传热化工原理

1、2022-3-221第第6章章 传热传热Heat Transfer第6章 传热2022-3-222传热在化工生产中的应用传热在化工生产中的应用6.1 概概 述述(Introduction) 6.1.1 化工生产中的传热过程化工生产中的传热过程蒸发、蒸馏、干燥、结晶、化学反应等蒸发、蒸馏、干燥、结晶、化学反应等传热过程的基本要求传热过程的基本要求1.强化传热（加热或冷却）；强化传热（加热或冷却）；2.避免传热（保温）避免传热（保温）; 热量传递方向：热量传递方向：高温传向低温高温传向低温传热过程的推动力：传热过程的推动力：温度差温度差第6章 传热2022-3-223冷、热流体在传热设备中通冷、热

2、流体在传热设备中通过过直接混合的方式直接混合的方式进行热量交换，进行热量交换，又称为又称为混合式传热。混合式传热。 优点：优点：方便和有效，而且设方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。水冷或热水的空气冷却。缺点：缺点：在工艺上必须允许两在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。种流体能够相互混合。1 直接接触式传热直接接触式传热6.1.2 冷热流体的接触方式冷热流体的接触方式第6章 传热2022-3-2242 蓄热式传热蓄热式传热冷、热两种流体交替冷、热两种流体交替通过同一蓄通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来热室时，即可通过填料将从

3、热流体来的热量传递给冷流体，达到换热的目的热量传递给冷流体，达到换热的目的。的。优点：优点：结构较简单，可耐高温，结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。常用于气体的余热或冷量的利用。缺点：缺点：由于填料需要蓄热，所以由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。难免会有一定程度的混合。第6章 传热2022-3-2253 间壁式传热间壁式传热在多数情况下，化工工艺上在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触不允许冷热流体直接接触，故直接接触式，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是传热和蓄

4、热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热间壁式传热过过程。这类换热器的程。这类换热器的特点是特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热或石墨等导热性能好的非金属壁性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传不相混合的情况下进行热量传递递。这类换热器中以。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器套管式换热器和列管式换热器为典型设备。为典型设备。第6章 传热2022-3-2266.1.3 载热体及其选择载热体及其选择 加热剂：加热剂： 水及水蒸气（水及水蒸气（40-180）联苯混合物（道生油）（联苯混合

5、物（道生油）（255-380 ）载热体载热体 熔盐（熔盐（142-530 ）冷却剂：冷却剂：水，空气，冷冻剂（无机盐水溶液、乙二醇、液氨）水，空气，冷冻剂（无机盐水溶液、乙二醇、液氨）矿物油（矿物油（180-250 ）烟道气（烟道气（500-1000 ）选择原则：选择原则： 温度易于调节温度易于调节 饱和蒸汽压低饱和蒸汽压低 无毒、无腐蚀无毒、无腐蚀 价格低廉价格低廉,易得易得第6章 传热2022-3-2276.1.4 传热中的基本概念传热中的基本概念 热流密度（热通量）热流密度（热通量）q：单位面积上的传热速率，单位面积上的传热速率，Wm-2潜热：潜热：物质在发生相变化时伴随的热量变化，物质

6、在发生相变化时伴随的热量变化，J传热速率传热速率Q是指单位时间传递的热量，是指单位时间传递的热量，W。传热速率也称为传热速率也称为热负荷热负荷显热：显热：由于温差而传递的热量由于温差而传递的热量mpqct传热速率指的是由于传热面与介质传热速率指的是由于传热面与介质间有温度差而使热量由高温处向低间有温度差而使热量由高温处向低温处流动的速率温处流动的速率定压比热容定压比热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，时所需的热量，Jkg-1K-1q=Q/A第6章 传热2022-3-228定态传热：定态传热：在传热体系中各点的在传热体系中各点的温度只随

7、换热器的位置的变化而变，温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变特点：不随时间而变特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。定为常数。非定态传热：非定态传热：若传热体系中各点的若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：变化。特点：传热速率、热通量均为变量。传热速率、热通量均为变量。 通常连续生产多为定态传热，间歇操作多为非定态传热。通常连续生产多为定态传热，间歇操作多为非定态传热。化工过程中连续生产是主要的，因而化工过程中连续生产是主要的，因而本章主要讨论定态传热本章主要讨论定态传热。6.

