第四章传热 §1传热概述 4-1三种类型换热器 (1)直接混合式—将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。很多人看过电影“洗 澡”吧,老式澡堂中水池的水,是将水蒸汽直接通人冷水中,使冷水加热,此即直接混合 式。如图41所示。北方许多工厂的澡堂,仍然采用这种办法 图4-1直接混合传热示意图 (2)蓄热式—先将热流体的热量储存在热载体上,然后由热载体将热量传递给冷流体 此即詟热式换热器。如图42所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热 热流体 图42蓄热式示意图 (3)间壁式—热流体通过间壁将热量传递给冷流体,化工中应用极为广泛。有夹套式 热交换器;蛇形式热交换器;套管式热交换器;列管式热交换器;板式热交换器。如图43 所示 冷流体 热流体 图43间壁式换热器—列管换热器 换热器有三种类型,从传热机理来讲,传热又有三种方式,即热传导、热辐射
1 第四章 传热 §1 传热概述 4-1 三种类型换热器 (1) 直接混合式——将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。很多人看过电影“洗 澡”吧，老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水中，使冷水加热，此即直接混合 式。如图 4-1 所示。北方许多工厂的澡堂，仍然采用这种办法。 图 4-1 直接混合传热示意图 (2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体、 此即蓄热式换热器。如图 4-2 所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。 图 4-2 蓄热式示意图 (3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。有夹套式 热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。如图 4-3 所示。 图 4-3 间壁式换热器——列管换热器。 换热器有三种类型，从传热机理来讲，传热又有三种方式，即热传导、热辐射
传热将从三种方式来展开论述。 4-2传热平衡方程 以某换热器为衡算对象,列出稳定传热时的热量衡算方程。如图44所示。 T, qm, h Cp 图4-4热平衡方程推导图 qm.Cp(1-0)+qmCph(T-0=qm. Cpc(2-0)+qm.Cph(T2-O qm.Cph(T:-T2)=m Cp(12-4) 式中,qm、qm—分别为热、冷流体的质量流速,kgs; Cn、C,分别为热、冷流体的定压比容,Jkg-K-; T、T2、—分别为热流体的进、出口温度,K; 1、12-分别为冷流体的进、出口温度,K; 式(D)即贯穿传热过程始终的热平衡方程。 §2热传导 4-3热传导与傅立叶定律 先讨论两个问题;冬天,铁凳与木凳温度一样,但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子 上,感到冷得多,这是为什么?一杯热牛奶,放在水里比摆在桌子上要冷得快,为什么? 人体温度是37℃左右,冬天坐在凳子上,人体的热量就向凳子传递,由于铁比木头传 热速度快得多,人体表面散热越快,而体内向表面补充热量又跟不上,所以感觉凉。此题, 说明同样是固体,材质不同,传热速率是不同的。 第二个问题,也是传热速率问题。说明水的传热速率比空气的传热速率来得大。 在两个问题中,热量的传递都不是通过流体的运动实现的。实质是热传导问题 热传导的定义是:依靠物体内自由电子运动或分子原位振动,从而导致热量的传递, 即热传导。 热传导遵循傅里叶定律。它是一个经验性定律。实践证明,单位时间内的传热量Q与
