化工原理传热

1、第四章第四章 传传 热热 覆盖内容：覆盖内容： n传热的基本方式及特点；定常传热及非定常传热的概传热的基本方式及特点；定常传热及非定常传热的概 念；傅立叶定律，一维定常导热的计算（平壁圆筒壁念；傅立叶定律，一维定常导热的计算（平壁圆筒壁 及球壁）；导热系数及其影响因素；对流传热过程分及球壁）；导热系数及其影响因素；对流传热过程分 析，牛顿冷却定律，传热基本方程式及其应用（传热析，牛顿冷却定律，传热基本方程式及其应用（传热 速率、平均温差、传热系数、污垢热阻和控制热阻）；速率、平均温差、传热系数、污垢热阻和控制热阻）； 热效率与传热单元数的概念及计算；对流传热的主要热效率与传热单元数的概念及计算

2、；对流传热的主要 影响因素，对流传热系数准数关联式（熟练掌握管内影响因素，对流传热系数准数关联式（熟练掌握管内 强制湍流对流传热系数），壁温估算；辐射传热的基强制湍流对流传热系数），壁温估算；辐射传热的基 本概念，黑体、白体（镜体）、透热体和灰体，普郎本概念，黑体、白体（镜体）、透热体和灰体，普郎 克定律，斯蒂芬克定律，斯蒂芬-波尔茨曼定律，克希霍夫定律，两物波尔茨曼定律，克希霍夫定律，两物 体间的辐射传热速率计算，角系数的概念，热损失的体间的辐射传热速率计算，角系数的概念，热损失的 计算；常用换热器的结构特点，换热器设计原则、步计算；常用换热器的结构特点，换热器设计原则、步 骤。骤。 掌握的

3、内容：掌握的内容： n1、热传导基本原理，一维定常态傅立叶定律及应用，、热传导基本原理，一维定常态傅立叶定律及应用， 平壁及圆筒壁一维定常态热传导计算与分析平壁及圆筒壁一维定常态热传导计算与分析 n2、对流传热基本原理，牛顿冷却定律，影响对流传热、对流传热基本原理，牛顿冷却定律，影响对流传热 的主要因素的主要因素 n3、无相变管内强制对流的、无相变管内强制对流的关联式及应用；关联式及应用；Nu、Re、 Pr、Gr等的物理意义及计算。正确选用等的物理意义及计算。正确选用的计算式，的计算式， 注意其用法和使用条件。注意其用法和使用条件。 n4、传热计算：传热速率方程与热负荷的计算、平均温、传热计算

4、：传热速率方程与热负荷的计算、平均温 差推动力、总传热系数、污垢热阻、壁温计算、传热差推动力、总传热系数、污垢热阻、壁温计算、传热 面积、加热程度和冷却程度计算、强化传热的途径面积、加热程度和冷却程度计算、强化传热的途径 熟悉的内容：熟悉的内容： n1、对流传热系数经验式建立的一般方法、对流传热系数经验式建立的一般方法 n2、蒸汽冷凝、液体沸腾对流传热系数计算、蒸汽冷凝、液体沸腾对流传热系数计算 n3、传热效率、传热单元数及其在传热操作型、传热效率、传热单元数及其在传热操作型 计算中的应用计算中的应用 n4、热辐射的基本概念、两灰体间辐射传热计、热辐射的基本概念、两灰体间辐射传热计 算算 n5

5、、列管换热器的结构及选型计算、列管换热器的结构及选型计算 了解的内容：了解的内容： n1、加热剂、冷却剂的种类和选用、加热剂、冷却剂的种类和选用 n2、各种常用换热器的结构特点及应用、各种常用换热器的结构特点及应用 n3、高温设备热损失计算、高温设备热损失计算 n重重 点：传热基本方程式；对流传热系点：传热基本方程式；对流传热系 数的影响因素及计算。数的影响因素及计算。 n难难 点：对流传热过程分析；最小值流点：对流传热过程分析；最小值流 体；体； 4-1概述概述 传热（热传递）：由传热（热传递）：由温度差温度差引起的能量传递。自发过程中热引起的能量传递。自发过程中热 量从高温传递到低温。量从

6、高温传递到低温。 热力学：传递的总热量；传热学：讨论过程热量的传递速率。热力学：传递的总热量；传热学：讨论过程热量的传递速率。 目的：强化传热过程；削弱传热过程。目的：强化传热过程；削弱传热过程。 分类：分类： 间歇传热间歇传热 连续传热连续传热 按连续性按连续性 按与时间按与时间 的关系的关系 非稳态传热：传热速率非稳态传热：传热速率 常数，常数， 0 T 稳态传热：传热速率稳态传热：传热速率=常数，常数， 0 T 六、传热基本方式（传热机理）六、传热基本方式（传热机理） 1热传导（导热）热传导（导热）(conduction)：物体的各部分之间不发生相对位移，仅借分：物体的各部分之间不发生相