8、1.5 定态传热和非定态传热定态传热和非定态传热第6章 传热2022-3-2296.1.6 温度场和温度梯度温度场和温度梯度, , ,tf x y z 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。温度场温度场：某时刻物体在空间各点的温度分布。：某时刻物体在空间各点的温度分布。 1 1 温度场和等温面温度场和等温面第6章 传热2022-3-2210定态温度场定态温度场 , , ,tfx y z非定态温度场非定态温度场 zyxft, 等温面等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。的点组成的面。 不同温度的等温面不相

9、交不同温度的等温面不相交。t1t2t1t2等温面等温面Q0t第6章 传热2022-3-22112 2 温度梯度温度梯度 ntnttgradn0limt+tt- ttnQdA 温度梯度是一个向量。温度梯度是一个向量。 方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向方向垂直于该点所在等温面，以温度增加的方向为正方向。为正方向。0limntdtgradtndx 一维定态传热一维定态传热第6章 传热2022-3-22126.1.7 传热的基本方式（传热机理）传热的基本方式（传热机理） 辐辐射射传传热热：对对流流传传热热：导导热热）热热传传导导：(发生在物质内部或静止（或层流）流体内，无物质的宏观位移发生在

10、物质内部或静止（或层流）流体内，无物质的宏观位移发生在流体内，物质发生宏观位移发生在流体内，物质发生宏观位移依靠电磁波传热依靠电磁波传热第6章 传热2022-3-22136.1.8 本章要解决的问题本章要解决的问题传热规律传热规律毛衣外穿合理吗？毛衣外穿合理吗？加热器（致冷器）应装在房间的什么地方？加热器（致冷器）应装在房间的什么地方？开水壶底有凹槽，为什么？开水壶底有凹槽，为什么？传热面积计算传热面积计算换热器的结构换热器的结构第6章 传热2022-3-22146.2 热传导（热传导（Heat Conduct）热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分

11、向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。个与它直接接触的低温物体传热的过程。导热不依靠物质的宏观位移，起因于物体内部分导热不依靠物质的宏观位移，起因于物体内部分子微观运动的一种传热方式。子微观运动的一种传热方式。第6章 传热2022-3-2215 t+dt t dx dl dtdQdAdx 6.2.1 傅立叶定律傅立叶定律负号表示传热的方向与温度梯度的负号表示传热的方向与温度梯度的方向相反方向相反dtQAdx 导热系数导热系数 , , 单位为单位为W/(mK) 随传热距离而引起的温度随传热距离而引起的温度变化，称

12、为温度梯度变化，称为温度梯度第6章 传热2022-3-2216 物性之一：物性之一：是物质是物质导热能力导热能力的标志的标志,与物质种类、热力学状态（与物质种类、热力学状态（T、P）有关。有关。 物理含义：物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面）即：当物体两个面（等温面）间温差为间温差为1K，厚度为，厚度为1m时，每秒经过时，每秒经过1m2传热面积所能传导的热量。传热面积所能传导的热量。故物质的故物质的 越越大，导热性能越好。大，导热性能越好。 通常：通常：导电固体导电固体非导电固体，液体非导电固体，液体气体气体 T升高升高，气体、水

13、的，气体、水的 升高升高，其它液体的，其它液体的 降低降低 。 导热系数导热系数数据来源：数据来源：物质的导热系数可以通过物质的导热系数可以通过实验测定，实验测定，也可以也可以查资料、计算查资料、计算QdtAdx )10at（ w w2211. 312231113122231111MxMxMxMx固体固体液体混合物液体混合物气体混合物气体混合物计算计算金属：金属：a0第6章 传热2022-3-2217/dtqQ Adx 12()tttARQqA若若 为常数，则：为常数，则：当当x=0时，时，t=t1，当，当x= 时，时， t=t2积分上式：积分上式： 6.2.2 平面壁的一维定态热传导平面壁的

14、一维定态热传导1.单层平面壁的热传导单层平面壁的热传导热阻热阻显然，显然，Q =常数且常数且q =常数常数tt1t2Qx0 xdx第6章 传热2022-3-2218233412112233311433121231()()()()iiiiittttttQqAAAAtttAAAA总推动力总热阻2. 多层平壁的一维定态热传导多层平壁的一维定态热传导 t t2 t3 t4 t1 0 x 1 2 3 显然，通过每一层显然，通过每一层Q =常数，常数，q =常数常数第6章 传热2022-3-2219两层壁交界处的温度两层壁交界处的温度32222QttA12111()ttAQ21111QttA第6章 传热2

15、022-3-2220例例6-1某工业锅炉的炉壁由耐火砖某工业锅炉的炉壁由耐火砖（ 1=1.3W/m.K）、保温砖、保温砖（ 2=0.20W/m.K）普通砖普通砖（ 3=0.95W/m.K）组成，炉膛内壁温度为组成，炉膛内壁温度为1000 ，普通砖层厚，普通砖层厚12 cm，其外表面温度为其外表面温度为50，通过炉壁的热损失为，通过炉壁的热损失为1200W/m2, 绝热材料的耐热温度为绝热材料的耐热温度为900 ，求耐火砖的最小厚度及此时绝热层的厚度及其外壁温度。，求耐火砖的最小厚度及此时绝热层的厚度及其外壁温度。121111000900q= 12001.3tt3433350q= 12000.1

