过程原理第四章__传热

1、第四章 传热与设备 教学目的：掌握传热的三种基本方式、教学目的：掌握传热的三种基本方式、 传热计算及传热设备。传热计算及传热设备。 教学重点：导热、圆管中的强制对流传教学重点：导热、圆管中的强制对流传 热、传热计算及基本的传热设备类型与热、传热计算及基本的传热设备类型与 选用。选用。 教学难点：圆管中的强制对流传热。教学难点：圆管中的强制对流传热。 教学思路：传热的三种基本方式教学思路：传热的三种基本方式传传 热计算热计算传热设备传热设备 安排学时：安排学时：1212 4.1 4.1 概述概述 4.1.1 4.1.1 传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用 T传热传热 化工对传热过程的要

2、求化工对传热过程的要求 强化传热过程强化传热过程 削弱传热过程削弱传热过程 4.1.2 4.1.2 传热的三种基本方式传热的三种基本方式 1 1 热传导热传导 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递 到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。 特点：在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没特点：在纯的热传导过程中，物体各部分之间不发生相对位移，即没 有物质的宏观位移。有物质的宏观位移。 气体：气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气体：气体分子做不规则热运

3、动时相互碰撞的结果。 液体：类似于气体和类似于非导电固体。液体：类似于气体和类似于非导电固体。 2 2 对流对流 流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能发生在流流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程，对流只能发生在流 体中。体中。 3 3 热辐射热辐射 辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发射出辐射辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发射出辐射 能，其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。能，其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 固体固体导电固体导电固体 非导电固体非导电固体 自由电子自由电子 晶格结构振动晶格结构振动 对流对流

4、自然对流自然对流强制对流强制对流 温度不同、密度不同温度不同、密度不同 某种外力的强制作用某种外力的强制作用 4.1.3 4.1.3 传热过程中冷热流体的接触方式传热过程中冷热流体的接触方式 4.1.44.1.4热载体及其选择热载体及其选择 1 1 加热剂加热剂: : 热水（热水（4040100100）、饱和水蒸气（）、饱和水蒸气（100100180180）、矿物油或联苯或二苯）、矿物油或联苯或二苯 醚混合物等低熔混合物（醚混合物等低熔混合物（180180540540）、烟道气（）、烟道气（50050010001000）等；除）等；除 此外还可用电来加热此外还可用电来加热 。 2 2 冷却剂冷

5、却剂: : 工业中常用的有水（工业中常用的有水（20203030）、空气、冷冻盐水、液氨（）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4-33.4） 等等。等等。 水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应用最为普遍。水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应用最为普遍。 在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却，但空气传热速度慢。在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却，但空气传热速度慢。 起加热作用的热载体起加热作用的热载体 起冷却作用的热载体起冷却作用的热载体 4.1.54.1.5间壁式换热器的传热过程间壁式换热器的传热过程 1 1 基本概念基本概念 热负荷热负荷Q/ ：工艺要求，热流体或冷流

6、体达到指定温度需要吸收或放出的热量，：工艺要求，热流体或冷流体达到指定温度需要吸收或放出的热量， 传热速率传热速率Q：又称热流量，单位时间内通过传热面传递的热量，：又称热流量，单位时间内通过传热面传递的热量，J/s或或W。 热流密度热流密度q：又称热通量，单位时间内通过单位传热面传递的热量，：又称热通量，单位时间内通过单位传热面传递的热量，J / (s m ) 2 或或W/m2。 J/s或或W。 q Q A 式中式中A总传热面积，总传热面积，m2。 2 2 稳态与非稳态传热稳态与非稳态传热 稳态传热：稳态传热： zyxftqQ, 非稳态传热：非稳态传热： ,zyxftqQ 3 3 间壁式传热过

