第六章 换热器与热量传递

1、第六章 换热器与热量传递 第一节第一节 换热器换热器第二节第二节 热量传递的方式热量传递的方式第三节第三节 热传导热传导第四节第四节 对流传热对流传热 本章主要内容本章主要内容一、换热器的分类与结构形式一、换热器的分类与结构形式按用途分按用途分按交换方式分按交换方式分加热器、预热器、过热器、蒸发器、加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、冷凝器再沸器、冷却器、冷凝器间壁式间壁式直接接触式直接接触式蓄热式蓄热式第一节第一节 换热器换热器 二、管式换热器蛇管式换热器 列管式换热器套管式换热器三、板式换热器夹套式换热器 平板式换热器 （1 1）增大传热面积）增大传热面积采用小直径管、异形表面

2、、采用小直径管、异形表面、加装翅片加装翅片等等 （2 2）增大平均温度差）增大平均温度差提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度 改变两侧流体相互流向改变两侧流体相互流向 增加管壳式换热器的壳程数增加管壳式换热器的壳程数 （3 3）提高传热系数）提高传热系数提高流体的速度提高流体的速度增强流体的扰动增强流体的扰动在流体中加固体颗粒在流体中加固体颗粒在气流中喷入液滴在气流中喷入液滴采用短管换热器采用短管换热器防止结垢和及时清除污垢防止结垢和及时清除污垢设法减少对传热系数影响最大的热阻设法减少对传热系数影响最大的热阻四、强化换热器传热过程的途径四、强化换热器传热过程的途径在

3、环境工程中，很多过程涉及加热和冷却：对水或污泥进行加热；对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；在冷却操作中移出热量。传热是极普遍的过程：凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。第二节 热量传递的方式环境工程中涉及的传热过程主要有两种情况：强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。传热速率问题根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：热传导对流传热辐射传热通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。 流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。物体由于

4、热的原因而发出辐射能的过程。物体各部分之间无宏观运动 一、傅立叶定律一、傅立叶定律二、导热系数二、导热系数三、通过平壁的稳定热传导三、通过平壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导四、通过圆管壁的稳定热传导本节的主要内容本节的主要内容第三节第三节 热传导热传导在在气态、液态气态、液态和和固态固态物质中物质中都可以发生，但传递的方式和机都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。理是不同的。气体气体热量传递是热量传递是气体分子作不规则热运动气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果；时相互碰撞的结果； 固体固体以两种方式传递热量：以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移晶格振动和自由电子的迁移；液体

5、液体的结构的结构介于气体和固体之间介于气体和固体之间，分子可作幅度不，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。分子间的相互碰撞。机理：机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。发生的热量传递过程。 条件：条件：物体各部分之间物体各部分之间无宏观运动。无宏观运动。 T=TT=T0 0QT=TT=T1 1热流流量热流流量t=0t=0T=TT=T0 0T=TT=T0 0需要一个恒定的热量流量需要一个恒定的热量流量Q通过，才能通过，才能维持温度

6、差维持温度差01TTT不变不变热传导的速率热传导的速率？一、傅立叶定律一、傅立叶定律YTAQyTAQqddy y方向上的方向上的热量流量热量流量，也称为传热速率，也称为传热速率，W W导热系数导热系数，W/(mW/(mK K) )y y方向上方向上热量通量热量通量，即单位时间内通过单位面，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，积传递的热量，又称为热流密度，W/mW/m2 2垂直于热流方垂直于热流方向的面积，向的面积，m m2 2y y方向上的温方向上的温度梯度度梯度, , K/m K/m傅立叶定律傅立叶定律一、傅立叶定律一、傅立叶定律yTAQqdd热量通量与温度梯度成正比负号表示

7、热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。yTccqppdd变换：pcayTcaqpd)d(导温系数，或称热量扩散系数，m2/s热量浓度,J/m3热量传递的推动力令一、傅立叶定律是是物质的性质物质的性质，反映温度变化在物体中的，反映温度变化在物体中的传播能力传播能力 pca单位体积物质温度升高单位体积物质温度升高1 1o oC C是所需要是所需要的热量的热量, ,代表物质的代表物质的蓄热能力蓄热能力 导热系数，表明物质的导热系数，表明物质的导热能力导热能力apc说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物说明物体的某部分一旦获得热量，该热量能在整个物体中很快扩散体中

