第四章_传热过程及换热器

1、化学与材料工程学院第四章第四章传热过程及换热器传热过程及换热器蒋天智蒋天智化学与材料工程学院4.1 化工生产中的传热过程及换热器化工生产中的传热过程及换热器 1、化工生产中的传热过程化工生产中的传热过程传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的过程，通常来说有温度差的 存在就有热的传递，存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的也就是说温差的存在是实现传热的 前提条件或者前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的与传热有关。但是进行传热的 目的

2、不外乎是以下目的不外乎是以下三种：三种： 1.加热或冷却加热或冷却 2.换热换热 3.保温保温可见，传热过程是普遍存在的。可见，传热过程是普遍存在的。 化学与材料工程学院2 2、 传热基本方式传热基本方式 一个物系或一个设备只要存在温度差一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量热量 就总是会自动地从高温物体传递到就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：传导传热，对流传递有三种基本方式：传导传热，对流传热和热辐射。化工生产中碰到的各种传热和热辐射。化工生

3、产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。热现象都属于这三种基本方式。化学与材料工程学院（1 1）传导传热）传导传热 一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。为止，这种传热方式就称为热传导。物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体为：机理因物质种类不同而异，具体为： 固体金属：自由电子运动在晶格之间；固体金属：自由电子运动在晶格之间； 液体和非金属固体：个别分子的动量传递

4、；液体和非金属固体：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。气体：分子的不规则运动。化学与材料工程学院（2 2） 对流传热对流传热 热对流是指物体中质点发生相对的位移而引热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中的方式，即存在气体或液体中，在固体中 不存不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。对流和强制对流。 热对流与流体运动状

5、况有关，热对流还伴随有热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。热对流。化学与材料工程学院（3 3）辐射传热）辐射传热 热辐射是一种通过电磁波传递能热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要质。通常在高温下热辐射才是主要方式。方式。化学与材料工程学院3、间壁式换热器、间壁式换热器单程列管式

6、换热器单程列管式换热器1 外壳外壳 2管束管束 3、4接管接管 5封头封头 6管板管板 7挡板挡板 化学与材料工程学院 套管式换热器套管式换热器1内管内管 2外管外管热热冷冷间壁间壁化学与材料工程学院双程列管式换热器双程列管式换热器1壳体壳体 2管束管束 3挡板挡板 4隔板隔板化学与材料工程学院4.2 传导传热传导传热传热的一些基本概念传热的一些基本概念1 1、温度场、温度场 物体内各点温度的分布情况，称为温度场。由于物物体内各点温度的分布情况，称为温度场。由于物体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数，因而温度场可体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数，因而温度场可表为：表为：t=f(x,

7、y,z,) 式中式中 t-温度；温度；x,y,z-任一点的空间座标；任一点的空间座标；-时间；时间； 如果温度场内各点的温度随时间而变化，此温度场称为不如果温度场内各点的温度随时间而变化，此温度场称为不稳定温度场，如果各点温度不随时间而变化，则称为稳定温度稳定温度场，如果各点温度不随时间而变化，则称为稳定温度场，由于物体内各点温度的分布情况一般都比较复杂，因而一场，由于物体内各点温度的分布情况一般都比较复杂，因而一般情况下很难找到其数学表达式。般情况下很难找到其数学表达式。化学与材料工程学院 2 2、等温面、等温面 在某个时刻相同温度的各点所组成的平面称为在某个时刻相同温度的各点所组成的平面称

8、为等温面。等温面可以是平面，也可以是一曲面，本课程中所等温面。等温面可以是平面，也可以是一曲面，本课程中所指的等温面一般是平面。指的等温面一般是平面。 3 3、温度梯度、温度梯度 从任一点起，沿等温面移动，由于温度不发从任一点起，沿等温面移动，由于温度不发生变化，因而无热量传递；而沿与等温面相交的任何方向移生变化，因而无热量传递；而沿与等温面相交的任何方向移动，温度要发生变化，即有热量传递，这种温度随距离的变动，温度要发生变化，即有热量传递，这种温度随距离的变化在与等温面垂直的方向最大。如图所示化在与等温面垂直的方向最大。如图所示。化学与材料工程学院 对于冷热流体分别流过管外和管内时发生的对于

9、冷热流体分别流过管外和管内时发生的热量传递的情况，其传热面积为热量传递的情况，其传热面积为A=dLA=dL，d d可可为管内径或外径，为管内径或外径，L L为管长，可人为指定，如为管长，可人为指定，如图中的图中的B B。4、传热面积、传热面积A 在传热在传热过程中，垂直于热量过程中，垂直于热量传递方向的截面积，传递方向的截面积，称为传热面积，以称为传热面积，以A表表示。对于平面壁，传示。对于平面壁，传热面积即为热面积即为A，如图，如图3-6中的中的A；化学与材料工程学院 5、传热速率、传热速率Q 单位时间内通过全部传热面单位时间内通过全部传热面积所传递的热量称为传热速率以积所传递的热量称为传热