7、程间壁式传热过程 热流体以对流传热方式热流体以对流传热方式 把热量把热量Q Q1 1传递给管壁内侧传递给管壁内侧 热量热量Q Q2 2从管壁内侧传导以热从管壁内侧传导以热 传导方式传递给管壁的外侧传导方式传递给管壁的外侧 热量热量Q Q3 3从管壁内侧传导以热从管壁内侧传导以热 传导方式传递给管壁的外侧传导方式传递给管壁的外侧 稳态传热：稳态传热： QQQQ 321 总传热速率方程：总传热速率方程： 总热阻 总传热推动力 KA t tKAQ /1 m m 式中式中 K总传热系数或比例系数，总传热系数或比例系数，W/(m2)或或W/(m2K)； Q传热速率，传热速率，W或或J/s； A总传热面积

8、，总传热面积，m2； tm两流体的平均温差，两流体的平均温差，或或K。 4.2 4.2 热传导热传导 4.2.1 4.2.1 有关热传导的基本概念有关热传导的基本概念 1 1、温度场和等温面、温度场和等温面 温度场：某一时刻，物体（或空间）温度场：某一时刻，物体（或空间） 各点的温度分布。各点的温度分布。 ,zyxft t1 t2 t1t2 等温面 Q 图4-1 温度场与等温面 式中式中t 某点的温度，某点的温度，； x,y,z 某点的坐标；某点的坐标； 时间。时间。 不稳定温度场：不稳定温度场： ,zyxft 稳定温度场：稳定温度场： tf x y z, , 等温面：等温面： 在同一时刻，温

9、度场中所有温度相同的点组成的面。在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。 不同温度的等温面不相交。不同温度的等温面不相交。 图4-2 温度梯度与热流方 向的关系 n Q dA t t-t t+t 2 2、温度梯度、温度梯度 温度梯度：两等温面的温度差温度梯度：两等温面的温度差 t t与其间的垂与其间的垂 直距离直距离 n之比，在之比，在 n趋于零时的极限（即表趋于零时的极限（即表 示温度场内某一点等温面法线方向的温度变示温度场内某一点等温面法线方向的温度变 化率）化率） 。 n t n t tgrad n 0 lim 4.2.2 傅立叶定律傅立叶定律 傅立叶定律：某一微元的热传导速率（单

10、位时间内传导的热量）与该微元傅立叶定律：某一微元的热传导速率（单位时间内传导的热量）与该微元 等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比。等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比。 ddQA t n 式中式中 dQ 热传导速率，热传导速率，W或或J/s； dA 导热面积，导热面积，m2； t/ n 温度梯度，温度梯度，/m或或K/m； 导热系数，表征材料导热性能的物性参数，导热系数，表征材料导热性能的物性参数， 越大，导热性能越好，越大，导热性能越好， W/(m)或或W/(mK)。 q Q A t n d d dx dt AQdd 用热通量来表示：用热通量来表示： 一维稳态热传导：一维稳

11、态热传导： 4.2.3 导热系数导热系数 q tn/ 物理意义：温度梯度为物理意义：温度梯度为1 1时，单位时间内通过单位传热面积的热通量；时，单位时间内通过单位传热面积的热通量； 导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 ，导热性能越好。从强化传热来看，选用，导热性能越好。从强化传热来看，选用 大的材料；相反要削弱大的材料；相反要削弱 传热，选用传热，选用 小的材料。小的材料。 =f(物质的结构，物质的组成，温度，压力）物质的结构，物质的组成，温度，压力） （1 1）固体）固体 T 纯金属纯金属 ， ，纯金属比合金的，纯金属比合金的 大。大。

12、T 非金属非金属，同样温度下，同样温度下， 越大，越大， 越大。越大。 在一定温度范围内（温度变化不太大）在一定温度范围内（温度变化不太大） )1 ( 0 at 0 式中式中 t时的导热系数，时的导热系数，W/(m)或或W/(mK)； 0时的导热系数，时的导热系数，W/(m)或或W/(mK)； a 温度系数，对大多数金属材料为负值（温度系数，对大多数金属材料为负值（a 0）。）。 （2 2）液体）液体 非金属液体：导热系数低非金属液体：导热系数低 ，水的导热系数最大，水的导热系数最大 金属液体：金属液体：导热系数较高导热系数较高 T 除水和甘油等少量液体物质外，绝大多数液体除水和甘油等少量液体