8、很快扩散或或导温系数导温系数yTqdd导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率导热速率表明物质导热性强弱即表明物质导热性强弱即导热能力导热能力的大小的大小是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关是物质的物理性质，与物质的种类、温度和压力有关不同物质的不同物质的导热系数导热系数差异较大差异较大二、导热系数二、导热系数(4.2.5)对于同一种物质，对于同一种物质， 值可能随不同的方向变化值可能随不同的方向变化各向异性各向异性（1 1）气体的导热系数随温度升高而增高气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度，近似与绝对温度的平方根成正比。的平方根成正

9、比。 一般情况下，一般情况下，压力对其影响不大压力对其影响不大，但在高压（高于，但在高压（高于200MPa200MPa）或低压（低于）或低压（低于2.7kPa2.7kPa）下，气体的导热系数随压）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。力的升高而增大。 气体的导热系数气体的导热系数二、导热系数二、导热系数（一）（一） 的影响因素：的影响因素：液体的导热系数液体的导热系数 水水甘油甘油二、导热系数二、导热系数（2 2）液体的导热系数随温度液体的导热系数随温度升高而减小升高而减小（水、甘油例外）（水、甘油例外） bTa压力对其影响不大。压力对其影响不大。 经验公式：经验公式：16TW(m k)-1W

10、(m k)-1 （3 3）固体的导热系数影响因素较多固体的导热系数影响因素较多 纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。的升高而减小，非晶体则相反。 二、导热系数二、导热系数固体的导热系数固体的导热系数 金属金属液体液体隔热材料隔热材料气体气体金属金属5050415 W/(m415 W/(mK K) )，合金，合金1212120 W/(m120 W/(mK K) )0.030.030.17 W/(m0.17 W/(mK K）0.170.17

11、0.7 W/(m0.7 W/(mK K) )0.0070.0070.17 W/(m0.17 W/(mK K) ) 氢氢水水水是工程上最常用的导热介质水是工程上最常用的导热介质换热壁面材料换热壁面材料多孔材料作为保温材料多孔材料作为保温材料保温材料受潮后隔热性能将保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降大幅度下降防潮防潮（二）工程中常用材料的导热系数（二）工程中常用材料的导热系数（1 1）在液体中，水的导热系数最大，）在液体中，水的导热系数最大，2020时为时为0.60.6W(m K)。因此，。因此，水是工程上最常用的导热介质。水是工程上最常用的导热介质。 （3 3）非金属中，石墨的导热系数最高，可达

12、）非金属中，石墨的导热系数最高，可达100200W（mK），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。 水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。 （2 2）气体的导热系数很小气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上温。工业上常用多孔材料作为保温材料常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空

13、隙，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。中存在的气体，使导热系数变小。( (一一) )单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导平壁厚度为平壁厚度为b，壁面两侧温度分别为，壁面两侧温度分别为1T2T12TT一维稳态热传导一维稳态热传导 xAQddT10:xTT2:xb TT)(21TTAbQb1T2T三、通过平壁的稳定热传导三、通过平壁的稳定热传导rTAQqT温差温差 为传热的推动力。为传热的推动力。)(21TTAbQAbRRTRTTQ)(21br 导热热阻导热热阻，K/W单位传热面积的导热热阻单位传热面积的导热热阻，m2K/W温度差温度差传导距离越大，传热壁面和导热系数越小，传导距离越

14、大，传热壁面和导热系数越小，则导热热阻越大则导热热阻越大传热速率传热速率= =传热的推动力传热的推动力导热热阻导热热阻例题例题 某平壁厚度某平壁厚度 为为 400mm，内表面温度，内表面温度 950，外表面温度外表面温度 300，导热系数，导热系数W/(mK)， T 的单位为的单位为。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。求导热热通量和平壁内的温度分布。1T2Tb取为常数取为常数12m95030062522TTTm1.00.001 6251.62512m9503001.62526410.4TT

15、qbW/m2W/(mK)？T T ？q解：（解：（1）导热系数按平壁的平均温度）导热系数按平壁的平均温度( (一一) )单层平壁的稳态热传导单层平壁的稳态热传导（2）导热系数取为变量）导热系数取为变量xTTxTqdd)001. 00 . 1 (dd分离变量并积分分离变量并积分bTTxqTT0dd)001.00 .1 (21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此2212120.001()()2TTTTqb1m2641950950 16251.625qTTxxx即温度分布为直线关系。即温度分布为直线关系。以以x表示沿壁厚方向上的距离，表示沿壁厚