16、20.95ttt23222900201.6q= 12000.20tt耐火砖耐火砖 解得解得 110.83cm 解得解得t t3 3=201.6 =201.6 解得解得 211.64cm普通砖普通砖保温砖保温砖第6章 传热2022-3-2221dtQqAAdr 常数常数但q2dtQqArLdr 常数22112trtrQdtdrrL12122121lnln22ttttQr rddLL 1. 单层圆筒壁定态导热单层圆筒壁定态导热若若 为常数，则：为常数，则：-可见温度分布可见温度分布 为对数关系为对数关系 6.2.3 圆筒壁的一维定态热传导（无内热源）圆筒壁的一维定态热传导（无内热源）tr1rr2r

17、drt1t2dt第6章 传热2022-3-2222121221212121ln22ln()ttttQr rrrLLrrr r 1212212mmttttQrrALr推 动 力阻 力21mm = r -r = 2 LrA式中：1212lnrrrrrm令12()ttQA第6章 传热2022-3-22233233411231112223331()()()()iimmmiimiitttttttQAAAA2. 多层圆筒壁稳态导热多层圆筒壁稳态导热23341221324312314324321123lnlnln222lnlnln222ttttttQr rr rr rLLLttddddddLLL dtQqA

18、Adr 常数常数但q第6章 传热2022-3-2224 例例6-2 外径为外径为 426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为的蒸汽管道，其外包扎一层厚度为 426mm的的保温层，保温材料的导热系数为保温层，保温材料的导热系数为 0.615 W/(m)。若蒸汽管道外表面温度若蒸汽管道外表面温度为为 177 ，保温层的外表面温度为，保温层的外表面温度为 38，试求每米管长的热损失以及保温，试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布。层中的温度分布。解：解：2332ln2ttQr rL 由：由：保温层的外表面的半径保温层的外表面的半径 r30.2130.426=0.639m,温度温度 t3=38蒸汽导

19、管外表面的半径蒸汽导管外表面的半径 r20.426/2=0.213m, 温度温度 t2=177第6章 传热2022-3-2225可得每米管道的热损失为：可得每米管道的热损失为： 23322()20.615(17738)489W/m0.639lnln0.213ttQrLr设保温层内半径设保温层内半径 r 处的温度为处的温度为 t，代入上式：代入上式： 222()489lnttQrLr将已知数据代入，整理得温度将已知数据代入，整理得温度t与半径的关系式为：与半径的关系式为： t = -126.6 ln r 18.64筒壁内的温度分布筒壁内的温度分布不是直线不是直线，而是曲线。，而是曲线。 第6章

20、传热2022-3-2226第6章 传热2022-3-2227例例6-3 有一蒸汽管道，外径为有一蒸汽管道，外径为25mm，管外包有两层保温材料，管外包有两层保温材料，每层材料均厚每层材料均厚25mm，外层保温材料与内层材料导热系数之，外层保温材料与内层材料导热系数之比比 2/ 1=5，此时单位时间的热损失为，此时单位时间的热损失为Q；若将两层材料互换，；若将两层材料互换，且设管外壁与保温层外表面的温度且设管外壁与保温层外表面的温度t1、t3不变，则此时热损失不变，则此时热损失为为Q，求，求Q/Q=？1313113322111122()lnln75 25ln125 75ln1.222522ttt

21、tLttQddddLLLL 13131133212111212()lnln75 25ln125 75ln0.7325222ttttLttQddddLLLL 1.21.640.73QQ导热系数小的材料应包在内层导热系数小的材料应包在内层解：解：第6章 传热2022-3-2228 21201212LrLrrttQ ln总热阻总热阻总推动力总推动力02 drdQ令令 t1 t2 t0 r1 r2 则 2r 002222 drdQrdrdQr时，时，当当时，时，当当 Q rcr2-临界半径 rc故 Q 有极大值 保温层的临界厚度保温层的临界厚度第6章 传热2022-3-2229影响因素影响因素：接触材

22、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6.2.4 接触热阻接触热阻接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计1311111cttQAAA接触热阻接触热阻第6章 传热2022-3-22306.3 对流传热对流传热(Heat Convection) 热对流是指热对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中。传递过程。热对流仅发生在流体中。对流方式对流方式强制对流强制对流自然对流自然对流因搅拌等外力而使

23、因搅拌等外力而使质点产生相对位移质点产生相对位移流动的流体与外界的传热流动的流体与外界的传热因流体中各处温度不同引起密度差异因流体中各处温度不同引起密度差异而使流体质点产生相对位移而使流体质点产生相对位移静止流体与外界的传热静止流体与外界的传热 电热炉烧水第6章 传热2022-3-22311 对流传热过程分析对流传热过程分析（1）层流边界层）层流边界层（层流内层）内：热（层流内层）内：热 传导，热阻大；传导，热阻大；（2）过渡区：）过渡区：热传导与对流传热共同热传导与对流传热共同 起作用；起作用；（3）湍流区：）湍流区：充满漩涡，混合较好，充满漩涡，混合较好， 对流为主，热阻小。对流为主，热阻