13、物质外，绝大多数液体（略微）（略微） 一般来说，纯液体的一般来说，纯液体的大于溶液大于溶液 。 （3 3）气体）气体 T 气体气体 在通常压力范围内，在通常压力范围内，p对对的影响一般不考虑。的影响一般不考虑。 ( (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) )。 的大概范围：的大概范围： 金属固体金属固体101102 W/(mK) 建筑材料建筑材料10-1100 W/(mK) 绝缘材料绝缘材料10-210-1 W/(mK)、 液体液体10-1 W/(mK) 气体气体10-210-1 W/(mK) 4.2.4 通过平壁的稳定热传导通过平壁

14、的稳定热传导 1 1 通过单层平壁的稳定热传导通过单层平壁的稳定热传导 假设：假设： (1) 平壁内温度只沿平壁内温度只沿x方向变化，方向变化，y和和z方向上无温度变化，即这是一维温度场。方向上无温度变化，即这是一维温度场。 (2) 各点的温度不随时间而变，稳定的温度场。各点的温度不随时间而变，稳定的温度场。 tf x x t AQ d d 在平壁内取厚度为在平壁内取厚度为d dx x的薄层，的薄层， 并对其作热量衡算：并对其作热量衡算： QQx Ac t xx dxp d 对于稳定温度场对于稳定温度场 t 0 薄层内无热量积累薄层内无热量积累 QQQ xx dx const 在稳定温度场中，

15、各传热面的传热速率相同，不随在稳定温度场中，各传热面的传热速率相同，不随x而变，统一用而变，统一用Q 来来 表示，代入上面的傅立叶公式中：表示，代入上面的傅立叶公式中： QA t x d d xtt0 1 时， xbtt时， 2 边界条件为：边界条件为： 改变上式形式，得：改变上式形式，得： QdxAdt b t t 0 1 2 设设 不随不随t而变，所以而变，所以 和和Q均可提到积分号外，得：均可提到积分号外，得： A b tt ttA b Q 21 21 )( 式中式中Q 热流量，即单位时间通过平壁的热量，热流量，即单位时间通过平壁的热量，W或或J/s A 平壁的面积，平壁的面积，m2；

16、b 平壁的厚度，平壁的厚度，m； 平壁的导热系数，平壁的导热系数，W/(m)或或W/(mK)； t1,t2 平壁两侧的温度，平壁两侧的温度，。 A Qx ttttA x Q 11 )( 当当 不随不随t变化，变化，tx直线关系；若直线关系；若 随随t 变化关系为：变化关系为： )1 ( 0 at 则则tx抛物线关系。抛物线关系。 2 通过多层平壁的稳定热传导通过多层平壁的稳定热传导 假定：（假定：（1 1）一维、稳定的温度场；）一维、稳定的温度场； （2 2）各层接触良好，接触面两侧温度相同。）各层接触良好，接触面两侧温度相同。 A b tt A b tt A b tt Q 3 3 43 2

17、2 32 1 1 21 总热阻 总推动力 i i i i i i i R tt A b tt A b t Q 41 3 1 41 推广至推广至n层：层： Q tt b A tt R n i i i n n i i n 11 1 11 1 3 3 各层的温差各层的温差 tttttt b A b A b A RRR 122334 1 1 2 2 3 3 123 : 例例: 接例接例5.3 如不用保温砖，但热损失还要不变，问建筑砖厚度增加多少？如不用保温砖，但热损失还要不变，问建筑砖厚度增加多少？ t不变，即不变，即R不变不变 A b R 69. 006. 1 15. 0 69. 0 24. 0 1