16、方向上的距离，在在x处等温面上的温度为处等温面上的温度为22110.001()()2TTTTqx20.001(950)(950)26412TTx整理，得20.0011401264102TTx此时温度分布为曲线。在x处22121222210.001()()210.001(950300)(950300 )0.422641W/mqTTTTb（二）多层平壁的热传导（二）多层平壁的热传导AbAbAbTTRRRTTTQ33221141321321串联热阻叠加原则串联热阻叠加原则 层与层之间接层与层之间接触良好触良好 11QRT 22QRT 33QRT 热阻越大，通过该层热阻越大，通过该层的温度差也越大的温

17、度差也越大 1b1232b3b1T2T3T4TQ Q121111()TTTQAbR传热的推动力传热的推动力导热热阻导热热阻232222()TTTAbR343333()TTTAbR附加热阻附加热阻接触热阻接触热阻 层与层之间存在空气层层与层之间存在空气层 2201131brbTTq与接触面的材料、接触界面的粗糙度、与接触面的材料、接触界面的粗糙度、接触面的压紧力和空隙中的气压等有关接触面的压紧力和空隙中的气压等有关 接触热阻接触热阻（三）（三）n n层平壁的热传导层平壁的热传导111111nnnniiiiiTTTTbRAQ AbAbAbTTQ3322114111qrT 22qrT 33qrT 3

18、3221141bbbTTq211930 117813TTT322813555258TTT2T3Tq例题例题采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导采用圆柱坐标时，即为一维稳态热传导对于半径为对于半径为r r的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有dd(2)ddTTQArLrr 稳态导热时，径向的稳态导热时，径向的Q Q为常数，将上式分为常数，将上式分离变量并积分离变量并积分2211d2drTrTrQLTr 传热面积随半径发生变化传热面积随半径发生变化内径内径r r1 1外径外径r r2 21T2Trd1212212lnTTTTQLrRr半径半径r r四、通过圆管壁的稳定热传导

19、四、通过圆管壁的稳定热传导12mTTQbA21ln2rrRLmbRA21brr21m21lnAAAAA当21(/ )2rr 时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算 21m21lnrrrrrmm2Ar L1212212lnTTTTQLrRr21ln2rrRL圆管壁的导热热阻，K/W AbR平壁的导热热阻对数平均半径对数平均面积n层圆管壁的热传导层圆管壁的热传导假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有假设层与层之间接触良好，根据串联热阻叠加原则，有 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA12212lnTTQLrr12212lnTTQrLr设保温层内半径为设保温层内半径为r

20、处的温度为处的温度为T112lnTTQrLr例题例题 外径为外径为426mm的蒸汽管道外包装厚度为的蒸汽管道外包装厚度为426mm的保温材的保温材料，保温材料的导热系数为料，保温材料的导热系数为0.615W/(mK)。若蒸汽管道外表面。若蒸汽管道外表面温度为温度为177，保温层的外表面温度为，保温层的外表面温度为38，试求每米管长的热，试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布。损失和保温层中的温度分布。 保温层内的温度分布为曲线保温层内的温度分布为曲线 (1)简述傅立叶定律的意义和适用条件。(2)分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。(3)为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？

21、(4)当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。(5)若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。本节思考题第四节第四节 对流传热对流传热 1.1.工艺设计：工艺设计：通过物料衡算和热量衡算，确定传热系通过物料衡算和热量衡算，确定传热系数数K K，传热面积，传热面积A A，管子长度及数量，管子长度及数量设计计算设计计算根据物料进、出口的温度，计算对数平均温差根据物料进、出口的温度，计算对数平均温差根据物料的物性参数，确定根据物料的物性参数，确定11，22，R1R1，R2 R2 计算总传热系数计算总传热系数K K计

22、算热负荷计算热负荷确定传热面积确定传热面积A A，确定管径管数，确定管径管数对流换热对流换热指流体流过与其温度不同的固体壁面时指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体流体与壁面之间的热量交换与壁面之间的热量交换对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。对流换热过程是热传导与对流联合作用的结果。 对流换热过程对流换热过程列管式换热器列管式换热器工程中常见的对流换热过程工程中常见的对流换热过程 间壁式换热器的换热过程间壁式换热器的换热过程流体的热交换流体的热交换热交换器（换热器）热交换器（换热器）套管式换热器套管式换热器 单壳程两管程 12型两壳程四管程 24型壳程: 流体在壳体内每通过一次为一壳程