2 传热将从三种方式来展开论述。 4-2 传热平衡方程 以某换热器为衡算对象，列出稳定传热时的热量衡算方程。如图 4-4 所示。 图 4-4 热平衡方程推导图 ( 0) ( 0) ( 0) ( 0) q , C , t 1 - + q , C , T1 - = q , C , t 2 - + q , Cp,h T2 - m h p c m c p h m h p c m c ( ) ( ) , , 1 2 , , 2 1 q C T T q C t t p c m c p h m h \ - = - ………………(I) 式中， m h m c q , 、q , ——分别为热、冷流体的质量流速， 1 kg s - × ； Cp,h、Cp,c ——分别为热、冷流体的定压比容， 1 1 J kg K - - × × ； T1、T2 、——分别为热流体的进、出口温度，K ； 1 2 t 、t ——分别为冷流体的进、出口温度，K ； 式(I) 即贯穿传热过程始终的热平衡方程。 §2 热传导 4-3 热传导与傅立叶定律 先讨论两个问题；冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子 上，感到冷得多，这是为什么？一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？ 人体温度是 37℃左右，冬天坐在凳子上，人体的热量就向凳子传递，由于铁比木头传 热速度快得多，人体表面散热越快，而体内向表面补充热量又跟不上，所以感觉凉。此题， 说明同样是固体，材质不同，传热速率是不同的。 第二个问题，也是传热速率问题。说明水的传热速率比空气的传热速率来得大。 在两个问题中，热量的传递都不是通过流体的运动实现的。实质是热传导问题。 热传导的定义是：依靠物体内自由电子运动或分子原位振动，从而导致热量的传递， 即热传导。 热传导遵循傅里叶定律。它是一个经验性定律。实践证明，单位时间内的传热量Q 与
垂直于热流方向的导热截面面积A和温度梯度一成正比。即 O=-·A Ⅱ 式中,O—传热速率,W;A—导热面积,m2; λ—比例系数。称为导热系数,Wm-1.K dt 温度梯度,它是个矢量,其方向是沿温度梯度增加的正方向。 如图45所示。 热流方向 吐的正方向 dx 图45温度梯度之方向示意图 式(Ⅱ)即傅里叶定律,式中的负号又是什么意思呢?从图45中看出,热流方向与温 度梯度(山的方向正好相反,Q是正值,而是负值,加上负号,使式()成立 dx 改写式(I)得: Ⅱa) 式中,旦一一单位时间、单位面积所传递的热量,称为热量通量 所以傅里叶定律亦可表达为,热量通量与温度梯度成正比。 了解傅里叶定律,我们很容易解释开头的两个例子,主要差别在A的数值上。铁的导 热系数(61Wm-1.K-1)比木头的导热系数(005W·m-1K-)大。水的导热系数(0.06 W·m-1.K-)比空气的导热系数(0.024W·m-1.K-)大的缘故。 导热系数λ,是物质的属性之一,可用实验方法测定。一般来讲,国体>液体>点气体 可用分子间距离来解释)。但绝热材料(如石棉等)的λ较小,则属例外 4-4平壁稳定热传导计算
3 垂直于热流方向的导热截面面积 A 和温度梯度 x t d d 成正比。即 x t Q A d d µ - x t Q A d d = -l × ………………(Ⅱ) 式中，Q ——传热速率，W ； A ——导热面积， 2 m ； l ——比例系数。称为导热系数， 1 1 W m K - - × × ； x t d d ——温度梯度，它是个矢量，其方向是沿温度梯度增加的正方向。 如图 4-5 所示。 图 4-5 温度梯度之方向示意图 式（Ⅱ）即傅里叶定律，式中的负号又是什么意思呢？从图 4-5 中看出，热流方向与温 度梯度 ÷ ø ö ç è æ x t d d 的方向正好相反。Q 是正值，而 x t d d 是负值，加上负号，使式(II) 成立。 改写式（II）得： x t A Q d d = -l ………………(Ⅱa) 式中， — — A Q 单位时间、单位面积所传递的热量，称为热量通量。 所以傅里叶定律亦可表达为，热量通量与温度梯度成正比。 了解傅里叶定律，我们很容易解释开头的两个例子，主要差别在l 的数值上。铁的导 热系数（61 1 1 W m K - - × × ）比木头的导热系数（0.05 1 1 W m K - - × × ）大。水的导热系数（0.06 1 1 W m K - - × × ）比空气的导热系数（0.024 1 1 W m K - - × × ）大的缘故。 导热系数λ，是物质的属性之一，可用实验方法测定。一般来讲，l固体 > l 液体 > l 气体 。 （可用分子间距离来解释）。但绝热材料（如石棉等）的l 较小，则属例外。 4-4 平壁稳定热传导计算
