第四章 传热 化工原理

1、2021-7-31 第一节第一节 概概 述述 第四章第四章 传传 热热 一、传热过程的应用一、传热过程的应用 （1 1）物料的加热或冷却）物料的加热或冷却 （2 2）热量与冷量的回收利用）热量与冷量的回收利用 （3 3）设备与管路的保温）设备与管路的保温 2021-7-32 二、传热的基本方式二、传热的基本方式 （一）热传导（一）热传导 气体气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 固体固体 导电体：自由电子在晶格间的运动导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动实现非导电体：通过晶格结构的振动实现 液体液体 机理复杂机理复杂 特点：特点：静

2、止介质中的传热，静止介质中的传热，没有物质的宏观位移没有物质的宏观位移 2021-7-33 （二）热对流（二）热对流 （三）热辐射（三）热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 自然对流自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力：由于流体内温度不同造成的浮升力 引起的流动。引起的流动。 强制对流强制对流：流体受外力作用而引起的流动。：流体受外力作用而引起的流动。 能量转移能量转移、能量形式的转化能量形式的转化 不需要任何物质作媒介不需要任何物质作媒介 特点：特点：流动介质中的传热，流动介质中的传热，流体作流体作宏观宏观运动运动 2021-7-34

3、 三、两流体通过间壁换热过程三、两流体通过间壁换热过程 冷流体冷流体t1 t2 热流体热流体T1 T2 （一）间壁式换热器（一）间壁式换热器 夹套式换热器夹套式换热器 2021-7-35 传热速率传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的（热流量）：单位时间内通过换热器的 整个传热面传递的热量，单位整个传热面传递的热量，单位 J/s或或W。 热流密度热流密度q （热通量）（热通量） ：单位时间内通过单位传：单位时间内通过单位传 热面积传递的热量，单位热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或或W/m2。 （二）传热速率与热流密度（二）传热速率与热流密度 A Q q 2021-7-36 非稳

4、态传热非稳态传热 ,zyxftqQ （三）稳态与非（三）稳态与非稳稳态传热态传热 稳态传热稳态传热 zyxftqQ, 0 t 2021-7-37 管壁内侧管壁内侧热流体热流体 对流对流 )( 1 )1( Q （四）两流体通过间壁的传热过程（四）两流体通过间壁的传热过程 t2 t1 T1 T2 对流对流对流对流 传导传导 冷冷 流流 体体 Q 热热 流流 体体 管管壁壁外外侧侧管管壁壁内内侧侧 热热传传导导 )( 2 )2( Q 冷流体冷流体管壁外侧管壁外侧 对流对流 )( 3 )3( Q 稳态传热：稳态传热：QQQQ 321 2021-7-38 式中式中 tm两流体的平均温度差，两流体的平均温

5、度差，或或K； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2)或或W/(m2K)。 总总热热阻阻 总总传传热热推推动动力力 KA t tKAQ /1 m m （五）总传热速率方程（五）总传热速率方程 2021-7-39 一、傅立叶定律一、傅立叶定律 温度场温度场：某时刻，物体或空间各点的温度分布。：某时刻，物体或空间各点的温度分布。 （一）温度场和等温面（一）温度场和等温面 非非稳稳态态温度场温度场 ,zyxft 稳态温度场稳态温度场 zyxft, 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点 组成的面。组成的面。 第二节第二节

6、 热传导热传导 不同温度的等温面不相交不同温度的等温面不相交。 2021-7-310 （二）温度梯度（二）温度梯度 n t n t tgrad n 0 lim n n x t+ t t x n t Q 方向：法线方向，以温度增加的方向为正。方向：法线方向，以温度增加的方向为正。 2021-7-311 （三）傅立叶定律（三）傅立叶定律 n t AQ dd 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，导热系数，W/(m)或或W/(mK)。 负号表示传热方向与温度梯度方向相反负号表示传热方向与温度

7、梯度方向相反 2021-7-312 二、热导率二、热导率 nt q nt dAdQ / / 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(结构结构, 组成组成, 密度密度, 温度温度, 压力）压力） 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 表征材料导热性能的表征材料导热性能的物性物性参数参数 2021-7-313 1.1.固体热导率固体热导率 金属材料金属材料 10102 W/(mK) 建筑材料建筑材料 10-110 W/(mK) 绝热材料绝热材料 10-210-1 W/(mK) )1( 0 at 在一定温度范围内：在一定温度范围内： 对大