24、小。6.3.1 对流传热速率对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律第6章 传热2022-3-22322 2 对流传热速率对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律流体被加热：流体被加热：11w()QA TT Q 对流传热速率，对流传热速率，W； 对流传热系数，对流传热系数，W/(m2)； Tw，tW 热、冷流体侧壁温，热、冷流体侧壁温，； T ，t热、冷流体平均温度，热、冷流体平均温度，； A 传热面积，传热面积，m2。流体被冷却：流体被冷却：22w()QA ttTtTtT Tw tw t 第6章 传热2022-3-22336.3.2 对流传热系数对流传热系数（1 1）引起流动的原因）引起流动的原因自

25、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 自 （2 2）流体的物性）流体的物性 ， ， ，c cp p1.1.影响因素影响因素 第6章 传热2022-3-2234（5）是否发生相变）是否发生相变 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）传热面的形状，大小和位置）传热面的形状，大小和位置形状：如管、板、管束等；形状：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：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角位置：如管子的排列方式

26、（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。（3 3）流动型态）流动型态 层流、湍流层流、湍流 湍湍 层层 第6章 传热2022-3-22352 对流传热系数的因次分析对流传热系数的因次分析影响对流给热的因素有：影响对流给热的因素有： 式中式中 l特性尺寸；特性尺寸； u特征流速。特征流速。通过因次分析，上述通过因次分析，上述8个变量可用个变量可用4 4个无因次个无因次数群表示。数群表示。 f(u，l，cp，gt)自然对流特性第6章 传热2022-3-2236 lNu duRepcPr223tlgGrNusselt Number ：待定

27、准数待定准数Reynolds Number :流动型态对流动型态对 对流传热的影响对流传热的影响Prandtl Number :流体物性对流体物性对 对流传热的影响对流传热的影响Grashof Number :自然对流对自然对流对 对流传热的影响对流传热的影响Nu=f ( Re, Pr, Gr )第6章 传热2022-3-22370.80.023RePrnNu 0.80.023()()pncdud适用范围：适用范围： Re10000，0.7Pr160， 606.3.3 无相变时对流传热系数的经验关联式无相变时对流传热系数的经验关联式1圆形管内的强制湍流圆形管内的强制湍流流体被加热时，流体被加热

28、时，n0.4流体流体被冷却时，被冷却时，n0.3 定性温度定性温度:221tttm特征尺寸为管内径特征尺寸为管内径di第6章 传热2022-3-2238强化措施：强化措施： u, u0.8 d, d-0.2 流体物性的影响：流体物性的影响：，cp0.80.023nnpcud0.80.023()()pncdud第6章 传热2022-3-2239(1)(1)高粘度流体（高粘度流体（ 2mPa.s） 14. 0318 . 0)(PrRe027. 0wNu0 . 1)(95. 005. 1)(14. 0冷却或加热气体液体被冷却液体被加热wRe10000，0.7Pr60定性温度取定性

29、温度取tm；特征尺寸为；特征尺寸为di第6章 传热2022-3-2240(2) l/d60，乘以校正因子，乘以校正因子f(3) 过渡流（过渡流（2000Re 3 时C = 1.320.650.1510.60.22830.650.1610.60.29040.650.1510.60.290对第一排管子对第一排管子( (相对于来流方向相对于来流方向) )，不论错列或是直列，不论错列或是直列，C C、 和和 n n 都相同，都相同， 值相同；从第二排起，错列的值相同；从第二排起，错列的 值较大，值较大， 也较大；在第三排以后，直列和错列的也较大；在第三排以后，直列和错列的 值均不再变化。值均不再变化。

30、第6章 传热2022-3-2246整个管束：整个管束：iiiAA定性温度：定性温度： 适用范围：适用范围：70000Re500052 . 11dx52 . 12dx特性尺寸：管的外径特性尺寸：管的外径do 221tttm第6章 传热2022-3-2247（2）流体在有挡板换热器管间流动）流体在有挡板换热器管间流动挡板形式：圆形、圆缺形挡板形式：圆形、圆缺形(a) 圆盘形圆盘形(b) 分流形分流形(c) 弓形弓形(圆缺形圆缺形)第6章 传热2022-3-2248壳程流体的对流传热系数（圆缺形）：壳程流体的对流传热系数（圆缺形）： 14. 055. 03/1RePr36. 0WNu定性温度：定性温