t3 b,b 0X1X2 图46平壁导热示意图 如图46所示,当x由0→>x时,则t由t1→>12,这时积分式(Ⅱ)得: Qdx=4d(因为4是常数) Q h1-l2 ……(Ⅲ) 同理得:Q=b.2 …(Ⅳ) 入,A 式中:Q亦可称为热流强度,1-l2可称为热推动力 亦称为热阻力。 热流强度。热推动力 热阻力 利用数学中的合比定律,由式(Ⅲ)和式(Ⅳ)得 MA n2A 若为三层平壁热传导,如图47所示,则为: 4-2)+(t2-1)+(2-1) M n2 1
4 图 4-6 平壁导热示意图 如图 4-6 所示，当 x 由 1 0 ® x 时，则t 由 1 2 t ® t ,，这时积分式（Ⅱ）得： ò ò = - 2 1 1 d d 1 0 t t x Q x l A t （因为A是常数） A b t t Q 1 1 1 2 l - \ = ………………（Ⅲ） 同理得： A b t t Q 2 2 2 3 l - = ………………（Ⅳ） 式中：Q 亦可称为热流强度， 1 2 t - t 可称为热推动力， A b 1 1 l 亦称为热阻力。 热阻力 热推动力 热流强度 = 利用数学中的合比定律，由式（Ⅲ）和式（Ⅳ）得： ( ) ( ) A b A b t t t t Q 2 2 1 1 1 2 2 3 l l + - + - = 若为三层平壁热传导，如图 4-7 所示，则为： ( ) ( ) ( ) ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + + - + - + - = 3 3 2 2 1 1 1 2 2 3 3 4 1 l l l b b b A t t t t t t Q
Q bb 图47多层平壁的稳态热传导 所以n层平壁热传导的公式为: ……1 ISb, 4-5圆筒壁稳定热传导计算 比平壁复杂的一点在于,传热面积A是个变量。 今有一长为L,内径为,内壁温度为1,外半径为r2,外壁温度为2的圆筒,导出 其热流强度(Q)的表达式。 如图48所示,在圆筒中取一半径为r,长为L的等温度圆筒面 r3 图4-8圆筒壁导热示意图 则根据傅里叶定律式(Ⅱ),其热流强度为 d Q=27(-4) r2
5 图 4-7 多层平壁的稳态热传导 所以 n 层平壁热传导的公式为： ( ) å å = = - + = n i i i n i i i b A t t Q 1 1 1 1 l …………………(V ) 4-5 圆筒壁稳定热传导计算 比平壁复杂的一点在于，传热面积 A 是个变量。 今有一长为 L ，内径为 1 r ，内壁温度为 1 t ，外半径为 2 r ，外壁温度为 2 t 的圆筒，导出 其热流强度(Q) 的表达式。 如图 4-8 所示，在圆筒中取一半径为r ，长为 L 的等温度圆筒面， 图 4-8 圆筒壁导热示意图 则根据傅里叶定律式(Ⅱ)，其热流强度为： ( ) ò ò = - × 2 1 2 1 2 d d t t r r L t r r Q l p ( ) 2 1 1 2 2 ln t t Q L r r - - × × = p l ( ) 1 2 1 2 ln 1 2 r r L t t Q l p × - \ =
同里,对第二层,可以得到Q=274(- 12F2 2z·L(1-12)2z·L(2-1) In In 利用数学中的合比定律得,Q= 2:L(1-12)+2z·L(2-13) 1r, 1r3 推广到n层圆筒的传热速率公式为: x:L∑(n-n) In-n 4-6圆筒壁导热计算举例 【例4-1】在一p60mm×35mm的钢管外包有两层绝热材料,里层为40mm的氧化 镁粉,平均导热系数=007W·mK-,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数 λ=0.15W·m-1K-。现用热电偶测得管内壁的温度为500℃,最外层表面温度为80℃, 管壁的导热系数=45Wm-.K-1。试求每米管长的热损失及保温层界面的温度 解:(a)每米管长的热损失 q1 此处,F 0.053 =0.0265m,F2=00265+0.0035=0.03 r3=0.03+0.04=0.07m,r4=0.07+0.02=0.09m 2×3.14×(500-80) 0.031,0.07 1109=191W 45002650.070030.150.07