18、5. 0 31. 0 06. 1 15. 0 x 即：即： 69. 069. 0 24. 0 15. 0 31. 0 x mx668. 1 由此可知，当用建筑砖代替保温砖时，有由此可知，当用建筑砖代替保温砖时，有1668mm1668mm的建筑砖相当于的建筑砖相当于150mm150mm的保温砖。的保温砖。 两种材料两种材料不同，但热阻相同时，存在下列关系：不同，但热阻相同时，存在下列关系： A b R 1 1 1 A b R 2 2 2 2 2 1 1 bb 相同热阻时，相同热阻时，与与b b成正比；成正比； 上题：有上题：有 8 . 015. 0 115. 0 2 b b2=0.613m 思考

19、思考：为了保温，在炉平壁上包了两层保温材料，或厚度相同，二种材：为了保温，在炉平壁上包了两层保温材料，或厚度相同，二种材 料，料，2=21，试从散热角度分析下列两方案有无优劣，试从散热角度分析下列两方案有无优劣:1材料在内侧材料在内侧; 2材材 料在内侧料在内侧。 A b A b tt A b A b tt Q 1 2 1 1 21 2 2 1 1 21 2 A b A b tt Q 1 2 1 1 21 2 QQ 根据串联热阻的概念，总的热阻根据串联热阻的概念，总的热阻= =各部分热阻之和，故热阻与顺序无关。各部分热阻之和，故热阻与顺序无关。 若厚度不同，结果也一样，两材料接触面上的若厚度不

20、同，结果也一样，两材料接触面上的t t两种情况下不同。两种情况下不同。 结论结论：在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，：在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之， 哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大小取决哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大小取决 于总热阻的大小。于总热阻的大小。 4.2.5 通过圆筒壁的稳定热传导通过圆筒壁的稳定热传导 1 通过单层圆筒壁的稳定热传导通过单层圆筒壁的稳定热传导 假设：假设： (1) (1) 各点温度不随时间而变，稳定温度场；各点温度不随时间而变，稳定温度场； (2) (2) 各点温度只

21、沿径向变化，一维温度场。各点温度只沿径向变化，一维温度场。 一维稳定的温度场：一维稳定的温度场： tf r 以柱坐标表示。以柱坐标表示。 傅立叶定律可写为：傅立叶定律可写为：QA t r d d 在圆筒壁内取厚度为在圆筒壁内取厚度为d dr r同心薄层圆筒，同心薄层圆筒， 并对其作热量衡算：并对其作热量衡算： t crldrQQ pdrrr 2 稳定温度场，稳定温度场， t 0 ，薄层内无热量积累，薄层内无热量积累 QQQ rr dr const QA dt dr rl dt dr 2 rrtt 11 时， rrtt 22 时， Qdrrldt r r t t 1 2 1 2 2 边界条件为：

22、边界条件为： ； 设设 不随不随t而变，所以而变，所以 和和Q均可提到积分号外，得：均可提到积分号外，得： Q l tt r r l tt r r 22 1 12 2 1 12 2 1 () ln () ln 式中式中Q 热流量，即单位时间通过圆筒壁的热量，热流量，即单位时间通过圆筒壁的热量，W或或J/s； 圆筒壁的导热系数，圆筒壁的导热系数，W/(m)或或W/(mK)； t1,t2 圆筒壁两侧的温度，圆筒壁两侧的温度，。 r1,r2 圆筒壁内外半径，圆筒壁内外半径，m。 1 1上式可以变为：上式可以变为： 热阻 推动力 R t A b tt A A b AAtt r r rr rrttl Q

23、 m )( ln )( ln)( )(2 21 1 2 1221 1 2 12 1221 其中其中 A AA AA m 21 21 ln/ 为对数平均温度为对数平均温度 r r 2 1 2 A AA m 12 2 2 2对于对于的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值, ,导致的误差导致的误差 4%10000，0.7Pr160， 3040 定性温度取流体进出温度的算术平均值定性温度取流体进出温度的算术平均值tm ； 特征尺寸特征尺寸l 为管内径为管内径di ； ba ANuPrRe 对于高粘度液体，须另外引入一个无因次的粘度比；对于高粘度液体，须另外引入一个无因