7、对位移，仅借分 子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递，称为热传导子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而引起热量的传递，称为热传导 金属，自由电子的运动。金属，自由电子的运动。 固体固体 分子晶体，分子的振动。分子晶体，分子的振动。 非金属非金属 原子晶体，原子的振动。原子晶体，原子的振动。 晶格结构的振动，弹性波。晶格结构的振动，弹性波。 离子晶体，离子的振动。离子晶体，离子的振动。 液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。液体，分子的不规则热运动（布朗运动），介于气体与非金属之间。 气体，分子的不规则热运动（布朗运动）。气体，分子的不规则热运动（布朗运动）

8、。 2热对流（对流）热对流（对流）(convection)：流体各部分之间发生相对位移所引起的热传：流体各部分之间发生相对位移所引起的热传 递。递。由于同由于同 时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。时存在分子不规则热运动，所以对流必然伴随导热。 自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。自然对流：宏观运动由流体密度差引起，而密度差由温度差引起。 强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。强制对流：宏观运动由外力（泵、风机、位差、压差等）引起。 3热辐射（辐射）热辐射（辐射）(radiation)：因热的原因而产生电磁波在空间的传递。特点：因热的原因而产生

9、电磁波在空间的传递。特点： 1 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换；不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换； 2 所有物体都能将热能以电磁波的形式发射出去，所有物体都能将热能以电磁波的形式发射出去， 不需不需 要任何介质。要任何介质。 在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存 对流传热：对流传热：流动的流体与固体壁面之间的热量传递。流动的流体与固体壁面之间的热量传递。 412 传热过程中热、冷流体传热过程中热、冷流体(接触接触)热热 交换的方式交换的方式 一一.直接接触式换热和混合式换热器直接接触式换热和混合式换热器

10、优点：传热效果好，优点：传热效果好，设备结构简单 n图图4-1 混合式冷凝器混合式冷凝器 n(a)并流低位冷凝器并流低位冷凝器 (b)干式逆流高位冷凝器干式逆流高位冷凝器 n1一外壳一外壳 2一淋水板一淋水板 3、8一气压管一气压管 4一蒸汽进口一蒸汽进口 5一进水口一进水口 6不凝气出口不凝气出口 7 一分离罐一分离罐 二二蓄热式换热和蓄热器蓄热式换热和蓄热器 n蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热器内 装有填充物装有填充物(如耐火砖等如耐火砖等)，热、冷流体，热、冷流体交替地交替地流过蓄热器，利用流过蓄热器，利用 固体

11、填充物来固体填充物来积蓄和释放积蓄和释放热量而达到换热的目的。热量而达到换热的目的。 n蓄热器结构简单，且可耐高温，因此多用于高温气体的加热。其蓄热器结构简单，且可耐高温，因此多用于高温气体的加热。其 缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合，所以这缺点是设备体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合，所以这 类设备在化工生产中使用得不太多。类设备在化工生产中使用得不太多。 三三 间壁式换热和间壁式换热器间壁式换热和间壁式换热器 冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧流冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧流 动。冷、热动。冷、热 流体通过间壁进行热量交换。流体通过间壁进行

12、热量交换。 1套管式换热器套管式换热器 2列管式换热器列管式换热器 固定管板式固定管板式(结构图结构图）、）、浮头式浮头式、U型管式型管式 优点：单位体积内具有较大的传热面积。优点：单位体积内具有较大的传热面积。 3沉浸式沉浸式、喷淋式喷淋式 特点：只有热量传递。特点：只有热量传递。 传热速率传热速率(Q)：单位时间内通过传热面传递的热量，：单位时间内通过传热面传递的热量，W； 热通量（热通量（q）：单位时间单位传热面积传递的热量，）：单位时间单位传热面积传递的热量，w/m2。 传热面积：传热面积：S0、Si、Sm。 n图图4-3 间壁两侧流体间传热间壁两侧流体间传热 n(1)热流体将热量传至

13、固体壁面左侧热流体将热量传至固体壁面左侧(对流传热对流传热)。 n(2)热量自壁面左侧传至壁面右侧热量自壁面左侧传至壁面右侧(热传导热传导)。 n(3)热量自壁面右侧传至冷流体热量自壁面右侧传至冷流体(对流传热对流传热)。 n图图4-4 套管式换热器套管式换热器 nl一内管一内管2一外管一外管 n它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。冷、热流体分别它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。冷、热流体分别 n流经内管和环隙而进行热的交换。流经内管和环隙而进行热的交换。 单程列管式换热器单程列管式换热器 1 1 外壳外壳 22管束管束 3 3、44接管接管 55封头封头 66管板管板 77

14、挡板挡板 双程列管式换热器双程列管式换热器 11壳体壳体 22管束管束 33挡板挡板 44隔板隔板 4-1-3栽热体及其选择栽热体及其选择 一一 概念概念 物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另一种流体供物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另一种流体供 给或取走热量，这种流体称为给或取走热量，这种流体称为载热体载热体，其中起加热作用的载，其中起加热作用的载 热体称为热体称为加热剂加热剂( (或称加热介质或称加热介质) )；起冷凝作用的载热体称为；起冷凝作用的载热体称为 冷却剂冷却剂( (或称泠却介质或称泠却介质) )。 二二 载热体的选择原则：载热体的选择原则： 1) 1) 温度易于调