23、管程: 流体在管内每通过一次为一管程间壁式换热器间壁式换热器热量传递过程：热量传递过程：（1 1）热量由热流体传给固体壁面）热量由热流体传给固体壁面（2 2）热量由壁面的热侧传到冷侧）热量由壁面的热侧传到冷侧（3 3）热量由壁面的冷侧传到冷流体）热量由壁面的冷侧传到冷流体对流传热对流传热对流传热对流传热导热导热对流对流对流对流导热导热强制对流传热强制对流传热流体在外加能量的作用流体在外加能量的作用下处于流动状态下处于流动状态自然对流传热自然对流传热流体由于内部温度差流体由于内部温度差产生密度差而流动产生密度差而流动套管式换热器套管式换热器 对流传热问题的分类对流传热问题的分类暖气片暖气片（1

24、1）物性特征）物性特征导热系数导热系数 越大，热量传递越迅速；越大，热量传递越迅速；流体的黏度流体的黏度m m越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。越大，越不利于流动，会削弱与壁面的传热。 一、影响对流传热的因素一、影响对流传热的因素形成边界层形成边界层（2 2）流动特征）流动特征流动起因（自然对流、强制对流）流动起因（自然对流、强制对流）流动状态（层流、湍流）流动状态（层流、湍流）流体对流方式（并流、逆流、错流）流体对流方式（并流、逆流、错流）一、影响对流传热的因素一、影响对流传热的因素形成不同的温度差（推动力）形成不同的温度差（推动力）( (一一) )流动边界层的传热机理及温度分布流动边

25、界层的传热机理及温度分布 流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过方向上，热量的传递通过导热导热进行。进行。 （1 1）层流边界层）层流边界层层流区层流区湍流区湍流区WT0T 与静止流体中的导热一样吗？与静止流体中的导热一样吗？二、对流传热的机理二、对流传热的机理在静止的流体中在静止的流体中在层流流动的流体中在层流流动的流体中机理相同机理相同质点发生相对位移质点发生相对位移对流传热对流传热 实际上，实际上，流体流动使传热增强流体流动使传热增强。 流体的流动流体的流动增大了壁面处的温度梯度增大了壁面处的温度梯度，使壁面

26、处的热，使壁面处的热通量较静止时大通量较静止时大 ( (一一) )流动边界层的传热机理及温度分布流动边界层的传热机理及温度分布(T-TW)0.99(T0-TW) 将将( (T-TW)0.99(T0-TW)处处作为传热边界层的界限，该界限作为传热边界层的界限，该界限到壁面的距离称为边界层的厚度。到壁面的距离称为边界层的厚度。 壁面附近因传热而使流体壁面附近因传热而使流体温度发生变化的区域温度发生变化的区域（即（即存在温度梯度的区域存在温度梯度的区域）( (二二) )传热边界层传热边界层（1 1）传热边界层）传热边界层（2 2）传热边界层的厚度）传热边界层的厚度T T 边界层以外的区域认为不存在温

27、度梯度边界层以外的区域认为不存在温度梯度。传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热过程的阻力主要集中在传热边界层内，传热阻力取决于传热边界层的厚度。传热阻力取决于传热边界层的厚度。T TWT0TWT0T 2TTAQdd1TdA( (一一) )牛顿冷却定律牛顿冷却定律 通过传热面通过传热面dA的的局部对流传热速率局部对流传热速率局部对流传热系数局部对流传热系数dAQ三、对流传热速率三、对流传热速率(一一)牛顿冷却定律牛顿冷却定律 TAQdd与传热方向垂直的与传热方向垂直的微元微元传热面积传热面积，m m2 2局部局部对流传热系数对流传热系数，或称，或称为膜系数，为膜系数，W/W/（m m2 2

28、K K）流体与固体壁面流体与固体壁面d dA A之间的之间的温差温差，K K通过传热面通过传热面d dA A的局部的局部对流传热速率对流传热速率，W W通过传热面的传热速率正比于固体壁通过传热面的传热速率正比于固体壁面与周围流体的温度差和传热面积面与周围流体的温度差和传热面积 温度沿程变化温度沿程变化TAQATQ1A1为为对流传热热阻。对流传热热阻。局部局部对流传热系数对流传热系数 在传热过程中，温度沿程变化，因此在传热过程中，温度沿程变化，因此对流系数为局对流系数为局部的参数部的参数。在实际工程中，常采用平均值进行计算在实际工程中，常采用平均值进行计算，因，因此牛顿冷却定律可写成此牛顿冷却定