8、多数金属材料对大多数金属材料a 0 ， t 2021-7-314 2.2.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 ， 0.090.6 W/(mK) 2021-7-315 3.3.气体热导率气体热导率 t ， 一般情况下，一般情况下， 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。 0.0060.4 W/(mK) 2021-7-316 t1 t2 b t x dx Q 三、平壁的稳态热传导三、平壁的稳

9、态热传导 （一）单层平壁热传导一）单层平壁热传导 假设：假设： 材料均匀，材料均匀， 为常数；为常数； 一维温度场，一维温度场，t沿沿x变化；变化； A/b很大，忽略端损失。很大，忽略端损失。 2021-7-317 x t A n t AQ d d 2 1 0 t t b AdtQdx )( 21 tt b A Q 积分：积分： 热热阻阻 推推动动力力 R t Ab tt Q 21 2021-7-318 （二）多层平壁热传导二）多层平壁热传导 假设：假设： 各层接触良好，接触面各层接触良好，接触面 两侧温度相同。两侧温度相同。 t1 t2 b1 1 t x b2b3 2 3 t2 t4 t3

10、2021-7-319 A b tt A b tt A b tt Q 3 3 43 2 2 32 1 1 21 总热阻总热阻 总推动力总推动力 i R tt A b A b A b ttt 41 3 3 2 2 1 1 321 321 3 3 2 2 1 1 433221 :RRR A b A b A b tttttt 各层的温差各层的温差 2021-7-320 结论：结论： 多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总多层平壁热传导，总推动力为各层推动力之和，总 热阻为各层热阻之和；热阻为各层热阻之和； 各层温差与热阻成正比。各层温差与热阻成正比。 推广至推广至n层：层： n i i i n

11、n i i i A b tt A b t Q 1 11 1 2021-7-321 四、圆筒壁的稳态热传导四、圆筒壁的稳态热传导 （一）单层圆筒壁的热传导一）单层圆筒壁的热传导 特点特点： 传热面积随半径传热面积随半径 变化，变化， A=2 rl (1)(2) 一维温度场，一维温度场， t沿沿r变化。变化。 2021-7-322 在半径在半径r处取处取dr同心薄层圆筒同心薄层圆筒 r t rl r t AQ d d d d 2 积分积分 2 1 2 1 2 t t r r rldtQdr 1 2 21 ln )(2 r r ttl Q 2021-7-323 讨论：讨论： R tt l r r t

12、t Q 21 1 2 21 2ln 1 2 12 ln 2 A A AA lrA mm 12 rrb 对数平均面积对数平均面积 热阻热阻 12 121 2 2 ln rr rr l r r R 令令 1 2 12 ln r r rr rm 对数平均半径对数平均半径 m A b 2021-7-324 m Ab tt Q 21 r r 2 1 2一般一般 时，时， 2 21 rr rm 2021-7-325 （二）多层圆筒壁的热传导二）多层圆筒壁的热传导 2021-7-326 3 1 1 41 3 4 3 43 2 3 2 32 1 2 1 21 ln 1 )(2 ln 1 )(2 ln 1 )(

13、2 ln 1 )(2 i i i i r r ttl r r ttl r r ttl r r ttl Q 三层：三层： n层圆筒壁：层圆筒壁： n i i n n i ii i n n i i i i n R tt A b tt r r ttl Q 1 11 1 11 1 1 11 ln 1 )(2 m 2021-7-327 一、对流传热过程一、对流传热过程 第三节第三节 对流传热对流传热 dA qm2， t2 qm1，T1 qm2，t1 qm1， T2 2021-7-328 t tW TW T A2A1 传热壁传热壁冷流体冷流体热流体热流体 T t l 湍流主体湍流主体 温度梯度小，热对流为