6 同理，对第二层，可以得到： ( ) 2 3 2 2 3 ln 1 2 r r L t t Q l p × - = ( ) ( ) 2 3 2 2 3 1 2 1 1 2 ln 1 2 ln 1 2 r r L t t r r L t t Q l p l p × - = × - \ = 利用数学中的合比定律得， ( ) ( ) 2 3 1 2 2 1 1 2 2 3 ln 1 ln 1 2 2 r r r r L t t L t t Q l l p p + × - + × - = 推广到 n 层圆筒的传热速率公式为： ( ) å å = + = - + × = n i n n n n i n n r r L t t Q 1 1 1 1 ln 1 2 l p ………………(VI) 4-6 圆筒壁导热计算举例 【例 4-1】 在一f60mm ´3.5mm 的钢管外包有两层绝热材料，里层为40mm 的氧化 镁粉，平均导热系数 1 1 0.07W m K - - l = × × ，外层为 20mm 的石棉层，其平均导热系数 1 1 0.15W m K - - l = × × 。现用热电偶测得管内壁的温度为500℃，最外层表面温度为80 ℃， 管壁的导热系数 1 1 45W m K - - l = × × 。试求每米管长的热损失及保温层界面的温度。 解：(a) 每米管长的热损失 ( ) 3 4 2 3 3 1 2 2 1 1 4 1 ln 1 ln 1 ln 1 2 r r r r r r t t q l l l p + + - = 此处， 0.0265m 0.0265 0.0035 0.03 2 0.053 r1 = = ，r2 = + = r3 = 0.03 + 0.04 = 0.07m，r4 = 0.07 + 0.02 = 0.09m 1 1 191 W m 0.07 0.09 ln 0.15 1 0.03 0.07 ln 0.07 1 0.0265 0.03 ln 45 1 2 3.14 (500 80) - = × + + ´ ´ - q =
(b)保温层界面温度13 2(1-1) 2×3.14×(500-13) →191 In/ 2+In3 11n003 0.07 0.02650.070.03 解得:13=132°C §3对流传热 4-7热对流与牛顿冷却定律 解放前曾有过这样的民谣:“穷人夯在租里,冷天冷在风里。”为什么“冷天冷在风里” 呢?我们坐在教室里,手脸都不感觉得冷,如果开启电扇,扇起风来,就感觉冷了,这是 为什么?因为室内空气流速加大,空气将人体表面的热量带走的速率加大,人体内部热量 补充不上,所以感觉冷。一杯热牛奶,用均匀搅拌比不搅拌要凉得快,边搅拌边吹风,则 凉得更快。前者利用牛奶对流,后者再加上空气对流。 空气的流速加大,可加快热量的传递,这是一种什么形式的热量传递呢?我们定义为 对流给热 对流给热的定义是,通过流体内质点的定向流动和混合而导致热量的传递。 对流给热服从牛顿冷却定律,也称牛顿给热定律 先讨论一下对流给热的机理。如图49所示。固体壁面温度为t(高温端),流体湍流 主体的温度为t t 图49对流给热机理 在固体壁面存在层流层,然后是过渡层,再是湍流层。在层流层,热量靠热传导的方 式传递,在过渡层和湍流层,热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理, 显然不行,因为湍流层不能按导热处理。于是人们尝试,虚拟一个传热边界层6,使得层 流、过渡流、淄流的全部传热阻力集中在6内。于是可以按平壁导热处理得 …(W)