10、速率以Q表示，单表示，单位为位为J/s或或w即瓦。显然，即瓦。显然，Q数值的大小即表数值的大小即表示传热过程的快与慢。示传热过程的快与慢。 6、恒压比热、恒压比热Cp 指压强恒定时（常指指压强恒定时（常指1atm绝对压）单位质量物质温度升高绝对压）单位质量物质温度升高1K时所需的时所需的热量，单位为热量，单位为J/kgK。Cp值一般是温度的函值一般是温度的函数，但本课程把它作常数来处理，或者采用数，但本课程把它作常数来处理，或者采用平均值。平均值。化学与材料工程学院 7、定态传热与非定态传热、定态传热与非定态传热 与流体流动中有与流体流动中有定态定态流动和非流动和非定态定态流动一样，流动一样，

11、传热过程有定态传热与非定态传热，若传热系传热过程有定态传热与非定态传热，若传热系统内各点的温度仅随着位置变化而不随时间变统内各点的温度仅随着位置变化而不随时间变化，则称此传热过程为定化，则称此传热过程为定态态传热。其特点是单传热。其特点是单位时间内通过传热面积的热量是常量，即传热位时间内通过传热面积的热量是常量，即传热速率不变。连续稳定生产过程中的传热一般属速率不变。连续稳定生产过程中的传热一般属于定于定态态传热。若传热系统中各点的温度既随位传热。若传热系统中各点的温度既随位置变化又随时间变化，则称此传热过程为非定置变化又随时间变化，则称此传热过程为非定态传热过程，在这种情况下，传热速率不再是

12、态传热过程，在这种情况下，传热速率不再是常量，它随时间而变化，因而较复杂。间歇生常量，它随时间而变化，因而较复杂。间歇生产以及连续生产中开车和停车阶段的传热都属产以及连续生产中开车和停车阶段的传热都属于非定态传热。于非定态传热。化学与材料工程学院 8 8、加热剂与冷却剂、加热剂与冷却剂 在传热过程中，按照传热的目的可将载在传热过程中，按照传热的目的可将载热体分为加热剂和冷却剂。用来对物料进热体分为加热剂和冷却剂。用来对物料进行加热的载热体，称为加热剂，常用来作行加热的载热体，称为加热剂，常用来作加热剂的有蒸汽和热水等；反之，用来使加热剂的有蒸汽和热水等；反之，用来使物料冷却的载热体，称为冷却剂

13、，常用来物料冷却的载热体，称为冷却剂，常用来作冷却剂的有冷水，空气等；如果要把物作冷却剂的有冷水，空气等；如果要把物料的温度降到料的温度降到00以下，此时的冷却剂又称以下，此时的冷却剂又称冷冻剂，如液氨等。在什么样的条件下，冷冻剂，如液氨等。在什么样的条件下，使用何种物质作加热剂或冷却剂，是需要使用何种物质作加热剂或冷却剂，是需要仔细的权衡和选择。仔细的权衡和选择。化学与材料工程学院1 1、传导传热的基本方程式、传导传热的基本方程式-傅立叶定律傅立叶定律在一质量均匀的平板内，当在一质量均匀的平板内，当t t1 1 t t2 2热量以导热热量以导热方式通过物体方式通过物体, ,从从t t1 1向

14、向t t2 2方向传递方向传递, ,如图所示。如图所示。化学与材料工程学院 取热流方向微分长度取热流方向微分长度d d，在，在dtdt的瞬时传递的的瞬时传递的热量为热量为Q Q，实验证明，单位时间内通过平板传导的，实验证明，单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度和传热面积成正比，即：热量与温度梯度和传热面积成正比，即： dQdAdQdAdt/ddt/d写成等式为：写成等式为： dQ/d= -Adt/ d = Q/ = -Adt/ d式中式中 Q-Q-导热速率，导热速率，w;A-w;A-导热面积，导热面积，m m2 2；dt/ddt/d- -温度梯度，温度梯度，K/mK/m；-比例系数，称为导热

15、比例系数，称为导热系数，系数，w/mw/mK K；由于温度梯度的方向指向温度升高；由于温度梯度的方向指向温度升高的方向，而热流方向与之相反，称为导热基本方的方向，而热流方向与之相反，称为导热基本方程式，也称为傅立叶定律，对于稳定导热和不稳程式，也称为傅立叶定律，对于稳定导热和不稳定导热均适用。定导热均适用。化学与材料工程学院导热系数导热系数 导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。导热系数质之一。导热系数的值越大，表示其导热性能越好。物的值越大，表示其导热性能越好。物质的导热性能，也就是质的导热性能，也就是数值的大小与物质的组成、结构、数

16、值的大小与物质的组成、结构、密度、温度以及压力等有关。密度、温度以及压力等有关。的物理意义为：当温度梯的物理意义为：当温度梯度为度为1K/m时，每秒钟通过时，每秒钟通过1m2的导热面积而传导的热量，的导热面积而传导的热量，其单位为其单位为W/mK或或W/m。各种物质的各种物质的可用实验的方法测定。一般来说，金属的可用实验的方法测定。一般来说，金属的值最大，固体非金属的值最大，固体非金属的值较小，液体更小，而气体的值较小，液体更小，而气体的值最小。各种物质的导热系数的大致范围如下：值最小。各种物质的导热系数的大致范围如下： 金属金属 2.3420 w/mK； 建筑材料建筑材料 0.253 w/m