15、节温度易于调节2) 2) 饱和蒸汽压较低，加热时不易分解；饱和蒸汽压较低，加热时不易分解； 3) 3) 毒性小，不易燃、易爆、不易腐蚀设备毒性小，不易燃、易爆、不易腐蚀设备 4) 4) 价格便宜。价格便宜。 三工业上常三工业上常 用的载热体用的载热体 加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道 气；气； 冷却剂：水、空气和各种冷冻剂冷却剂：水、空气和各种冷冻剂 4.2 4.2 热传导热传导 4.2.1 4.2.1 基本概念和傅立叶定律基本概念和傅立叶定律 一一 温度场和温度梯度温度场和温度梯度 温度场：任一瞬间物体或系统内各点的

16、温度分布总和，温温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和，温 度场的数学表达式为：度场的数学表达式为： ),(zyxft 0),( t zyxft 当稳态温度场稳态温度场 0, 0),( z t y tt xft 定态一维温度场定态一维温度场 等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面积。等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面积。 特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热量传递。特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热量传递。 温度梯度：温度梯度：方向为温度增加的方向 tlim 0 n t n t grad n 传热速率：传热速率： 热通量：热通量： t dx d

17、t grad 一维温度场一维温度场 二二 傅立叶傅立叶(Fourier)(Fourier)定律定律 n t dQ n t dsdQ .dS. .或 负号表示热流方向与温 度梯度方向相反 导热系数导热系数 一般地，一般地， 导电固体 导电固体 非导电固体 非导电固体， ， 液体 液体 气体 气体 4-2-24-2-2导热系数导热系数 一一. .定义：定义： n t dS dQ . 导热系数是物质的基本物理性质之一，其在数值上等于单位温度梯导热系数是物质的基本物理性质之一，其在数值上等于单位温度梯 度下的热通量，它表征物质导热能力的大小。其数值与物质的种类、度下的热通量，它表征物质导热能力的大小。

18、其数值与物质的种类、 组成、结构、密度、温度、压强有关。组成、结构、密度、温度、压强有关。 二二. .固体的导热系数固体的导热系数 )1 ( 0 ta 0时的导热系数 温度系数，对大多数金属材 料，为负值；对大多数非金 属材料为正值。 三三. .液体的导热系数液体的导热系数 除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。除水和甘油外，大多数非金属液体的导热系数亦随温度的升高而降低。 金属液体的导热系数比一般的液体要高金属液体的导热系数比一般的液体要高 纯液体的导热系数比其溶液的要大纯液体的导热系数比其溶液的要大 4 4 气体的导热系数气体的导热系数 T 气体的导热系数随温度升高

19、而增大，气体的导热系数随温度升高而增大，在相当大的压强范围内，在相当大的压强范围内， 气体的导热系数随压强的变化甚微，气体的导热系数随压强的变化甚微，气体的导热系数很小，常气体的导热系数很小，常 用做保温材料用做保温材料 4.2.2 4.2.2 平壁的热传导平壁的热传导 一一 单层平壁的热传导单层平壁的热传导 1.1.几点基本假设几点基本假设 1)平壁材料均匀，导热系数平壁材料均匀，导热系数不随温度而变不随温度而变(或取平均导热或取平均导热 系数系数)。 2)平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。 3)壁边缘处的热损失可忽略。壁边缘处的热损失可忽略。 n图

20、图4-8 单层平壁的热传导单层平壁的热传导 n对此种定态的一维平壁热传导，导热速率对此种定态的一维平壁热传导，导热速率Q和传热面积和传热面积S都为常量，都为常量， 故式故式4-5可简化为可简化为 n当当x=0时，时，t=t1；x=b时，时，t=t2；且；且t1t2，积分上式可得，积分上式可得 n或或 n式中式中 b平壁厚度，平壁厚度，m； nt温度差，导热推动力，温度差，导热推动力，； nR 导热热阻，导热热阻，W； nR 导热热阻，导热热阻，m2W。 dx dt SQ )( 21 ttS b Q R t S b tt Q 21 , R t b t S Q q S b n应予指出，上式适用于应

21、予指出，上式适用于导热系数导热系数 为常数的稳态热传导为常数的稳态热传导 过程。过程。实际上，物体内不同位置上的温度并不相同，实际上，物体内不同位置上的温度并不相同， 因而导热系数也随之而异。但是在工程计算中，对于因而导热系数也随之而异。但是在工程计算中，对于 各处温度不同的固体，其导热系数可以取固体两侧面各处温度不同的固体，其导热系数可以取固体两侧面 温度下温度下 值的算术平均值，或取两侧面温度之算术平值的算术平均值，或取两侧面温度之算术平 均值下的均值下的 值。值。 n导热速率与导热速率与导热推动力成正比导热推动力成正比，与，与导热热阻成反比导热热阻成反比； 还可看出，导热距离愈大，传热面

22、积和导热系数愈小，还可看出，导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小， 则导热热阻愈大。则导热热阻愈大。 2、多层平壁的热传导、多层平壁的热传导 以三层平壁为例，如图所设，且假定以三层平壁为例，如图所设，且假定 为常数，及层与层之间接触为常数，及层与层之间接触 良好，没有接触热阻，则由良好，没有接触热阻，则由 单层平壁公式，得单层平壁公式，得 而由一维稳态条件，得而由一维稳态条件，得 所以相加并整理，得所以相加并整理，得 或或 S b Qttt S b Qttt S b Qttt 3 3 3433 2 2 2322 1 1 1211 321 QQQQ 321 41 3 3 2 2 1 1 321