7 (b) 保温层界面温度 3 t ( ) 2 3 1 2 2 1 1 3 1 ln 1 ln 1 2 r r r r t t q l l p + - = 0.03 0.07 ln 0.07 1 0.0265 0.03 ln 45 1 2 3.14 (500 ) 191 3 + ´ ´ - Þ = t 解得： t 3 =132 °C §3 对流传热 4-7 热对流与牛顿冷却定律 解放前曾有过这样的民谣：“穷人穷在租里，冷天冷在风里。”为什么“冷天冷在风里” 呢？我们坐在教室里，手脸都不感觉得冷，如果开启电扇，扇起风来，就感觉冷了，这是 为什么？因为室内空气流速加大，空气将人体表面的热量带走的速率加大，人体内部热量 补充不上，所以感觉冷。一杯热牛奶，用均匀搅拌比不搅拌要凉得快，边搅拌边吹风，则 凉得更快。前者利用牛奶对流，后者再加上空气对流。 空气的流速加大，可加快热量的传递，这是一种什么形式的热量传递呢？我们定义为 对流给热。 对流给热的定义是，通过流体内质点的定向流动和混合而导致热量的传递。 对流给热服从牛顿冷却定律，也称牛顿给热定律。 先讨论一下对流给热的机理。如图 4-9 所示。固体壁面温度为 w t （高温端），流体湍流 主体的温度为t 。 图 4-9 对流给热机理 在固体壁面存在层流层，然后是过渡层，再是湍流层。在层流层，热量靠热传导的方 式传递，在过渡层和湍流层，热量靠分子的流动和混合来传递。直接按热传导的方式处理， 显然不行，因为湍流层不能按导热处理。于是人们尝试，虚拟一个传热边界层δ，使得层 流、过渡流、湍流的全部传热阻力集中在δ内。于是可以按平壁导热处理得： A t t Q w l d - = ………………(VII)
由于上式中的传热边界层δ是难以测定的,所以仍无法进行计算。于是令=a, 上式为: …G 式(V即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是:固体对流体的给热传热速率(Q), 与壁面积成正比,与壁面和流体间的温度差(n-1)成正比。 式中,a—比例系数,亦称给热系数,其单位是 2p-1 A(n-1) K 下面的关键,就是如何求a了? 回忆一下,此种处理方法,与求导管流动阻力的方法,是完全类似的。 当时导出流动阻力为h 。。由于式中的剪应力()无法求得,于是改写上式 为: h ,令=8 得 d 2 ,然后把精力集中在求A上 4-8给热系数a计算 c与许多因素有关,a的求取十分复杂,目前主要通过因次分析法,在大量实验的基 础上,得到一些经验的、应用范围受限制的准数关联式。在第一章中我们详细介绍过因次 分析法。下面列出的式子,也是实验数据归纳的。 例如圆管内湍流给热系数a用如下公式: 低粘度流体: a(dup cpu a=0.023 (Ⅸ) 当流体被加热时,n=04,流体被冷却时,n=0.3 高粘度流体: a=0.027 a dup cpu 式中,若流体为气体,则“=10
8 由于上式中的传热边界层d 是难以测定的，所以仍无法进行计算。于是令 a d l = t ，则 上式为： Q A(t t) = a × w - ……………(VIII) 式 (VIII)即为牛顿冷却定律的数学表达式。就是：固体对流体的给热传热速率(Q) ， 与壁面积成正比，与壁面和流体间的温度差(t t) w - 成正比。 式中，a ——比例系数，亦称给热系数，其单位是 ( ) 2 1 2 W m K m K W - - = × × - × = A t t Q w a 下面的关键，就是如何求a 了？ 回忆一下，此种处理方法，与求导管流动阻力的方法，是完全类似的。 当时导出流动阻力为 t r = × g 4 d l hf 。由于式中的剪应力(t ) 无法求得，于是改写上式 为： 2 2 2 8 2 8 g u u d l u hf × = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ÷ ø ö ç è æ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ × = r t l r t ，令 得： ， g u d l hf 2 2 = l 然后把精力集中在求l 上。 4-8 给热系数a 计算 a 与许多因素有关，a 的求取十分复杂，目前主要通过因次分析法，在大量实验的基 础上，得到一些经验的、应用范围受限制的准数关联式。在第一章中我们详细介绍过因次 分析法。下面列出的式子，也是实验数据归纳的。 例如圆管内湍流给热系数a 用如下公式： 低粘度流体： n du Cp d ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = l m m l r a 0.8 0.023 ……………（Ⅸ） 当流体被加热时，n = 0.4，流体被冷却时， n = 0.3。 高粘度流体： 0.8 0.33 0.14 0.027 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = w du Cp d m m l m m l r a 式中，若流体为气体，则 1.0 0.14 = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ m w m