17、K 绝缘材料绝缘材料 0.0250.25 w/mK；液体液体 0.090.6 w/mK 气体气体 0.0060.4 w/mK。化学与材料工程学院 物物 料料 w/m 物物 料料w/m铝铝204204石棉石棉0.150.15紫铜紫铜6565混凝土混凝土1.281.28黄铜黄铜9393绒毛毯绒毛毯0.0460.046铜铜383383松木松木0.140.140.380.38铅铅3535建筑用砖砌建筑用砖砌0.70.70.80.8钢钢4545耐火砖砌耐火砖砌1.041.04不锈钢不锈钢1717绝热砖砌绝热砖砌0.120.120.120.12铸铁铸铁4545909085%85%氧化镁粉氧化镁粉0.070

18、.07银银411411锯木屑锯木屑0.070.07镍镍8888软木软木0.0430.043铝铝204204石棉石棉0.150.15化学与材料工程学院2、间壁式换热器壁面的热传导、间壁式换热器壁面的热传导 (1) (1) 平面壁的平面壁的定态热传导定态热传导同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂热导率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。化学与材料工程学院，传热面积，传热面积A A和导热系数和导热系数 也是常量，也是常量，按

19、按傅里叶定律分离变量并积分可得傅里叶定律分离变量并积分可得 = Q/= Q/= A(t= A(t1 1-t-t2 2)/)/ 化学与材料工程学院(2)圆筒壁的定态传热圆筒壁的定态传热 圆筒的内半径为圆筒的内半径为r1,外半径外半径为为r2，长度为，长度为L。若在半径。若在半径为为r处取一微分厚度处取一微分厚度dr，则，则传热面积传热面积A=2rL可以看成可以看成是常数。由傅立叶定律，是常数。由傅立叶定律，通过这一微分厚度通过这一微分厚度dr的圆的圆筒壁的导热速率为：筒壁的导热速率为：=-Adtd =-2rldt/dr化学与材料工程学院将将作常数处理，则可积分：作常数处理，则可积分：22112r

20、trtdrldtr 12212()1/lnl ttrr整理得：改写之 = 122()/ml ttr 12/()mmtttAA 12rr2121lnmrrrrr2121lnmAAAAA筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即 2的情况下，的情况下，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的rm和和Am， 21/rr化学与材料工程学院(3)(3)多层壁面的定态热传导多层壁面的定态热传导 A1 2 3 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3= =ti ii iAi化学与材料工程学院化学与材料工程学院过程的总推动力为各层推动

21、力之和，总阻过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热推动力和传热阻力具有热推动力和传热阻力具有加和性。加和性。由过程分析还可得到： 此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。度降与该层的热阻呈正比。 这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导。这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导。 化学与材料工程学院多层圆筒壁多层圆筒壁 与多层平面壁相同的推导方法，从单层圆筒壁与多层平面壁相同的推导方法，从单层圆筒壁的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公式如的热传导公式可推得多层圆筒壁的热传导公

22、式如下：下：化学与材料工程学院4.34.3 对流传热对流传热 1 1、对流传热的机理、对流传热的机理 对流传热是流体各部份质点发生宏观的对流传热是流体各部份质点发生宏观的相对位移所产生的对流运动来传递热量的相对位移所产生的对流运动来传递热量的过程。在化工生产中常遇到流体流经固体过程。在化工生产中常遇到流体流经固体壁面时，温度较高的热流体将热量传递给壁面时，温度较高的热流体将热量传递给固体壁面，或温度较高的固体壁面将热量固体壁面，或温度较高的固体壁面将热量传递给流经它的冷流体。这两种情况都属传递给流经它的冷流体。这两种情况都属于对流传热，工程中常称为给热于对流传热，工程中常称为给热 。化学与材料

23、工程学院 由于对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递由于对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，而且流体流动过程中又与固体壁面接触，那么流体现象，而且流体流动过程中又与固体壁面接触，那么流体流动的状况就与对流传热有密切的关系。流体流经固体壁流动的状况就与对流传热有密切的关系。流体流经固体壁面时，形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体面时，形成流动边界层，边界层内存在速度梯度；当流体呈湍流流动时形成湍流边界层，但靠近壁面处总有一层滞呈湍流流动时形成湍流边界层，但靠近壁面处总有一层滞流内层（或称为层流底层）存在。在此薄层内流体质点是流内层（或称为层流底层）存在。在此薄层内流体质点是沿

24、管壁成平行运动的而互不相混的滞流流动。无论是热流沿管壁成平行运动的而互不相混的滞流流动。无论是热流体把热量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经它的冷体把热量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经它的冷流体，都必然要通过滞流内层。流体作湍流流动时，主体流体，都必然要通过滞流内层。流体作湍流流动时，主体流中各部份质点相互碰撞、混合、作不规则的脉动，并有流中各部份质点相互碰撞、混合、作不规则的脉动，并有旋涡生成，温度趋于一致，故热阻很小。而在滞流内层中，旋涡生成，温度趋于一致，故热阻很小。而在滞流内层中，层与层的流体不发生径向的相互位移，无任何宏观的混合。层与层的流体不发生径向的相互位移，无任何宏观的

25、混合。热量仅能通过传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的热量仅能通过传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的导热系数小，故滞流内层的热阻大，通过滞流内层的温度导热系数小，故滞流内层的热阻大，通过滞流内层的温度急剧下降。急剧下降。 化学与材料工程学院 对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热边界对流传热时沿热流方向的温度分布情况及传热边界层的厚度层的厚度化学与材料工程学院对流传热方程式对流传热方程式-牛顿冷却定律牛顿冷却定律根据以上对对流传热机理的分析，可将复根据以上对对流传热机理的分析，可将复杂的对流传热过程用较为成熟的导热原理杂的对流传热过程用较为成熟的导热原理来处理。据傅立叶定律，当高温流体

