第四章第四章传热传热第一节第一节概述概述第二节第二节热传导热传导第三节第三节对流传热对流传热第四节第四节传热过程计算传热过程计算第五节第五节热辐射热辐射第六节第六节换热器换热器一、传热在化学工程中的运用一、传热在化学工程中的运用二、传热的根本方式二、传热的根本方式热传导热传导(conduction);热对流热对流(convection);热辐射热辐射(radiation)。化工产品加工过程中的温度控制以及各种单元操作如裂化工产品加工过程中的温度控制以及各种单元操作如裂解、重整、聚合等对温度有一定的要求。解、重整、聚合等对温度有一定的要求。热的传送是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热的传送是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的根本方式有三种：热机理不同，传热的根本方式有三种：4.1概述概述1、热传导、热传导气体气体分子做不规那么热运动时相互碰撞的结果分子做不规那么热运动时相互碰撞的结果固体固体导电体：自在电子在晶格间的运动导电体：自在电子在晶格间的运动非导电体：经过晶格构造的振动实现非导电体：经过晶格构造的振动实现液体液体机理复杂机理复杂特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移特点：静止介质中的传热，没有物质的宏观位移强迫对流：强迫对流：因因泵泵或或风风机机或或搅搅拌拌等等外外力力所所导导致致的的对对流流称称为为强迫对流。强迫对流。流流动动的的缘缘由由不不同同，对对流流传传热热的的规规律律也也不不同同。在在同同一一流体中有能够同时发生自然对流和强迫对流。流体中有能够同时发生自然对流和强迫对流。自然对流：自然对流：由由于于流流体体各各处处的的温温度度不不同同而而引引起起的的密密度度差差别别，致致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。2、热对流、热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传送过程流体各部分之间发生相对位移所引起的热传送过程称为热对流。热对流仅发生在流体中。称为热对流。热对流仅发生在流体中。3、热辐射、热辐射因热的缘由而产生的电磁波在空间的传送，称为热辐射。因热的缘由而产生的电磁波在空间的传送，称为热辐射。一一切切物物体体都都能能将将热热以以电电磁磁波波的的方方式式发发射射出出去去，而而不不需需求求任任何何介质。介质。任任何何物物体体只只需需在在绝绝对对零零度度以以上上都都能能发发射射辐辐射射能能，但但是是只只需需在在物体温度较高的时候，热辐射才干成为主要的传热方式。物体温度较高的时候，热辐射才干成为主要的传热方式。实实践践上上，上上述述三三种种传传热热方方式式很很少少单单独独出出现现，而而往往往往是是相相互互伴伴随着出现的。随着出现的。冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式一、直接接触式一、直接接触式板式塔板式塔二、间壁式二、间壁式传热面为内管壁的外表积套管换热器冷流体t1t2热流体T1T2列管换热器传热面为壳内一切管束壁的外表积热流体T1T2冷流体t1t2热载体及其选择热载体及其选择加热剂：热水、饱和水蒸气加热剂：热水、饱和水蒸气矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等用电加热用电加热冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等冷却温度30C水加热温度180C饱和水蒸气热负荷荷Q：工：工艺要求，同种流体需求温升或温降要求，同种流体需求温升或温降时，吸收或放出的，吸收或放出的热量，量，单位位J。传热速率速率Q：热流量，流量，单位位时间内内经过换热器的整器的整个个传热面面传送的送的热量，量，单位位J/s或或W。热流密度流密度q：热通量，通量，单位位时间内内经过单位位传热面面积传送的送的热量，量，单位位J/(s.m2)或或W/m2。一、根本概念一、根本概念非稳态传热非稳态传热二、稳态与非稳态传热二、稳态与非稳态传热稳态传热稳态传热式中 A总传热面积，m2。三、冷热流体经过间壁的传热过程三、冷热流体经过间壁的传热过程t2t1T1T2对流对流导热冷流体Q热流体式中K总传热系数，W/(m2)或W/(m2K)；Q传热速率，W或J/s；A总传热面积，m2；tm两流体的平均温差，或K。总传热速率方程：稳态传热：温温度度场场(temperaturefield)：某某一一瞬瞬间间空空间间中中各各点点的的温度分布，称为温度场温度分布，称为温度场.式中：式中：t温度；温度；x,y,z空空间坐坐标；时间。物体的温度分布是空物体的温度分布是空间坐坐标和和时间的函数，即的函数，即t=f(x，y，z，)4.2热传导热传导一、一、傅立叶定律傅立叶定律1温度场和温度梯度温度场和温度梯度不不稳稳定温度定温度场场 稳定温度场稳定温度场 一一维温温度度场：假假设温温度度场中中温温度度只只沿沿着着一一个个坐坐标方向方向变化。化。一一维温度温度场的温度分布表达式的温度分布表达式为：t=f(x,)等温面：在同一时辰，温度场中一切温度一样等温面：在同一时辰，温度场中一切温度一样的点组成的面。的点组成的面。t1t2t1t2等温面Q等温面的特点：等温面的特点：1等温面不能相交；等温面不能相交；2沿等温面无热量传送。