23、RRR tt S b S b S b ttt Q n i i n n i i i n R tt S b tt Q 1 11 1 11 影响因素：影响因素： 接触材料的种类及硬度，接触材料的种类及硬度， 接触面的粗糙程度，接触面的粗糙程度， 接触面的压紧力，接触面的压紧力， 空隙内的流体性质。空隙内的流体性质。 接触热阻一般通过实验测定或凭接触热阻一般通过实验测定或凭 经验估计经验估计 三三 接触热阻接触热阻 由于平壁表面粗糙不平使不同材料的由于平壁表面粗糙不平使不同材料的 相邻壁面出现明显的温度降低。相邻壁面出现明显的温度降低。 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导 常量 常量 传热速率传热面积热通

24、量 平壁 圆筒壁 常量 随半径变 常量 随半径变 图5-6 单层圆筒壁的热传导 一、单层圆筒壁的一维稳态热传导 n若在圆筒半径若在圆筒半径r处沿半径方向取微分厚度处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，其的薄壁圆筒，其 传热面积可视为常量，等于传热面积可视为常量，等于 ；同时通过该薄层的温度变；同时通过该薄层的温度变 化为化为dt。仿照平壁热传导公式，通过该薄圆筒壁的导热速率。仿照平壁热传导公式，通过该薄圆筒壁的导热速率 可以表示为可以表示为 n将上式分离变量积分并整理得将上式分离变量积分并整理得 n整理整理 1 2 21 1 2 21 ln 1 )(2 ln )(2 r r ttL r r t

25、tL Q rL2 dr dt rL dr dt SQ)2( 12 21 1 2 12 2 2 ln )(2 rr tt Lr Lr rrL Q R t S b tt b tt S rr tt S S SS Q m m 2121 12 21 1 2 12 ln 式中式中 圆筒壁的内、圆筒壁的内、 外表面的对数平均面积，外表面的对数平均面积，m2； 温差，温差， C； 热阻，热阻， C /W。 1 2 12 ln S S SS Sm 21 ttt S b R 二、多层圆筒壁的稳态热传导 假设层与层之 间接触良好，即互 相接触的两表面温 度相同。 图5-7 多层圆筒壁的热传导 热传导速率可表示为 1

26、414 332432421 112233112233 111 lnlnln 222 mmm tttt Q rrrrrrrrr LrLrlrSSS 对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为 1 1 n n i i imi tt Q b S 或 11 1 1 1 ln 2 n n i i ii tt Q r Lr 二、多层圆筒壁的稳态热传导 二二 多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导 假设：假设：各层间接触良好；各层的导 热系数分别为1、2、3，厚度分 别为b1、b2、b3。 343 232121 ; ; rrb rrbrrb 321 QQQQ i i i i i i i i r r L t r r

27、 L t Q 11 ln 1 2 1 ln 2 1 4-34-3对流传热概述对流传热概述 对流传热：流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热对流传热：流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热 根据流体在传热过程中的状态根据流体在传热过程中的状态 对流传热对流传热 无相变的对流传热无相变的对流传热 强制对流传热强制对流传热 自然对流传热自然对流传热 有相变的对流传热有相变的对流传热 蒸汽冷凝蒸汽冷凝 液体沸腾液体沸腾 一、传热方式和温度分布一、传热方式和温度分布 11、层流、层流 导热导热 非线性非线性 层流底层区层流底层区 导热导热 近似线性近似线性 22、湍流、湍流 过渡流区过渡流区 导热与

28、对流导热与对流 非线性非线性 湍流主体区湍流主体区 对流为主对流为主 近似水平线近似水平线 二、牛顿冷却定律（对流传热系数的定义）：当流体流过固体壁面时，通过流体且与二、牛顿冷却定律（对流传热系数的定义）：当流体流过固体壁面时，通过流体且与 壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即 或或 式中式中 qx局部对流热流密度，局部对流热流密度，W/m2； Q对流传热速率或热流量，对流传热速率或热流量，W； S与流体接触的固体传热面积，与流体接触的固体传热面积，m2； x局部对流传热系数，局部对流传热系数，W/(m2 K)； tw

29、，Tw分别为冷热流体侧的局部壁温，分别为冷热流体侧的局部壁温，K， C； t，T分别为冷热流体的有限空间内局部截面平均温度或大空间中流体主流分别为冷热流体的有限空间内局部截面平均温度或大空间中流体主流 温度，温度，K， C。 )(),(itt dS dQ qTT dS dQ q wo o x w i x o wo i wi dSttdQdSTTdQ)(,)( 4-3-1对流传热机理对流传热机理 n对流传热中包括了对流传热中包括了热对流热对流和和热传导热传导两种基本传热方式，两种基本传热方式， 对流传热与流体的流动状况密切相关。对流传热与流体的流动状况密切相关。 n由于滞流内层中流体分层运动，相