26、与固来处理。据傅立叶定律，当高温流体与固体壁面对流传热时，可得：体壁面对流传热时，可得：由于传热边界层厚度难以确定。工程上令：由于传热边界层厚度难以确定。工程上令： h=/h=/t t =hA(T-t) =hAtA-传热面积；传热面积；m2T-热流体主体温度，热流体主体温度，K；t-冷流体主体温度，冷流体主体温度，K；h-表面表面传热系数，传热系数，W/（m2K););t -冷热流体温差冷热流体温差;= A(t1-t2)/化学与材料工程学院2 2、对流传热系数的影响因素及其求取、对流传热系数的影响因素及其求取传热系数传热系数 在对流传热机理的分析中，把对流传热看作是通在对流传热机理的分析中，把

27、对流传热看作是通过热边界层的导热，而热边界层一般情况下是很薄的。过热边界层的导热，而热边界层一般情况下是很薄的。它象一层很薄的膜它象一层很薄的膜 一样附在传热壁上，故传热分系一样附在传热壁上，故传热分系数又称为传热膜系数。传热分系数的物理意义，可由数又称为传热膜系数。传热分系数的物理意义，可由牛顿冷却定律得到牛顿冷却定律得到 传热系数传热系数h表示当流体与壁面间的温度差为表示当流体与壁面间的温度差为1K时，时，单位时间通过单位传热面积所能传递的热量。显然，单位时间通过单位传热面积所能传递的热量。显然，h越大，单位时间内传递的热量就越多，所以传热越大，单位时间内传递的热量就越多，所以传热系数反映

28、对流传热的强度。系数反映对流传热的强度。 h=At化学与材料工程学院传热情况传热情况h h范围范围h h常用值常用值备注备注蒸汽的滴状冷凝蒸汽的滴状冷凝40000400001200001200004000040000蒸汽的膜状冷凝蒸汽的膜状冷凝5000500015000150001000010000氨的冷凝氨的冷凝93009300卧式冷凝器卧式冷凝器 苯蒸汽冷凝苯蒸汽冷凝70070016001600C C3 3C C4 4的冷凝的冷凝93093012401240汽油的冷凝汽油的冷凝93093012101210水的沸腾水的沸腾1000100030000300003000300050005000强

29、制对流有强制对流有较大值较大值 水的加热或冷却水的加热或冷却2002005000500040040010001000油的加热或冷却油的加热或冷却505010001000200200500500一些流体的一些流体的h h值值W/W/（m m2 2K K）化学与材料工程学院影响传热分系数的因素影响传热分系数的因素 实验证明，影响传热分系数的主要因素有：实验证明，影响传热分系数的主要因素有： （1） 流体的流动型态流体的流动型态 流体的流动型态分为滞流和湍流，流体的流动型态分为滞流和湍流，这两种型态的传热机理有本质的不同。滞流时传热过程以导这两种型态的传热机理有本质的不同。滞流时传热过程以导热方式进

30、行，传热强度低，传热分系数小，湍流时传热过程热方式进行，传热强度低，传热分系数小，湍流时传热过程以对流方式进行，传热强度高，传热分系数大。在一定的流以对流方式进行，传热强度高，传热分系数大。在一定的流道内，流动时型态由道内，流动时型态由Re数决定，数决定，Re数越大，流体的湍动程度数越大，流体的湍动程度越大，滞流底层越薄，传热边界层也越薄，传热分系数就越越大，滞流底层越薄，传热边界层也越薄，传热分系数就越大。大。 对一定的流体和设备来说。对一定的流体和设备来说。Re数主要决定于流体的流速数主要决定于流体的流速u。因此，若使因此，若使Re数提高，必然会使流体的流速增加，流动阻力数提高，必然会使流

31、体的流速增加，流动阻力也会增加，消耗于流体的输送功率亦随之增加。为了防止功也会增加，消耗于流体的输送功率亦随之增加。为了防止功率消耗过大，通常要使热交换器里流体的率消耗过大，通常要使热交换器里流体的Re数在数在50000以下。以下。对于粘度很高的流体即使对于粘度很高的流体即使Re数在数在50000时，功率消耗也过大，时，功率消耗也过大，只能采用较小的只能采用较小的Re数。数。化学与材料工程学院（2）流体的对流情况）流体的对流情况 分自然对流和强制对流。自然对流是分自然对流和强制对流。自然对流是由于密度差而引起的流动，流速较低；而强制对流时，流由于密度差而引起的流动，流速较低；而强制对流时，流体

32、是在处力强制作用下流动，流速较大。因此，强制对流体是在处力强制作用下流动，流速较大。因此，强制对流有较大的传热分系数。有较大的传热分系数。（3）流体的物理性质）流体的物理性质 流体的物理性质对对流传热过程也有流体的物理性质对对流传热过程也有影响。影响较大的物性参数有导热系数影响。影响较大的物性参数有导热系数、比热、比热cp、密度、密度、和粘度和粘度等。其中等。其中、cp、值增大对传热有利，而值增大对传热有利，而值增大值增大则对传热过程不利。这些物性参数又都是温度的函数，当则对传热过程不利。这些物性参数又都是温度的函数，当流体和壁面间的温度差比较大时，同一截面上流体的温度流体和壁面间的温度差比较