沿等温面无热量传送。留留意意：沿沿等等温温面面将将无无热热量量传传送送，而而沿沿和和等等温温面面相相交交的的任任何何方方向向，因因温温度度发发生生变变化化那那么么有有热热量量的的传传送送。温温度度随随间间隔隔的的变变化化程程度以沿与等温面的垂直方向为最大。度以沿与等温面的垂直方向为最大。对于于一一维温温度度场，等等温温面面x及及(x+x)的的温温度度分分别为t(x,)及及t(x+x,)，那么两等温面之，那么两等温面之间的平均温度的平均温度变化率化率为：温温度度梯梯度度:温温度度梯梯度度是是向向量量，其其方方向向垂垂直直于于等等温温面面，并并以以温温度度添添加加的的方方向为正。向为正。t+tt-ttnQdA傅立叶定律是热传导的根本定律，它指出：单位时间内传导的傅立叶定律是热传导的根本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即式中式中Q单位位时间传导的的热量，量，简称称传热速率，速率，wA导热面面积，即垂直于，即垂直于热流方向的外表流方向的外表积，m2导热系数系数(thermalconductivity)，w/m.k。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。2傅立叶定律傅立叶定律热导率热导率 在数值上等于单位温度梯度下的热通量在数值上等于单位温度梯度下的热通量 =f(构造构造,组成组成,密度密度,温度温度,压压力力 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 表征资料导热性能的物性参数表征资料导热性能的物性参数1.固体热导率固体热导率金属金属资料料10102W/(mK)建筑建筑资料料10-110W/(mK)绝热资料料10-210-1W/(mK)在一定温度范围内：在一定温度范围内：对大多数金属资料对大多数金属资料a0，t 2.液体热导率液体热导率金属液体金属液体较高，非金属液体较高，非金属液体低；低；非金属液体水的非金属液体水的最大；最大；水和甘油：水和甘油：t ， 其它液体：其它液体：t ，0.090.6W/(mK)3.气体热导率气体热导率t ，普通情况下，普通情况下，随随p的变化可忽略；的变化可忽略；气体不利于导热，有利于保温或隔热。气体不利于导热，有利于保温或隔热。0.0060.4W/(mK)bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚平壁壁厚为b，壁面，壁面积为A；壁壁的的材材质均均匀匀，导热系系数数不不随随温度温度变化，化，视为常数；常数；平平壁壁的的温温度度只只沿沿着着垂垂直直于于壁壁面面的的x轴方方向向变化化，故故等等温温面面皆皆为垂垂直于直于x轴的平行平面。的平行平面。平壁平壁侧面的温度面的温度t1及及t2恒定。恒定。二、平壁的稳定热传导二、平壁的稳定热传导1单层平壁的热传导单层平壁的热传导傅立叶定律：边境条件为：取dx的薄层，作热量衡算：得：不随t而变 式中Q热流量或传热速率，W或J/s；A平壁的面积，m2；b平壁的厚度，m；平壁的热导率，W/(m)或W/(mK)；t1,t2平壁两侧的温度，。讨论：2分析平壁内的温度分布上限由1可表示为推进力：热阻：为 不随t变化， tx成呈线形关系。3当随t变化时假设随t变化关系为：那么tx呈抛物线关系。 如：1t1，2t2如下图：以三层平壁为例如下图：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假假定定各各层壁壁的的厚厚度度分分别为b1，b2，b3，各各层材材质均均匀匀，导热系系数数分分别为1，2，3，皆皆视为常数；常数；层与与层之之间接接触触良良好好，相相互互接接触触的的外外表表上上温温度度相相等等，各各等等温温面亦皆面亦皆为垂直于垂直于x轴的平行平面。的平行平面。壁壁的的面面积为A，在在稳定定导热过程中，穿程中，穿过各各层的的热量必相等。量必相等。2多层平壁的稳定热传导多层平壁的稳定热传导第一层第一层第三层第三层第二层第二层对于稳定导热过程：对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q同理，对具有同理，对具有n层的平壁，穿过各层热量的普通公式为层的平壁，穿过各层热量的普通公式为式中式中i为为n层平壁的壁层序号。层平壁的壁层序号。例例：某某冷冷库外外壁壁内内、外外层砖壁壁厚厚均均为12cm，中中间夹层厚厚10cm，填填以以绝热资料料。砖墙的的热导率率为0.70w/mk，绝热资料料的的热导率率为0.04w/mk，墙外外外外表表温温度度为10，内内外外表表为-5，试计算算进入入冷冷库的的热流流密密度度及及绝热资料料与与砖墙的两接触面上的温度。的两接触面上的温度。按温度差分配计算按温度差分配计算t2、t3解解： 根根据据题意意，知知t1=10 ，t4=-5 ，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1=3=0.70w/mk，2=0.04w/mk。按热流密度公式计算按热流密度公式计算q：Qt2t1r1rr2drL设圆筒筒的的内内半半径径为r1，内内壁壁温温度度为t1，外外半半径径为r2，外壁温度外壁温度为t2。温温度度只只沿沿半半径径方方向向变化化，等等温温面面为同同心心圆柱柱面面。圆筒筒壁壁与与平平壁壁不不同同点点是是其其面面随随半半径而径而变化。