若流体被加热,则 若流体被冷却,则)0 0.95 式中,—流体的导热系数,WmK-;-流体的粘度,kgm-1s-; C—流体的比热,Jkg-·K; P—流体的密度,kg·m; u—流体在管内的流速,ms; d—定形尺寸,此处为管径,m; a—给热系数,W.m2.K-; 取管壁温度时的流体粘度,kgm-1s-; 圆形管内过渡流时的对流给热系数为: 6×10 a=a1 Re 计算a的经验关联式很多。可以查阅《化学工程手册》的传热分册。一般情况下,a值 的大致范围如下: 空气自然对流,5~25Wm-2.K;空气强制对流,30~300W.m-2K-; 水蒸汽冷凝,1000~8000W·m-2.K;水沸腾,1500~30000W·m2.K; 4-9给热系数计算举例(1) 【例42】一套管换热器,管套为g89mm×35mm钢管,内管为25mm×2mm钢 管,管长为2m,环隙中为p=100kPa的饱和水蒸汽冷凝,冷却水在内管中流过,进口温 度为15℃,出口为35℃。冷却水流速为04ms-,试求管壁对水的对流传热系数。 解:此题为水在圆形直管内流动 定性温度t= 25°C 2 查得25℃时水的物性数据(见附录)如下: =4179Jkg-.K p=997kgm-3 2=60.8×10-2W.m-1.K1 =90.27×10-Pa·s dp002×04×997 =8836过渡流区 90.27×10
9 若流体被加热，则 1.05 0.14 = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ m w m 若流体被冷却，则 0.95 0.14 = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ m w m 式中，l ——流体的导热系数， 1 1 W m K - - × × ； m ——流体的粘度， 1 1 kg m s - - × × ； Cp ——流体的比热， 1 1 J kg K - - × × ； r ——流体的密度， 3 kg m - × ； u ——流体在管内的流速， 1 m s - × ； d ——定形尺寸，此处为管径，m； a ——给热系数， 2 1 W m K - - × × ； m w ——取管壁温度时的流体粘度， 1 1 kg m s - - × × ； 圆形管内过渡流时的对流给热系数为： ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ´ = - 1.8 5 Re 6 10 a 过 a 湍 1 计算a 的经验关联式很多。可以查阅《化学工程手册》的传热分册。一般情况下，a 值 的大致范围如下： 空气自然对流， 2 1 5 ~ 25W m K - - × × ； 空气强制对流， 2 1 30 ~ 300W m K - - × × ； 水蒸汽冷凝， 2 1 1000 ~ 8000W m K - - × × ；水沸腾， 2 1 1500 ~ 30000W m K - - × × ； 4-9 给热系数计算举例(1) 【例 4-2】一套管换热器，管套为f89mm ´ 3.5mm 钢管，内管为f25mm ´ 2.5mm 钢 管，管长为 2m，环隙中为 p = 100kPa 的饱和水蒸汽冷凝，冷却水在内管中流过，进口温 度为15℃，出口为35℃。冷却水流速为0.4 1 m s - × ，试求管壁对水的对流传热系数。 解： 此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t = °C + = 25 2 15 35 查得25 ℃时水的物性数据（见附录）如下： 3 1 1 4179 J kg K 997 kg m - - - = × × r = × p c 60.8 10 W m K 90.27 10 Pa s 2 1 1 5 = ´ × × = ´ × - - - - l m 8836 90.27 10 0.02 0.4 997 Re 5 = ´ ´ ´ = = - m dur 过渡流区