33、大时，同一截面上流体的温度分布就会发生明显变化，引起物性参数的变化，从而对传分布就会发生明显变化，引起物性参数的变化，从而对传热过程产生影响。热过程产生影响。 流体在管内被加热时，管壁附近的流体层（传热边界层）流体在管内被加热时，管壁附近的流体层（传热边界层）的温度就会比管道中心处流体的温度高。对于液体，温度的温度就会比管道中心处流体的温度高。对于液体，温度升高会使粘度下降，从而使流体的流速增加，滞流底层厚升高会使粘度下降，从而使流体的流速增加，滞流底层厚度减小，对传热过程有利。反之，若流体在管内被冷却，度减小，对传热过程有利。反之，若流体在管内被冷却，则会对传热过程不利。对气体来说，温度变化

34、不仅影响到则会对传热过程不利。对气体来说，温度变化不仅影响到气体的粘度，还影响到气体的密度，情况更为复杂。气体的粘度，还影响到气体的密度，情况更为复杂。化学与材料工程学院 （4）传热面的形状、大小和位置）传热面的形状、大小和位置 流体流流体流过曲面或局部障碍地方，由于出现边界层过曲面或局部障碍地方，由于出现边界层分离，漩涡而使湍动更加激烈。这样，流分离，漩涡而使湍动更加激烈。这样，流体微团的漩涡运动能更深地渗入到邻近壁体微团的漩涡运动能更深地渗入到邻近壁面的地方，使滞流底层厚度减薄。因此，面的地方，使滞流底层厚度减薄。因此，传热壁面的形状、大小和位置对传热过程传热壁面的形状、大小和位置对传热过

35、程都有影响。流体在管外横向流过管束时，都有影响。流体在管外横向流过管束时，从滞流向湍流过渡的临界从滞流向湍流过渡的临界Re数只在数只在200左左右，管子尺寸愈小，则边界层脱离愈早，右，管子尺寸愈小，则边界层脱离愈早，边界层愈薄，因此，传热分系数越大。这边界层愈薄，因此，传热分系数越大。这个结论对于管内流动也相同。个结论对于管内流动也相同。 化学与材料工程学院准数准数准数的形式准数的形式准数的物理涵义准数的物理涵义ReRe雷诺雷诺ReynoldsReynoldsRe=du/Re=du/流体流动形态和湍动程度流体流动形态和湍动程度P rP r 普 兰 德普 兰 德PrandtlPrandtlPr=

36、CPr=Cp p/流体的物理性质对对流传流体的物理性质对对流传热的影响热的影响GrGr格拉斯霍夫格拉斯霍夫GrashofGrashofGr=LGr=L3 32 2ggt/t/2 2自然对流对对流传热系数自然对流对对流传热系数的影响的影响N uN u 努 赛 尔努 赛 尔NusseltNusseltNu=hNu=hd/d/被决定准数，包括有对流被决定准数，包括有对流传热系数传热系数的准数。反映的准数。反映对流传热的强弱程度对流传热的强弱程度无因次准数符号及意义无因次准数符号及意义化学与材料工程学院式中各准数所含的物理量：式中各准数所含的物理量：h-对流传热系数，对流传热系数，w/m2K；u-流速

37、，流速，m/s；-流体的密度，流体的密度，kg/m3；d-传热壁面上有代表性的几何尺寸，可以是管内径，管外传热壁面上有代表性的几何尺寸，可以是管内径，管外径或平板高度，径或平板高度，m；-导热数，导热数，w/mk；-流体的粘度，流体的粘度，kg/ms；Cp-流体的定压比热，流体的定压比热，J/kgk；-流体的体积膨胀系数，流体的体积膨胀系数，1/或或1/K；g-重力加速度，重力加速度，m/s2；t-流体与壁面的温度差，流体与壁面的温度差，或或K。化学与材料工程学院 a a、无相变，强制对流时传热系数的准数关联式、无相变，强制对流时传热系数的准数关联式流体在圆管中作强制湍流时，流体在圆管中作强制

38、湍流时，GrGr准数影响可忽略，准数影响可忽略，故：故： Nu=f(Re,Pr)Nu=f(Re,Pr)对于气体和粘度小于水粘度两倍的液体，可采用下对于气体和粘度小于水粘度两倍的液体，可采用下式计算传热分系数：式计算传热分系数： Nu=0.023ReNu=0.023Re0.80.8PrPrn n 或或 h应用范围：（应用范围：（1）Re104；（；（2）Pr=0.7120；（；（3 3）管子的长径）管子的长径比比L/d 50L/d 50；（4 4）定性温度取流体进出口温度的算术平均值；）定性温度取流体进出口温度的算术平均值；（5 5）管内流体被加热时，）管内流体被加热时，n=0.4n=0.4；管

39、内流体被冷却时，；管内流体被冷却时，n=0.3n=0.3；（6 6）d d为管子内径为管子内径化学与材料工程学院 b、有相变时的传热系数、有相变时的传热系数 化工生产中蒸馏、蒸发、用蒸汽加热、冷凝等操作中化工生产中蒸馏、蒸发、用蒸汽加热、冷凝等操作中都涉及有相变情况下的对流传热过程，下面分别介绍沸腾都涉及有相变情况下的对流传热过程，下面分别介绍沸腾和冷凝时的情况和冷凝时的情况 。 如液体通过固体壁面被加热而沸腾时，液体吸收大量如液体通过固体壁面被加热而沸腾时，液体吸收大量的热而发生相变，沸腾传热过程中最主要的特征是液体内的热而发生相变，沸腾传热过程中最主要的特征是液体内部有气泡生成。在一般情况