24、次的粘度比； 140 33080 0270 . W . PrRe.Nu 051 140 .)( . w 950 140 .)( . w 液体被加热时：液体被加热时：被冷却时：被冷却时： 对于对于l/d60的短管，层流底层较薄，热阻小，的短管，层流底层较薄，热阻小，略大。略大。 7 . 0 8 . 0 1PrRe023. 0 l d Nu ib （2 2）非圆形直管内强制对流）非圆形直管内强制对流 n p 8 . 0e e ) c () ud ( d 023. 0 II 4A4 d e 润湿周边润湿周边 流动截面积流动截面积 53. 0 ) 1 2 ( 33. 08 . 0 02. 0 d d

25、r P e R e d 54 102.2101.2Re 套管环隙：套管环隙： 式中：式中： d1、d2分别为套管外管内径或内管外径。分别为套管外管内径或内管外径。 适用范围：适用范围：d1/d2=1.6517， 。 思考题思考题: 常压空气在内径为常压空气在内径为20mm的管内由的管内由20加热到加热到 100，空气的平均流速为，空气的平均流速为20m/s，试求管壁对空气的对，试求管壁对空气的对 流传热系数。流传热系数。 若空气的流量增加一倍，则传热系数有何变化？若空气的流量增加一倍，则传热系数有何变化？ v流体在管外的强制对流流体在管外的强制对流 如图所示，流体垂直绕过单根圆如图所示，流体垂

26、直绕过单根圆 管时的流动情况。自驻点开始，管管时的流动情况。自驻点开始，管 外边界层厚度逐渐增厚，热阻逐渐外边界层厚度逐渐增厚，热阻逐渐 增大，增大，逐渐减小。边界层脱体以逐渐减小。边界层脱体以 后因产生了漩涡，给热系数后因产生了漩涡，给热系数逐渐逐渐 增大。增大。 除高温流体外，对于一般换热器，需要的只是整个圆周除高温流体外，对于一般换热器，需要的只是整个圆周 的平均给热系数。的平均给热系数。 （1 1）流体垂直流过管束）流体垂直流过管束 流体垂直流过管束时，管束的排列情况可以有直列和错列两种。流体垂直流过管束时，管束的排列情况可以有直列和错列两种。 x1 x1 x2 x2 应用范围：应用范

27、围： （1） Re=51037104； x1/d=1.25；x2/d=1.25; （2）特征尺寸）特征尺寸管外径管外径d0 ； （3）定性温度）定性温度tm； （4）流速取流体通过每排管子）流速取流体通过每排管子 中最狭窄通道处的速度中最狭窄通道处的速度 。 4 . 0n PrRecNu 式中常数式中常数C、n见下表见下表 ： 排数 直列错列 C nn 10.60.1710.60.171 X1/d=1.23 时 C1 0.1x1/d X1/d3时 C1.3 20.650.1570.60.228 30.650.1570.60.290 40.650.1570.60.290 由于各排的给热系数不等，

28、整个管束的平均给热系数为：由于各排的给热系数不等，整个管束的平均给热系数为： i ii A A （2）流体在换热器管壳间流动流体在换热器管壳间流动 一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形 和圆缺形两种。由于装有不同形式的折流挡板，流动方向不断和圆缺形两种。由于装有不同形式的折流挡板，流动方向不断 改变，在较小的改变，在较小的Re下（下（Re=100）即可达到湍流。）即可达到湍流。 圆缺形折流挡板，弓形高度为圆缺形折流挡板，弓形高度为25%D， 的计算式的计算式： 140 3 1 550 360 . w . u )(PrRe.N （2