30、邻层间没有流体的由于滞流内层中流体分层运动，相邻层间没有流体的 宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流，宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流， 该方向上的热传递仅为流体的热传导。由于流体的导该方向上的热传递仅为流体的热传导。由于流体的导 热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因此该热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因此该 层中温度差较大，即温度梯度较大。层中温度差较大，即温度梯度较大。 n在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满旋涡；在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满旋涡； 因此湍流主体中温度差因此湍流主体中温度差(温度梯度温度梯度)极小，各处的温度极小，各处的

31、温度 基本上相同。基本上相同。 n在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该 层内温度发生较缓慢的变化。层内温度发生较缓慢的变化。 一、对流传热分析一、对流传热分析 n图图4-13 对流传热的温度分布情况对流传热的温度分布情况 n由上分析可知，对流传热是集由上分析可知，对流传热是集热对流和热传导热对流和热传导于一体的于一体的 综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此， 减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。 u u u t u t t t

32、 t t 图图 平板上的边界层平板上的边界层 正如流体流过固体壁面时形成流动边界层一样，若流体自由流正如流体流过固体壁面时形成流动边界层一样，若流体自由流 的温度和壁面的温度不同，必然会形成的温度和壁面的温度不同，必然会形成热边界面热边界面(又称温度边界又称温度边界 层层)。 当温度为当温度为 的流体在表面温度为的流体在表面温度为tw的平板上流过时，流体和平的平板上流过时，流体和平 板间进行换热。板间进行换热。 流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在 此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义为此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义

33、为热边界层热边界层。在热边。在热边 界层界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视 为零。为零。 t T 一维流动 流动方向x y传热方向 T0Tw 静止 层流 湍流 热边界层愈薄则层内的热边界层愈薄则层内的 温度梯度愈大。若紧靠温度梯度愈大。若紧靠 壁面附近薄层流体壁面附近薄层流体(滞滞 流内层流内层)中的温度梯度中的温度梯度 用用(dtdy) w表示，由表示，由 于通过这一薄层的传热于通过这一薄层的传热 只能是流体间的热传导，只能是流体间的热传导， dS dy dt dQ w 2 2 热边界层热边界层 五、热边界层的发展五、热边界层

34、的发展 进口段（稳定段）：从进口处到局部对流传热系数进口段（稳定段）：从进口处到局部对流传热系数 x基本基本 稳定的这一段距离。稳定的这一段距离。 在进口段内，在进口段内， 逐渐减小，在进口段后，逐渐减小，在进口段后， 基本保持恒定。基本保持恒定。 若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则若流动边界层在管中心汇合时仍为层流，则 从进口处从进口处 开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已开始降低到某一极限值后基本上保持恒定。若汇合前已 发展为湍流，则在层流向湍流过渡时，发展为湍流，则在层流向湍流过渡时， 有所回升，然有所回升，然 后趋于恒定。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。后趋于恒定

35、。当湍流十分激烈时，进口段的影响即消失。 dSTT dS TT dQ w w )( 1 阻力 推动力 局部对流局部对流 传热速率传热速率对流传热系数，对流传热系数，W/m2 流体温度 壁温 微分传热面积微分传热面积 在换热器中，换热面积有不同的表示方法，可以是管内侧在换热器中，换热面积有不同的表示方法，可以是管内侧 或管外侧表面积。或管外侧表面积。但对流传热系数必须和传热面积以及温度但对流传热系数必须和传热面积以及温度 差相对应。差相对应。如热流体在管内流动，冷流体在管外流动。则对如热流体在管内流动，冷流体在管外流动。则对 流传热速率方程式可分别表示为：流传热速率方程式可分别表示为： owo

36、) tt ( )(dSdSTTdQ iwi 二二. 对流传（给）热系数对流传（给）热系数 tS Q . 在数值上等于单位温度差下、单位传热在数值上等于单位温度差下、单位传热 面积的对面积的对 流传热速率。它反映了流传热速率。它反映了对流传热的快慢对流传热的快慢，它不是流，它不是流 体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数。体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数。 dS dy dt dQ w 由 dSTTdQ w) ( ww w dy dt tdy dt TT 热边界层的厚度影响温度分布，也影响温度梯度，从而影响对热边界层的厚度影响温度分布，也影响温度梯度，从而影响对 流传热系数。流传热系

37、数。 空气自然 对流 气体强制 对流 水自然 对流 水强制 对流 水蒸汽 冷凝 有机蒸 汽冷凝 水沸腾 5252010020 1000 1000 15000 5000 15000 500 2000 2500 25000 值值( (W/(mW/(m2 2. . ) ) 的范围的范围 0 10 1 2 1 2 ln LrL rr tt Q f 总热阻 总推动力 0 0 dr dQ 令 t1 t2 tf r1 r0 0 0 0 0 0 0 dr dQ r dr dQ r 时，当 时，当 Q rc r0 -临界半径 rc 故 Q 有极大值 则 0 r 4-3-3 4-3-3 保温层的临界厚度保温层的临