40、下气液两相处于平衡状态，液部有气泡生成。在一般情况下气液两相处于平衡状态，液体的沸点等于该液体所处压力下相对应的饱和温度体的沸点等于该液体所处压力下相对应的饱和温度ts。如。如果固体壁面的温度高于液体的饱和温度果固体壁面的温度高于液体的饱和温度ts,则就可能发生沸则就可能发生沸腾。如果液体的温度低于饱和温度腾。如果液体的温度低于饱和温度ts，则这个过程称为过，则这个过程称为过冷沸腾或局部沸腾。如果液体保持饱和温度，这样的过程冷沸腾或局部沸腾。如果液体保持饱和温度，这样的过程就是通常所说的饱和沸腾或整体。就是通常所说的饱和沸腾或整体。化学与材料工程学院 以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面温度

41、以水为例，如图中，在自然对流区，当壁面温度tw与与1atm下水的饱和温度下水的饱和温度ts的温差较小，靠近壁面的液体是略微过热的，由于温度相对高些，体积的温差较小，靠近壁面的液体是略微过热的，由于温度相对高些，体积膨胀，密度下降，形成自然对流，当液体上升到表面时就发生气化。在区膨胀，密度下降，形成自然对流，当液体上升到表面时就发生气化。在区域域、泡核沸腾区内，由于温差加大，在加热的固体壁面上某些凸凹不平、泡核沸腾区内，由于温差加大，在加热的固体壁面上某些凸凹不平的过热度较大的点上形成气泡，这些形成气泡的点称为气化核心，当形成的过热度较大的点上形成气泡，这些形成气泡的点称为气化核心，当形成气泡核

42、心后，由于壁温较高，周围过热液体的温度也略高于气泡内的温度，气泡核心后，由于壁温较高，周围过热液体的温度也略高于气泡内的温度，热量不断传入，使气泡周围的液体继续气化而体积不断增大，当气泡长大热量不断传入，使气泡周围的液体继续气化而体积不断增大，当气泡长大到某一直径后它就会脱离壁面上升。到某一直径后它就会脱离壁面上升。 h化学与材料工程学院 开始气泡很少，随着温度差的加大，气泡的形成加快，开始气泡很少，随着温度差的加大，气泡的形成加快，由于气泡脱离壁面上升，让出的空间被周围温度较低的液体由于气泡脱离壁面上升，让出的空间被周围温度较低的液体所占据，又生成气泡。从一批气泡脱离壁面到另一批气泡在所占据

43、，又生成气泡。从一批气泡脱离壁面到另一批气泡在壁面上生成，有一段重新过热的间隔时间，也随温度差的加壁面上生成，有一段重新过热的间隔时间，也随温度差的加大而气泡减少，这样气泡不断的形成，长大和脱离壁面引起大而气泡减少，这样气泡不断的形成，长大和脱离壁面引起靠近壁面的滞流内层的剧烈的搅动，从而使液体沸腾（有相靠近壁面的滞流内层的剧烈的搅动，从而使液体沸腾（有相变）的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大得多。当变）的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大得多。当tw-ts温度差再增大，气泡的形成是那样迅速，以致大量气泡温度差再增大，气泡的形成是那样迅速，以致大量气泡在加热壁面上汇合，形成一层蒸汽膜

44、把壁面遮盖起来。蒸汽在加热壁面上汇合，形成一层蒸汽膜把壁面遮盖起来。蒸汽膜阻止液体与壁面接触，而壁面的热量必然通过这层蒸汽膜膜阻止液体与壁面接触，而壁面的热量必然通过这层蒸汽膜才能传递到液体中去从而使对流传热系数降低。这就是第才能传递到液体中去从而使对流传热系数降低。这就是第区域膜状沸腾。而当温度差再加大，由于加热壁面有很高的区域膜状沸腾。而当温度差再加大，由于加热壁面有很高的温度，辐射的影响加大，对流传热系数又增大。温度，辐射的影响加大，对流传热系数又增大。化学与材料工程学院 在冷凝过程中，管壁或板壁的温度比蒸汽的饱和温度低，则在冷凝过程中，管壁或板壁的温度比蒸汽的饱和温度低，则冷凝液就在管

45、或板壁面上形成。当饱和蒸汽在壁面冷凝时放出冷凝液就在管或板壁面上形成。当饱和蒸汽在壁面冷凝时放出潜热，凝结为液体。冷凝液在壁面上形成后就在重力作用向下潜热，凝结为液体。冷凝液在壁面上形成后就在重力作用向下流动，如果冷凝液能润湿壁面而形成平滑的液膜，液膜在重力流动，如果冷凝液能润湿壁面而形成平滑的液膜，液膜在重力作用下聚厚而流下，这种冷凝称为膜状冷凝。在膜状冷凝时放作用下聚厚而流下，这种冷凝称为膜状冷凝。在膜状冷凝时放出的潜热就要通过液膜才能传递给冷却壁面。在液膜中存在温出的潜热就要通过液膜才能传递给冷却壁面。在液膜中存在温度梯度，故这层液膜就有一定的热阻。若液体不润湿壁面，在度梯度，故这层液膜