14、主温度梯度小，热对流为主 l 层流内层层流内层 温度梯度大，热传导为主温度梯度大，热传导为主 l 过渡区域过渡区域 热传导、热对流均起作用热传导、热对流均起作用 2021-7-329 式中式中 Q 对流传热速率，对流传热速率，W； 1 、 2 热、冷流体的对流传热系数，热、冷流体的对流传热系数， W/(m2K)； T 、 、TW、 、t、tW 热、冷流体的热、冷流体的平均平均温度及温度及 平均平均壁温，壁温，。 )( 11W TTAQ )( 22 ttAQ W 冷流体：冷流体： 热流体：热流体： 牛顿冷却定律牛顿冷却定律 2021-7-330 （一）影响因素（一）影响因素 2.引起流动的原因引

15、起流动的原因 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。 强制对流：由于外力和压差而引起的流动。强制对流：由于外力和压差而引起的流动。 强制 强制 自然自然 二、对流传热系数的影响因素二、对流传热系数的影响因素 1.1.流动状态流动状态 湍流 湍流 层流 层流 2021-7-331 自然对流的产生：自然对流的产生： 设设 热处：热处：t2， 2； ； 冷处 冷处：t1， 1 体积膨胀系数，体积膨胀系数，1/ C. tV VV 1 12 )1( 12 tVV 或或 而而 2 2 m V 1 1 m V 得：得： 或或)1( 21 t ) t1(

16、11 12 2021-7-332 由温度差而产生的单位体积的升力：由温度差而产生的单位体积的升力： tggtg 22221 )1( 加热板加热板 冷却板冷却板 2021-7-333 5. 是否发生相变是否发生相变 相变 相变 无相变 无相变 4. 传热面的形状，大小和位置传热面的形状，大小和位置 形状形状管、板、管束等；管、板、管束等； 大小大小管径、管长、板厚等；管径、管长、板厚等； 位置位置管子的排列方式，垂直或水平放置。管子的排列方式，垂直或水平放置。 3.流体的物性流体的物性 ，cp 2021-7-334 三、对流传热的特征数关系式三、对流传热的特征数关系式 变量数变量数 8 8个个

17、基本因次基本因次 4个：长度个：长度L L，时间，时间T T，质量，质量M M，温度，温度 无量纲特征数无量纲特征数（8-48-4）=4=4 ),(LtgCuf p 无相变时无相变时 2021-7-335 1. 努塞尔特努塞尔特（Nusselt ）数）数 L Nu 表示对流传热系数的特征数表示对流传热系数的特征数 2. 雷诺雷诺（Reynolds）数）数 uL Re 反映流体的流动状态反映流体的流动状态 对对流传热的影响对对流传热的影响 2021-7-336 3. 普兰普兰特（特（Prandtl）数）数 Cp Pr 反映流体的物性对对流传反映流体的物性对对流传 热的影响热的影响 4. 格拉斯霍

18、夫（格拉斯霍夫（Grashof）准数）准数 2 23 tgL Gr 表示自然对流表示自然对流对对流传热对对流传热 的影响的影响 一般形式：一般形式：Nu=f (Re, Pr, Gr) 简化：强制对流简化：强制对流 Nu=f (Re, Pr) 自然对流自然对流 Nu=f (Pr, Gr) 2021-7-337 使用准数关联式时注意：使用准数关联式时注意： 1. 应用范围应用范围 2. 特征尺寸特征尺寸 3. 定性温度定性温度 强制对流强制对流 自然对流自然对流 无相变无相变 有相变有相变 蒸汽冷凝蒸汽冷凝 液体沸腾液体沸腾 2021-7-338 四、无相变时四、无相变时对流传热系数的经验关联式对

19、流传热系数的经验关联式 （一）流体在管内作强制对流（一）流体在管内作强制对流 1. 圆形直管内的强制湍流圆形直管内的强制湍流 nm CNuPrRe n NuPrRe023. 0 8 . 0 流体被加热流体被加热 n=0.4 流体被冷却流体被冷却 n=0.3 （1）应用范围：）应用范围：Re 104, Pr=0.7160, L/d 60, 气体或低粘度的液体（气体或低粘度的液体（ 2 水 水） ） （2）定性温度：流体进出口的算术平均）定性温度：流体进出口的算术平均 值值 （3）特征尺寸：管内径）特征尺寸：管内径 2021-7-339 讨论：讨论： （1）加热与冷却的差别：）加热与冷却的差别：