29、 2）流体在换热器管壳间流动）流体在换热器管壳间流动 （2）定性温度：进、出口温度平均值；）定性温度：进、出口温度平均值；tww。 适用范围：适用范围： （1）Re=2103106； （3）特征尺寸：当量直径）特征尺寸：当量直径de （4）流速）流速u 根据流体流过的最大截面积根据流体流过的最大截面积Amax计算；计算； （5） ，气体取气体取1.0；液体被加热取；液体被加热取1.05；被冷却取；被冷却取0.95。 14. 0 w )( nm PrReCNu 强制对流小结：强制对流小结： 影响影响最主要的因素是最主要的因素是Re，所以应力求使流体在换热器，所以应力求使流体在换热器 中达到湍流。

30、中达到湍流。 增加湍流程度：加挡板，管中添加物或选螺纹管；增加湍流程度：加挡板，管中添加物或选螺纹管； n. PrRe.Nu 80 0230 2 . 0 8 . 0 d u 管内湍流时：管内湍流时： 流过管间时：流过管间时： 14. 0 3155. 0 PrRe36. 0 w Nu 45. 0 55. 0 de u 可增加可增加u，或减小，或减小d（de)，增加，增加u的效果显著。的效果显著。 v大空间的自然对流传热大空间的自然对流传热 所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面（传热面）所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面（传热面） 放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存放置

31、在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存 在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面 向周围大气的散热。向周围大气的散热。 bp tlg c l A)( 2 23 应用条件：应用条件： （1）特性尺寸对水平管取外径）特性尺寸对水平管取外径do ，垂直管或板取管长，垂直管或板取管长l和板高和板高H。 （2）定性温度取膜温（）定性温度取膜温（tm+tw）/2 。 （3）A,b = f（传热面的形状和位置，（传热面的形状和位置，Gr，Pr）。）。 段数段数GrPrAb 111035 1021.181/8 251022 1070.5

32、41/4 32 107 10130.1351/3 lgNu lg(GrPr) 有相变时有相变时值比无相变时大很多值比无相变时大很多(100倍倍），可达），可达5000 15000W/m2 K 。 因为相变时液体吸收汽化热因为相变时液体吸收汽化热变为蒸汽或蒸汽放出汽化变为蒸汽或蒸汽放出汽化 热热变为液体。对于同一液体，其变为液体。对于同一液体，其比比CP大很多，所以相大很多，所以相 变时的变时的值比无相变时的值比无相变时的大。大。 6.4冷凝给热与沸腾给热冷凝给热与沸腾给热 膜状冷凝膜状冷凝(filmwise condensation) 若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的若冷凝液能够

33、润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的 液膜此种传热现象称为膜状冷凝。液膜此种传热现象称为膜状冷凝。 v蒸汽冷凝的方式蒸汽冷凝的方式 滴状冷凝滴状冷凝 (dropwise condensation) 由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴， 并沿管壁落下，此种传热现象称为滴状冷凝。并沿管壁落下，此种传热现象称为滴状冷凝。 滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的 液膜将蒸汽分开，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽液膜将蒸汽分开，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽 中，可供蒸汽冷凝。中，可供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。因此

34、热阻小得多。实验结果实验结果 表明，滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系表明，滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系 数大数大510倍。倍。 v冷凝给热系数冷凝给热系数 液膜沿垂直壁面流动时，液膜厚度沿壁高的变化必然液膜沿垂直壁面流动时，液膜厚度沿壁高的变化必然 导致热阻及给热系数沿高度有一个不均匀的分布。导致热阻及给热系数沿高度有一个不均匀的分布。 在壁上部液膜呈层流，膜厚在壁上部液膜呈层流，膜厚 增加，增加，减小。减小。 如壁的高度足够高，冷凝液如壁的高度足够高，冷凝液 量较大，则壁下部液膜发生湍量较大，则壁下部液膜发生湍 流流动，此时局部给热系数反流流动，此时局部给热系数反 而有所提高。而