46、就有一定的热阻。若液体不润湿壁面，在壁面上冷凝液不是形成液膜而是在壁面上形成杂乱无章的珠滴，壁面上冷凝液不是形成液膜而是在壁面上形成杂乱无章的珠滴，并在重力作用下沿壁面落下，这种过程称为滴状凝结。由于滴并在重力作用下沿壁面落下，这种过程称为滴状凝结。由于滴状冷凝的固体壁面大部分面积直接暴露在蒸汽中，故滴状冷凝状冷凝的固体壁面大部分面积直接暴露在蒸汽中，故滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数要高。为了使对流的对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数要高。为了使对流传热系数高，就必须使冷凝保持滴状冷凝。为此采取不同的表传热系数高，就必须使冷凝保持滴状冷凝。为此采取不同的表面涂层和蒸汽添加剂，

47、使液滴不能润湿冷凝壁面。面涂层和蒸汽添加剂，使液滴不能润湿冷凝壁面。 无论是沸腾或冷凝，相变一侧的传热分系数的值都很大，故无论是沸腾或冷凝，相变一侧的传热分系数的值都很大，故在一般的传热计算中，相变一侧的热阻可忽略不计。在一般的传热计算中，相变一侧的热阻可忽略不计。化学与材料工程学院 例例: 列管式冷凝器中，用水冷凝有有机物蒸汽，水以列管式冷凝器中，用水冷凝有有机物蒸汽，水以0.5m/s的的流速在流速在252的钢管中流动，进出管的温度分别为的钢管中流动，进出管的温度分别为20和和40。试求管壁对水的传热分系数试求管壁对水的传热分系数。 解：据题意水在圆直管中流动，须判断其流动型态，水的定解：据

48、题意水在圆直管中流动，须判断其流动型态，水的定性温度为：性温度为：t定定(20+40)/2=3030的水的各种物性数据查附表得：的水的各种物性数据查附表得：=995.7kg/m3 =80.0710-5Pas CP=4.174kJ/kg =61.7610-2w/m 以上条件满足以上条件满足Dittus公式，水被加公式，水被加热，热，n=0.4，将各项数值代入：，将各项数值代入： h=0.023(61.7610-2/2110-3)130570.85.410.4=2607w/m2=2.607kw/m2化学与材料工程学院 4.44.4间壁式热交换体计算间壁式热交换体计算 1 1、传热、传热总方程总方程

49、 化工生产中最常用到的传热操作是热流体经管壁向冷化工生产中最常用到的传热操作是热流体经管壁向冷流体传热的过程。该过程称为热交换或换热，这种间壁流体传热的过程。该过程称为热交换或换热，这种间壁两侧流体的传热如图所示。两侧流体的传热如图所示。 当冷、热流体分别从间壁（管壁或当冷、热流体分别从间壁（管壁或平面壁）两侧流过的时候热流体一边流动平面壁）两侧流过的时候热流体一边流动温度逐渐降低，而冷流体则一边流动温度温度逐渐降低，而冷流体则一边流动温度逐渐升高。很显然，热流体将热量从热流逐渐升高。很显然，热流体将热量从热流体主体以对流传热的方式传递给间壁，而体主体以对流传热的方式传递给间壁，而后热量以导热

50、的方式从间壁的一侧传向另后热量以导热的方式从间壁的一侧传向另一侧，最后热量从冷流体一侧的间壁以一侧，最后热量从冷流体一侧的间壁以 对对流传热的方式传递到冷流体的主体，这就流传热的方式传递到冷流体的主体，这就是热交换的总的过程。整个传热过程由对是热交换的总的过程。整个传热过程由对流流-导热导热-对流三个部分串联组成，因而对流三个部分串联组成，因而整个过程也称总传热。整个过程也称总传热。化学与材料工程学院 1 2 3 1 = h1A(T-Tw)=2 = A(A(Tw-t-tw w)/)/= Tw-t-tw/w/T-Tw1h1A = 1 =2 =3=T-t/A A 13 = tw - t /h2A

51、111+h1A1A Ah2A2 =KAt化学与材料工程学院 2、传热系数、传热系数K 例例: 夹套反应釜的内径为夹套反应釜的内径为800mm，釜壁碳钢板，釜壁碳钢板厚厚8mm(=50w/mk),衬搪瓷厚衬搪瓷厚3mm（1.0w/mk)，夹套中通入饱和蒸汽，夹套中通入饱和蒸汽（=10000w/m2k)，蒸汽温度为，蒸汽温度为120，釜内，釜内有机物（有机物（=250w/m2k)温度为温度为80，试求该，试求该条件下的条件下的K值。值。化学与材料工程学院 3 3、传热过程平均温度差、传热过程平均温度差 传热平均温度差传热平均温度差tm是指热交换器里参予热交换的冷热是指热交换器里参予热交换的冷热流体