29、律可写成W/（m2K）对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即对流传热速率也可以用对流传热热阻表示，即AbR导热热阻导热热阻 式中，式中，y y不是实际的流体层厚度，而是某个虚拟的流体层厚不是实际的流体层厚度，而是某个虚拟的流体层厚度，称之为度，称之为有效膜厚度有效膜厚度。比较傅立叶定律比较傅立叶定律与牛顿冷却定律与牛顿冷却定律可以发现可以发现y y 在厚度在厚度y y内集中了全部的传热热阻，这样把内集中了全部的传热热阻，这样把一个对流传热过程的热阻一个对流传热过程的热阻相当于某个厚为相当于某个厚为y y的静的静止流体膜所造成的导热热阻。止流体膜所造成的导热热阻。有效膜厚度有效膜厚度ddTQA

30、y TAQddy（二）对流传热系数（二）对流传热系数 不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等换热方式换热方式空气自然对流空气自然对流5 52525气体强制对流气体强制对流2020100100水自然对流水自然对流20020010001000水强制对流水强制对流100010001500015000水蒸气冷凝水蒸气冷凝500050001500015000有机蒸气冷凝有机蒸气冷凝50050020002000水沸腾水沸腾25002500250002

31、5000如何确定对流传热系数？如何确定对流传热系数？（二）对流传热系数（二）对流传热系数 流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零流体与固体壁面之间的热量传递必然通过紧贴壁面速度为零的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。的流体层，其传热为导热，因此传热规律遵循傅立叶定律。用用 表示近壁处的温度梯度，则表示近壁处的温度梯度，则0yyT0ddyyTAQ牛顿冷却定律牛顿冷却定律0yyTT很难得出！很难得出！ TAQdd对流传热微分方程式对流传热微分方程式理论上计算对流传热系数的基础理论上计算对流传热系数的基础y0yyTT层流边界层或层流底层的厚度减小层流边界层或层流底层的厚

32、度减小通过改善流动状况使层流底层厚度减小，通过改善流动状况使层流底层厚度减小，是工程上强化对流传热的主要途径之一是工程上强化对流传热的主要途径之一（1 1）量纲分析）量纲分析 （2 2）利用动量传递与热量传递的类似性）利用动量传递与热量传递的类似性 求解对流传热系数的途径求解对流传热系数的途径 对流传热系数的经验式对流传热系数的经验式（二）对流传热系数（二）对流传热系数 ( (一一) )管内强制对流传热管内强制对流传热1 1流体在圆形直管内流体在圆形直管内呈强烈的湍流状态呈强烈的湍流状态流动流动0.8f0.023NuRePr努塞尔特数努塞尔特数 LNupcPrm普兰德数普兰德数 0.8ii0.

33、023fpcd udmm流体被冷却时流体被冷却时, ,f f0.30.3流体被加热时流体被加热时, ,f f0.40.4对于低黏度（小于对于低黏度（小于2 2倍常温水的黏度）的流体倍常温水的黏度）的流体 四、对流传热系数的经验式四、对流传热系数的经验式如何确定物性？如何确定物性？定性温度定性温度：流体进出口温度的算术平均值。：流体进出口温度的算术平均值。特征尺寸特征尺寸：管内径：管内径id410Re 0.7120Pr管内壁面光滑；管长与管径之比管内壁面光滑；管长与管径之比i/L d5050。 应用条件：应用条件：应用范围：应用范围：应在实验数值范围内应在实验数值范围内湍流情况下，对流传热系数湍

34、流情况下，对流传热系数与流速的与流速的0.80.8次方成正比次方成正比，与管与管径的径的0.20.2次方成反比次方成反比。0.8ii0.023fpcd udmm强化传热：强化传热：提高流速或采用小直径的管道，其中提高提高流速或采用小直径的管道，其中提高流速更为有效。流速更为有效。强化措施：强化措施：设备和管道保温的方法是在其外部包装绝热材料设备和管道保温的方法是在其外部包装绝热材料问题：保温层的厚度？越厚越好？问题：保温层的厚度？越厚越好？c1TfT1d2d1f1f21122ln(/)12ccTTTTQddRRLd L211ln(/)2ddRL221Rd L传导热阻传导热阻对流传热热阻对流传热