20、, W Rettt加加热热 液体液体 3 . 04 . 0 , 1,PrPrPr 液液体体 冷冷却却加加热热 气体气体 , Ret加加热热 3 . 04 . 0 , 1,PrPrPr 气气体体 冷冷却却加加热热 2021-7-340 2 . 0 8 . 0 8 . 0 18 . 0 8 . 0 023. 0 )()(023. 0 d uCp Cpud d n nn n 物性一定时：物性一定时： 2 .0 8 .0 d u （2）影响因素：）影响因素： 2021-7-341 公式修正：公式修正： （1）当）当L/d 2 水 水） ） 14. 0 )(PrRe027. 0 33. 08 . 0 W

21、 Nu 工程处理：工程处理： 加热：加热： 冷却：冷却： 05.1)( 14.0 W 95.0)( 14.0 W 7 . 0 1 1 l d 2021-7-342 （3） 弯管弯管 弯管的曲率半径弯管的曲率半径 ）（ 直直弯弯直直弯弯 R R d 77. 11 （4）非圆形管道非圆形管道 ne e ud d Pr)(023. 0 8 . 0 实实 用当量直径计算。用当量直径计算。 2021-7-343 2. 圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数圆形直管内流体处于过渡区时的对流传热系数 8 . 1 5 Re 106 1 f f 校校正正系系数数 湍湍过过湍湍过过 2300 Re 104 20

22、21-7-344 3. 圆形直管内强制层流圆形直管内强制层流 （1）随热流方向不同，随热流方向不同， 速度分布情况不同；速度分布情况不同； （2）自然对流造成了自然对流造成了 径向流动，强化了对径向流动，强化了对 流传热过程。流传热过程。 对于液体对于液体 2021-7-345 14. 0 3 1 )()Pr(Re86. 1 W L d Nu 自然对流可以忽略：自然对流可以忽略： Gr 25000 乘校正因子：乘校正因子： )Gr.(.f 3 1 0150180 适用范围：适用范围： 10)Pr(Re L d 670060 Pr.Re2300 定性温度：定性温度： 2 21 tt tm 特征尺

23、寸：管内径特征尺寸：管内径 2021-7-346 （二）流体在管外强制对流传热（二）流体在管外强制对流传热 1. 流体在管束外垂直流过流体在管束外垂直流过 2021-7-347 应用范围：应用范围：Re=500070000; x1/d=1.25; x2/d=1.25 特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处特征尺寸：管外径；流速取各排最窄通道处 定性温度：进、出口温度平均值定性温度：进、出口温度平均值 Nu=C Ren Pr0.4 1122 12 nn m n A A A AAA 平均对流传热系数：平均对流传热系数： 2021-7-348 2流体在换热器管间的流动流体在换热器管间的流动 折流挡板

24、形式：圆缺形、圆环形折流挡板形式：圆缺形、圆环形 2021-7-349 设置折流挡板目的设置折流挡板目的： 增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的增加壳程流体的湍动程度，进而提高壳程的 。 圆缺形折流挡板：圆缺形折流挡板： 14. 0 3/155. 0 PrRe36. 0 W Nu 定性温度：定性温度： 2 21 tt t m 应用范围：应用范围：Re=2103106 2021-7-350 正方形排列正方形排列： 正三角形排列：正三角形排列： 特征尺寸特征尺寸：（：（1）当量直径当量直径de 0 2 0 2 )785. 0(4 d dt de 0 2 0 2 )785. 0 2 3 (4 d

25、dt d e d0 t t 2021-7-351 （2）流速）流速u按流通截面最大处的截面计算：按流通截面最大处的截面计算： 式中式中 h两块折流挡板间距离，两块折流挡板间距离，m； D换热器壳径，换热器壳径，m； )1( 0 t d hDS 2021-7-352 （三）自然对流时的对流传热系数（三）自然对流时的对流传热系数 n GrCNu)(Pr 定性温度：膜温（定性温度：膜温（tm+tw）/2 特征尺寸：垂直的管或板为高度特征尺寸：垂直的管或板为高度H 水平管为管外径水平管为管外径d0 各种情况下的各种情况下的C C、n n值及特征尺寸不同。值及特征尺寸不同。 2021-7-353 1.