52、温度的差值。根据两流体沿传热壁面流动时各点温度的流体温度的差值。根据两流体沿传热壁面流动时各点温度的变化，可分为恒温传热与变温传热两种情况，现分别予以讨变化，可分为恒温传热与变温传热两种情况，现分别予以讨论。论。 (1)(1)、定态恒温传热、定态恒温传热 若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温度差就显得十分简若两侧流体皆为恒温，此时传热平均温度差就显得十分简单，即为两流体温度之差：单，即为两流体温度之差： t tm m=T-t=T-t 这种情况是很特殊的，它只是在间壁两侧的流体均发生相变这种情况是很特殊的，它只是在间壁两侧的流体均发生相变的情况才出现。例如传热壁的一侧饱和蒸汽冷凝另一侧则是的情况才

53、出现。例如传热壁的一侧饱和蒸汽冷凝另一侧则是液体沸腾气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就会有这种恒温传液体沸腾气化，在化工中在蒸发和蒸馏中就会有这种恒温传热的例子。热的例子。化学与材料工程学院 (2)、定态变温传热、定态变温传热 间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变间壁两侧流体的温度随传热面位置而变，这种情况称为变温传热，这是热交换中较为常见的情形。温传热，这是热交换中较为常见的情形。 变温传热时，两流体的温度差变温传热时，两流体的温度差t t也是沿传热壁面不断变也是沿传热壁面不断变化的。因此，传热计算中应使用平均温度差化的。因此，传热计算中应使用平均温度差t tm m，t tm m是

54、指整是指整个传热壁面的温度差的平均值。个传热壁面的温度差的平均值。t tm m计算方法不仅与冷热流体计算方法不仅与冷热流体的进出口温度有关，还与热交换器中冷热流体的相对流动方向的进出口温度有关，还与热交换器中冷热流体的相对流动方向有关。生产中常见的流体流向有四种类型，如图所示。有关。生产中常见的流体流向有四种类型，如图所示。（1）并流）并流 参与热交换的参与热交换的两流体流向相同。两流体流向相同。 （2）逆流）逆流 参与热交换的参与热交换的两流体流向相反。两流体流向相反。（3）错流）错流 参与热交换的参与热交换的两流体流向相互垂直。两流体流向相互垂直。（4）折流）折流 分简单折流和分简单折流和

55、复杂折流两种情况。复杂折流两种情况。 化学与材料工程学院 错流和折流的情况比较复杂，本课程不予讨论，仅讨论错流和折流的情况比较复杂，本课程不予讨论，仅讨论并流和逆流传热平均温度差的计算。并流和逆流传热平均温度差的计算。 化学与材料工程学院 122112121212lnlnmttTTtttttTttT 121212111222lnlnmttTTtttttTttT 化学与材料工程学院 平均温差平均温差: 例例: 在套管式换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度从在套管式换热器中，冷热流体进行热交换，热流体温度从120降到降到70，冷流体温度由，冷流体温度由20升到升到60，试比较并流与逆，试比较并

56、流与逆流的传热平均温度差。流的传热平均温度差。解：并流传热时：解：并流传热时： t1=120-20=100120-70 t2=70-60=1020-60 tm=(100-10)/ln(100/10)=39.1逆流传热时：逆流传热时：120-70 t1=120-60=6060100即可达到湍流。 1 流体流经的路径选择流体流经的路径选择(一) 选用和设计中应考虑的问题选择的原则化学与材料工程学院系列标准规定采用252.5mm,192mm两种规格的管子。钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，其中以3米和6米最为普遍。换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种，等边三

57、角形排列比正方形排列更为紧凑, 但正方形排列的管束清洗方便。换热管规格及排列换热管规格及排列抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。化学与材料工程学院折流挡板折流挡板化学与材料工程学院 确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。 依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估值，估算传热面积A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。 计算管程和壳程的压降，

58、根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。(二二) 列管换热器的选用和设计的步骤列管换热器的选用和设计的步骤 计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻Rs1和Rs2, 计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较A估和A计，若A估/A计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。化学与材料工程学院 强化传热的途径强化传热的途径 一、增大传热面积一、增大传热面积A A传热速率与传热面积成正比，传热面积增加可以使传热

59、强传热速率与传热面积成正比，传热面积增加可以使传热强化。需要注意的是，只有热交换器单位体积内传热面积增化。需要注意的是，只有热交换器单位体积内传热面积增大，传热才能强化。这只有改进传热面结构才能做到。例大，传热才能强化。这只有改进传热面结构才能做到。例如，采用小直径管，或采用翅片管、螺纹管等代替光滑管，如，采用小直径管，或采用翅片管、螺纹管等代替光滑管，可以提高单位体积热交换器的传热面积。我国浮头式热交可以提高单位体积热交换器的传热面积。我国浮头式热交换器系列由换器系列由2525管改为管改为1919管后，在壳径管后，在壳径D=500D=500900mm900mm时，时，传热面积可增加传热面积可

60、增加42%42%，单位传热面积的金属消耗量可降低，单位传热面积的金属消耗量可降低212131%31%。一些新型的热交换器，象板式、翅片式在增大。一些新型的热交换器，象板式、翅片式在增大传热面积方面取得了较好的效果。列管式热交换器每立方传热面积方面取得了较好的效果。列管式热交换器每立方米体积内的传热面积为米体积内的传热面积为4040160m160m2 2, ,而板式热交换器每立方而板式热交换器每立方米体积内能布置的传热面积为米体积内能布置的传热面积为2502501500m1500m2 2, ,板翅式更高，板翅式更高，一般能达到一般能达到2500m2500m2 2, ,高的可达高的可达4350m4