38、界厚度 时 0 r只有，增加保温层的厚度 才能使热损失减少 4-54-5传热过程计算传热过程计算 4-5-1 4-5-1 能量衡算能量衡算 总焓衡算方程总焓衡算方程 2121ccchhh HHWHHWQ 当换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或取当换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或取 平均温度下的比热容时平均温度下的比热容时 1221 ttCWTTCWQ pccphh 当换热器中两流体有相变化时：当换热器中两流体有相变化时： 122 12 )(ttCWTTCrWQ ttCWrWQ pccsphh pcch 有相变而有相变而 无降温时无降温时 有相变且有相变且 有

39、降温时有降温时 设计型计算：由生产任务确定热负荷和传热面积。设计型计算：由生产任务确定热负荷和传热面积。 操作型计算：由传热面积及操作条件计算传热量、出口温操作型计算：由传热面积及操作条件计算传热量、出口温 度、载热体流量等。度、载热体流量等。 4-5-24-5-2总传热速率微总传热速率微 分方程和总传热系数分方程和总传热系数 一一. .总传热速率微分方程总传热速率微分方程 dstKdstTKdQ.)( 热流体热流体 的平均温度的平均温度 冷流体的冷流体的 平均温度平均温度 局部总传局部总传 热系数热系数 总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，即有：总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，即

40、有： mmooii dStTKdStTKdStTKdQ)()()( 二二. .总传热系数总传热系数 1.1.总传热系数的数值范围总传热系数的数值范围( (见下表见下表) ) 流体种类 总传热系数K W/(m2K) 水气体1260 水水8001800 水煤油350左右 水有机溶剂280850 气体气体1235 饱和水蒸气水14004700 饱和水蒸气气体30300 饱和水蒸气油60350 饱和水蒸气沸腾油290870 列管换热器总传热系数列管换热器总传热系数K K的经验数据的经验数据 2.2.总传热系数的计算式总传热系数的计算式 1 1）热流体以对流传热的方式将热量传）热流体以对流传热的方式将热

41、量传 给热侧表面；给热侧表面；2) 2) 热侧表面以传导传热热侧表面以传导传热 方式将热量传给冷侧表面；方式将热量传给冷侧表面；3) 3) 然后冷然后冷 侧表面以对流传热方式将热量传给冷侧表面以对流传热方式将热量传给冷 流体。流体。 两流体通过管壁的传热包含以下过两流体通过管壁的传热包含以下过 程：程： ii w iwi dS TT dSTTdQ 1 )( m ww m ww dS b tT dS b tT dQ )( 通过管壁通过管壁 的热传导的热传导 热流体对热侧固体壁热流体对热侧固体壁 面的传热速率方程面的传热速率方程 oo w owo dS tt dSttdQ 1 )( 冷侧固体壁面冷

42、侧固体壁面 对冷流体的传对冷流体的传 热速率方程热速率方程 由以上三式可得总传热速率方程：由以上三式可得总传热速率方程： 总热阻 总推动力 oomiioo w m ww ii w dSdS b dS tT dS tt dS b tT dS TT dQ 1111 在上式两边同除在上式两边同除dSdSo o, ,便可有：便可有： om o ii o o dS bdS dS dS tT dS dQ 1 om o ii o o d bd d d tT dS dQ 1 i o i o d d dS dS m o m o d d dS dS om o ii o o d bd d d K 11 所以有：所以

43、有： 同理有：同理有： i m 00 m m00 1 11 d db d d Kd bd d d K iim ii i 和 3.3.污垢热阻污垢热阻 工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值，如管壁工程计算上通常是选用污垢热阻的经验数值，如管壁 内侧和外侧的污垢热阻分别是内侧和外侧的污垢热阻分别是R Rs si i和和R Rs so o，则总热阻：，则总热阻： 0 11 o mi o i ii o o Rs d b d d Rs d d K 总传热系数：总传热系数： 000 0 000 0 000 0 00 1 11 11 d d d d R b d d R d d K d d R d bd d

44、 d R K d d d d R d bd R K m i m si m s ii m m i si m ii s ii iii si m s 提高总传热系数途径的分析 总热阻=管内热阻+管内垢阻+壁阻+管外垢阻+管外热阻 0 11 oo o o siso iiim ddbd RR Kddd 壁 阻 总热 阻 管内 热阻 管内 垢阻 管 外 垢 阻 管 外 热 阻 二、总传热系数 若传热面为平壁或薄管壁 111 siso io b RR K oi o K 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 111 io K 若管壁外侧对流传热控制 二、总传热系数 oi i K 若管壁内侧对流传热控制 o , i

45、若管壁内、外侧对流传热控制相当 若管壁两侧对流传热热阻很小， 而污垢热阻很大 污垢热阻控制 二、总传热系数 欲提高 值，强化传热，最有效的办法是 减小控制热阻。 K 二、总传热系数 值总是接近且永远小于 中的小者。 当两侧对流传热系数相差较大时， 近似等 于 中小者。 Ko , i K o , i 2.总传热系数的测定 对于已有的换热器，可以通过测定有关数 据，如设备的尺寸、流体的流量和温度等，然 后由传热基本方程式计算值。显然，这样得到 的总传热系数值最为可靠。 二、总传热系数 一、平均温度差法 () oo dQK Tt dS 对总传热速率微分方程 积分，可得 Tm QKS t总传热速率积分