35、热阻当保温层厚度增加（即当保温层厚度增加（即 增大）时增大）时2d1R2R热传导热传导对流传热对流传热Q? ?五、保温层的临界直径五、保温层的临界直径12mTTQbA21ln2rrRLmbRA21brr21m21lnAAAAA当当21(/ )2rr 时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算时，可以用算术平均值代替对数平均值，简化计算 21m21lnrrrrrmm2Ar L1212212lnTTTTQLrRr21ln2rrRL圆管壁的导热热阻，圆管壁的导热热阻，K/W AbR平壁的导热热阻平壁的导热热阻对数平均半径对数平均半径对数平均面积对数平均面积12222212112 ()2d0dln(

36、/)1cfL TTddQdddd由此得到由此得到热损失热损失 为最大值为最大值时的保温层直径：时的保温层直径：Q2c2dd保温层的临界直径保温层的临界直径保温层的临界厚度保温层的临界厚度c12dd在临界厚度以下，包的越厚保温性能越差在临界厚度以下，包的越厚保温性能越差包裹时要超过临界厚度包裹时要超过临界厚度【例】外径为【例】外径为25mm的钢管，其外壁温度保持的钢管，其外壁温度保持350，为减少，为减少热损失，在管外包一层导热系数为热损失，在管外包一层导热系数为0.2W/(mK)的保温材料。的保温材料。已知保温层外壁对空气的对流传热系数近似为已知保温层外壁对空气的对流传热系数近似为10 W/(

37、m2K)，空气温度为空气温度为20。计算。计算（1 1）保温层厚度分别为）保温层厚度分别为2mm、5mm和和7mm时，每米管长的时，每米管长的热损失及保温层外表面的温度；热损失及保温层外表面的温度；（2 2）保温层厚度为多少时热损失量最大？此时每米管长的）保温层厚度为多少时热损失量最大？此时每米管长的热损失及保温层外表面的温度各为多少？热损失及保温层外表面的温度各为多少？（3 3）若要起到保温作用，保温层厚度至少为多少？设保温）若要起到保温作用，保温层厚度至少为多少？设保温层厚度对管外空气对流传热系数的影响可忽略。层厚度对管外空气对流传热系数的影响可忽略。（二）对流传热系数（二）对流传热系数

38、不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、不是物性参数，与很多因素有关，其大小取决于流体物性、壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等壁面情况、流动原因、流动状况、流体是否有相变等换热方式换热方式空气自然对流空气自然对流5 52525气体强制对流气体强制对流2020100100水自然对流水自然对流20020010001000水强制对流水强制对流100010001500015000水蒸气冷凝水蒸气冷凝500050001500015000有机蒸气冷凝有机蒸气冷凝50050020002000水沸腾水沸腾250025002500025000解：（解：（1 1）c1f2122235020

39、ln(/)ln(/0.025)1122 0.210TTQdddLdd稳态传热时，各层传热速率相等，即稳态传热时，各层传热速率相等，即c1f212ln(/)12TTQddLd1f21QTTLd当保温层厚度为当保温层厚度为2mm时，时，2d35020271.3ln(0.029/0.025)12 0.2 0.029 10QL1120271.3318 0.029 10T 0.029mW/mo1350 CcT o20 CfT 1d2d1?T ?QL1f21TTd同理，当保温层厚度为同理，当保温层厚度为5mm时，时，2d0.035m0 .280LQ2751T当保温层厚度为当保温层厚度为7mm时，时，2d0

40、.039m6 .281LQ2501T在保温层为在保温层为27mm时，随着厚度的增加，热损失量增加。时，随着厚度的增加，热损失量增加。W/mW/m（2）热损失达到最大值时的保温层直径为临界直径，即 04. 0102 . 0222cddm 保温层的临界厚度为 （cd1d）/2（0.04-0.025）/2=0.0075m 此时，得 9 .281maxLQW/m 2441T 即 1212112)/ln(dddd 10025. 011012 . 02)025. 0/ln(22dd 解得2d0.07m，则保温层的厚度应大于 （0.07-0.25）/20.0225m 一般情况下，热损失随一般情况下，热损失随