31、度：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：当量直径特征尺寸：当量直径de221tttm0202)785. 0(4ddtde0202)785. 023(4ddtded0tt第6章 传热2022-3-2249max(1)odAhDt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； do管子的外径，管子的外径，m； t相邻两管中心距，相邻两管中心距，m。第6章 传热2022-3-22504. 大空间的自然对流大空间的自然对流nGrCNuPr),(注意：注意： c,n与传热面

32、的形状（管或板）、放置位置（与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。垂直、水平）有关。定性温度：膜温，壁温和流体主体温度的算术平均值定性温度：膜温，壁温和流体主体温度的算术平均值特征尺寸：垂直的管或板为高度特征尺寸：垂直的管或板为高度 水平管为管外径水平管为管外径nptlgcC)(l223第6章 传热2022-3-2251沸腾种类沸腾种类 1 1）大容积沸腾）大容积沸腾 2 2）管内沸腾）管内沸腾 1. 1. 汽泡产生的条件汽泡产生的条件注意：汽泡只在加热面个别地方产生注意：汽泡只在加热面个别地方产生过热度过热度： t=tt=tW Wt ts s 汽化核心汽化核心：一般为粗糙加热

33、面的细小凹缝处一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化过程汽化过程：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新汽泡形成泡形成搅动液层搅动液层 6.4.1 6.4.1 液体沸腾液体沸腾6.4 沸腾给热和冷凝给热沸腾给热和冷凝给热第6章 传热2022-3-2252过热度不大，气泡很少或没有；气 泡 产生和 脱 离频率很快大量气泡在加热面上汇合，形成蒸汽膜辐射影响加强 log 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾 过热度（tw-ts） 2 沸腾曲线沸腾曲线第6章 传热2022-3-22536.4.2 沸腾传热的影响因素及强化措施沸腾传热的影响因素及强化措施,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等

34、）强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）2 温差温差 在核状沸腾阶段温差提高，在核状沸腾阶段温差提高， stp1 液体的性质液体的性质3 操作压强操作压强第6章 传热2022-3-22544 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 强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒 加入添加剂（改变表面张力，提高加入添加剂（改变表面张力，提高热负荷热负荷第6章 传热2022-3-22556.4.3 蒸汽冷凝蒸汽冷凝 1 冷凝方式冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝：滴状冷凝和膜状冷凝滴膜 第6章 传热2022-3-22562 蒸汽冷凝的蒸汽冷凝的 （

35、1） 水平管束外水平管束外413/232725. 0tlngr式中式中 n水平管束在垂直列上的管子数；水平管束在垂直列上的管子数； r汽化潜热（汽化潜热（ts下），下），kJ/kg。特性尺寸特性尺寸l：管外径：管外径do2Wsttt定性温度：膜温定性温度：膜温 第6章 传热2022-3-2257湍流湍流（2） 竖壁或竖管上的冷凝竖壁或竖管上的冷凝层流层流413213. 1tlgr适用条件：适用条件：Re1800特性尺寸特性尺寸l：管或板高：管或板高H定性温度：膜温定性温度：膜温 4 . 031232Re0077. 0g第6章 传热2022-3-22586.4.4 冷凝给热的影响因素和强化措施冷

36、凝给热的影响因素和强化措施1 流体物性流体物性 冷凝液冷凝液 ， ；冷凝液冷凝液 ，cp；潜热潜热r 2 温差温差 液膜层流流动时，液膜层流流动时，t=tstW，温差越大，温差越大， 越大越大3 不凝气体不凝气体 不凝气体不凝气体存在，导致存在，导致 减小减小，定期排放。，定期排放。,第6章 传热2022-3-22594 蒸汽流速与流向蒸汽流速与流向 （u10m/s ） 同向时，同向时， ；反向时，；反向时， 5 过热蒸汽过热蒸汽 包括冷却和冷凝两个过程包括冷却和冷凝两个过程，仍按饱和蒸汽计算，仍按饱和蒸汽计算。6 冷凝面的形状和位置冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度目的：减少冷凝液

37、膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽；垂直板或管：开纵向沟槽； 水平管束：可采用错列水平管束：可采用错列第6章 传热2022-3-2260 有有相相变变无无相相变变 自然对流自然对流管束外管束外水平圆管外水平圆管外外壁外壁湍流湍流层流层流管内管内 沸腾传热沸腾传热冷凝传热冷凝传热注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸对流传热系数小结对流传热系数小结第6章 传热2022-3-2261 的量级的量级 KmWKmW22/10020/255强制对流：强制对流：自然对流：自然对流： KmWKmWKmWKmW2222/250002500/150005000/150001000/1000200水沸腾：水沸腾：

38、蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：强制对流：强制对流：自然对流：自然对流：空气中空气中水中水中无无相相变变有有相相变变 自自然然强强制制 gl 总之：总之： KmWKmW22/2000500/150050蒸汽冷凝：蒸汽冷凝：强制对流：强制对流：油类中油类中第6章 传热2022-3-22626.5 热辐射热辐射(Heat Radiation)6.5.1 基本概念基本概念1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向 外发射能量的过程。外发射能量的过程。 特点：特点： 能量传递的同时还伴随着