化。在在半半径径r处取取一一厚厚度度为dr的的薄薄层，假假设圆筒筒的的长度度为L，那那么么半半径径为r处的的传热面面积为A=2rL。三、圆筒壁的稳定热传导三、圆筒壁的稳定热传导1单层圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁的稳定热传导根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为根据傅立叶定律，对此薄圆筒层可写出传导的热量为边境条件得：设不随t而变式中Q热流量或传热速率，W或J/s；热导率，W/(m)或W/(mK)；t1,t2圆筒壁两侧的温度，；r1,r2圆筒壁内外半径，m。讨论：1上式可以为写对数平均面积对数平均半径23圆筒壁内的温度分布上限从改为tr成对数曲线变化(假设不随t变化)4平壁：各处的Q和q均相等；圆筒壁：不同半径r处Q相等，但q却不等。r1r2r3r4t1t2t3t4对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即经过各单层壁所传导的热量。如下图：以三层圆筒壁为例。如下图：以三层圆筒壁为例。假假定定各各层壁壁厚厚分分别为b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各各层资料料的的导热系系数数1，2，3皆皆视为常数；常数；层与与层之之间接接触触良良好好，相相互互接接触触的的外外表表温温度度相相等等，各各等等温温面皆面皆为同心同心圆柱面。柱面。2多层圆筒壁的稳定热传导多层圆筒壁的稳定热传导多多层层圆圆筒筒壁壁的的热热传传导导计计算算，可可参参照照多多层层平平壁壁。对对于于第第一一、二、三层圆筒壁有二、三层圆筒壁有根据各层温度差之和等于总温度差的原那么，整理上三式可得根据各层温度差之和等于总温度差的原那么，整理上三式可得同理，对于同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的普通公式为层圆筒壁，穿过各层热量的普通公式为注注：对对于于圆圆筒筒壁壁的的稳稳定定热热传传导导，经经过过各各层层的的热热传传导导速速率率都都是是一样的，但是热通量却不相等。一样的，但是热通量却不相等。例例在在一一603.5mm的的钢管管外外层包包有有两两层绝热资料料，里里层为40mm的的氧氧化化镁粉粉，平平均均导热系系数数=0.07W/m，外外层为20mm的的石石棉棉层，其其平平均均导热系系数数=0.15W/m。现用用热电偶偶测得得管管内内壁壁温温度度为500，最最外外层外外表表温温度度为80，管管壁壁的的导热系系数数=45W/m。试求每米管求每米管长的的热损失及两失及两层保温保温层界面的温度。界面的温度。解：每米管长的热损失解：每米管长的热损失此处，此处，r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m保温层界面温度保温层界面温度t3解得解得t3=131.2对对流流传传热热：是是在在流流体体流流动动进进程程中中发发生生的的热热量量传传送送景景象象，它它是是依依托托流流体体质质点点的的挪挪动动进进展展热热量量传传送的，与流体的流动情况亲密相关。送的，与流体的流动情况亲密相关。当当流流体体作作层层流流流流动动时时，在在垂垂直直于于流流体体流流动动方方向向上上的的热热量量传传送送，主主要要以以热热传传导导亦亦有有较较弱弱的的自自然然对对流流的的方式进展。方式进展。4.3对流传热对流传热一、对流传热的根本概念一、对流传热的根本概念传热过程程高温流体高温流体湍流主体湍流主体壁面两壁面两侧层流底流底层湍流主体湍流主体低温流体低温流体q湍流主体湍流主体q对流流传热q温温度度分分布布均匀均匀q层流底流底层q导热q温温度度梯梯度度大大q壁面壁面q导热(导热系系数数较流流体体大大)q有有温温度度梯梯度度不同区域的不同区域的传热特性：特性：传传热热边边境境层层thermalboundarylayer：温温度度边边境境层层。有有温温度度梯梯度度较较大大的的区区域域。传传热热的的热热阻阻即主要集中在此层中。即主要集中在此层中。温度温度间隔间隔TTwtwt热流体热流体冷流体冷流体传热壁面传热壁面湍流主体湍流主体湍流主体湍流主体传热壁面传热壁面层流层流底层底层层流层流底层底层传热方向传热方向对流传热表示图对流传热表示图式中式中Q对流流传热速率，速率，W；A传热面面积，m2t对流流传热温度差，温度差，t=T-TW或或t=t-tW，；T热流流体体平平均均温温度度，；TW与与热流流体体接接触触的的壁壁面面温温度度，；t冷冷流流体体的的平平均均温温度度，；tW与与冷冷流流体体接接触触的的壁壁面面温温度度，；a对流流传热系数系数(heattransferconfficient)，W/m2K或或W/m2。简化化处置置：以以为流流体体的的全全部部温温度度差差集集中中在在厚厚度度为t的的有有效效膜膜内内，但但有有效效膜膜的的厚厚度度t又又难以以测定定，所所以以以以替替代代/t而而用用下下式式描画描画对流流传热的根本关系的根本关系Q= AT-Tw二、对流传热速率二、对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律Q= Atw-t三、三、影响对流传热系数的主要要素影响对流传热系数的主要要素1.引起流动的缘由引起流动的缘由自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。