41、保温层厚度增加而减小。保温层厚度增加而减小。但对于小直径的管道，但对于小直径的管道，则可能出现相反的情况，则可能出现相反的情况，即随保温层的厚度增加，即随保温层的厚度增加，热损失加大。热损失加大。 （3）为了起到保温作用，加保温层后应使热损失小于裸管时的热损失。 因此保温层的外径应满足 112121112)/ln(dTTdddTTLQfcfc 即 c1fc1f2112ln()112TTTTQddLdd2121ln()112dddd22ln(/0.025)1120.2100.025 10dd热流体通过间壁将热量传给冷热流体通过间壁将热量传给冷流体的过程分为三步流体的过程分为三步 ：对流传热对流传

42、热导热导热对流传热对流传热1A1 2A2 Am b外侧外侧内侧内侧热热流流体体冷冷流流体体QhTcT（1 1）热流体将热量传给固体壁面）热流体将热量传给固体壁面（2 2）热量从壁的热侧面传到冷侧面）热量从壁的热侧面传到冷侧面（3 3）热量从壁面传给冷流体）热量从壁面传给冷流体六、间壁传热过程计算六、间壁传热过程计算hc11m2211TTQbAAAhcTTT传热过程总推动力传热过程总推动力传热总热阻传热总热阻11m2211bRAAA总热阻等于各总热阻等于各项热阻之和项热阻之和（一）总传热速率方程（一）总传热速率方程TKAQ1A2AmA取定的面积取定的面积传热基本方程传热基本方程总传热系数总传热系

43、数以外表面积作为基准以外表面积作为基准111m22111bKAAAA111m2211bAAKAA12mAAA21111bK对于平壁或薄管壁对于平壁或薄管壁热侧为外侧时热侧为外侧时表示换热设备性能的极为重要的参数表示换热设备性能的极为重要的参数 （二）总传热系数（二）总传热系数(4.3.25)污垢热阻污垢热阻111S1S21m22211bAAArrKAAA外侧表面上单位传热外侧表面上单位传热面积的污垢热阻面积的污垢热阻 内侧表面上单位传热内侧表面上单位传热面积的污垢热阻面积的污垢热阻比间壁的热阻大得多比间壁的热阻大得多难以准确估计，采用经验值难以准确估计，采用经验值对于平壁或薄管壁，有对于平壁或

44、薄管壁，有S1S212111brrK111m2211bAAKAA21111K若若12111K12211K间壁外侧对流传热控制间壁外侧对流传热控制间壁内侧对流传热控制间壁内侧对流传热控制若污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时若污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时 欲提高必须设法欲提高必须设法减慢污垢形成速度或及时清除污垢减慢污垢形成速度或及时清除污垢S1S212111brrK决速步骤决速步骤! !【例】一空气冷却器，【例】一空气冷却器，空气在管外空气在管外横向流过，对流传热系数横向流过，对流传热系数为为80 W/（m2K）；）；冷却水在管内冷却水在管内流过，对流传热系数为流过，对流传热系数为

45、5000 W/（m2K）。冷却管为）。冷却管为252.5mm的钢管，其导热系的钢管，其导热系数为数为45 W/（mK）。求）。求（1）该状态下的总传热系数；）该状态下的总传热系数；（2）若将管外对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传）若将管外对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数如何变化？热系数如何变化？（3）若将管内对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传）若将管内对流传热系数提高一倍，其他条件不变，总传热系数如何变化？热系数如何变化？解：（解：（1）以管外表面积为基准的总传热系数满足）以管外表面积为基准的总传热系数满足111m2211bAAKAA即即 111m2211bddKdd

46、=25mm，=20mm012812. 000025. 0000062. 00125. 0205000254 .2245250025. 08011K1 .78K W/（m2K）1d2dmm4 .222025ln2025ln21 1 d d d2dd m（2）若）若 提高一倍，则提高一倍，则1006562. 000025. 0000062. 000625. 0205000254 .2245250025. 080211K4 .152K W/（m2K） 2 （3）若）若 提高一倍，则提高一倍，则012687. 0000125. 0000062. 00125. 02050002254 .22452500