39、能量形式的转换；能量传递的同时还伴随着能量形式的转换； 不需要任何介质。不需要任何介质。第6章 传热2022-3-2263n热射线在本质上与光射线一样，所不同的是波长范热射线在本质上与光射线一样，所不同的是波长范围。围。n从理论上讲，热辐射的波长范围为从理论上讲，热辐射的波长范围为 0 ，但具有，但具有实际意义的波长为实际意义的波长为 0.420 m。n可见光：可见光： 0.40.8 m 很高温度下才有明显作用很高温度下才有明显作用n红外线：红外线： 0.820 m 在热辐射中起决定作用在热辐射中起决定作用第6章 传热2022-3-2264QrQdQaNQ能量守恒定律：能量守恒定律：ardQQ

40、QQ式中 吸收率；吸收率； 反射率；反射率； 透射透射率率。 aQaQrQrQdQdQ1ard 3. 热辐射对物体的作用热辐射对物体的作用总能量总能量Q；被物体吸收；被物体吸收Qa ；被反射；被反射Qr ；透过物体；透过物体Qd 第6章 传热2022-3-2265黑体：黑体：能全部吸收辐射能的物体能全部吸收辐射能的物体 a=1；无光泽的黑漆表面；无光泽的黑漆表面 a=0.960.98 雪霜雪霜a=0.985, 近似黑体。近似黑体。 镜体（绝对白体）：镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体能全部反射辐射能的物体 r=1；铜；铜r=0.97。黑白之分不据颜色黑白之分不据颜色。 透热体：透热体：能

41、全部透过辐射能的物体能全部透过辐射能的物体 d=1。例如。例如He 、N2 、H2 、O2等气体。等气体。 上面定义的物体多是理想物体，自然界中并不存在，只是作为一种比较标准上面定义的物体多是理想物体，自然界中并不存在，只是作为一种比较标准而建立。实际物体，象一般的固体都能部分吸收所有波长范围的辐射能。而建立。实际物体，象一般的固体都能部分吸收所有波长范围的辐射能。 灰体：灰体：能以相同的吸收率能以相同的吸收率a吸收全部（吸收全部（0m）波长辐射能的物体。特点：波长辐射能的物体。特点：其吸收率不随辐射波长而变，其吸收率不随辐射波长而变，是不透热体，是不透热体，d=0, a+r=1,大多数工程材

42、料可视大多数工程材料可视为灰体。为灰体。 工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但a不相同，相差不多，不相同，相差不多，可近似视为灰体。可近似视为灰体。4. 4. 黑体、镜体、透热体和灰体黑体、镜体、透热体和灰体第6章 传热2022-3-22666.5.2 物体的辐射能力物体的辐射能力 辐射能辐射能E：物体在一定温度下，单位表面积，单位：物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部辐射能（波长从时间内所发射的全部辐射能（波长从0到到），），W/m2。 物体的单色辐射能物体的单色辐射能E0：物体在一定温度下，发射：物体在一定

43、温度下，发射某某种波长种波长的能力，单位的能力，单位W/m3。辐射能与单色辐射能的关系：辐射能与单色辐射能的关系：00EE d2510/1cTcEe普朗克定律普朗克定律第6章 传热2022-3-2267Km104387. 1mW10743. 3222161cc其中 0黑体辐射常数，黑体辐射常数，5.67 10-8W/(m2 .K4)； C0黑体辐射系数，黑体辐射系数，=5.67W/(m2 .K4)斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律1. 黑体黑体44000()100boTEE dTC2510/1cTcEe第6章 传热2022-3-2268物体的黑度：物体的黑度： bEE T2E2r1E2r1

44、r2E2r12r2E2r12r22E1, r1, T1E2, r2, T2E1板板1(灰体灰体)板板2(灰体灰体)T1 T2E1r2E1r1r2E1r12r22E1r1r22辐射能可被多次被吸收和反射辐射能可被多次被吸收和反射第6章 传热2022-3-2274对于定常辐射过程对于定常辐射过程 (温度不变温度不变)：可将灰体理解为对投入辐射全部吸收而辐射能力为可将灰体理解为对投入辐射全部吸收而辐射能力为 Eout 的的“黑黑体体”1outinEEa EinQA EaEoutinQA EE1111outbEQQEEaaAAEin1 211212212outoutQAEAE一般情况下：1111111