强迫对流：由于外力和压差而引起的流动。强迫对流：由于外力和压差而引起的流动。强自2.流体的物性流体的物性 ， ，cp5.能否发生相变能否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾蒸汽冷凝、液体沸腾 相变相变 无相变无相变4.传热面的外形，大小和位置传热面的外形，大小和位置外形：如管、板、管束等；外形：如管、板、管束等；大小：如管径和管长等；大小：如管径和管长等；位置：如管子的陈列方式管束有正四方形和三角位置：如管子的陈列方式管束有正四方形和三角形陈列；管或板是垂直放置还是程度放置。形陈列；管或板是垂直放置还是程度放置。3.流动形状流动形状层流、湍流层流、湍流 湍湍 层层无相变时，影响对流传热系数的主要要素可用下式表示：无相变时，影响对流传热系数的主要要素可用下式表示：八八个个物物理理量量涉涉及及四四个个根根本本因因次次：质量量M，长度度L，时间T，温度温度。经过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：经过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：即即四、对流传热中的因次分析四、对流传热中的因次分析准数符号及意义准数符号及意义准数称号准数称号符号符号意义意义努塞尔特准数努塞尔特准数NusseltNu=l/ 表示对流传热系数的准数表示对流传热系数的准数雷诺准数雷诺准数ReynoldsRe=lu/ 确定流动形状的准数确定流动形状的准数普兰特准数普兰特准数PrandtlPr=cp/ 表示物性影响的准数表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数GrashofGr=gtl32/2 表示自然对流影响的准数表示自然对流影响的准数准数关联式是一种阅历公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。在运用关联式时应留意以下几点：在运用关联式时应留意以下几点：1、运用范围、运用范围2、特特性性尺尺寸寸 无无因因次次准准数数Nu、Re等等中中所所包包含含的的传传热热面面尺尺寸寸称称为为特特征征尺尺寸寸。通通常常是是选选取取对对流流体体流流动动和和传传热热发发生生主主要要影影响响的的尺尺寸作为特征尺寸。寸作为特征尺寸。3、定定性性温温度度 流流体体在在对对流流传传热热过过程程中中温温度度是是变变化化的的。确确定定准准数数中中流流体体物物理理特特性性参参数数的的温温度度称称为为定定性性温温度度。普普通通定定性性温温度度有有三三种种取取法法：进进、出出口口流流体体的的平平均均温温度度，壁壁面面平平均均温温度度，流流体体和和壁面的平均温度膜温。壁面的平均温度膜温。4、准准数数是是一一个个无无因因次次数数群群，其其中中涉涉及及到到的的物物理理量量必必需需用用一一致致的单位制度。的单位制度。简化：简化： 强迫对流强迫对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流自然对流 Nu=f (Pr, Gr)Nu=0.023Re0.8Prn 式中式中n值视热流方向而定，当流体被加热时，值视热流方向而定，当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，被冷却时，n=0.3。运用范运用范围：Re10000，0.7Pr50。假。假设L/di10000，0.7Pr60。特性尺寸特性尺寸取管内径取管内径定性温度定性温度除除w取壁温外，均取壁温外，均为流体流体进、出口温度的算、出口温度的算术平均平均值。当液体被加当液体被加热时/w0.14=1.05当液体被冷却当液体被冷却时/w0.14=0.95对于气体，不于气体，不论加加热或冷却皆取或冷却皆取1。1.1.2高粘度流体高粘度流体例例：常常压下下，空空气气以以15m/s的的流流速速在在长为4m，603.5mm的的钢管管中中流流动，温温度度由由150升升到到250。试求求管管壁壁对空空气气的的对流流传热系数。系数。解：此解：此题为空气在空气在圆形直管内作形直管内作强迫迫对流流定性温度定性温度t=150+250/2=200查200时空气的物性数据附空气的物性数据附录如下如下Cp=1.026103J/kg.=0.03928W/m.=26.010-6N.s/m2=0.746kg/m3Pr=0.68特性尺寸特性尺寸d=0.060-20.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.560Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104(湍流湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68W/m2此此题中空气被加中空气被加热,k=0.4代入代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.023(22800)0.8(0.68)0.4=60.4流流体体在在圆圆形形直直管管内内作作强强迫迫滞滞流流时时，应应思思索索自自然然对对流流及及热热流流方向对对流传热系数的影响。