47、25. 08011K 可见，气侧热阻远大于水侧热阻，增加可见，气侧热阻远大于水侧热阻，增加气侧对流传热系数，气侧对流传热系数，所引起的总传热系数的提高远远大于增加水侧对流传热系数。所引起的总传热系数的提高远远大于增加水侧对流传热系数。8 .78K W/（m2K）( (三三) )传热推动力传热推动力TKAQ? ?（1 1）逆流和并流逆流和并流时的传热温差时的传热温差T Th1h1T Tc1c1T Th2h2T Tc2c2T Th1h1T Th2h2T Tc1c1T Tc2c2T Th1h1T Th2h2T Tc1c1T Tc2c2T Th1h1T Th2h2T Tc2c2T Tc1c12T1T1

48、T2T逆流逆流并流并流Th1Th2Tc1Tc22T1TThTcThcTTThcdddQK TTAK T A通过微元面的传热量为在微元中热、冷流体的温差为热流体放出热量 ，温度下降QdhdT冷流体得到热量 ，温度上升mhphhddQqcT mcpccddQqcT 分别对热流体和冷流体进行热量衡算cdTQdhdTcdT(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30)假 定 ： （ a） 换 热 器 在 稳 定 情 况 下 操 作 ， 热 、 冷 流 体 的 质 量 流量h和c沿 换 热 面 为 常 数 ； （ b） 流 体 的 比 热 容phc和pcc及 传 热 系 数 沿 换 热

49、 面 不 变 ； （ c） 换 热 器 无 热 损 失 。 mhqm cqhpccpcTh1Th2Tc1Tc22T1TThTcThcTTThcdddQK TTAK T A通过微元面的传热量为在微元中热、冷流体的温差为热流体放出热量 ，温度下降QdhdT冷流体得到热量 ，温度上升mhphhddQqcT ddhmhphQTq c mcpccddQqcT ddcmcpcQTq c 分别对热流体和冷流体进行热量衡算cdTQdhdTcdT(4.3.27)(4.3.28)(4.3.29)(4.3.30)hcdddTTTcchh11ddmpmpTQq cqc21cchh11mpmpTTQq cqc21cch

50、h11mpmpTTq cqcQcchhdd11mpmpTK T Aq cqccchhd11dmpmpTK Aq cqcT积分，得ATKATTKQchdddcchhdd11mpmpTQq cqc2121lnTTTKAQThhhddmpQTqc cccddmpQTq c 热容流量cchhdd11mpmpTQq cqc 时，对数平均值与算术平均值的差小于时，对数平均值与算术平均值的差小于4 4，此时在工程计算中可以用算术平均值代替对数平均值。此时在工程计算中可以用算术平均值代替对数平均值。122TT1212mlnTTTTT平均传热温差，平均传热温差，对数平均温差对数平均温差 2121TT换热器两端温

51、差大的数值换热器两端温差大的数值换热器两端温差小的数值换热器两端温差小的数值计算并流和逆流情况下平均温差的通式计算并流和逆流情况下平均温差的通式 21m21lnTTQKAKA TTT结论：在冷热流体的初、终温度相同的条件下，结论：在冷热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均温逆流的平均温差较并流的大差较并流的大。【例】在套管换热器中用冷水将【例】在套管换热器中用冷水将100的热水冷却到的热水冷却到60，冷水温，冷水温度从度从20升至升至30。试求在这种温度条件下，逆流和并流时的平均。试求在这种温度条件下，逆流和并流时的平均温差。温差。1T606020204040，2T100100303070

52、701T606030303030，2T1001002020808021m,21803051.080lnln30TTTTT并6 .534070ln4070ln1212m,逆TTTTT并流时并流时解：逆流时解：逆流时逆流的推动力是最大的逆流的推动力是最大的 在换热器的传热量及总传热系数相同的条件下，采用逆流在换热器的传热量及总传热系数相同的条件下，采用逆流操作，其优点是：操作，其优点是：（1）可以节省传热面积，减少设备费；）可以节省传热面积，减少设备费；（2）或可以减少换热介质的流量，降低运行费。）或可以减少换热介质的流量，降低运行费。 因此，在实际因此，在实际工程中多采用逆流操作工程中多采用逆流操作 热、冷流体的最高温度集中在换热器的一端，使热、冷流体的最高温度集中在换热器的一端，使得该处的壁温较高。得该处的壁温较高。对于高温换热器，应避免采用逆流操作对于高温换热器，应避免采用逆流操作逆流操作的缺点：逆流操作的缺点：（2 2）错流和折流时错流和折流时的传热温差的传热温差 按逆流计算对数