26、蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式 五、流体有相变时的对流传热五、流体有相变时的对流传热 滴 滴 膜膜 （1）膜状冷凝）膜状冷凝（2）滴状冷凝）滴状冷凝 冷凝过程的热阻冷凝过程的热阻冷凝液膜冷凝液膜 （一）蒸汽冷凝时的对流传热（一）蒸汽冷凝时的对流传热 2021-7-354 2. 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）水平管束外）水平管束外 4 1 0 32 32 7250 tdn gr / . 2 Ws tt t 定性温度：定性温度：t tS Sr r，其它，其它膜温膜温 n水平管束在垂直列上的管数水平管束在垂直列上的管数 r比汽化热比汽化热 2021-7-355 （2）蒸汽在垂直管

27、外（或垂直板上）冷凝蒸汽在垂直管外（或垂直板上）冷凝 4 Re 44 m e m qS du S qM qm冷凝液量，冷凝液量，kg/s M冷凝负荷，冷凝负荷，kg/s.m 2021-7-356 层流层流 4 1 32 13. 1 tl gr Re1800 湍流湍流 4 . 0 3 1 2 32 0077. 0Re g 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 2021-7-357 3.影响因素和强化措施影响因素和强化措施 (1) 液体物性液体物性 ， ， r (2) 不凝气体不凝气体 不凝气体不凝气体存在，导致存在，导致 ，需定期排放。，需定期排放。 (3)蒸汽流速

28、与流向蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时，同向时， t ， ；反向时，；反向时， t ， ； u ， (4) 蒸汽过热蒸汽过热 r=r+cp(tv-ts) 影响较小影响较小 2021-7-358 (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 水平管束：减少垂直方向上管数，采用错列；水平管束：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。 2021-7-359 （二）液体沸腾时的对流传热（二）液体沸腾时的对流传热 大容积沸腾大容积沸腾 管内沸腾管内沸腾 1. 沸腾现象沸腾现象 在粗糙加

29、热面的细小凹缝处：在粗糙加热面的细小凹缝处： 汽化核心汽化核心 生成汽泡生成汽泡 长大长大 脱离壁面脱离壁面 新汽泡形成新汽泡形成搅动液层搅动液层 2021-7-360 沸腾必要条件沸腾必要条件： 过热度过热度 t=t=（t tt ts s）00 存在汽化核心存在汽化核心 推动力推动力 （twts） 沸腾三个阶段：沸腾三个阶段： 自然对流、核状沸腾、自然对流、核状沸腾、 膜状沸腾膜状沸腾 工业上采用工业上采用核状沸腾核状沸腾 大，大，tW小小 水沸腾曲线水沸腾曲线 2021-7-361 2. 影响因素及强化措施影响因素及强化措施 （1）液体的性质）液体的性质 , （2）温度差）温度差 核状沸腾

30、阶段核状沸腾阶段: t2.5， ， ， t （3）操作压力）操作压力 s tp 2021-7-362 （4）加热面）加热面 新的、洁净的、粗糙的加热面，新的、洁净的、粗糙的加热面， 大大 （5）强化措施）强化措施 表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒；表面粗糙化：将表面腐蚀，烧结金属粒； 加表面活性剂（乙醇、丙酮等）加表面活性剂（乙醇、丙酮等） 2021-7-363 第四节第四节 传热过程计算传热过程计算 总传热速率方程总传热速率方程 式中式中 Q传热速率，传热速率，W； tm两流体的平均温度差，两流体的平均温度差，； A传热面积，传热面积，m2； K总传热系数，总传热系数，W/(m2) 。 m

31、 m QKAt 2021-7-364 （一）恒温传热（一）恒温传热 tTt m （二）变温传热（二）变温传热 tm与流体流向有关与流体流向有关 一、传热平均温度差一、传热平均温度差 逆流逆流并流并流错流错流 折流折流 2021-7-365 1. 逆流与并流逆流与并流 t2 t1 T1 T2 t1t2 T1 T2 t2 t A t1 T2 T1 逆流逆流 t2 t A t1 T2 T1 并流并流 2021-7-366 以逆流为例推导以逆流为例推导 tm 假设：（假设：（1）稳态流动，）稳态流动，qm1、 qm2为常数；为常数； （2）cp1、cp2为常数；为常数； （3）K沿管长不变化；沿管长不