Pr=Cn=4179×90 6.2 60.8×10-2 02 a可按式(418)计算,水被加热,n=04 校正系数∫=/6×105 6×10 =0.953 a=0.023Re.Pr·f 0.608 0.023 (8836)×(6.2)×0.953=1981W.m-.k 0.02 4-10传热系数计算举例(2) 【例4-3】空气以4ms-的流速通过一p755mm×3,75mm的钢管,管长20m。空 气入口温度为305K,出口温度为34K,试计算:1)空气与管壁间的对流传热系数。2) 如空气流速增加一倍,其他的条件均不变,对流传热系数又为多少? 解:此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数,故首先判断流动类型, 再选用对应关联式计算: 1)tn=×(341+305)=323K=50C 查空气物性:p=1.093kgm-3,cn=1.017kJkg-K λ=2826×10-2Wm-1K-,=1.96×103Pa Pr=0.698 又d=75.5-3.75×2=68mm=0.068m =4m.s Re=如o_006 8×4×1.093 1517×104>104 又空气为低粘度流体 a=00232 Re&Pr"=00232c4g)yP 2831×10-2 =0023×008×(1:517×101)08×(0698)4=183W.m2·K 校核 d0ak。=294>60 183Wm-2K-1 2)当物性及设备不改变,仅改变流速,根据上述计算式知a∝l08
10 100 0.02 2 6.2 60.8 10 4179 90.27 10 Pr 2 5 = = = ´ ´ ´ = = - - d c p l ， l m a 可按式(4-18)计算，水被加热，n = 0.4 校正系数 0.953 8836 6 10 1 Re 6 10 1 1.8 5 1.8 5 = ´ = - ´ f = - f d = × × × 0.8 0.4 0.023 Re Pr l a (8836) (6.2) 0.953 0.02 0.608 0.023 0.8 0.4 = ´ ´ ´ ´ 2 1 1981 W m K - - = × × 4-10 传热系数计算举例（2） 【例 4-3】 空气以 1 4m.s - 的流速通过一f75.5mm ´3.75mm 的钢管，管长20m。空 气入口温度为305K ，出口温度为341K ，试计算： 1）空气与管壁间的对流传热系数。2） 如空气流速增加一倍，其他的条件均不变，对流传热系数又为多少？ 解：此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数，故首先判断流动类型， 再选用对应关联式计算： 1) m t = C ° ´ (341+ 305) = 323K = 50 2 1 查空气物性： 3 1 1 1.093kg.m , 1.017kJ.kg .K - - - r = c p = 2.826 10 W.m .K , 1.96 10 Pa s 2 1 1 5 = ´ = ´ × - - - - l m Pr = 0.698 又 d = 75.5 - 3.75´ 2 = 68mm = 0.068m 1 4m s - u = × 4 4 5 1.517 10 10 1.96 10 0.068 4 1.093 Re = ´ > ´ ´ ´ \ = = - m dur 又空气为低粘度流体 0.8 0.8 0.4 0.023 Re Pr 0.023 ( ) Pr m l l r a du d d n \ = = 4 0.8 0.4 2 (1.517 10 ) (0.698) 0.068 2.831 10 0.023 ´ ´ ´ ´ = ´ - 2 1 18.31W m K - - = × × 校核： 294 60 0.068 20 = = > d L 故： 2 1 18.31W.m .K - - a = 2）当物性及设备不改变，仅改变流速，根据上述计算式知 0.8 a µ u