35、有所提高。 v影响冷凝给热的因素及强化措施影响冷凝给热的因素及强化措施 （1 1）流体物性的影响）流体物性的影响 冷凝液冷凝液，则液膜厚度越小，则液膜厚度越小；冷凝液；冷凝液。 冷凝潜热冷凝潜热r r ，同样的热负荷，同样的热负荷Q Q下冷凝液量小，则液膜厚度越下冷凝液量小，则液膜厚度越 小小。 （2）温度差影响）温度差影响 当液膜作层流流动时，当液膜作层流流动时， t=tstW， t ，则蒸汽冷凝速率，则蒸汽冷凝速率 加大，液膜增厚加大，液膜增厚,。 （3 3）不凝气体的影响）不凝气体的影响 额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数 小，使蒸小，使蒸

36、汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明：当蒸汽中含汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明：当蒸汽中含 空气量达空气量达1%1%时，时， 下降下降60%60%左右。左右。 （4 4）蒸汽流速与流向的影响）蒸汽流速与流向的影响 蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄 ；蒸汽；蒸汽 与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚 ；但；但u时，会时，会 吹散液膜吹散液膜 。 （5）蒸汽过热的影响）蒸汽过热的影响 蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为

37、过热蒸汽。 过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触（过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触（tWts），壁面无冷凝现象，此），壁面无冷凝现象，此 时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触 （tWts），由两个串联的传热过程组成：冷却和冷凝），由两个串联的传热过程组成：冷却和冷凝。 （6 6）冷凝面的高度及布置方式）冷凝面的高度及布置方式 以减薄壁面上的液膜厚度为目的。以减薄壁面上的液膜厚度为目的。 （7 7）强化传热措施）强化传热措施 对于纯蒸汽冷凝，恒压下对于纯蒸汽冷凝，恒压下t ts s为一定值。即在气相主体内无温差也

38、无热为一定值。即在气相主体内无温差也无热 阻，阻， 的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以，在流体一定的的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以，在流体一定的 情况下，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。情况下，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。 v液体沸腾分类液体沸腾分类 按设备的尺寸和形状分：按设备的尺寸和形状分： （1 1）大容积沸腾）大容积沸腾 ( (热得快）热得快） 6.4.2 液体沸腾给热液体沸腾给热 大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的大容积沸腾时，液体中一方面存在着由温差引起的 自然对流，另一方面又因气泡运动所导致的液体运动。自然对流，另一方

39、面又因气泡运动所导致的液体运动。 （2 2）管内沸腾（锅炉）管内沸腾（锅炉） 液体在一定压差作用下，以一定的流速流经加热管液体在一定压差作用下，以一定的流速流经加热管 时所发生的沸腾现象。管内沸腾时，管壁上所产生的汽时所发生的沸腾现象。管内沸腾时，管壁上所产生的汽 泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两泡被管内液体裹挟与其一起流动，管内造成了复杂的两 相流动。这种沸腾的机理更为复杂。相流动。这种沸腾的机理更为复杂。 按液体主体温度是否达到相按液体主体温度是否达到相 应压力下的饱和温度来分：应压力下的饱和温度来分： 若加热表面上有汽泡产生，但若加热表面上有汽泡产生，但tl104时，可用

40、式时，可用式(4-23)计算，即计算，即 n d PrRe023. 0 8 . 0 1 23)-(4 . 3 . 0, 4 . 0, n n 流流体体被被冷冷却却 流流体体被被加加热热 当当Re100时，即可达到湍流状态。其传热系数的计算方法时，即可达到湍流状态。其传热系数的计算方法 很多，当使用很多，当使用25%(直径直径)圆缺形挡板时，可用下式计算。圆缺形挡板时，可用下式计算。 56)-(4. 200010Re PrRe5 . 0 2000Re PrRe36. 0 14. 0 31507. 0 2 14. 0 3155. 0 2 we we d d (压力降压力降) 列管换热器中阻力损失的