45、outbQEEA2222211outbQEEA2121QQQ处于任何相对位置的两灰体间交换的净辐射能为：处于任何相对位置的两灰体间交换的净辐射能为：EEoutaEin第6章 传热2022-3-2275对于封闭系统：对于封闭系统：s 系统黑度C1-2 总辐射系数2121QQQ112121 212211211111bbAEEQ111111221112s112221AA注意有：44121 21 2100100sTTQCAA1A2A1A2第6章 传热2022-3-2276A， 和 C1-2 的计算方法序号辐射情况面积 A角系数总辐射系数 C1-21面积极大相距很近的两平行面A1或A212面积有限且大小

46、相等的两平行面A113很大的物体2包住物体1A114物体2恰好包住物体1，Aw1=Aw2A115界于3、4两种情况之间A11111210C111210C11122110AAC021C01C第6章 传热2022-3-22773. 影响辐射传热的因素影响辐射传热的因素(1). 温度的影响温度的影响 T4 ， 低温时可忽略，高温时可能成为主要方式低温时可忽略，高温时可能成为主要方式(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 ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。，可通过改变黑度的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 减小辐射

47、散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热屏）。屏）。第6章 传热2022-3-22786.5.4 高温设备及管道的热损失高温设备及管道的热损失对流散热：对流散热： ()CCWWQAtt辐射散热：辐射散热： 441 2()()100100WRWTTQCA441 2()()()100100WWRWRWWWTttTQCAAtttt总热损失：总热损失： ()()()CRCRWWTWWQQQAttAtt式中式中 T对流对流-辐射联合传热系数，辐射联合传热系数，W/(m2.K)。 第6章 传热2022-3-2279空气自然对流，当空气自然对流，当tW1500C时

48、时平壁保温层外平壁保温层外)(07. 08 . 9ttWT)(052. 04 . 9ttWT(2) 空气沿粗糙壁面强制对流空气沿粗糙壁面强制对流空气速度空气速度u5m/s时时 第6章 传热2022-3-22801 热量衡算热量衡算无热损失：无热损失：放吸QQ热流体qm1, T1,cp1T2冷流体qm2, t1,cp2t2 6.6 传热过程计算传热过程计算6.6.1 传热过程数学描述传热过程数学描述第6章 传热2022-3-2281（1 1）. .无相变无相变 11122221mpmpQq cTTq ctt式中式中 Q 热冷流体放出或吸收的热量，热冷流体放出或吸收的热量，J/s； qm1, qm

49、2热、冷流体的质量流量，热、冷流体的质量流量，kg/s； cp1,cp2 热、冷流体的比热容，热、冷流体的比热容， J/(s. ) ； 第6章 传热2022-3-2282（2 2）. .相变相变 12221mmpQq rq ctt式中式中 r 热流体的汽化潜热，热流体的汽化潜热，kJ/kg； TS 热流体的饱和温度，热流体的饱和温度，。冷凝传热冷凝传热1122221mpsmpQqrcTTq ctt（3）冷凝变温传热）冷凝变温传热第6章 传热2022-3-2283 热流体热流体间壁侧：热对流：间壁侧：热对流： 间壁间壁间壁：热传导：间壁：热传导：间壁间壁冷流体：热对流：冷流体：热对流：11TTW

50、QA()mWWQA Tt22()WQA tt2 总传热速率方程总传热速率方程三个串联传热环节：三个串联传热环节：第6章 传热2022-3-22841 1221 12211111wwwwmmT TTtttT tT tQAAAAAAKA总推动力总热阻式中 A 可取 A1、Am、A2等。-总传热速率方程传热温差 ()QKA TtKA t总传热系数，单位总传热系数，单位W/m2K T Tw tw t T1T2t1t2第6章 传热2022-3-22851122111mKAAAAT Tw tw t 对于圆形管道：当对于圆形管道：当A以外径做基准时，即：以外径做基准时，即：22A=Ad L12122111d

51、dddmK12221112dd11(ln)d2ddK或1 总传热系数总传热系数6.6.2 总传热系数和传热温度差总传热系数和传热温度差第6章 传热2022-3-2286若导热热阻很小若导热热阻很小总传热系数总是更接近总传热系数总是更接近数值较小数值较小的给热系数，欲提高的给热系数，欲提高K K值，关键是提高值，关键是提高较小的给热系数。较小的给热系数。12111K21111K211K若若1 12 22K当管壁较薄时，当管壁较薄时，d1=d2=dm, A1=A2=Am12111K12221112dd11(ln)d2ddK第6章 传热2022-3-2287获取获取K K的途径的途径 查取查取K值值

52、 在有关传热手册和专著中载有某些情况下在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依值作为设计依据，下表列出了一些条件下经验据，下表列出了一些条件下经验K值的大致范围，供设计时参考。值的大致范围，供设计时参考。 实验测定实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：值：实验测定可以获得较为可靠的实验测定可以获得较为可靠的K值。值。由计算方法得到的由计算方法得到的K值往往与查取值往往与查取的