方向对对流传热系数的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：当自然对流的影响比较小且可被忽略时，按下式计算：Nu=1.86Re1/3Pr1/3di/L1/3/w0.14运用范运用范围：Re2300，0.6Pr10。特性尺寸：取管内径特性尺寸：取管内径di定性温度：定性温度：除除w取壁温外，均取壁温外，均为流体流体进、出口温度的、出口温度的算算术平均平均值。1.2流体在圆形直管内作强迫滞流流体在圆形直管内作强迫滞流当自然对流的影响不能忽略时，而自然对流的影响又因管子程度或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。对程度管，按下式计算对程度管，按下式计算运用范运用范围：Re50；当管子当管子较短，短，l/d 膜膜冷凝冷凝过程的程的热阻阻冷凝液膜冷凝液膜膜状冷凝时的对流传热系数膜状冷凝时的对流传热系数1.1程度管束外程度管束外定性温度：定性温度：tS r，其它膜温，其它膜温n程度管束在垂直列上的管数程度管束在垂直列上的管数r饱和蒸汽的冷凝潜和蒸汽的冷凝潜热1.2蒸汽在垂直管外或垂直板上冷凝蒸汽在垂直管外或垂直板上冷凝qm冷凝液量，冷凝液量，kg/sM冷凝冷凝负荷，荷，kg/s.m层流层流Re1800湍流湍流特性尺寸：管或板高特性尺寸：管或板高H定性温度：膜温定性温度：膜温1.3影响要素和强化措施影响要素和强化措施(1)液体物性液体物性，r(2)不凝气体不凝气体不凝气体存在，导致不凝气体存在，导致，需定期排放。，需定期排放。(3)蒸汽流速与流向蒸汽流速与流向u10m/s同向同向时， t ，；反向；反向时， t ， ；u ，(4)蒸汽蒸汽过热r=r+cp(tv-ts)影响影响较小小(5)强化措施：强化措施：目的：减少冷凝液膜的厚度目的：减少冷凝液膜的厚度程度管束：减少垂直方向上管数，采用错列；程度管束：减少垂直方向上管数，采用错列；垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。垂直板或管：开纵向沟槽，或在壁外装金属丝。对液体对流加热时，在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为沸腾。工业上沸腾的方法有两种：工业上沸腾的方法有两种：(1)管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。(2)大大溶溶积积沸沸腾腾池池内内沸沸腾腾：加加热热壁壁面面浸浸没没在在液液体体中中，液液体在壁面受热沸腾。体在壁面受热沸腾。沸腾传热的运用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。沸腾传热的运用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。2 2 液体沸腾时的对流传热系数液体沸腾时的对流传热系数2.12.1沸腾传热的特点沸腾传热的特点汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？过热度：t=tWts汽化中心：普通为粗糙加热面的细小凹缝处汽化中心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡构成搅动液层2.2沸腾曲线沸腾曲线1自然对流阶段自然对流阶段tt5C3不稳定膜状沸腾不稳定膜状沸腾250Ct25C工业上：核状沸腾4稳定膜状沸腾优点：大，tW小2.3影响要素及强化措施影响要素及强化措施1液体的性质液体的性质2温度差温度差核状沸腾阶段核状沸腾阶段: t2.5，t 3操作压力操作压力4加热面加热面新的、干净的、粗糙的加热面，新的、干净的、粗糙的加热面， 大大5强化措施强化措施外表粗糙化：将外表腐蚀，烧结金属粒；外表粗糙化：将外表腐蚀，烧结金属粒；加外表活性剂乙醇、丙酮等加外表活性剂乙醇、丙酮等对对流流传传热热计计算算公公式式有有两两种种类类型型：准准数数关关系系式式和和纯纯阅阅历历公公式。在运用这些方程时应留意以下几点：式。在运用这些方程时应留意以下几点：1、首首先先分分析析所所处处置置的的问问题题是是属属于于哪哪一一类类，如如：是是强强迫迫对对流流或是自然对流，能否有相变等。或是自然对流，能否有相变等。2、选选定定相相应应的的对对流流传传热热系系数数计计算算式式，特特别别应应留留意意的的是是所所选选用的公式的运用条件。用的公式的运用条件。3、当当流流体体的的流流动动类类型型不不能能确确定定时时，采采用用试试差差法法进进展展计计算算，再进展验证。再进展验证。4、计算公式中的各物性数据的单位。、计算公式中的各物性数据的单位。对流传热系数小结对流传热系数小结4.4传热过程计算传热过程计算dA t2G1，T1G2，t1 T2热流体固体壁面一侧固体壁面一侧另一侧固体壁面另一侧冷流体twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ4.4.1总传热速率方程总传热速率方程式中式中Q传热速率，速率，W； tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，；A传热面面积，m2；K总传热系数，系数，W/(m2)。一恒温传热一恒温传热4.4.2传热平均温度差传热平均温度差两两种种流流体体进进展展热热交交换换时时，在在沿沿传传热热壁壁面面的的不不同同位位置置上上，在在任任何何时时间间两两种种流流体体的的温温度度皆皆不不变变化化，这这种种传传热热称称为为稳稳定定的的恒恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。