41、计算包括管程和壳程两方面。列管换热器中阻力损失的计算包括管程和壳程两方面。 管内的总阻力损失应是各程直管损失与每程局部损失之和。即管内的总阻力损失应是各程直管损失与每程局部损失之和。即 57)-.(4. )( tPSrlt fNNppp 58)-4.(. 2 2 1 1 u d l pl 式式中中：直直管管的的压压力力降降： 59)-.(4. 2 3 2 2 1 2 1 uu pr 为为一一壳壳程程内内的的管管程程数数；串串联联壳壳程程数数 SS N N 60)-.(4 2 )3(57)-(4 2 1 tPSt fNN u d l p 可写成：可写成：即式即式 。，取取；，取取对对管管程程结结

42、垢垢校校正正系系数数4 . 1mm5 . 2255 . 1mm219ft ， 下面推荐一个常用的计算式：下面推荐一个常用的计算式： 61)-.(4. 2 )1( 2 0 u d ND p e B SS 62)-.(4. )(72. 1Re72. 1 19. 0 0 19. 0 ude S 式式中中： )-1( 0 00 t d DBSu 按按壳壳程程流流通通截截面面 t t t 确定流体在换热器中的流动途径。确定流体在换热器中的流动途径。 根据生产任务，计算热负荷。根据生产任务，计算热负荷。 选择列管换热器的形式，计算平均温度差。选择列管换热器的形式，计算平均温度差。 依据总传热系数的经验范围

43、或按生产实际情况，选定总依据总传热系数的经验范围或按生产实际情况，选定总 传热系数传热系数K值。值。 由由QKAtm，初步估算传热面积。，初步估算传热面积。 比如：选定型号为比如：选定型号为 FB60095162 计算管程对流传热系数计算管程对流传热系数内 内； ； 计算壳程对流传热系数计算壳程对流传热系数外 外； ； 确定污垢热阻确定污垢热阻Rd，计算，计算K。 计算确定管程、壳程下的计算确定管程、壳程下的tm； 计算传热面积计算传热面积A； 计算压力降。计算压力降。 简言之，列管式换热器设计计算步骤大致有以下三步：简言之，列管式换热器设计计算步骤大致有以下三步： 计算并初选设备尺寸规格；计

44、算并初选设备尺寸规格； 计算管、壳程传热系数和压力降；计算管、壳程传热系数和压力降； 核算总传热系数、传热面积以及压力降。核算总传热系数、传热面积以及压力降。 传传 热热 小小 结结 一一 、热传导、热传导 1、 导热基本方程导热基本方程-傅立叶定律傅立叶定律 Q一单位时间内传导的热量一单位时间内传导的热量 w； A一导热面积，一导热面积，m2; 一比例系数一比例系数 w/m/k；物理意义：单位时间、单；物理意义：单位时间、单 位面积、温度梯度为位面积、温度梯度为1时传导的热量。时传导的热量。 “-”表示热流反向与温度梯度方向相反。表示热流反向与温度梯度方向相反。 n t dAdQ 2、平壁的

45、稳定热传导（一维平壁）、平壁的稳定热传导（一维平壁） dx dt AQ A b t R t Q n ii i A b tt Q 1 21 单层：单层： 多层：多层： 3 3、圆筒壁的稳定热传导、圆筒壁的稳定热传导 dr dt rl dr dt AQ2 单层圆筒壁：单层圆筒壁： m A rr tt r r ttl Q 12 21 1 2 21 ln )(2 lrA mm 2 1 2 12 m r r ln rr r n imii ii n n ii i n A rr tt r r ttL Q 1 1 11 1 1 11 ln 1 )(2 多层圆筒壁：多层圆筒壁： 二、对流传热二、对流传热 tAQ ttdAdQ TTdAdQ w w )( )( 22 11 1、对流传热的基本方程、对流传热的基本方程牛顿冷却定律牛顿冷却定律 2、准数关联式、准数关联式 无相变：强制对流和自然对流无相变：强制对流和自然对流 2 23 p u tLg Gr C Pr uL Re L N 3 . 0n 4 . 0n PrRe023. 0N n8 . 0 u 被冷却被冷却 被加热被加热 v 低粘度流体在圆形直管内作强制湍流低粘度流体在圆形直管内作强制湍流 三、总传热计算三、总传热