46、方程 传热过程冷、热流 体的平均温度差 推导平均温度差的表达式时，对传热过程 作以下简化假定： 传热为稳态操作过程； 两流体的定压比热容均为常量； 总传热系数为常量； 忽略热损失。 一、平均温度差法 1.恒温传热时的平均温度差 换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两 流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温 传热。 T ( - )QKS tKS T t 冷流体 温度 热流体 温度 一、平均温度差法 2、变温传热、变温传热 n图图4-16 变温传热时的温度差变化变温传热时的温度差变化 n(a)逆流逆流 (b)并流并流 由热量恒算并结合假定条件和，可得 ,m hph dQ qc dT 常数 ,m

47、 cpc dQ qc dt 常数 一、平均温度差法 因此， 及 都是直线关系，可分别 表示为 QTQt TmQktm Qk 上两式相减，可得 也呈直线关系。将 上述诸直线定性地绘于图5-9中 Qt 一、平均温度差法 图5-9 逆流时平均温度差的推导 一、平均温度差法 所以所以 t与与Q成线性关系，其斜率也可为成线性关系，其斜率也可为 而而 假定假定 为常数，则为常数，则 ， 令令 对数平均温差，对数平均温差， 所以所以 总传热基本方程总传热基本方程 显然，上式对并流也适用。显然，上式对并流也适用。 0 12 Q tt dQ td tdSKdStTKdQ xx )( Q tt tdSK td x

48、 12 2 1 )( 12 t t S o x dS Q ttK t td x K x KK Q SttK t t)( ln 12 1 2 1 2 12 ln t t tt KSQ 1 2 12 ln t t tt tm m tKSQ n图图4-18 错流和折流示意图错流和折流示意图 n(a)错流错流(b)折流折流 n错流：错流：两流体的流向互相垂直，称为错流；两流体的流向互相垂直，称为错流； n简单折流：简单折流：一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复 折流，称为简单折流。折流，称为简单折流。 n复杂折流：复杂折流：若两流体均作折流，或既有折流又有错流，

49、若两流体均作折流，或既有折流又有错流， 则称为复杂折流。则称为复杂折流。 mtm tt 温差校 正系数 ( ,) t f R P 安德伍德（Underwood）和鲍曼（Bowman）图 算法 一、平均温度差法 先按逆流计算对数平均温度差，然后再乘以 考虑流动方向的校正因素。即 12 2 21 11 1 TT R tt tt P Tt 热流体的温降 冷流体的温升 冷流体的温升 两流体的最初温度差 具体步骤如下： 根据冷、热流体的进、出口温度，算出纯逆流 条件下的对数平均温度差tm。 按下式计算因数 R 和 P： 一、平均温度差法 根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校 正系数； 将纯逆流条

50、件下的对数平均温度差乘以温度 差校正系数，即得所求的。 mtm tt 一、平均温度差法 一边恒温时1 t 值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时 存在逆流和并流的缘故。 t ()()()ttt 并流错、折流逆流 通常在换热器的设计中规定， 值不应小 于0.8，否则值太小，经济上不合理。若低于此 值，则应考虑增加壳方程数，将多台换热器串 联使用，使传热过程接近于逆流。 t 一、平均温度差法 n温度差校正系数图是基于以下假定作出的：温度差校正系数图是基于以下假定作出的： n(1)壳程任一截面上流体温度均匀一致。壳程任一截面上流体温度均匀一致。 n(2)管方各程传热面积相等。管方各程传热面积相等。

51、n(3)总传热系数总传热系数K和流体比热容和流体比热容cp为常数。为常数。 n(4)流体无相变化。流体无相变化。 n(5)换热器的热损失可忽略不计。换热器的热损失可忽略不计。 (三三)流向的选择流向的选择 n若两流体均为变温传热时，且在两流体进、出口温度若两流体均为变温传热时，且在两流体进、出口温度 各自相同的条件下：各自相同的条件下： n逆流时的平均温度差最大，并流时的平均温度差最小，逆流时的平均温度差最大，并流时的平均温度差最小， 其它流向的平均温度差介于逆流和并流两者之间。其它流向的平均温度差介于逆流和并流两者之间。 n逆流的优点是：逆流的优点是： n1. 所需的换热器传热面积较小。所需

52、的换热器传热面积较小。 n2.可节省加热介质或冷却介质的用量。可节省加热介质或冷却介质的用量。 n1.换热器应尽可能采用逆流操作。换热器应尽可能采用逆流操作。 n2.但是在某些生产工艺要求下，若对流体的温度有所但是在某些生产工艺要求下，若对流体的温度有所 限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流 体被冷却时不得低于某一温度，此时则宜采用并流操体被冷却时不得低于某一温度，此时则宜采用并流操 作。作。 n3.采用折流或其它流动型式的原因除了为满足换热器采用折流或其它流动型式的原因除了为满足换热器 的结构要求外，就是为了提高总传热系数。但是平均的结