t=T-t式中式中T热流体的温度流体的温度；t冷流体的温度冷流体的温度。在在传传热热过过程程中中，间间壁壁一一侧侧或或两两侧侧的的流流体体沿沿着着传传热热壁壁面面，在在不不同同位位置置时时温温度度不不同同，但但各各点点的的温温度度皆皆不不随随时时间间而而变变化化，即即为为稳定的变温传热过程。该过程又可分为以下两种情况：稳定的变温传热过程。该过程又可分为以下两种情况：(1)间间壁壁一一侧侧流流体体恒恒温温另另一一侧侧流流体体变变温温，如如用用蒸蒸汽汽加加热热另另一一流流体体以以及及用用热热流流体体来来加加热热另另一一种种在在较较低低温温度度下下进进展展沸沸腾腾的的液液体体。(2)间间壁壁两两侧侧流流体体皆皆发发生生温温度度变变化化，这这时时参参与与换换热热的的两两种种流流体体沿沿着着传传热热两两侧侧流流动动，其其流流动动方方式式不不同同，平平均均温温度度差差亦亦不不同同。即即平平均均温温度度差差与与两两种种流流体体的的流流向向有有关关。消消费费上上换换热热器器内内流流体体流流动动方向大致可分为以下四种情况。方向大致可分为以下四种情况。(二二变温传热变温传热并流并流参参与与换换热热的的两两种种流流体体在在传传热热面面的的两两侧侧分分别别以以一一样的方向流动。样的方向流动。消费上换热器内流体流动方向大致可分为以下四种情况：消费上换热器内流体流动方向大致可分为以下四种情况：逆流逆流参参与与换换热热的的两两种种流流体体在在传传热热面面的的两两侧侧分分别别以以相相对的方向流动。对的方向流动。错流流参参与与换热的的两两种种流流体体在在传热面面的的两两侧彼彼此此呈呈垂垂直直方向流方向流动。折流折流简简单单折折流流：一一侧侧流流体体只只沿沿一一个个方方向向流流动动，而而另另一一侧侧的的流流体体作作折折流流，使使两两侧侧流流体体间间有有并并流流与与逆逆流流的的交替存在。交替存在。复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。复杂折流：参与热交换的双方流体均作折流。T2T1t1t2T1T2t1t2图图两侧流体变温时的温度变化两侧流体变温时的温度变化并流并流逆流逆流错流错流折流折流12121212图图换热器中流体流向表示图换热器中流体流向表示图假设：假设：传热为稳定操作过程。传热为稳定操作过程。两流体的比热为常量。两流体的比热为常量。总传热系数为常量总传热系数为常量K不随换热器的管长而变化。不随换热器的管长而变化。换热器的热损失可忽略。换热器的热损失可忽略。以逆流为例：热量衡算微分方程为以逆流为例：热量衡算微分方程为dQ=-WhcphdT=Wccpcdt根根据据假假定定，那那么么有有1逆流和并流时的平均温度差逆流和并流时的平均温度差QT和和Qt为直线关系，即为直线关系，即T=mQ+kt=mQ+kt=T-t=(m-m)Q+(k-k)温度温度T1传热量传热量QT2t1t1t2t20从上式可以看出：从上式可以看出：tQ关系呈直关系呈直线，其斜率，其斜率为将总传热速率微分方程代入上式，那么有将总传热速率微分方程代入上式，那么有由于由于K为常量，积分上式有为常量，积分上式有dQ=KtdS式式中中tm称称为对数数平平均均温温差差。当当t2/t12时，可可用用t2+t1/2替代替代对数平均温度差。数平均温度差。注注：1运运用用上上式式求求tm时，取取换热器器两两端的端的t中数中数值大的大的为t2，小的，小的为t1。2上式上式对并流也适用。并流也适用。例例现用用一一列列管管式式换热器器加加热原原油油，原原油油在在管管外外流流动，进口口温温度度为100,出出口口温温度度为160；某某反反响响物物在在管管内内流流动，进口口温温度度为250，出出口口温温度度为180。试分分别计算算并并流流与与逆逆流流时的的平均温度差。平均温度差。解：并流解：并流逆流逆流逆逆流流操操作作时，因因t2/t12，那那么么可可用用算算术平平均均值由由上上例例可可知知：当当流流体体进进、出出口口温温度度曾曾经经确确定定时时，逆逆流流操操作作的的平均温度差比并流时大。平均温度差比并流时大。在在换热器器的的传热量量Q及及总传热系系数数K值一一样的的条条件件下下，采采用用逆逆流流操操作作，可可以以节省省传热面面积，而而且且可可以以接接生生加加热介介质或或冷冷却却介介质的的用用量量。在在消消费中中的的换热器器多多采采用用逆逆流流操操作作，只只是是对轮番番体的温度有限制体的温度有限制时才采用并流操作。才采用并流操作。注：流体流注：流体流动方向的方向的选择流向的选择流向的选择1.所需传热面积所需传热面积逆流优于并流。逆流优于并流。2.载热体耗费量载热体耗费量t1t2T1T1T2并并T2逆逆加热义务：加热义务：t1 t2T2并并min=t2T2逆逆min=t1逆流优于并流。逆流优于并流。3.温度差分布温度差分布逆流时的温度差分布更均匀。逆流时的温度差分布更均匀。T2并流并流T1t1t2t1t2T1T2逆流逆流4.并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，并流操作适用于热敏性物料、粘稠物料等的加热，或消费工艺要求温度不能过高或过低的场所。或消费工艺要求温度不能过高或过低的场所。