32、变化； （4）热损失忽略不计。）热损失忽略不计。 A T2 t1 t2 T1 dT dt dA t2 t1 t=T-t 对于微元：对于微元： 11mp dQqc dT 22mp dQqc dt 11 . mp dQ qcConst dT 22 . mp dQ qcConst dt 2021-7-367 T1 T2 t2 t1 Q 1 t 2 t tTt Q tt dQ td 12 )( 而而 )(tTKdAdQ Q tt tdAK td 12 )( dA Q tt tK td 12 )( At t dA Q tt t td K0 12 2 1 )(1 2021-7-368 A Q tt t t

33、 K 12 1 2 ln 1 m tKA t t tt KAQ 1 2 12 ln 1 2 12 ln t t tt tm 逆流、并流均适用；逆流、并流均适用； 当当 t2/ t12，则可用算术平均值。，则可用算术平均值。 对数平均温度差对数平均温度差 2021-7-369 逆逆mm tt ),(流流型型RPf 12 21 tt TT R 冷流体温升冷流体温升 热流体温降热流体温降 11 12 tT tt P 两流体初温差两流体初温差 冷流体温升冷流体温升 2. 错流与折流错流与折流 查图查图 1 tm 0.9 若若 0.8，温差损失大，传热不稳定；，温差损失大，传热不稳定； 应改变流型应改变

34、流型 2021-7-370 （三）流向的选择（三）流向的选择 1. 所需传热面积所需传热面积 并并并并逆逆逆逆mm tKAtKAQ 逆逆并并mm tt 并并逆逆 AA 逆流优于并流。逆流优于并流。 2021-7-371 2. 载热体消耗量载热体消耗量 t1 t2 T1 T1 T2并 并 T2逆 逆 加热任务：加热任务：t1t2 （T2并 并） ）min=t2（T2逆 逆） ）min=t1 逆逆并并 )()( 2121 TTTT 1111 ()() mPmP qcqc 并并逆逆 逆流优于并流。逆流优于并流。 2021-7-372 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

35、差分布更均匀。 T2 并流并流 T1 t1 t2 t1 t2 T1 T2 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， 或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。或生产工艺要求温度不能过高或过低的场合。 2021-7-373 二、总传热系数二、总传热系数 AK tT tTAKQ d 1 )(dd K总传热系数，总传热系数，W/(m2K) tw Tw 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 t T dQ dQ1dQ3dQ2 （一）总传热系数计算（一）总传热系数计算 2021-7-374 管内对流管内对

36、流)(dd w223 ttAQ )(dd w111 TTAQ 管外对流管外对流 )( d d ww m 2 tT b A Q 管壁热传导管壁热传导 稳态传热稳态传热 321 ddddQQQQ 22 w m ww 11 w d 1 dd 1 d A tt A b tT A TT Q 22m11 d 1 dd 1 AA b A tT 2021-7-375 22m11 d 1 dd 1 d 1 AA b AAK （1）平壁）平壁 dA=dA1=dA2=dAm 21 111 b K 讨论：讨论： （2）以外表面为基准）以外表面为基准 (dA=dA1) 2 1 2m 1 11 d d1 d d11 A

37、A A Ab K 2021-7-376 2 1 2m 1 11 111 d d d db K dlA K1以外表面为基准以外表面为基准的总传热系数，的总传热系数，W/(m2.K) dm对数平均直径，对数平均直径，m 2 1 21m ln/ )( d d ddd 2m 2 1 2 12 111 d db d d K 以以内表面内表面为基准：为基准： d1/d2A计计 或 或 Q换 换 Q需要需要， ， 换热器合适。换热器合适。 2021-7-383 二、操作型计算二、操作型计算 （1）已知：换热器）已知：换热器A， qm1、T1， qm2 、t1 求：出口 求：出口T2、t2 （2）已知：换热器

38、）已知：换热器A， qm1、T1， T2 、t1 求：求：qm2、 t2 注意：列管式换热器中注意：列管式换热器中 流通面积流通面积 2 2 4 dnA 流流通通 传热面积传热面积 ldnA 1 传热传热 2021-7-384 一、基本概念一、基本概念 1. 辐射：物体通过辐射：物体通过电磁波来传递能量电磁波来传递能量的过程。的过程。 2. 热辐射：物体由于热辐射：物体由于热的原因热的原因以电磁波的形式向以电磁波的形式向 外发射能量的过程。外发射能量的过程。 特点：特点： 能量形式的转换能量形式的转换 不需要任何介质不需要任何介质 第五节第五节 热热 辐辐 射射 2021-7-385 Q Q