53、构要求外，就是为了提高总传热系数。但是平均 温度差较逆流时的为低。温度差较逆流时的为低。 n4.在选择流向时应综合考虑，在选择流向时应综合考虑， 值不宜过低，一般值不宜过低，一般 设计时应取设计时应取 0.9，至少不能低于，至少不能低于0.8，否则另选，否则另选 其它流动形式。其它流动形式。 n5.当换热器中某一侧流体有相变而保持温度不变时，当换热器中某一侧流体有相变而保持温度不变时， 不论何种流动形式，只要流体的进、出口温度各自相不论何种流动形式，只要流体的进、出口温度各自相 同，其平均温度差均相同。同，其平均温度差均相同。 t t 4.4.4 总传热速率方程的应用总传热速率方程的应用 n1

54、.传热面积的计算传热面积的计算 n总传热速率方程、热量衡算式总传热速率方程、热量衡算式 n（1）.总传热系数总传热系数K为常数为常数 mtK Q S （2）.总传热系数总传热系数K为变数为变数 当流体的温度变化较大时，流体的物性变化也较大，从而对流传当流体的温度变化较大时，流体的物性变化也较大，从而对流传 热系数的变化也较大，最终使总传热系数变化较大，所以上述公式热系数的变化也较大，最终使总传热系数变化较大，所以上述公式 误差较大。误差较大。 若若K随温度呈线性变化时，可用下式计算随温度呈线性变化时，可用下式计算 若若K随温度不呈线性变化时，可分段计算，将每段的随温度不呈线性变化时，可分段计算

55、，将每段的K视为常数，则视为常数，则 或或 若若K随温度变化较大时，应采用积分法：随温度变化较大时，应采用积分法： 或或 12 21 1221 ln tK tK tKtK SQ jmjjj tSKQ)( n j j QQ 1 n j jmj j tK Q S 1 )( 1 2)()( 00 T T x ph h Q x S tTK dTc W tTK dQ dSS 2 1)()( 00 t t x pc c Q x S tTK dtc W tTK dQ dSS 4-5-4 4-5-4 传热单元数法传热单元数法 一一. .传热效率传热效率 max Q Q 最大可能传热速率 实际传热速率 在换热器

56、中可能达到的最大温差：在换热器中可能达到的最大温差： T T1 1-t-t1 1 最小值流体：换热器中两流体中热容量流率较小者，最小值流体：换热器中两流体中热容量流率较小者， 表示为：表示为： min P WC 11 21 11 21 )( )( tT TT tTCW TTCW phh phh h 11 12 11 12 )( )( tT tt tTCW ttCW pcc pcc c 热流体为最小值热流体为最小值 流体流体 冷流体为最小值冷流体为最小值 流体流体 二二. .传热单元数传热单元数NTUNTU dStTKdtcWdTcWdQ pccphh )( 换热器的热量衡算和传热速率微分方程为

57、：换热器的热量衡算和传热速率微分方程为： 对冷流体，上式可改写为：对冷流体，上式可改写为： pccC W KdS tT dt 基于冷流体的传热单元数基于冷流体的传热单元数(NTU)(NTU)C C： 2 1 2 1 t t pccdLnS t t pcc tT dt dKn CW dL tT dt K CW dS K L 2 1 2 1 t t pcc t t pcc tT dt dn CW tT dt K CW S 或 K HC dn CW pcc (NTU)HL CC 2传热单元数传热单元数NTU（Number of Transfer Units） n1.传热单元数传热单元数NTU：传热单

58、元的个数。：传热单元的个数。 n2.当当 时时 ， 即即 由由 得得 (T-t)m=(Th2-tcl)+(Thl-tc2)/2 所以，传热单元长度是温度变化所以，传热单元长度是温度变化 与该段换热器内的平与该段换热器内的平 均推动力均推动力 相等时的换热器长度。相等时的换热器长度。 c HL 1)( c NTU 2 1 1 t t tT dt b a abfdxxf)()( 2 1 1 )( 12 t t m tT tt tT dt 12 tt m tT)( 表示方法：表示方法： 令令 传热单元长度，传热单元长度，m； 传热单元数传热单元数 dKn cW H dKn cW H pcc c ph

59、h h 2 1 1 2 )( )( t t c T T h tT dt NTU tT dT NTU 3.传热效率和传热单元数的关系（传热效率和传热单元数的关系（ 与与NTU） 以以单程并流单程并流换热器为例，传热效率和传热单元数的关系可以换热器为例，传热效率和传热单元数的关系可以 推导如下：推导如下： 总传热速率方程为：总传热速率方程为： 并流时对数平均温度差为并流时对数平均温度差为 ： 整理上两式，得整理上两式，得 m tKSQ 22 11 2211 ln )()( tT tT tTtT tm )(exp 1221 11 22 Q tt Q TT KS tT tT 因为因为 代人上式代人上式

60、,得得 若冷流体为最小值流体若冷流体为最小值流体,并令并令 Cmin =W ccpc Cmax=Whcph 则则 (NTU)min= 所以，有所以，有 1221 ttCWTTCWQ pccphh )1 (exp 11 22 phh pcc pcc cW cW cW KS tT tT min C KS )1 ()(exp max min min 11 22 C C NTU tT tT n因因 T2= n所以所以 n n n n )()( 12 max min 1121 tt C C Ttt cW cW T phh pcc 11 22 tT tT 11 212 max min 1 )( tT tt