为辐射传热
系数
t hc hr ATw Tf ht ATw Tf
隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设
备。

板片组装时，两组交替排列，板与板之间用粘
结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流
体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道
板式换热器

换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面 积和刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流， 以达到强化传热的效果。

板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集
第7章 传热过程
的分析与计算

作业：7-1，7-4，7-10，7-13
7.1 复合传热

通常将由两种或两种以上的基本热量传递方式 同时起作用的热量传递过程称为复合传热或者
综合换热（combined convection and radiation
heat transfer）


最常见的：固体壁面与气体间的对流传热问题
d2 dx 1 1 1 1 Rk ln ln d1lh1 21l d1 2x l d 2 d x lh2

随着保温层厚度的增加，即随 着dx的增大：

——管内对流传热热阻与管壁
导热热阻之和Rh1+Rλ1保持不变

——保温层导热热阻Rλx随之加
大

——保温层外侧的对流传热热
大热阻对应表面传热系数较小的情形
所以应增加表面传热系数较小一侧的面积，可使
总热阻降低，特别是在两侧的表面传热系数相差
很大的情形

传热过程中，若各子过程的热阻相差较大，则热 阻大的子过程决定了整个传热过程中的传热量， 该热阻称为控制热阻

控制热阻通常对应着表面传热系数较小、或换热 面积较小的情形。只有有效地减小控制热阻，才

tW 1 tW 2 2 A
3 h2 A(tW 2 t f 2 )
tf1 tW 1 1 h1 A
tW 1 tW 2 A
tW 2 tf2 1 h2 A
R Rh1 R Rh 2
1 1 h1 A A h2 A tf1 tf2
——对流传热和辐射传热往往是同时存在的

如室内的供暖管线、暖气片的散热、室外热力
管线的散热、人体表面的散热等

在复合传热中，固体壁面同时以对流和辐射的
方式失去（或得到）热量

两种热量传递方式是并联的关系

复合传热计算的目的：确定表面净失去（或净 得到）的热量Φt
t c r
对流传热量可由牛顿冷却定律