53、和实测的的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给热系数值相差较大，这主要是由于计算给热系数的关联式有一定的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的误差和污垢热阻不易估计准确等原因所致，因此，使用计算的K值时应值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。值。QKA t第6章 传热2022-3-2288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流体种类流体种类总传热系数总传热系数K W/(m2K)水水气体气体1260水水水水8001800水水煤油煤油350左右左右水水有机溶剂有机溶剂2808

54、50气体气体气体气体1235饱和水蒸气饱和水蒸气水水14004700饱和水蒸气饱和水蒸气气体气体30300饱和水蒸气饱和水蒸气油油60350饱和水蒸气饱和水蒸气沸腾油沸腾油290870第6章 传热2022-3-2289(1) 恒温传热恒温传热mttTt（2） 变温传热变温传热 t与流体流向有关与流体流向有关2 传热温度差传热温度差逆流逆流并流并流错流错流折流折流T Tw tw t 第6章 传热2022-3-22901) 逆流和并流逆流和并流t2t1T1T2t1t2T1T2 t2tAt1T2T1 t2tAt1T2T1逆流逆流并流并流第6章 传热2022-3-2291假设：假设： 1）定态传热、定

55、态流动，）定态传热、定态流动，qm1、 qm2一定一定 2）cp1、cp2为常数，为进出口平均温度下的平均值为常数，为进出口平均温度下的平均值3）K沿管长不变化。沿管长不变化。4）热损失忽略不计。）热损失忽略不计。1212lnmtttttt 211tTt122tTt逆流逆流111tTt222tTt并流并流第6章 传热2022-3-2292 沿传热面的局部温度差（沿传热面的局部温度差（T-t）是变化的，所以在计算传热）是变化的，所以在计算传热速率时必须用速率时必须用积分的方法求出整个传热面上积分的方法求出整个传热面上的平均温度差的平均温度差 tm。 如图所示，如图所示，热流体的质量流量热流体的质

56、量流量qm1，比热容比热容cp1，进出口温度为，进出口温度为T1、T2；冷流体的质量流量冷流体的质量流量qm2，比热容，比热容cp2，进出口温度为进出口温度为t1、t2。 现取换热器中一微元段为研现取换热器中一微元段为研究对象，其传热面积为究对象，其传热面积为dA，在，在dA内热流体因放出热量温度下降内热流体因放出热量温度下降dT，冷流体因吸收热量温度升高冷流体因吸收热量温度升高dt，传热量为传热量为dQ。以逆流为例的以逆流为例的 tm的推导的推导*第6章 传热2022-3-2293dA段热量衡算的微分式：段热量衡算的微分式： dA段传热速率方程的微分式：段传热速率方程的微分式： 1212mp

57、mpdQq c dTq c dt ()dQK Tt dA1212()mpmpdQq c dTq c dtK Tt dA 12121212()()1/1/(1/1/)mpmpmpmpdTdtd TtK Tt dAq cq cq cq c1212221121tttTttTtTT逆流：逆流： 边界条件：边界条件：A=0时，时，A=A时，时，211tTt122tTt第6章 传热2022-3-22942112211201212()()(1/1/)(1/1/)Attmpmpttmpmpd TtKdATtq cq cd ttq cq c1211221ln(1/1/)mpmptKAq cq ct对整个换热器做

58、热量衡算：对整个换热器做热量衡算： 12112221()()mpmpQq cTTq ctt1212211211; mpmpTTttq cQq cQ得：得：第6章 传热2022-3-2295112211221122()()()()lntTTttTtTtttKAKAKAtQQQ 1212lnmttQKAKA ttt 即：即：2121lntttttm对数平均温差对数平均温差 1t进口处的温差进口处的温差。 2t出口处的温差。出口处的温差。 第6章 传热2022-3-2296例：例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由用冷却水将热流体由

59、100冷却至冷却至40，冷却水进口，冷却水进口温度温度15，出口温度，出口温度30，试求在这种温度条件下，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。逆流和并流的平均温度差。第6章 传热2022-3-2297解解 ： 逆流时：逆流时： 热流体：热流体： 40100 冷流体：冷流体： 15 30 70 251212,lntttttm逆2570ln2570C07 .43并流时：并流时： 热流体热流体 ：冷流体冷流体 ：40100 301585 101212,lntttttm并1085ln1085C035第6章 传热2022-3-2298例例6-4 在套管式油冷却器里，热油在在套管式油冷却器里，热

60、油在252.5mm的金属管内流动，的金属管内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为216kg/h，油的进、，油的进、出口温度分别为出口温度分别为150和和80，水的进口温度为，水的进口温度为20。油侧对流传热。油侧对流传热系数为系数为1.5kw /( K) ，水侧的对流传热系数为，水侧的对流传热系数为3.5kw /( K) ，油的比，油的比热为热为2.0kJ /(kg K) ，试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。忽略，试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。污垢热阻及管壁导热热阻。 水 t2 2=3.5kW/m