39、Q N Q 能量守恒定律：能量守恒定律： QQQQ 吸收率吸收率 反射率反射率 穿透率穿透率 Q Q Q Q Q Q 1 DRA 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 2021-7-386 黑体：黑体：1 白体白体(镜体镜体)：1 透热体：透热体： 1 灰体：灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体 固体、液体：固体、液体： =0 + =1 气体：气体： =0 + =1 2021-7-387 二、物体的辐射能力二、物体的辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积、单

40、位时间内物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内 所发射的所发射的全部辐射能全部辐射能(波长从波长从0到到 ), E表示表示, W/m2 黑体辐射黑体辐射常数常数, 5.669 10-8W/(m2 .K4) （一）黑体（一）黑体 4 b ET 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律 四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感 4 () 100 b T C Cb黑体辐射黑体辐射系数系数, 5.669W/(m2 .K4) 2021-7-388 （二）实际物体（二）实际物体 黑度：黑度： b E E T2 1 2=1 E1 Eb （1- 1）Eb 1Eb 灰体灰体 黑体

41、黑体 克希霍夫定律克希霍夫定律 2021-7-390 结论：结论： （1）物体的辐射能力越强，其吸收率越大）物体的辐射能力越强，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） ，E Eb 在任何温度下、各种物体中以在任何温度下、各种物体中以黑体黑体的辐射能力为最大的辐射能力为最大 2021-7-391 （一）辐射传热速率（一）辐射传热速率 四、两固体间的相互辐射四、两固体间的相互辐射 4412 1 21 2 ()() 100100 TT QCA 1 212b CC 两面积无限大的平行平板两面积无限大的平行平板 两平面有限大的平行平

42、板两平面有限大的平行平板 1 2 12 11 1 b C C 1 1 2021-7-392 一物体被另一物体包围一物体被另一物体包围 1 1 2 1 122 11 (1) b C C A A 若外围为黑体，若外围为黑体， 1=1 或或 A2 A1， 则则 C1-2=C1=Cb 1 2021-7-393 1. 温度的影响温度的影响 T4；低温可忽略，高温可能成为主要方式；低温可忽略，高温可能成为主要方式 2. 几何位置的影响几何位置的影响 3. 表面黑度的影响表面黑度的影响 ，可通过改变，可通过改变 大小强化或减小辐射传热大小强化或减小辐射传热 4. 辐射表面间介质的影响辐射表面间介质的影响 减

43、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因素（二）影响辐射传热的主要因素 2021-7-394 五、高温设备及管道的热损失五、高温设备及管道的热损失 对流：对流： )( WWCC ttAQ 辐射：辐射： 44W W21R ) 100 () 100 ( TT ACQ 令令 =1 )() 100 () 100 ( WWR W W44W W21R ttA tt ttTT ACQ 总热损失：总热损失： )()()( WWTWWRCRC ttAttAQQQ T对流对流-辐射联合传热系数，辐射联合传热系数，W/(m2.K) 2021-7

44、-395 （1）空气自然对流，）空气自然对流，tW5m/s )(07. 08 . 9 WT tt 平壁保温层外平壁保温层外 u2 . 42 . 6 T 空气速度空气速度u 50 时时，需考虑，需考虑温度热温度热 补偿补偿。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为：。根据热补偿方式不同，列管式换热器分为： 2021-7-3103 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, 结构复杂结构复杂 2021-7-3104 3. U型管式型管式 特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。 2021-7-3105 三、列管换热器的选用三、列管换热器的选用 1. 根据工艺任务，计算热负荷根据工艺任务，计算热负荷 2. 计算计算 tm 3. 依据经验选取依据经验选取K，估算，估算A 4. 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 先按单壳程多管程计算，如果先按单壳程多管程计算，如果 0.8，应增，应增 加壳程数；加壳程数； 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，再由系列标准选适，估算管子长度，再由系列标准选适 当型号的换热器。当型号的换热器。 2021-7-3106 5. 核算核算K 分