方方法法：先先按按纯逆逆流流的的情情况况求求得得其其对数数平平均均温温度度差差tm逆逆，然后再乘以校正系数然后再乘以校正系数t,即即tm=ttm逆逆 校校正正系系数数t与与冷冷、热两两种种流流体体的的温温度度变化化有有关关，是是R和和P的函数，即的函数，即t=f(R，P)式中式中R=(T1-T2)/(t2-t1)=热流体的温降热流体的温降/冷流体的温升冷流体的温升P=(t2-t1)/(T1-t1)=冷冷流流体体的的温温升升/两两流流体体的的最最初初温温差差根根据据冷冷、热流流体体进、出出口口的的温温度度，依依上上式式求求出出R和和P值后后，校正系数校正系数t值可根据可根据R和和P两参数从相两参数从相应的的图中中查得。得。2错流和折流时的平均温度差错流和折流时的平均温度差4.4.3总传热系数总传热系数K总传热系数，系数，W/(m2K)twTw管内对流管内对流管外对流管外对流导热导热冷冷流流体体热热流流体体tTdQdQ1dQ3dQ2一总传热系数计算一总传热系数计算管内对流管内对流管外对流管外对流管壁热传导管壁热传导稳态传热稳态传热1平壁平壁dA=dA1=dA2=dAm讨论：讨论：2以外外表为基准以外外表为基准(dA=dA1)K1以外外表以外外表为基准的基准的总传热系数，系数，W/(m2.K)dm对数平均直径，数平均直径，m以内外表为基准：以内外表为基准：d1/d2A计计或或Q换换Q需求，需求，换热器换热器适宜。适宜。传热计算传热计算二、操作型计算二、操作型计算1知：换热器知：换热器A，qm1、T1，qm2、t1求：出口求：出口T2、t22知：换热器知：换热器A，qm1、T1，T2、t1求：求：qm2、t2留意：列管式换热器中留意：列管式换热器中流通面积流通面积传热面积传热面积一、根本概念一、根本概念1.辐射：物体经过电磁波来传送能量的过程。辐射：物体经过电磁波来传送能量的过程。2.热辐射：物体由于热的缘由以电磁波的方式向热辐射：物体由于热的缘由以电磁波的方式向外发射能量的过程。外发射能量的过程。特点：特点：能量方式的转换能量方式的转换不需求任何介质不需求任何介质4.5热热辐辐射射10-101010110210410610-410-210-6射射线无线电波无线电波微波微波X射线射线紫外紫外热射线热射线红外红外能被物体吸收而能被物体吸收而转变成成热能的能的辐射射线称作称作热射射线。Q QQ NQ能量守恒定律：能量守恒定律：吸收率吸收率反射率反射率穿透率穿透率3.物体对热辐射的作用物体对热辐射的作用总能量总能量Q；被物体吸收；被物体吸收Q ；被反射；被反射Q ；穿过物体；穿过物体Q黑体：黑体：白白 体体 (镜镜 体体 )：透热体：透热体：灰体：以一样的吸收率吸收一切波长辐射能的物体灰体：以一样的吸收率吸收一切波长辐射能的物体固体、液体：固体、液体：=0 + =1气体：气体： =0 +=14.辐能流率辐射功率，物体在单位时间内发射出的辐射能幅能流，物体单位面积上产生的辐射能辐射流率，单位时间内发射出的辐能流5、单色色辐射能射能E及及PlanksLaw单色辐射能：一定温度下从单位物体外表在单位时间内发射单一波长辐射的辐射能，其单位为W/m2黑体的黑体的单色色辐射能射能Eb可用可用PlanksLaw准确地描画：准确地描画：由黑体辐射谱中能量分布图可知：随着温度的提高，物体最大辐射能渐向波长缩短的方向挪动。EbT=1400KT=1200K010b黑体的黑体的单单色色辐辐射才干，射才干，w/m3波波长长，mT物体的物体的热热力学温度，力学温度，KC1常数，其常数，其值为值为3.74310-16Wm2C2常数，其常数，其值为值为1.438710-2mK6、斯蒂芬、斯蒂芬波波尔茨曼茨曼Stephen-Boltzman定律定律全辐射能为一切单色辐射能之和，即全辐射能为一切单色辐射能之和，即对黑体对黑体称称为斯斯蒂蒂芬芬波波尔茨茨曼曼辐射射常常数数，其其值为5.6710-8w/(m2K4)c0称称为黑体黑体辐射系数射系数上上式式阐明明，黑黑体体的的全全发射射才才干干正正比比于于热力力学学温温度度的的四四次次方方，此关系称此关系称为斯蒂芬斯蒂芬波波尔茨曼定律，亦称四次方定律。茨曼定律，亦称四次方定律。(W/m2)灰体灰体灰体的黑度：T212=1对灰体:热交换到达平衡时T1=T2,Q=0恣意物体:q1q01-1q0 1q0灰体黑体克希霍夫定律结论：结论：1物体的辐射才干越强，其吸收率越大物体的辐射才干越强，其吸收率越大2 = 同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等同温度下，物体的吸收率与黑度数值上相等3 ，qqb在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射才干为最大在任何温度下、各种物体中以黑体的辐射才干为最大一辐射传热速率一辐射传热速率二、两固体间的相互辐射二、两固体间的相互辐射两面两面积无限大的平行平板无限大的平行平板两平面有限大的平行平板两平面有限大的平行平板一物体被另一物体包一物体被另一物体包围假设外围为黑体，假设外围为黑体， 1=1或或A2A1，那么那么C1-2=C1=Cb 11.温度的影响温度的影响 T4；低温可忽略，高温能够成为主要方式；低温可忽略，高温能够成为主要方式2.几何位置的影响几何位置的影响3.外表黑度的影响外表黑度的影响 ，可经过改动，可经过改动 大小强化或减小辐射传热大小强化或减小辐射传热4.辐射外表间介质的影响辐射外表间介质的影响减小辐射散热，在两换热面加遮热板减小辐射散热，在两换热面加遮热板 小热屏小热屏二影响辐射传热的主要要素二影响辐射传热的主要要素一、换热器的分类一、换热器的分类按用途分类按用途分类加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器按冷、热流体热量交换方式分类按冷、热流体热量交换方式分类混合式、蓄热式、间壁式混合式、蓄热式、间壁式4.6换热器换热器二、间壁式换热器的类型二、间壁式换热器的类型一夹套换热器一夹套换热器优点：优点：构造简单构造简单缺陷：缺陷：A小小釜内釜内 小小强化措施：强化措施：釜内加搅拌釜内加搅拌釜内加蛇管釜内加蛇管外循环外循环二蛇管换热器二蛇管换热器1.沉浸式沉浸式强化措施：容器内加搅拌器，提高强化措施：容器内加搅拌器，提高K优点：优点：构造简单构造简单管内能耐高压管内能耐高压缺陷：缺陷：管外管外 小小2.喷淋式喷淋式优点：优点：构造简单构造简单管内能耐高压管内能耐高压管外管外 比沉浸式大比沉浸式大缺陷：缺陷：喷淋不易均匀喷淋不易均匀占地面积大占地面积大三套管换热器三套管换热器优点：优点：构造简单构造简单能耐高压能耐高压 (K)或或tm大大缺陷：缺陷：构造不紧凑构造不紧凑A/V小小接头多，易漏接头多，易漏四列管换热器四列管换热器管板、管束、封头、壳体管板、管束、封头、壳体1.固定管板式固定管板式特点：构造简单；但壳程检修和清洗困难。特点：构造简单；但壳程检修和清洗困难。加加热补偿圈膨圈膨胀节当管内外流体温差当管内外流体温差t50时，需思索温度，需思索温度热补偿。根据。根据热补偿方式不同，列管式方式不同，列管式换热器分器分为：2.浮头式浮头式特点：可完全消除热应力特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修便于清洗和检修,构造复杂构造复杂3.U型管式型管式特点：构造较浮头简单；但管程不易清洗。特点：构造较浮头简单；但管程不易清洗。三、列管换热器的选用三、列管换热器的选用1.根据工艺义务，计算热负荷根据工艺义务，计算热负荷2.计算计算tm3.根据阅历选取根据阅历选取K，估算，估算A4.确定冷热流体流经管程或壳程，选定确定冷热流体流经管程或壳程，选定u由由u和和qm估算单管程的管子根数，由管子根数估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的和估算的A，估算管子长度，再由系列规范选适，估算管子长度，再由系列规范选适当型号的换热器。当型号的换热器。5.核算核算K分别计算管程和壳程的分别计算管程和壳程的 ，确定垢阻，求出，确定垢阻，求出K，并与估算的，并与估算的K进展比较。假设相差较多，进展比较。假设相差较多，应重新估算。应重新估算。6.计算计算A根据计算的根据计算的K和和tm，计算，计算A，并与选定的，并与选定的换热器换热器A相比，应有相比，应有10%25%的裕量。的裕量。(1)流体流程选择流体流程选择管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体壳程：饱和蒸汽、需求冷却、粘度大或流量小的流体壳程：饱和蒸汽、需求冷却、粘度大或流量小的流体原那么：传热效果好，构造简单，清洗方便原那么：传热效果好，构造简单，清洗方便(2)流体流速的选择流体流速的选择u选择是经济权衡，要防止层流流动选择是经济权衡，要防止层流流动 uK ，在同，在同Q、tm下下A，节省设备费，节省设备费uHf ，操作费用添加，操作费用添加(3)换热器中管子的规格和陈列方式换热器中管子的规格和陈列方式管子的管子的规格：格： 192mm和和 252.5mm管长：管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m陈列方式：陈列方式：正三角形正三角形正方形直列正方形直列正方形错列正方形错列圆缺形圆缺形圆盘形圆盘形多管程：管内流体多管程：管内流体u 加挡板：增大壳程流体的湍动加挡板：增大壳程流体的湍动壳程壳程四、传热过程的强化途径四、传热过程的强化途径1.增大增大tm加热剂加热剂T1 或冷却剂或冷却剂t1 两侧变温，尽量采用逆流两侧变温，尽量采用逆流强化传热，可强化传热，可tm 、A/V 、K 2.增大增大A/V直接接触传热，可增大直接接触传热，可增大A和湍动程度和湍动程度3.增大增大K减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻减小壁、污垢及两侧流体热阻中的主要热阻提高提高 较小一侧有效较小一侧有效提高提高 的方法的方法(无相无相变)：增大流速增大流速多管程多管程加加扰流元件流元件壳程加壳程加挡板板改改动传热面外形和添加粗糙度面外形和添加粗糙度五、新型的换热器五、新型的换热器一平板式换热器一平板式换热器添加刚性；提高湍动程度；添加添加刚性；提高湍动程度；添加A A；易于液体均匀分布；易于液体均匀分布优点：优点：构造紧凑构造紧凑操作灵敏操作灵敏K大大缺陷：缺陷：耐温、耐压差耐温、耐压差,易漏易漏处置量小处置量小二螺旋板式换热器二螺旋板式换热器优点：优点：构造紧凑构造紧凑不易结垢不易结垢,堵塞堵塞K大大坚持逆流坚持逆流,tm大大缺陷：缺陷：压力压力,温度不能太高温度不能太高难以维修难以维修三板翅式换热器三板翅式换热器优点：优点：流体湍动程度高，流体湍动程度高，K大；大；构造紧凑，单位体构造紧凑，单位体积的积的A较大；较大；缺陷：缺陷：易堵塞，清洗困难；易堵塞，清洗困难；构造复杂构造复杂四翅片管换热器四翅片管换热器添加添加A，加强管外流体的湍动来提高，加强管外流体的湍动来提高